Filtros de potencia

Varios dispositivos electrónicos requieren fuentes de voltaje para alimentar los dispositivos de CC. Tensión de salida rectificadores tiene un aspecto pulsante. En él se puede seleccionar la componente media o DC de la tensión y la componente variable que se denomina tensión ondulada o ondulación de la tensión de salida.

Por lo tanto, la ondulación determina la desviación del valor instantáneo del voltaje de salida del promedio y puede ser tanto positiva como negativa. El voltaje se caracteriza por dos factores: la frecuencia y la amplitud de las ondas. En los rectificadores, la frecuencia de ondulación es la misma que la frecuencia de la tensión de entrada (en un rectificador de media onda) o el doble (en un rectificador de onda completa).

En un rectificador de media onda, solo se utiliza una media onda del voltaje de entrada para obtener el voltaje de salida, y el voltaje de salida tiene la forma de medias ondas unidireccionales, siguiendo la frecuencia del voltaje de entrada.

En los rectificadores de onda completa (tanto de punto cero como de puente), las medias ondas de la tensión de salida están formadas por cada media onda de la tensión de entrada. Por lo tanto, la frecuencia de la onda aquí es el doble de alta que la frecuencia de la red… Si la frecuencia de la corriente en la red es de 50 Hz, entonces la frecuencia de las ondas en el rectificador de media onda será la misma, y ​​en el rectificador de onda completa será de 100 Hz.

La amplitud de la ondulación del voltaje de salida del rectificador debe conocerse en orden. determinar la eficiencia de los filtros instalados a la salida de los rectificadores emisores de la componente de media tensión. Esta amplitud suele caracterizarse por el factor de ondulación (Erms), que se define como la relación entre el valor efectivo de la componente variable de la tensión de salida y su valor medio (Edc):

r = Erm /Edc

Cuanto menor sea el factor de ondulación, mayor será la eficiencia del filtro. El factor de ondulación expresado como porcentaje también se usa a menudo en la práctica:

(Erms/Edc)x100%.

Los filtros de paso bajo se usan comúnmente en las fuentes de alimentación. Estos filtros pasan de entrada a salida, casi sin atenuación ni atenuación, señales cuyas frecuencias están por debajo de la frecuencia de corte del filtro, y todas las frecuencias superiores prácticamente no se transmiten a la salida del filtro.

Los filtros son ejecutables resistencias, inductores y condensadores… El uso de filtros en las fuentes de alimentación tiene como objetivo suavizar la ondulación del voltaje de salida del rectificador y aislar el componente de CC del voltaje.

Los filtros utilizados en los dispositivos de suministro de energía se dividen en dos tipos principales:

• filtros con entrada capacitiva,

• filtros de entrada inductivos.

Se utilizan diferentes combinaciones de inclusión de elementos filtrantes, que tienen diferentes nombres (filtro en forma de U, filtro en forma de L, etc.). El tipo de filtro principal está determinado por el elemento de filtro instalado directamente en la salida del rectificador.

En la Fig. 1a y 1b muestran los principales tipos de filtros. En el primero de ellos, el condensador de filtro se conecta a la salida del rectificador y desvía la carga. A través del condensador de filtro, se cierra la parte principal del componente de CA del rectificador. En el segundo, se conecta un estrangulador de filtro a la salida del rectificador, que forma un circuito en serie con la carga y evita cualquier cambio en la corriente en este circuito en serie.

Arroz. 1

Un filtro de entrada capacitivo proporciona un nivel de voltaje de salida más alto que un filtro de entrada inductivo, y un filtro de entrada inductivo reduce mejor la ondulación del voltaje. Por lo tanto, es recomendable utilizar un filtro de entrada capacitivo cuando se requiera una tensión de alimentación más alta y un filtro de entrada inductivo cuando se requiera una mejor calidad de salida de CC.

Filtro de entrada capacitivo

Antes de considerar la operación de filtros complejos, es necesario comprender la operación del filtro capacitivo más simple que se muestra en la figura 1. 2a. Voltaje de salida del rectificador sin filtro en la pantallayo en la fig. 2b, y en presencia de un filtro - en la fig. 2c. En ausencia de un condensador de filtro, el voltaje en Rl tiene un carácter pulsante. El valor promedio de este voltaje es el voltaje de salida del rectificador.

Arroz. 2

En presencia de un condensador de filtro, la parte principal del componente de corriente alterna de la corriente se cierra a través del condensador, sin pasar por la carga Rl... Con la aparición de la primera media onda de la tensión de salida. el condensador del filtro comenzará a cargarse positivo a la caja, el voltaje en él cambiará de acuerdo con el voltaje de salida del rectificador y al final de la mitad del semiciclo alcanzará su valor máximo.

Además, el voltaje secundario del transformador cae y el capacitor comienza a descargarse a través de R1, manteniendo el voltaje positivo y la corriente en la carga a un nivel más alto de lo que sería sin el filtro.

Antes de que el capacitor pueda descargarse por completo, se produce una segunda media onda de voltaje positivo, cargando nuevamente el capacitor a su valor máximo. Tan pronto como el voltaje del devanado secundario comience a disminuir, el capacitor nuevamente comenzará a descargarse hacia la carga. En el futuro, los ciclos de carga y descarga del capacitor se alternan en cada medio ciclo,

La corriente de carga del capacitor fluye a través del devanado secundario del transformador y el par de diodos rectificadores correspondientes a este semiciclo, y la corriente de descarga del capacitor se cierra a través de la carga Rl... La reactancia del capacitor en el la frecuencia de la red es pequeña en comparación con Rl. Por lo tanto, la componente variable de la corriente fluye principalmente a través del condensador de filtro y prácticamente fluye a través de Rl CORRIENTE CONTINUA..

Filtro de entrada inductivo

Considere un filtro de entrada inductivo o un filtro LC en forma de L. Su inclusión en el rectificador y la forma de onda del voltaje de salida se muestran en la Figura 3.

Arroz. 3

Conexión en serie estrangulador de filtro (L) con carga inhibe los cambios de corriente en el circuito. El voltaje de salida aquí es menor que con un filtro de entrada capacitivo porque el estrangulador forma una conexión en serie con una impedancia formada por la conexión en paralelo de la carga y el capacitor del filtro. Tal conexión conduce a un buen suavizado de la onda de tensión que actúa a la entrada del filtro, mejorando la calidad de la tensión de salida constante, aunque reduce su valor.

El componente de CA del voltaje de salida del rectificador está casi completamente aislado de la inductancia del estrangulador, y el componente medio es el voltaje de salida del suministro. La presencia de un estrangulador conduce al hecho de que la duración del estado de conducción de los diodos rectificadores aquí, a diferencia del rectificador con filtro capacitivo, es igual a la mitad del período.

La reactancia del estrangulador (L) reduce el valor de la tensión de ondulación porque evita que la corriente del estrangulador aumente cuando la tensión de salida del rectificador es mayor que la tensión de carga, y también evita que la corriente disminuya si la tensión de salida del rectificador es menor. que el valor promedio Por lo tanto, la corriente en la carga durante el período de operación es prácticamente constante, y el voltaje de las ondas no depende de la corriente de carga.

Filtro inductivo-capacitivo multisección

La calidad de filtrado de la tensión de salida se puede mejorar conectando varios filtros en serie. En la Fig. 4 muestra un filtro LC de dos etapas y muestra aproximadamente las formas de onda de voltaje en diferentes puntos del filtro en relación con un punto común.

Arroz. 4

Aunque aquí se muestran dos filtros LC conectados en serie, se puede aumentar el número de conexiones. Aumentar el número de conexiones conduce a una disminución de la ondulación (y los filtros con muchas conexiones se utilizan precisamente cuando es necesario obtener una ondulación mínima en el voltaje de salida), pero esto reduce la estabilidad de los estabilizadores con dichos filtros. Además, un aumento en el número de conexiones conduce a un aumento en la resistencia conectada en serie con la fuente de alimentación, lo que conduce a un aumento en los cambios en el voltaje de salida con un cambio en la corriente de carga.

filtro en forma de U

En la Fig. 5 muestra un filtro en forma de U, llamado así porque su representación gráfica se parece a la letra P. Es una combinación de filtros LC capacitivos y en forma de L.

Arroz. 5

Una resistencia R, que está conectada a la salida del filtro, casi siempre está presente en las fuentes de alimentación y es opcional. resistencia de carga… Su propósito es doble.

En primer lugar, proporciona una vía de descarga para los condensadores cuando se interrumpe la tensión de red y, por lo tanto, evita la posibilidad de descargas eléctricas al personal de servicio.

En segundo lugar, proporciona una carga adicional en la fuente de alimentación incluso cuando la carga externa está apagada y, por lo tanto, estabiliza el nivel de voltaje de salida. Esta resistencia también se puede utilizar como elemento divisor de voltaje resistivo para salidas adicionales.

El filtro en forma de U es un filtro con una entrada de condensador complementada con una conexión en forma de L.La principal acción de filtrado la realiza el condensador C1, que se carga a través de los diodos conductores y se descarga a través de L y R... Al igual que con un filtro convencional con entrada capacitiva, el tiempo de carga del condensador es significativamente más corto que el tiempo de descarga. .

El estrangulador L suaviza las ondas de la corriente que fluye a través del capacitor C2, proporcionando un filtrado adicional. El voltaje a través del capacitor C2 es el voltaje de salida. Aunque su valor es ligeramente menor que cuando se alimenta con un filtro capacitivo convencional, la ondulación del voltaje de salida se reduce significativamente.

Incluso si asumimos que el capacitor C1 se carga a través de los diodos conductores del rectificador al valor de la amplitud del voltaje de CA de entrada y luego se descarga a través de R, el voltaje del capacitor C2 será menor que el de C1, porque el el estrangulador L, que impide cualquier cambio en la corriente de carga, se encuentra en el circuito de descarga del condensador C1 y forma, junto con C2 y R, un divisor de tensión.

La corriente de carga de los condensadores C1 y C2 pasa por el devanado secundario del transformador y los diodos conductores del rectificador. Además, cuando se carga C2, esta corriente fluye a través del estrangulador L... El condensador C1 se descarga a través de L y R conectados en serie, y C2 se descarga solo a través de la resistencia R. La tasa de descarga del condensador de entrada C1 depende del valor de la resistencia r

La constante de tiempo de descarga de los capacitores es directamente proporcional al valor R… Si es alto, entonces los capacitores se descargan un poco y el voltaje de salida es alto.A valores más bajos de R, la tasa de descarga aumenta y el voltaje de salida disminuirá, ya que disminuir R significa aumentar la corriente de descarga del capacitor. Por tanto, cuanto menor sea la constante de tiempo de descarga del condensador, menor será el valor medio de la tensión de salida.

Filtro C-RC en forma de U

A diferencia del filtro que acabamos de analizar en el filtro C C-RB en forma de U, se conecta una resistencia R entre los dos capacitores en lugar de un estrangulador.1 como se muestra en la figura. 6.

Las principales diferencias y el rendimiento del filtro están determinados por la diferente respuesta del estrangulador y la resistencia de CA. En el caso anterior, las reactancias del inductor L y del condensador C2 son tales que el divisor de voltaje formado por ellos proporciona un suavizado relativamente mejor del voltaje de salida.

En la Fig. 6, los componentes de corriente CC y CA de la corriente rectificada a través de R1. Debido a la caída de voltaje en R1 del componente de CC, el voltaje de salida disminuye y cuanto mayor es la corriente, mayor es la caída de voltaje. Por lo tanto, el filtro C-RC solo se puede utilizar con corrientes de carga bajas. Como en el caso de los filtros inductivos-capacitivos, es posible utilizar una conexión multinivel de circuitos de filtro.

Arroz. 6

En cualquier caso, elegir filtros no es un problema fácil, pero en cualquier caso debe comprender su propósito y principios de funcionamiento debido al hecho de que determinan en gran medida el correcto funcionamiento de las fuentes de alimentación.