Leistungsfilter

Verschiedene elektronische Geräte benötigen Spannungsquellen, um die Gleichstromgeräte mit Strom zu versorgen. Ausgangsspannung Gleichrichter hat eine pulsierende Erscheinung. Darin können Sie den Durchschnitts- oder Gleichstromanteil der Spannung und den variablen Anteil auswählen, der als Welligkeitsspannung oder Welligkeit der Ausgangsspannung bezeichnet wird.

Somit bestimmt die Welligkeit die Abweichung des Momentanwerts der Ausgangsspannung vom Durchschnitt und kann sowohl positiv als auch negativ sein. Spannung wird durch zwei Faktoren charakterisiert: Frequenz und Amplitude der Wellen. Bei Gleichrichtern ist die Welligkeitsfrequenz entweder gleich der Frequenz der Eingangsspannung (bei einem Einweggleichrichter) oder doppelt so hoch (bei einem Vollweggleichrichter).

Bei einem Einweggleichrichter wird nur eine Halbwelle der Eingangsspannung verwendet, um die Ausgangsspannung zu erhalten, und die Ausgangsspannung liegt in Form von unidirektionalen Halbwellen vor, die der Frequenz der Eingangsspannung folgen.

Bei Vollweggleichrichtern (sowohl Nullpunkt- als auch Brückengleichrichter) werden die Halbwellen der Ausgangsspannung durch jede Halbwelle der Eingangsspannung gebildet. Daher ist die Wellenfrequenz hier doppelt so hoch Netzwerkfrequenz… Wenn die Frequenz des Stroms im Netz 50 Hz beträgt, ist die Frequenz der Wellen im Einweggleichrichter gleich und im Vollwellengleichrichter beträgt sie 100 Hz.

Für die Bestellung muss die Amplitude der Welligkeit der Gleichrichterausgangsspannung bekannt sein. um den Wirkungsgrad der Filter zu bestimmen, die am Ausgang der Gleichrichter installiert sind, die den Mittelspannungsanteil abgeben. Diese Amplitude wird üblicherweise durch den Welligkeitsfaktor (Erms) charakterisiert, der als Verhältnis des Effektivwerts der variablen Komponente der Ausgangsspannung zu ihrem Durchschnittswert (Edc) definiert ist:

r = Erms /Edc

Je niedriger der Welligkeitsfaktor, desto höher ist die Effizienz des Filters. Auch der in Prozent ausgedrückte Welligkeitsfaktor wird in der Praxis häufig verwendet:

(Erms /Edc)x100 %.

Tiefpassfilter werden häufig in Netzteilen verwendet. Diese Filter lassen Signale, deren Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz des Filters liegen, nahezu ohne Dämpfung oder Dämpfung vom Eingang zum Ausgang durch, und alle höheren Frequenzen werden praktisch nicht zum Ausgang des Filters übertragen.

Filter sind ausführbar Widerstände, Induktoren Und Kondensatoren… Der Einsatz von Filtern in den Netzteilen zielt darauf ab, die Welligkeit der Gleichrichterausgangsspannung zu glätten und den Gleichstromanteil der Spannung zu isolieren.

In Stromversorgungsgeräten verwendete Filter werden in zwei Haupttypen unterteilt:

• Filter mit kapazitivem Eingang,

• induktive Eingangsfilter.

Es werden verschiedene Kombinationen der Einbeziehung von Filterelementen verwendet, die unterschiedliche Namen haben (U-förmiger Filter, L-förmiger Filter usw.). Der Hauptfiltertyp wird durch das Filterelement bestimmt, das direkt am Ausgang des Gleichrichters installiert ist.

In Abb. 1a und 1b zeigen die wichtigsten Filtertypen. Im ersten Fall ist der Filterkondensator mit dem Ausgang des Gleichrichters verbunden und überbrückt die Last. Durch den Siebkondensator wird der Hauptteil des Wechselstromanteils des Gleichrichters geschlossen. Im zweiten Fall ist an den Ausgang des Gleichrichters eine Siebdrossel angeschlossen, die mit der Last eine Reihenschaltung bildet und jegliche Stromänderungen in dieser Reihenschaltung verhindert.

Reis. 1

Ein kapazitiver Eingangsfilter bietet einen höheren Ausgangsspannungspegel als ein induktiver Eingangsfilter, und ein induktiver Eingangsfilter reduziert die Spannungswelligkeit besser. Daher ist es ratsam, einen kapazitiven Eingangsfilter zu verwenden, wenn eine höhere Versorgungsspannung erforderlich ist, und einen induktiven Eingangsfilter, wenn eine bessere DC-Ausgangsqualität erforderlich ist.

Kapazitiver Eingangsfilter

Bevor man den Betrieb komplexer Filter betrachtet, ist es notwendig, den Betrieb des einfachsten kapazitiven Filters zu verstehen, der in Abb. 2a. Ausgangsspannung des Gleichrichters ohne Filter auf dem Displayyo in Abb. 2b und bei Vorhandensein eines Filters - in Abb. 2c. Ohne Filterkondensator hat die Spannung in Rl pulsierenden Charakter. Der Mittelwert dieser Spannung ist die Ausgangsspannung des Gleichrichters.

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Bei Vorhandensein eines Filterkondensators wird der Hauptteil der Wechselstromkomponente des Stroms unter Umgehung der Last durch den Kondensator geschlossen Rl... Mit dem Erscheinen der ersten Halbwelle der Ausgangsspannung Der Filterkondensator beginnt sich aufzuladen Wenn das Gehäuse positiv ist, ändert sich die Spannung entsprechend der Ausgangsspannung des Gleichrichters und erreicht am Ende der Hälfte der Halbwelle ihren Maximalwert.

Darüber hinaus sinkt die Sekundärspannung des Transformators und der Kondensator beginnt sich über R1 zu entladen, wodurch die positive Spannung und der positive Strom in der Last auf einem höheren Niveau bleiben, als dies ohne Filter der Fall wäre.

Bevor sich der Kondensator vollständig entladen kann, tritt eine zweite positive Spannungshalbwelle auf, die den Kondensator erneut auf seinen Maximalwert auflädt. Sobald die Sekundärwicklungsspannung zu sinken beginnt, beginnt der Kondensator erneut, sich an die Last zu entladen. Künftig wechseln sich die Lade- und Entladezyklen des Kondensators in jeder Halbwelle ab,

Der Ladestrom des Kondensators fließt durch die Sekundärwicklung des Transformators und das dieser Halbwelle entsprechende Gleichrichterdiodenpaar, und der Entladestrom des Kondensators wird durch die Last geschlossen Rl... Die Reaktanz des Kondensators am Die Netzfrequenz ist im Vergleich zu Rl gering. Daher fließt der variable Anteil des Stroms hauptsächlich durch den Filterkondensator und praktisch durch Rl D.C..

Induktiver Eingangsfilter

Betrachten Sie einen induktiven Eingangsfilter oder einen L-förmigen LC-Filter. Seine Einbeziehung in den Gleichrichter und die Wellenform der Ausgangsspannung sind in Abbildung 3 dargestellt.

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Serielle Verbindung Filterdrossel (L) mit Last hemmt Stromänderungen im Stromkreis. Die Ausgangsspannung ist hier geringer als bei einem kapazitiven Eingangsfilter, da die Drossel eine Reihenschaltung mit einer Impedanz bildet, die durch die Parallelschaltung von Last und Filterkondensator gebildet wird. Eine solche Verbindung führt zu einer guten Glättung der am Eingang des Filters wirkenden Spannungswelle und verbessert die Qualität der konstanten Ausgangsspannung, verringert jedoch deren Wert.

Der Wechselstromanteil der Gleichrichterausgangsspannung ist nahezu vollständig von der Drosselinduktivität isoliert, und der mittlere Anteil ist die Versorgungsausgangsspannung. Das Vorhandensein einer Drossel führt dazu, dass die Dauer des leitenden Zustands der Gleichrichterdioden hier im Gegensatz zum Gleichrichter mit kapazitivem Filter gleich der halben Periode ist.

Die Drosselreaktanz (L) verringert den Wert der Welligkeitsspannung, da sie verhindert, dass der Drosselstrom ansteigt, wenn die Ausgangsspannung des Gleichrichters größer als die Lastspannung ist, und außerdem verhindert, dass der Strom abnimmt, wenn die Ausgangsspannung des Gleichrichters niedriger ist als der Durchschnittswert. Daher ist der Strom in der Last während der Betriebsdauer praktisch konstant und die Spannung der Wellen hängt nicht vom Laststrom ab.

Mehrteiliger induktiv-kapazitiver Filter

Durch die Reihenschaltung mehrerer Filter kann die Filtergüte der Ausgangsspannung verbessert werden. In Abb. 4 zeigt einen zweistufigen LC-Filter und zeigt grob die Spannungswellenformen an verschiedenen Punkten des Filters relativ zu einem gemeinsamen Punkt.

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Obwohl hier zwei in Reihe geschaltete LC-Filter dargestellt sind, kann die Anzahl der Anschlüsse erhöht werden. Eine Erhöhung der Anzahl der Anschlüsse führt zu einer Verringerung der Welligkeit (und Filter mit vielen Anschlüssen werden genau dann verwendet, wenn eine minimale Welligkeit der Ausgangsspannung erforderlich ist), was jedoch die Stabilität von Stabilisatoren mit solchen Filtern verringert. Darüber hinaus führt eine Erhöhung der Anzahl der Anschlüsse zu einer Erhöhung des in Reihe mit der Stromversorgung geschalteten Widerstands, was zu einer Erhöhung der Änderungen der Ausgangsspannung bei einer Änderung des Laststroms führt.

U-förmiger Filter

In Abb. 5 zeigt einen U-förmigen Filter, der so genannt wird, weil seine grafische Darstellung dem Buchstaben P ähnelt. Es handelt sich um eine Kombination aus kapazitiven und L-förmigen LC-Filtern.

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Ein Widerstand R, der an den Ausgang des Filters angeschlossen wird, ist in Netzteilen fast immer vorhanden und optional Lastwiderstand… Sein Zweck ist zweifach.

Erstens stellt es einen Entladepfad für die Kondensatoren bereit, wenn die Netzspannung unterbrochen wird, und verhindert so die Möglichkeit eines Stromschlags für das Servicepersonal.

Zweitens sorgt es auch bei abgeschalteter externer Last für eine zusätzliche Belastung des Netzteils und stabilisiert so den Ausgangsspannungspegel. Dieser Widerstand kann auch als Element verwendet werden Widerstandsspannungsteiler für zusätzliche Ausgänge.

Der U-förmige Filter ist ein Filter mit einem Kondensatoreingang, ergänzt durch einen L-förmigen Anschluss.Die Hauptfilterwirkung übernimmt der Kondensator C1, der über die leitenden Dioden geladen und über L und R entladen wird... Wie bei einem herkömmlichen Filter mit kapazitivem Eingang ist die Ladezeit des Kondensators deutlich kürzer als die Entladezeit .

Die Drossel L glättet die Wellen des durch den Kondensator C2 fließenden Stroms und sorgt so für eine zusätzliche Filterung. Die Spannung am Kondensator C2 ist die Ausgangsspannung. Obwohl sein Wert etwas kleiner ist als bei der Speisung mit einem herkömmlichen kapazitiven Filter, wird die Welligkeit der Ausgangsspannung deutlich reduziert.

Selbst wenn wir davon ausgehen, dass der Kondensator C1 über die leitenden Dioden des Gleichrichters auf den Wert der Amplitude der Eingangswechselspannung aufgeladen und dann über R entladen wird, wird die Spannung des Kondensators C2 geringer sein als die von C1, weil die Die Drossel L, die jegliche Änderungen des Laststroms verhindert, liegt im Entladekreis des Kondensators C1 und bildet zusammen mit C2 und R einen Spannungsteiler.

Der Ladestrom der Kondensatoren C1 und C2 fließt durch die Sekundärwicklung des Transformators und die leitenden Dioden des Gleichrichters. Wenn C2 geladen ist, fließt dieser Strom auch durch die Drossel L... Der Kondensator C1 entlädt sich über die in Reihe geschalteten L und R, und C2 entlädt sich nur über den Widerstand R. Die Entladegeschwindigkeit des Eingangskondensators C1 hängt vom Wert des Widerstands ab R.

Die Entladezeitkonstante der Kondensatoren ist direkt proportional zum R-Wert. Ist dieser hoch, entladen sich die Kondensatoren ein wenig und die Ausgangsspannung ist hoch.Bei niedrigeren Werten von R erhöht sich die Entladerate und die Ausgangsspannung nimmt ab, da eine Verringerung von R eine Erhöhung des Entladestroms des Kondensators bedeutet. Je niedriger also die Entladezeitkonstante des Kondensators ist, desto niedriger ist der Durchschnittswert der Ausgangsspannung.

U-förmiger C-RC-Filter

Im Gegensatz zu dem gerade besprochenen Filter ist beim U-förmigen C-RB-C-Filter anstelle einer Drossel ein Widerstand R zwischen die beiden Kondensatoren geschaltet.1, wie in Abb. 6.

Die Hauptunterschiede und die Filterleistung werden durch das unterschiedliche Drosselverhalten und den Wechselstromwiderstand bestimmt. Im vorherigen Fall sind die Reaktanzen der Induktivität L und des Kondensators C2 so bemessen, dass der durch sie gebildete Spannungsteiler für eine relativ bessere Glättung der Ausgangsspannung sorgt.

In Abb. 6, sowohl die Gleichstrom- als auch die Wechselstromkomponenten des gleichgerichteten Stroms durch R1. Aufgrund des Spannungsabfalls an R1 durch die Gleichstromkomponente sinkt die Ausgangsspannung und je größer der Strom, desto größer ist dieser Spannungsabfall. Daher kann der C-RC-Filter nur bei geringen Lastströmen eingesetzt werden. Wie bei induktiv-kapazitiven Filtern ist es möglich, eine mehrstufige Verschaltung von Filterkreisen zu verwenden.

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Die Auswahl von Filtern ist in jedem Fall kein einfaches Problem, aber Sie müssen auf jeden Fall deren Zweck und Funktionsprinzip verstehen, da sie maßgeblich den korrekten Betrieb von Netzteilen bestimmen.