Постановка пассивного сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя существенно влияет на физические процессы в самом выпрямителе. Индуктивный характер имеет место при работе выпрямителя на фильтр, начинающийся с индуктивности или на обмотку реле, контактора, обмотки возбуждения электрических машин и др. Схема простейшего выпрямителя с индуктивным характером нагрузки приведена на рис.3.34. В этих схемах, как правило, выполняется условие 
>> 
т.е. индуктивное сопротивление дросселя на частоте пульсаций больше сопротивления нагрузки. Известно, что ток в индуктивности отстаёт от напряжения на π/2 и процесс нарастания и спада тока заканчивается в пределах одного периода.
Рисунок 3.34 – Однофазный, однотактный выпрямитель с
индуктивным характером нагрузки
Ток в цепи (i2) несинусоидален, так как кроме ЭДС вторичной обмотки в ней действует ЭДС индукции дросселя 
.
При увеличении тока происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя, а при уменьшении тока – освобождение этой энергии.
Таким образом, результатом включения индуктивности является “затягивание” тока вентиля. Угол протекания тока зависит от постоянной времени 
, где R=RН + rД + r2, rД - сопротивление диода, r2 - омическое сопротивление вторичной обмотки трансформатора (рис.3.35).
Рисунок 3.35 – Зависимость угла протекания тока от постоянной времени
Выполнить соотношение 
сложно т.к. возрастают потери в самом дросселе и существенно снижается общий КПД. Поэтому при индуктивном характере нагрузки применяют многофазные схемы p ≥ 2, где легко обеспечивается непрерывность тока за период пульсаций.
Возьмём трёхфазный однотактный выпрямитель (рис.3.36). На этом рисунке LS – индуктивность рассеяния вторичной обмотки; r – сопротивление потерь ( r = r2 + r1/n2 ), которое обычно r << Rн; 
– угол перекрытия фаз. Поскольку >> ток в нагрузке неизменный, а ток через вентиль имеет форму прямоугольного импульса. Переход тока с вентиля на вентиль из-за индуктивности рассеяния не может произойти мгновенно. Её ЭДС самоиндукции 
препятствует изменению тока – в одной фазе он снижается, а в другой нарастает. В результате ток одновременно течёт по двум фазам. Это явление называется перекрытием токов фаз. Оно существенно влияет на качественные и количественные соотношения в схеме выпрямления.
Рисунок 3.36 – Трёхфазный однотактный выпрямитель
В однотактной однофазной схеме нет перехода тока с одного вентиля на другой, поэтому Ls в ней на физические процессы практически не влияет. В трёхфазной схеме имеет место конечное время перехода тока (переключение фаз). Если пренебречь сопротивлением вентилей и трансформатора, то затягивания тока не будет – переключение мгновенное. Из-за перекрытия фаз постоянная составляющая U0 уменьшается на величину площади треугольника в напряжении Ud.
В итоге наличие r и Ls приводит к более резкому падению внешней характеристики выпрямителя (т.е. повышению Rвых), которая показана на рис.3.37.
Рисунок 3.37 – Внешняя характеристика выпрямителя с индуктивным
характером нагрузки
Здесь, при токе нагрузки меньше некоторой величины I0кр соотношение 
перестает выполняться. Ток дросселя становится прерывистым, он разряжается полностью и напряжение возрастает.
По выпрямителям с индуктивным характером нагрузки можно сделать следующие выводы:
1) Индуктивная составляющая сопротивления и нагрузки должна быть соизмерима с Rн (иначе КПД будет низким).
2) Форма кривой тока вентиля приближается к прямоугольной.
3) Длительность работы каждой фазы не зависит от индуктивности в цепи нагрузки, а определяется числом фаз выпрямления (пульсностью) и индуктивностью рассеяния трансформатора.
4) Наличие индуктивности рассеяния приводит к перекрытию токов фаз, при этом U0 снижается, а пульсации на входе сглаживающего фильтра возрастают.
Мкостный характер нагрузки
Ёмкостный характер нагрузки имеет место при работе выпрямителя на фильтр, начинающийся с ёмкости, как это показано на рис.3.38.
Постоянная цепи заряда 
много меньше постоянной цепи разряда 
, поэтому время заряда (угол 
) много меньше времени разряда конденсатора фильтра на нагрузку. Имеет место отсечка тока вентиля 
. При увеличении RH замедляется разряд и точка пересечения U2 и UC сдвигается, угол 
уменьшается, пульсации напряжения тоже уменьшаются. При токе
Рисунок 3.38 – Простейший выпрямитель с ёмкостной нагрузкой
нагрузки равном нулю конденсатор не разряжается и U0=Um2 . Обратное напряжение на вентиле тоже максимально и равно 
. Внешняя характеристика нелинейна и выходное сопротивление можно определить только в рабочей точке через приращения (рисунок 3.39).
. 
Рисунок 3.39 – Внешняя характеристика выпрямителя с ёмкостной
нагрузкой
Однофазная однотактная схема выпрямления имеет довольно высокие пульсации при низкой частоте основной гармоники и плохо используется трансформатор. Однако, простота однотактных схем делает их более привлекательными перед двухтактными для получения высоких напряжений.
Рассмотрим схему удвоения напряжения. Она приведена на рис. 3.40 и состоит их двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою
Рисунок 3.40 – Схема удвоения напряжения (симметричная)
полуволну напряжения сети. Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах С1 и С2 . Если пульсации малы, то постоянная составляющая на нагрузке
(3.43)
При сложении компенсируются все нечётные гармоники в том числе и первая (р=2). Недостатком схемы является отсутствие общей точки между трансформатором и нагрузкой, что неудобно с точки зрения электробезопасности.
Ещё одна схема удвоения приведена на рис.3.41. Она называется несимметричной и имеет общую точку сети и нагрузки.
Рисунок 3.41 – Несимметричная схема удвоения напряжения
В этой схеме частота первой гармоники пульсаций равна частоте сети. Конденсатор С1 выполняет функцию промежуточного накопителя энергии, поэтому масса и объём несимметричного удвоителя больше чем у симметричного.
Зато получилась регулярная структура, которую можно наращивать, как показано на рис.3.42.
Рисунок 3.42 – Несимметричная схема удвоения напряжения (а) и
умножитель напряжения на шесть (б)
В умножителе напряжения нагрузку можно подключить и к верхней группе конденсаторов – получим умножитель на пять. Умножители выпускают в виде неразборного блока. Число конденсаторов равно коэффициенту умножения. Выходное сопротивление исчисляется килоомами.
Управляемые выпрямители
Управляемым называют выпрямитель, у которого при неизменном входном напряжении можно регулировать выходное напряжение.
Управлять выходным напряжением можно с помощью переключения витков первичной или вторичной обмоток трансформатора, лабораторным автотрансформатором (ЛАТРом) или введением реостата в цепь тока. Первый способ даёт дискретность регулировки, что не всегда приемлемо, второй – из-за наличия скользящих контактов имеет низкую надёжность, а третий ( с помощью реостатов) – низкий КПД. Поэтому используют управляемые вентили, включаемые вместо неуправляемых в схему выпрямления.
В качестве таких вентилей используют тиристоры - четырёхслойные p-n-p-n структуры. На рис.3.43а,б,в приведены соответственно условное обозначение, схема замещения и ВАХ тиристора (триака). :
Рисунок 3.43 – Условное обозначение, схема замещения и ВАХ тиристора
В обычном состоянии тиристор заперт. В схеме существует два устойчивых состояния: открытое (точка А) и закрытое ( точка В).
Повышение напряжения источника от 0 до Е при Iуэ = 0 приводит к перемещению рабочей точки по нижнему участку характеристики. Если подать импульс тока управления Iуэ достаточный для включения, то р.т. перейдет в точку А и цепь управления перестанет влиять на процессы в анодной цепи тиристора – цепь управления не нужна. Это система с внутренней положительной обратной связью, поэтому тиристоры имеют большой коэффициент усиления по мощности.
Обычно Е всегда меньше напряжения включения «по аноду» (Uamax) на 20…30%. Выключить тиристор можно только путём уменьшения Iа до уровня меньше тока удержания ( Iуд), за счёт увеличения Rн или уменьшения Е.
В открытом состоянии тиристоры пропускают большие токи (сотни ампер), но они инерционны, время включения составляет 0,1…10 мкс, а время выключения 1…100 мкс.
Для надёжной работы тиристора нельзя превышать некоторую критичную скорость нарастания анодного напряжения. В противном случае существует опасность ложного включения через паразитные ёмкости p-n переходов. Обычно скорость нарастания анодного напряжения лежит в пределах dUа/dt =10...500 В/мкс и УЭ тиристора шунтируют резистором величиной от 51Ом до 1.5кОм.
Наряду с рассмотренным тиристором имеется группа четырёхслойных приборов с разнообразными свойствами это динисторы, симисторы и запираемые тиристоры. Они приведены на рис. 3.44.
Рисунок 3.44 – Условное обозначение динистора (а), симистора(б)
и запираемого тиристора (в).
У динистора регламентировано напряжение включения по аноду. Это двухэлектродный прибор. Симистор предназначен для работы в цепях переменного тока при этом сигнал управления можно подавать относительно катода или относительно анода. Все названные выше приборы выключаются только путём уменьшения его анодного тока ниже тока удержания.
Однако имеются и так называемые запираемые тиристоры, т.е. путём подачи тока в цепь УЭ обратного направления тиристор может быть выключен. Но при этом коэффициент усиления по выключению на порядок ниже, чем по включению.
Все названные приборы широко используются в устройствах автоматики и источниках питания в качестве регуляторов, стабилизаторов и устройств защиты.
Обычно тиристор ставят в схему выпрямления вместо неуправляемого вентиля. Возьмём однофазный мост (рис.3.45). На этом рисунке 
- угол включения тиристора (угол относительно точки естественного включения неуправляемого вентиля).
Рисунок 3.45 – Однофазный управляемый мост
Найдём постоянную составляющую напряжения на нагрузке.
Учитывая, что напряжение U2 гармоническое 
, то
(3.44) Если в (3.44) принять 
, то 
- напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя; если 
, то 
. Зависимость 
есть регулировочная характеристика управляемого выпрямителя. Она приведена на рис.3.46 и имеет нелинейный характер.
Рисунок 3.46 – Регулировочная характеристика однофазного
управляемого моста при активной нагрузке
При индуктивной нагрузке, когда 
ток вентиля имеет прямоугольную форму. На рис.3.47 приведены эпюры для угла включения 
(рис.3.47а) и
(рис. 3.47б). 
Рисунок 3.47 – Эпюры в управляемом выпрямителе с индуктивной нагрузкой
Если угол включения равен нулю 
, то переход тока с вентиля на вентиль происходит в моменты кратные 
.
Если 
, то происходит затягивание тока вентиля из-за ЭДС самоиндукции дросселя цепи нагрузки.
. (3.45)
При этом первая гармоника тока, потребляемого от сети (i1) сдвигается относительно напряжения на угол включения ( 
). Для исключения затягивания в схему вводят, так называемый, нулевой вентиль 
, как показано на рис.3.48. В этом случае, при 
ток через управляемые вентили заканчивается в момент времени 
(ток замыкается через ), затягивания тока нет и угол сдвига первой гармоники тока i1 становится равным 
.
Рисунок 3.48 – Управляемый выпрямитель с индуктивной
нагрузкой и нулевым вентилем
Коэффициент мощности такой схемы выше, но она содержит много вентилей, получилась сложной, поэтому чаще используют несимметричный выпрямитель (рис.3.49).
Рисунок 3.49 – Несимметричный управляемый выпрямитель
Здесь диоды 
и 
играют роль нулевого вентиля, поэтому 
; асимметрия может быть любой (неуправляемые вентили могут стоять в анодной или в катодной группе или как на рис.3.49).
Тиристоры используют и в вольтодобавочных схемах, которые по сравнению с рассмотренными, имеют более высокий КПД, поскольку преобразуют только часть энергии для нагрузки. Схема выпрямителя с вольтодобавкой приведена на рис.3.50. Здесь минимальное напряжение на выходе
Рисунок 3.50 – Выпрямитель с вольтодобавкой
обеспечивается неуправляемым выпрямителем VD1 и VD2. Повышение напряжения достигается включением тиристоров VS1 и VS2. В максимальном режиме диоды всегда закрыты и угол включения . Такие схемы имеют хорошие энергетические показатели, но требуются дополнительные обмотки на трансформаторе.
Примеры задач по выпрямителям с решениями
Пример 3.9.1
Исходные данные: Потери в полупроводниковом приборе (вентиле) составляют 12ватт. Учитывая трёхэлементную тепловую модель (полупроводник– корпус – радиатор –среда ), тепловые сопротивления переходов равны: полупроводник – корпус Rп-к= 0,1 0С/Вт, корпус – радиатор Rк-р= 20С/Вт, радиатор – среда Rр-с= 3,50С/Вт и температура окружающей среды tОС=20 0С.
Определите температуру полупроводника (tП).
Решение. Температура полупроводника определяется выражением (3.6):
Пример 3.9.2
Исходные данные: Вентиль работает в однополупериодной схеме выпрямления при гармоническом напряжении и активной нагрузке. Максимальное значение тока Ia m = 45А, UД= 0,8 В, rд.=1,5 ∙10-3 Ом. Для трёхэлементной тепловой модели вентиля (полупроводник– корпус – радиатор –среда ), тепловые сопротивления переходов составляют: Rп-к= 0,15 0С/Вт, Rк-р=1,80С/Вт, Rр-с= 2,50С/Вт, температура окружающей среды tОС=20 0С.
Определите температуру полупроводника (tП).
Решение. Потери мощности в диоде PТ равны:
Температура перегрева и перехода полупроводника соответственно:
Пример 3.9.3
Исходные данные: На рисунке 3.51 представлены эпюры выходного напряжения Ud различных неуправляемых выпрямителей.
Рисунок 3.51– Временные зависимости выпрямленного напряжения
Определите среднее значение напряжения (постоянную составляющую) U0.
Решение. Среднее значение напряжения равны:
для рисунка 3.51а : 
для рисунка 3.51б : 
,
для рисунка 3.51в : 
Пример 3.9.4
Исходные данные: Параметры схемы замещения трёхфазного мостового выпрямителя следующие: U0xx = 74 В; Rвнут.=0,62 Ом; UD. =1,3 В. Нестабильность напряжения сети N1= ±0,1.
Определите среднее значение напряжения на выходе с учётом нестабильности входного напряжения для граничных значений тока нагрузки I0min= =5А; I0max= 20А. Постройте семейство внешних характеристик.
Решение. Из уравнения для внешней характеристики (см. разд. 1.5.4) рассчитаем значения напряжений в крайних точках а…е (рис.3.52), если число вентилей одновременно проводящих ток в мостовой схеме NД =2.
Рисунок 3.52– Семейство внешних характеристик
Пример 3.9.5
Исходные данные: Имеется трёхфазный мостовой выпрямитель с выходными параметрами U0 = 24В, I0 = 16А.
Определите величины U2 , Um(1) , I2 , Iа , Uобр , PТ а также U0ХХ и U2ХХ , если внутреннее сопротивление выпрямителя RВН =1,2 Ом, а пороговое напряжение вентиля UD =0,9 В.
Решение. Используя основные расчётные соотношения таблицы 3.1 [31], найдём параметры выпрямительного устройства.
Таблица 3.1 – Основные соотношения в схеме выпрямления
| Схема \ параметр | p | U 2 / U 0 | U ОБР / U 0 | I 2 / I 0 | I а / I 0 | Um (1) / U 0 | P Т / P 0 |
| Трёхфазный мост (звезда – звезда) | 6 | 0,43 | 1,05 | 0,82 | 0,58 | 0,057 | 1,05 |
Получаем 
,
,
,
,
,
.
Из линейности внешней характеристики выпрямителя следует:
Используя коэффициент выпрямления по напряжению, получим
.
Пример 3.9.6
Исходные данные: В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис.3.53) все диоды имеют одинаковые вольтамперные характеристики.
Рисунок 3.53– Схема однофазного двухтактного выпрямителя
Определите частоту первой гармоники пульсаций на нагрузке, если частота сети равна 
.
Решение: При подаче положительной полуволны сетевого напряжения диоды VD1 и VD5 находятся в открытом состоянии, положительная полуволна фазного напряжения проходит в нагрузку. После смены полярности сетевого напряжения ток протекает через диоды VD3, VD4 и VD2. Из–за разного числа работающих диодов в выпрямленном напряжении появляются пульсации с частотой сети (огибающая на рисунке 3.54).
Рисунок 3.54– Выпрямленное напряжение
Пример 3.9.7
Исходные данные: на рисунке 3.55 приведены схемы замещения неуправляемых выпрямителей, где VD – идеальный вентиль.
Рисунок 3.55– Схемы замещения выпрямителей
Расположите схемы в порядке возрастания выходного напряжения.
Решение. Рассчитаем уровни выходного напряжения для каждой схемы.
а) 
.
б) 
.
в) 
.
Таким образом, схемы следует расположить в порядке а , в , б.
Пример 3.9.8
Исходные данные: Однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель с выходными параметрами: Uo=30 В, Io=10А работает на активную нагрузку.
Определите минимально допустимые параметры вентиля (Uобр, Iпр) и выберите типовой вентиль из таблицы 3.2.
Таблица 3.2 – Основные характеристики некоторых силовых диодов [14,28]
| Тип диода | U обр макс, В | Iпр ср макс, А |
| 1N5408 | 1000 | 30 |
| 40EPS12 | 1200 | 40 |
| 2Д213А | 200 | 10 |
| 2Д213Б | 200 | 10 |
| 2Д206А | 400 | 5 |
| 2Д206Б | 500 | 5 |
| 2Д203Б | 560 | 10 |
Решение. Максимальная величина обратного напряжения равна амплитудному значению напряжения сети: 
. Средний ток диода равен: 
. Выбираем полупроводниковый диод 2Д213Б из условия 
и 
.
Пример 3.9.9
Исходные данные: напряжение на входе трёхфазного мостового неуправляемого выпрямителя показано на рисунке 3.56.
Рисунок 3.56 – Входное напряжение
Определите мгновенное напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя в момент времени t=t1.
Решение: В схеме трёхфазного мостового неуправляемого выпрямителя в любой момент времени работает один диод из анодной группы, другой диод из катодной . К нагрузке, при этом, прикладывается линейное напряжение, которое в момент времени t=t1 равно 150 В.
Пример 3.9.10
Исходные данные: На вход идеального однофазного, мостового, неуправляемого выпрямителя подаётся напряжение U2 (рисунок 3.57).
Рисунок 3.57 – Временная зависимость входного напряжения
Определите постоянную составляющуюнапряжения на выходе - U0.
Решение. При подаче на вход выпрямителя пилообразного двухполярного напряжения U2, происходит его преобразование в однополярное (рисунок 3.58).
Рисунок 3.58– Временная зависимость выходного напряжения Ud
Его среднее значение равно: 
.
Пример 3.9.11
Исходные данные: На вход неуправляемого выпрямителя подается синусоидальное напряжение U1 = 60 В .
Определите предельно возможное значение выпрямленного напряжения, если пульсность схемы выпрямления устремить в бесконечность ( 
) .
Решение: 
Пример 3.9.12
Исходные данные: Внешняя характеристика выпрямителя имеет вид, представленный на рисунке 4.12.
Рисунок 3.59– Внешняя характеристика выпрямителя
Определите внутреннее сопротивление выпрямителя.
Решение: 
.
Пример 3.9.13
Исходные данные: имеется трёхфазный мостовой выпрямитель с выходным напряжением U0=48 В.
Определите как изменится выходное напряжение U0 если:
а) напряжение сети возрастёт в 1,2 раза;
б) частота сети возрастёт в 1,2 раза;
в) оборвётся одна из фаз на входе.
Решение: а) Выпрямленное напряжение прямо пропорционально входному напряжению: поэтому среднее значение выходного напряжения также увеличится в 1,2 раза (U0=57,6 В).
б) Выпрямленное напряжение прямо пропорционально пульсности, которая не зависит от частоты входного напряжения, поэтому U0=48 В не изменится.
в) При обрыве одной фазы (например, фазы b) из работы выйдут по одному элементу анодной и катодной групп, тогда получится однофазная мостовая схема выпрямления. Временные зависимости напряжения представлены на рисунке 3.60.
Рисунок 3.60– Временные зависимости входного и выходного напряжения выпрямителя
Таким образом, выходное напряжение U0 находим через действующее линейное напряжение на вторичной стороне трансформатора U2 :
и далее 
.
Пример 4.16
Исходные данные: имеется двухфазный, однотактный выпрямитель. Число витков первичной обмотки трансформатора W1 , а число витков вторичной обмотки W2, при этом W1=2W2. Напряжение сети гармоническое, ток нагрузки I0=10А.
Определите эффективное значение тока первичной обмотки трансформатора.
Решение. Величина тока во вторичной обмотке трансформатора определяется соотношением 
откуда находим
Примеры задач по сглаживающим фильтрам с решениями
Пример 3.10.1
Исходные данные: Сглаживающий фильтр источника электропитания, собранный по схеме рисунка 3.61 а имеет коэффициент сглаживания q1 = 185.
Рисунок 3.61 – Схемы сглаживающих фильтров
Определите коэффициент сглаживания q2 фильтра, собранного из тех же элементов, но по схеме рисунка 3.61 б.
Решение. Исходный сглаживающий фильтр выполнен по двухзвенной схеме с коэффициентом сглаживания: 
Для схемы фильтра по рисунку 3.61б коэффициент сглаживания равен:
Пример 3.10.2
Исходные данные: Среднее значение напряжения на выходе LC – сглаживающего фильтра равно U0 = 20 В; амплитуда пульсации U1m = 0,2 В. Фильтр подключен к выходу однофазной мостовой схема выпрямления.
Определите коэффициент сглаживания фильтра.
Решение. Коэффициент пульсаций на входе фильтра KПВХ = 0,67, так как выпрямитель построен по однофазной мостовой схеме выпрямления, а коэффициент пульсаций на выходе фильтра 
Тогда коэффициент сглаживания фильтра 
Пример 3.10.3
Исходные данные: Имеется LC – сглаживающий фильтр с коэффициентом сглаживания q=100.
Определите во сколько раз изменится сглаживающее действие фильтра, если величина индуктивности возрастёт в 2 раза и ёмкость возрастёт в 2 раза, а частота пульсаций уменьшится в 2 раза.
Решение. Коэффициент сглаживания LC – фильтра определяется выражением: 
, поэтому сглаживающее действие фильтра не изменится, поскольку 
Пример 3.10.4
Исходные данные: Имеется эквивалентная схема индуктивного фильтра (рис. 3.62 а) с импульсной нагрузкой ( R2, R3) и следующими параметрами U1 = 60 В; R1 = 1 Ом; R2 = 4 Ом; R3 = 5 Ом; L=1мГн .
Определите уровни токов и напряжений (расчёт по постоянному току рис. 3.62б и в момент коммутации). Изобразите ожидаемые диаграммы переходных процессов при периодической коммутации ключа К.
Рисунок 3.62 – Схемы импульсного воздействия со стороны нагрузки
Решение. Диаграммы переходных процессов изображены на рисунке 3.63, при этом штриховой линией показаны процессы для схемы рисунка 3.62б.
Рисунок 3.63 – Диаграммы переходных процессов
Установившийся ток на интервале времени [t0…t1] определяется выражением: 
на интервале [t1…t2] – 
Установившееся значение напряжения на нагрузке на интервале времени [t0…t1] определяется выражением: 
на интервале [t1…t2] – 
Постоянная времени, определяющая скорость протекания переходного процесса для первой схемы на интервале времени [t0…t1] равна: 
на интервале [t1…t2] –
Пример 3.10.5
Исходные данные: Схемы пассивного (а) и активного (б) сглаживающих фильтров приведены на рисунке 3.64.
Рисунок 3.64 – Схемы сглаживающих фильтров
Определите коэффициенты сглаживания этих фильтров.
Решение. Коэффициент сглаживания пассивного RC – фильтра определяется выражением: 
, где 
.
Отсюда, 
Коэффициент сглаживания активного RC– фильтра определяется выражением:
Пример 3.10.6
Исходные данные: Выходное напряжение сглаживающего фильтра представлено на рисунке 3.65.
Рисунок 3.65 – Форма выходного напряжения фильтра
Определите коэффициент пульсаций этого напряжения.
Решение. В соответствие с определением коэффициента пульсаций (1.3): 
, 
. Тогда 
Пример 3.10.7
Исходные данные: Напряжение на входе трёхзвенного сглаживающего фильтра имеет вид, показанный на рисунке 3.66.
Рисунок 3.66 – Трёхзвенный сглаживающий фильтр
Определите коэффициент пульсаций на выходе фильтра.
Решение. Из рисунка видно, что коэффициент пульсаций на входе фильтра: 
. Коэффициент сглаживания трёхзвенного фильтра равен: 
. Следовательно, коэффициент пульсаций на выходе фильтра – 
Пример 3.10.8
Исходные данные: Магнитопровод дросселя сглаживающего фильтра изготовлен из стали, основная кривая намагничивания которой приведена на рисунке 3.67. Средняя длина магнитной силовой линии равна 
, поперечное сечение магнитопровода Sс=1см2, число витков W=300.
Рисунок 3.67 – Кривая намагничивания стали
Определите величину индуктивности. При этом значения магнитной индукции B и напряженности поля H выбирайте на рабочем участке кривой намагничивания.
Решение. Магнитопровод дросселя сглаживающего фильтра работает на линейном участке кривой намагничивания и не должен насыщаться при подмагничивании постоянным током (нагрузки). Поэтому находим
.
Пример 3.10.9
Исходные данные: Схемы пассивных сглаживающих RC– фильтров приведены на рисунке 3.68.
Определите отношение коэффициентов сглаживания фильтров q2/q1 для этих схем.
Рисунок 3.68 – Схемы сглаживающих RC – фильтров
Решение. Коэффициенты сглаживания 
, 
.
Тогда их отношение:
Пример 3.10.10
Исходные данные: Схемы пассивных сглаживающих фильтров приведены на рисунке 3.69 (потери в дросселе не учитываются). Частота пульсаций 
, индуктивность L=1 мГн, нагрузка RН=0,2 Ом.
Расположите схемы в порядке возрастания коэффициента сглаживания.
Рисунок 3.69 – Схемы сглаживающих фильтров
Решение. Коэффициенты сглаживания для каждой из схем рисунка 3.69 соответственно равны :
а) 
.
б) 
.
в) 
.
г) 
.
Ответ: а-в-г-б.
Пример 3.10.11
Исходные данные: Сглаживающий LC – фильтр выполнен на элементах L = 24 мГн, С = 60 мкФ.
Определите величину всплеска напряжения на нагрузке при уменьшении тока нагрузки скачком на величину ΔI = 3 А.
Решение. Если 
– волновое сопротивление, то величина всплеска равна
.
Пример 3.10.12
Исходные данные: Ёмкостный сглаживающий фильтр подключен к выходу однофазного мостового выпрямителя и напряжение на нагрузке имеет вид рисунка 3.70.
Рисунок 3.70 – Напряжение на конденсаторе фильтра
Определите коэффициент сглаживания ёмкостного фильтра.
Решение. В однофазной мостовой схеме выпрямления коэффициент пульсаций на входе фильтра (на выходе схемы выпрямления без фильтра!) равен 
.
Коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке равен: 
Тогда, коэффициент сглаживания
Пример 3.10.13
Исходные данные: Схемы сглаживающих LC–фильтров приведены на рисунке 3.71 (потери в дросселе не учитываем).
а) б)
Рисунок 3.71 – Схемы LC–фильтров
Определите коэффициент сглаживания (q2) для фильтра по схеме рисунка 3.71 б.
Решение. Для исходного фильтра 
Если индуктивность увеличивается в два раза и ёмкость увеличивается в два раза, то коэффициент сглаживания возрастает в четыре раза, а при каскадном включении ( двухзвенный фильтр):
.
Пример 3.10.14
Исходные данные: к выходу однофазного мостового выпрямителя подключен LC – фильтр с коэффициентом сглаживания q =70.
Определите во сколько раз изменится сглаживающее действие фильтра, если его подключить к выходу трёхфазного однотактного выпрямителя?
Решение. Для однофазного мостового выпрямителя пульсность 
, а для трёхфазного однотактного выпрямителя 
. Составим соотношение:
. Сглаживающие свойства возрастут в 2,25 раза, т.е. 
.
Стабилизаторы
4.1 Основные определения
Стабилизатор это устройство автоматического поддержания в заданных пределах напряжения или тока в условиях воздействия дестабилизирующих факторов (напряжение, ток, температура, давление, влажность, вибрация и пр.).
Стабилизатор обязательно должен иметь регулирующий орган
( регулирующий элемент – РЭ ).
В зависимости от способа включения РЭ относительно нагрузки, стабилизаторы делятся на параллельные и последовательные (рис.4.1).
Рисунок 4.1 – Стабилизаторы
В параллельных стабилизаторах РЭ включен параллельно нагрузке. Эти стабилизаторы не боятся перегрузок по току и КЗ нагрузки. Через балластный резистор ( 
) протекает ток 
, а выходное напряжение равно:
(4.1)
Очевидно, что при изменении входного напряжения, путём изменения тока через РЭ можно поддерживать постоянство выходного напряжения.
В последовательных стабилизаторах РЭ включен последовательно в цепь тока нагрузки. Здесь выходное напряжение:
(4.2)
При изменении входного напряжения, путём изменения сопротивления РЭ можно изменять падение напряжения на нём и поддерживать постоянство выходного напряжения.
В зависимости от того, чем управляется РЭ все стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные.
В параметрических стабилизаторах управление РЭ производится тем же внешним воздействием, которое нарушает постоянство выходной величины. В них используются нелинейные свойства характеристик РЭ ( вольт-амперных, ампер-вольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.). В качестве РЭ применяются стабилитроны, терморезисторы, дроссели насыщения и пр.
В компенсационных стабилизаторах управление РЭ производится отклонением выходной величины от заранее заданного значения независимо от того, чем вызвано это отклонение. В этих стабилизаторах обязательно имеется эталонный источник и цепь обратной связи.
Стабилизаторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:
1. Коэффициент стабилизации по выходному напряжению в номинальном режиме:
, (4.3)
иногда используется нестабильность выходного напряжения (или статическая ошибка):
при 
(4.4)
2. Внутреннее сопротивление стабилизатора:
при 
(4.5)
Зная 
, можно найти 
при изменении тока нагрузки.
Вместо 
иногда используют нестабильность по току:
при 
(4.6)
3. Нестабильность в температуре:
или 
при 
(4.7)
4. Коэффициент сглаживания пульсаций:
, (4.8)
где 
- амплитуда пульсаций.
Если пульсации считать нестабильностью входного напряжения определённой частоты, то q должен быть равным KU, но обычно это не выполняется в компенсационных стабилизаторах из-за частотных свойств цепи обратной связи, поэтому в общем случае q ≠ KU.
5. Коэффициент полезного действия:
(4.9)
Стабилизаторы переменного напряжения (тока) дополнительно характеризуются нестабильностью по частоте сети ( 
), нестабильностью входного импеданса ( 
) или его реактивной части и коэффициентом мощности. Существенны также их масса, объём и срок службы.
Наибольший вклад в общую нестабильность выходного напряжения вносят первые три составляющие и, в зависимости от этой суммарной нестабильности 
, стабилизаторы делят на:
низкой точности 
средней точности 
высокой точности 
прецизионные 
.
Для питания аппаратуры связи, в подавляющем большинстве случаев, применяют стабилизаторы средней точности.
Дата: 2018-12-21, просмотров: 344.
