Выходное напряжение от выпрямительного цепи является однонаправленным пульсирующим напряжением, которое не может быть использовано напрямую в электронных цепях. Поэтому выходное напряжение необходимо фильтровать, чтобы устранить переменные компоненты в напряжении, преобразуя его в постоянное для использования в электронных цепях.
В фильтрующей цепи в основном используются устройства со специальными характеристиками импеданса для переменного тока, такие как конденсаторы и катушки индуктивности. Эта статья анализирует различные формы фильтрующих цепей.
Основные типы фильтрующих цепей следующие: фильтрующая цепь с конденсатором, которая является самой базовой фильтрующей цепью; π-тип RC фильтрующая цепь; π-тип LC фильтрующая цепь; электронная фильтрующая цепь.
1. Характеристики однонаправленного пульсирующего постоянного напряжения
Как показано на рисунке 1(a). Это форма волны однонаправленного пульсирующего постоянного напряжения. Из рисунка видно, что направление напряжения постоянно, но амплитуда напряжения колеблется, показывая периодические изменения со временем, поэтому оно пульсирующее.
Однако, согласно принципу разложения формы волны, это напряжение может быть разложено на постоянное напряжение и набор переменных напряжений с различными частотами, как показано на рисунке 1(b). На рисунке 1(b) пунктирная часть - это постоянный компонент в однонаправленном пульсирующем постоянном напряжении U, в то время как сплошная линия - это переменный компонент в UO.
2. Принципы фильтрации конденсаторов
Основываясь на вышеуказанном анализе, поскольку однонаправленное пульсирующее постоянное напряжение может быть разложено на переменные и постоянные компоненты, в фильтрующей цепи источника питания можно использовать характеристики конденсаторов "блокировать постоянный ток и пропускать переменный ток" и их характеристики хранения энергии, или характеристики катушек индуктивности "блокировать переменный ток и пропускать постоянный ток", чтобы отфильтровать переменные компоненты в напряжении. Рисунок 2 показывает схему принципа фильтрации конденсатора.
Рисунок 2(a) - это выходная цепь выпрямительного устройства. Переменное напряжение, выходящее из выпрямительного устройства, является однонаправленным пульсирующим постоянным напряжением, которое обозначается как UO в цепи.
Рисунок 2(b) - это фильтрующая цепь с конденсатором. Поскольку конденсатор C1 эквивалентен открытому контуру для постоянного тока, постоянное напряжение, выходящее из выпрямительного устройства, не может пройти через C1 на землю и может быть применено только к нагрузке RL, как показано на рисунке. Для переменного компонента, выходящего из выпрямительного устройства, поскольку C1 имеет большую емкость и малое реактивное сопротивление, переменный компонент проходит через C1 на землю и не может быть применен к нагрузке RL. Таким образом, через фильтрацию конденсатора C1 необходимое постоянное напряжение +U извлекается из однонаправленного пульсирующего постоянного тока.
Чем больше емкость фильтрующего конденсатора C1, тем меньше реактивное сопротивление для переменного компонента, что приводит к меньшему остаточному переменному компоненту на нагрузке RL, тем самым улучшая эффект фильтрации.
3. Принципы фильтрации катушек индуктивности
Рисунок 3 показывает схему принципа фильтрации катушки индуктивности. Поскольку катушка индуктивности L1 эквивалентна пути для постоянного тока, постоянное напряжение, выходящее из выпрямительного устройства, напрямую подается на нагрузку RL.
Для переменного компонента, выходящего из выпрямительного устройства, поскольку L1 имеет большую индуктивность и высокое индуктивное реактивное сопротивление, она создает значительное препятствие для переменного компонента, предотвращая протекание переменного тока через C1 к нагрузке RL. Таким образом, через фильтрацию катушки индуктивности L1 необходимое постоянное напряжение +U извлекается из однонаправленного пульсирующего постоянного тока.
Чем больше индуктивность фильтрующей катушки индуктивности L1, тем больше индуктивное реактивное сопротивление для переменного компонента, что приводит к меньшему остаточному переменному компоненту на нагрузке RL, тем самым улучшая эффект фильтрации, но постоянное сопротивление также увеличится.
Метод идентификации π-тип RC фильтрующих цепей.
Рисунок 4 показывает π-тип RC фильтрующую цепь. В цепи C1, C2 и C3 - это три фильтрующих конденсатора, а R1 и R2 - это фильтрующие резисторы. C1, R1 и C2 образуют первый участок π-тип RC фильтрующей цепи, в то время как C2, R2 и C3 образуют второй участок π-тип RC фильтрующей цепи. Эта фильтрующая цепь называется π-тип RC фильтрующей цепью, потому что ее конфигурация напоминает греческую букву π и использует резисторы и конденсаторы.
Принципы π-тип RC фильтрующей цепи следующие.
1) Принцип фильтрации этой цепи таков: напряжение, выходящее из выпрямительного устройства, сначала проходит через фильтрацию C1, которая фильтрует большинство переменных компонентов, а затем подается на фильтрующую цепь, состоящую из R1 и C2. Реактивное сопротивление C2 и R1 образует делитель напряжения, и поскольку реактивное сопротивление C2 очень мало, падение напряжения для переменного компонента очень велико, достигая цели фильтрации. Для постоянного тока, поскольку C2 имеет блокирующий эффект на постоянный ток, делитель напряжения R1 и C2 не имеет эффекта падения напряжения на постоянный ток, позволяя постоянному напряжению выходить через R1.
2) Когда размер R1 остается неизменным, увеличение емкости C2 может улучшить эффект фильтрации. Когда емкость C2 остается неизменной, увеличение сопротивления R1 также может улучшить эффект фильтрации. Однако значение сопротивления фильтрующего резистора R1 не может быть слишком большим, потому что постоянный ток, протекающий через нагрузку, должен проходить через R1, что приведет к падению постоянного напряжения на R1, уменьшая выходное постоянное напряжение Uo2. Чем больше значение сопротивления R1, или чем больше ток, протекающий через нагрузку, тем больше падение напряжения на R1, что приводит к более низкому выходному постоянному напряжению.
3) C1 - это первый фильтрующий конденсатор, и увеличение его емкости может улучшить эффект фильтрации. Однако, если C1 слишком велик, время зарядки C1 при включении будет чрезмерно долгим. Этот зарядный ток проходит через выпрямительный диод, и если зарядный ток слишком высок и длительность слишком велика, это может повредить выпрямительный диод. Поэтому использование этой π-тип RC фильтрующей цепи позволяет использовать меньшую емкость C1, одновременно улучшая эффект фильтрации за счет разумного проектирования значений R1 и C2.
4) Эта фильтрующая цепь имеет в общей сложности три выхода постоянного напряжения, которые выдают три набора постоянных напряжений: Uo1, Uo2 и Uo3. Из них Uo1 фильтруется только конденсатором C1; Uo2 фильтруется через цепь C1, R1 и C2, поэтому эффект фильтрации лучше, а переменный компонент в Uo2 меньше; Uo3 фильтруется через два участка фильтрующих цепей, поэтому эффект фильтрации наилучший, а переменный компонент в Uo3 наименьший.
5) Величины трех выходных постоянных напряжений различны. Uo1 имеет самое высокое напряжение, которое обычно подается напрямую на цепь усилителя мощности или на цепи, требующие самого высокого рабочего напряжения постоянного тока и самого большого рабочего тока; Uo2 имеет немного более низкое напряжение из-за падения напряжения на резисторе R1; Uo3 имеет самое низкое напряжение, которое обычно подается на переднюю цепь в качестве рабочего напряжения постоянного тока, потому что рабочее напряжение постоянного тока передней цепи относительно низкое и требует меньшего переменного компонента в рабочем напряжении постоянного тока.
Метод идентификации π-тип LC фильтрующих цепей.
Рисунок 5 показывает LC-фильтр типа π. LC-фильтр типа π по своей сути аналогичен RC-фильтру типа π. Эта схема просто заменяет фильтрующий резистор на фильтрующую индуктивность, так как фильтрующий резистор демонстрирует одно и то же сопротивление как для постоянного, так и для переменного тока, в то время как фильтрующая индуктивность имеет высокое индуктивное сопротивление для переменного тока и низкое сопротивление для постоянного тока, тем самым усиливая фильтрующий эффект без уменьшения выходного напряжения постоянного тока.
В схеме на рисунке 5 одностороннее пульсирующее выходное напряжение постоянного тока, полученное от выпрямительной схемы, сначала фильтруется конденсатором C1 для удаления большей части переменных компонентов, а затем подается на фильтр L1 и C2.
Для переменных компонентов L1 имеет большое индуктивное сопротивление, что приводит к значительному падению переменного напряжения на L1 и небольшому переменному компоненту, подаваемому на нагрузку.
Для постоянного тока, поскольку L1 не представляет индуктивного сопротивления, он эквивалентен короткому замыканию, а диаметр провода, используемого для фильтрующей индуктивности, относительно толстый, что приводит к очень малому сопротивлению постоянному току. Поэтому падение напряжения для постоянного тока практически отсутствует, так что выходное напряжение постоянного тока относительно высоко, что является основным преимуществом использования индуктивного фильтра.
Метод идентификации электронного фильтра
Рисунок 6 показывает электронный фильтр. В схеме VT1 является транзистором, который действует как фильтрующая трубка, C1 является базовым фильтрующим конденсатором VT1, R1 является базовым смещающим резистором VT1, RL является нагрузкой этой фильтрующей схемы, а C2 является выходным фильтрующим конденсатором напряжения.
Рабочий принцип электронной фильтрующей схемы следующий:
Схема, состоящая из VT1, R1 и C1, образует электронный фильтр, который эквивалентен конденсатору с емкостью C1×β1, где β1 является коэффициентом усиления тока VT1. Учитывая, что коэффициент усиления транзистора относительно высок, эквивалентная емкость также значительна, что указывает на то, что фильтрующая производительность электронного фильтра отличная. Эквивалентная схема иллюстрируется на рисунке 6 (b), где C обозначает эквивалентную емкость.
② R1 и C1 в схеме образуют RC-фильтр. R1 обеспечивает базовый смещающий ток для VT1 и также действует как фильтрующий резистор. Поскольку ток, протекающий через R1, является базовым смещающим током VT1, который очень мал, значение сопротивления R1 можно установить относительно большим, тем самым достигая хорошего фильтрующего эффекта с R1 и C1, делая переменный компонент в постоянном напряжении на базе VT1 очень малым. Из-за характеристики напряжения эмиттера, следящего за базовым напряжением, переменный компонент в выходном напряжении эмиттера VT1 также очень мал, достигая цели фильтрации.
③ В электронном фильтре фильтрация в основном достигается с помощью R1 и C1, которые также являются RC-фильтром, но отличаются от ранее представленного RC-фильтра. В этой схеме постоянный ток, протекающий через нагрузку, является эмиттерным током VT1, а ток, протекающий через фильтрующий резистор R1, является базовым током VT1. Базовый ток очень мал, поэтому значение сопротивления фильтрующего резистора R1 можно установить очень большим (хороший фильтрующий эффект), но это не приведет к значительному падению выходного напряжения постоянного тока.
④ Значение сопротивления R1 определяет величину базового тока VT1, тем самым определяя падение напряжения между коллектором и эмиттером VT1, что, в свою очередь, определяет величину выходного напряжения постоянного тока на эмиттере VT1. Поэтому изменение величины R1 может регулировать величину выходного напряжения постоянного тока +V.
2. Фильтр электронного регулятора напряжения
Рисунок 7 показывает другой тип фильтра электронного регулятора напряжения. По сравнению с предыдущей схемой, между базой VT1 и землей подключен диод регулятора напряжения VD1. Принцип электронного регулирования напряжения следующий:
После подключения диода регулятора напряжения VD1 между базой VT1 и землей, входное напряжение через R1 ставит диод регулятора напряжения VD1 в состояние обратного смещения. В это время характеристики регулирования напряжения VD1 стабилизируют базовое напряжение VT1, так что выходное напряжение постоянного тока с эмиттера VT1 также относительно стабильно. Примечание: Стабильность этого напряжения определяется характеристиками регулирования напряжения VD1 и не связана с самой электронной фильтрующей схемой.
R1 также служит резистором защиты от ограничения тока для VD1. После добавления диода регулятора напряжения VD1 изменение величины R1 не может изменить величину выходного напряжения с эмиттера VT1. Из-за падения напряжения на PN-структуре на эмиттерном переходе VT1 выходное напряжение на эмиттере немного ниже, чем значение регулирования напряжения VD1.
C1, R1 и VT1 также образуют электронный фильтр, выполняя фильтрующую роль.
В некоторых случаях, чтобы дополнительно улучшить фильтрующий эффект, можно использовать двухтрубный электронный фильтр, где две электронные фильтрующие трубки образуют составную трубную схему. Таким образом, общий коэффициент усиления тока является произведением коэффициентов усиления тока каждой трубки, что явно может улучшить фильтрующий эффект.
Резюме идентификации схемы фильтра питания
При анализе схемы фильтра питания следует учитывать следующие моменты:
1) При анализе рабочего принципа фильтрующего конденсатора в основном используется характеристика конденсатора "изоляция постоянного тока и прохождение переменного тока", или характеристики зарядки и разрядки, то есть, когда выпрямительная схема выдает одностороннее пульсирующее напряжение постоянного тока, фильтрующий конденсатор заряжается, а когда нет одностороннего пульсирующего напряжения постоянного тока, фильтрующий конденсатор разряжается на нагрузку.
2) При анализе рабочего принципа фильтрующего индуктивности в основном необходимо признать, что сопротивление индуктивности для постоянного тока очень мало, без индуктивного сопротивления, в то время как для переменного тока оно имеет индуктивное сопротивление.
3) При анализе электронной фильтрующей схемы важно знать, что конденсатор на базе электронной фильтрующей трубки является ключевым фильтрующим компонентом. Кроме того, для анализа цепи постоянного тока электронная фильтрующая трубка имеет базовый ток и токи коллектора и эмиттера, при этом ток, протекающий через нагрузку, является эмиттерным током электронной фильтрующей трубки. Изменение величины базового тока может регулировать падение напряжения между коллектором и эмиттером электронной фильтрующей трубки, тем самым изменяя величину выходного напряжения постоянного тока от электронной фильтры.
4) Сам электронный фильтр не имеет функции регулирования напряжения, но после добавления диода регулятора напряжения он может сделать выходное напряжение постоянного тока относительно стабильным.
Заявление: Содержание вышеуказанной статьи организовано из интернета. Если есть какие-либо проблемы с авторскими правами, пожалуйста, свяжитесь с нами немедленно.
