เครื่องกรองไฟ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ต้องการแหล่งจ่ายแรงดันเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรง แรงดันขาออก วงจรเรียงกระแส มีลักษณะเป็นจังหวะ ในนั้นคุณสามารถเลือกส่วนประกอบเฉลี่ยหรือ DC ของแรงดันไฟฟ้าและส่วนประกอบตัวแปรซึ่งเรียกว่าแรงดันกระเพื่อมหรือการกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุต

ดังนั้น ระลอกกำหนดความเบี่ยงเบนของค่าทันทีของแรงดันเอาต์พุตจากค่าเฉลี่ย และสามารถเป็นได้ทั้งค่าบวกและค่าลบ แรงดันไฟฟ้ามีปัจจัยสองประการ ได้แก่ ความถี่และแอมพลิจูดของคลื่น ในวงจรเรียงกระแส ความถี่กระเพื่อมจะเหมือนกับความถี่ของแรงดันไฟฟ้าอินพุต (ในวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น) หรือสูงเป็นสองเท่า (ในวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น)

ในวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น จะใช้เพียงครึ่งคลื่นเดียวของแรงดันอินพุตเพื่อรับแรงดันเอาต์พุต และแรงดันเอาต์พุตจะอยู่ในรูปของครึ่งคลื่นทิศทางเดียว ตามความถี่ของแรงดันอินพุต

ในวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (ทั้งแบบจุดศูนย์และแบบบริดจ์) ครึ่งคลื่นของแรงดันเอาต์พุตจะเกิดขึ้นจากแต่ละครึ่งคลื่นของแรงดันอินพุต ดังนั้นความถี่ของคลื่นที่นี่จึงสูงเป็นสองเท่า ความถี่เครือข่าย… หากความถี่ของกระแสในเครือข่ายคือ 50 Hz ความถี่ของคลื่นในวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นจะเท่ากัน และในวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นจะเป็น 100 Hz

ต้องทราบแอมพลิจูดของระลอกแรงดันเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสตามลำดับ เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของตัวกรองที่ติดตั้งที่เอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสที่ปล่อยส่วนประกอบแรงดันไฟฟ้าปานกลาง แอมพลิจูดนี้มักจะถูกกำหนดโดยปัจจัยการกระเพื่อม (Erms) ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของค่าที่มีประสิทธิภาพของส่วนประกอบตัวแปรของแรงดันเอาต์พุตต่อค่าเฉลี่ย (Edc):

r = เอิ่ม / กศ

ยิ่งปัจจัยการกระเพื่อมต่ำลงเท่าใด ประสิทธิภาพของตัวกรองก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ปัจจัยการกระเพื่อมที่แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์มักใช้ในทางปฏิบัติเช่นกัน:

(Ems /Edc)x100%.

ตัวกรองความถี่ต่ำมักใช้ในแหล่งจ่ายไฟ ตัวกรองเหล่านี้ส่งผ่านจากอินพุตไปยังเอาต์พุตโดยแทบไม่มีการลดทอนหรือลดทอน สัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่คัตออฟของตัวกรอง และความถี่ที่สูงกว่าทั้งหมดจะไม่ถูกส่งไปยังเอาต์พุตของตัวกรอง

ตัวกรองสามารถดำเนินการได้ ตัวต้านทาน, ตัวเหนี่ยวนำ และ ตัวเก็บประจุ… การใช้ฟิลเตอร์ในพาวเวอร์ซัพพลายมีเป้าหมายเพื่อทำให้การกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสราบรื่นขึ้น และแยกส่วนประกอบ DC ของแรงดันไฟออก

ตัวกรองที่ใช้ในอุปกรณ์จ่ายไฟแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก:

• กรองด้วยอินพุตแบบ capacitive,

• ตัวกรองอินพุตแบบอุปนัย

มีการใช้การรวมองค์ประกอบตัวกรองที่แตกต่างกันซึ่งมีชื่อต่างกัน (ตัวกรองรูปตัวยู, ตัวกรองรูปตัว L ฯลฯ ) ประเภทตัวกรองหลักถูกกำหนดโดยองค์ประกอบตัวกรองที่ติดตั้งโดยตรงที่เอาต์พุตของวงจรเรียงกระแส

ในรูป 1a และ 1b แสดงประเภทตัวกรองหลัก ในขั้นแรก ตัวเก็บประจุตัวกรองจะเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสและสับเปลี่ยนโหลด ผ่านตัวเก็บประจุตัวกรอง ส่วนหลักของส่วนประกอบ AC ของวงจรเรียงกระแสจะปิด ในวินาที โช้คกรองเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแส ซึ่งสร้างวงจรอนุกรมพร้อมโหลดและป้องกันการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ของกระแสในวงจรอนุกรมนี้

ข้าว. 1

ตัวกรองอินพุตแบบคาปาซิทีฟให้ระดับแรงดันเอาต์พุตที่สูงกว่าตัวกรองอินพุตแบบเหนี่ยวนำ และตัวกรองอินพุตแบบเหนี่ยวนำช่วยลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าได้ดีกว่า ดังนั้น ขอแนะนำให้ใช้ตัวกรองอินพุตแบบคาปาซิทีฟเมื่อต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น และตัวกรองอินพุตแบบเหนี่ยวนำเมื่อต้องการคุณภาพเอาต์พุต DC ที่ดีขึ้น

ตัวกรองอินพุตแบบ Capacitive

ก่อนที่จะพิจารณาการทำงานของตัวกรองที่ซับซ้อน จำเป็นต้องเข้าใจการทำงานของตัวกรอง capacitive ที่ง่ายที่สุดที่แสดงในรูป 2a แรงดันขาออกของวงจรเรียงกระแสที่ไม่มีตัวกรองบนจอแสดงผลyo ในรูป 2b และต่อหน้าตัวกรอง - ในรูป 2ค. ในกรณีที่ไม่มีตัวเก็บประจุตัวกรอง แรงดันไฟฟ้าใน Rl มีลักษณะการเต้นเป็นจังหวะ ค่าเฉลี่ยของแรงดันไฟฟ้านี้คือแรงดันเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแส

ข้าว. 2

เมื่อมีตัวเก็บประจุตัวกรองส่วนหลักของส่วนประกอบกระแสสลับของกระแสจะถูกปิดผ่านตัวเก็บประจุโดยผ่านโหลด Rl... ด้วยการปรากฏตัวของครึ่งคลื่นแรกของแรงดันขาออก ตัวเก็บประจุตัวกรองจะเริ่มชาร์จ บวกกับกรณีแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปตามแรงดันขาออกของวงจรเรียงกระแสและเมื่อสิ้นสุดครึ่งของครึ่งรอบจะถึงค่าสูงสุด

นอกจากนี้ แรงดันทุติยภูมิของหม้อแปลงลดลงและตัวเก็บประจุเริ่มคายประจุผ่าน R1 ทำให้แรงดันบวกและกระแสในโหลดอยู่ในระดับที่สูงกว่าที่จะไม่มีตัวกรอง

ก่อนที่ตัวเก็บประจุจะคายประจุจนหมด จะเกิดครึ่งคลื่นของแรงดันบวกที่สองขึ้น และชาร์จตัวเก็บประจุอีกครั้งเป็นค่าสูงสุด ทันทีที่แรงดันไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิเริ่มลดลง ตัวเก็บประจุจะเริ่มคายประจุไปยังโหลดอีกครั้ง ในอนาคต รอบการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุจะสลับกันไปในแต่ละครึ่งรอบ

กระแสไฟชาร์จของตัวเก็บประจุไหลผ่านขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงและไดโอดเรียงกระแสคู่ที่สอดคล้องกับครึ่งรอบนี้ และกระแสดิสชาร์จของตัวเก็บประจุจะปิดผ่านโหลด Rl... ค่ารีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุที่ ความถี่ของเครือข่ายมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับ Rl ดังนั้นองค์ประกอบตัวแปรของกระแสส่วนใหญ่ไหลผ่านตัวเก็บประจุตัวกรองและไหลผ่าน Rl กระแสตรง..

ตัวกรองอินพุตแบบเหนี่ยวนำ

พิจารณาตัวกรองอินพุตแบบเหนี่ยวนำหรือตัวกรอง LC รูปตัว L การรวมอยู่ในวงจรเรียงกระแสและรูปคลื่นแรงดันเอาต์พุตแสดงในรูปที่ 3

ข้าว. 3

การเชื่อมต่อแบบอนุกรม กรองสำลัก (L) ที่มีโหลดยับยั้งการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันในวงจร แรงดันเอาต์พุตที่นี่น้อยกว่าตัวกรองอินพุตแบบ capacitive เนื่องจากโช้คสร้างการเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับอิมพีแดนซ์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อแบบขนานของโหลดและตัวเก็บประจุตัวกรอง การเชื่อมต่อดังกล่าวนำไปสู่การปรับคลื่นแรงดันไฟฟ้าที่ราบรื่นที่อินพุตของตัวกรองซึ่งช่วยปรับปรุงคุณภาพของแรงดันขาออกคงที่แม้ว่าจะลดค่าลงก็ตาม

ส่วนประกอบ AC ของแรงดันเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสเกือบจะแยกออกจากตัวเหนี่ยวนำสำลักและส่วนประกอบตรงกลางคือแรงดันเอาต์พุตของแหล่งจ่าย การปรากฏตัวของสำลักนำไปสู่ความจริงที่ว่าระยะเวลาของสถานะการนำไฟฟ้าของไดโอดเรียงกระแสที่นี่ซึ่งแตกต่างจากวงจรเรียงกระแสที่มีตัวกรองแบบ capacitive เท่ากับครึ่งหนึ่งของช่วงเวลา

โช้ครีแอกแตนซ์ (L) ช่วยลดค่าของแรงดันกระเพื่อมเนื่องจากป้องกันไม่ให้กระแสโช้คเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสมากกว่าแรงดันโหลด และยังป้องกันกระแสไม่ให้ลดลงหากแรงดันเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสน้อยกว่า มากกว่าค่าเฉลี่ย ดังนั้น กระแสในโหลดระหว่างช่วงเวลาของการทำงานจะคงที่จริง ๆ และแรงดันของคลื่นไม่ได้ขึ้นอยู่กับกระแสโหลด

ตัวกรองอุปนัย-คาปาซิทีฟแบบหลายส่วน

คุณภาพการกรองของแรงดันเอาต์พุตสามารถปรับปรุงได้โดยการเชื่อมต่อตัวกรองหลายตัวเป็นชุด ในรูป 4 แสดงตัวกรอง LC แบบสองขั้นตอน และแสดงรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าที่จุดต่างๆ บนตัวกรองโดยเทียบกับจุดร่วมอย่างคร่าว ๆ

ข้าว. 4

แม้ว่าตัวกรอง LC ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมสองตัวจะแสดงที่นี่ แต่จำนวนการเชื่อมต่อสามารถเพิ่มขึ้นได้ การเพิ่มจำนวนการเชื่อมต่อนำไปสู่การลดลงของแรงกระเพื่อม (และตัวกรองที่มีการเชื่อมต่อจำนวนมากจะใช้อย่างแม่นยำเมื่อจำเป็นต้องได้รับแรงกระเพื่อมขั้นต่ำในแรงดันขาออก) แต่สิ่งนี้จะลดความเสถียรของตัวปรับเสถียรภาพด้วยตัวกรองดังกล่าว นอกจากนี้การเพิ่มจำนวนการเชื่อมต่อทำให้ความต้านทานต่ออนุกรมกับแหล่งจ่ายไฟเพิ่มขึ้นซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของแรงดันขาออกที่เพิ่มขึ้นพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของกระแสโหลด

ตัวกรองรูปตัวยู

ในรูป 5 แสดงตัวกรองรูปตัวยู ที่เรียกเช่นนี้เพราะการแสดงกราฟิกคล้ายกับตัวอักษร P เป็นการรวมกันของตัวกรอง LC แบบคาปาซิทีฟและรูปตัว L

ข้าว. 5

ตัวต้านทาน R ซึ่งต่อกับเอาต์พุตของตัวกรองนั้นมักมีอยู่ในอุปกรณ์จ่ายไฟและเป็นทางเลือก ความต้านทานโหลด… จุดประสงค์ของมันคือสองเท่า

ขั้นแรก ให้เส้นทางการคายประจุสำหรับตัวเก็บประจุเมื่อแรงดันไฟฟ้าหลักถูกขัดจังหวะ และด้วยเหตุนี้จึงป้องกันความเป็นไปได้ที่จะเกิดไฟฟ้าช็อตต่อเจ้าหน้าที่บริการ

ประการที่สอง ให้โหลดเพิ่มเติมบนแหล่งจ่ายไฟแม้ว่าโหลดภายนอกจะปิดอยู่ และทำให้ระดับแรงดันเอาต์พุตคงที่ ตัวต้านทานนี้สามารถใช้เป็นองค์ประกอบได้เช่นกัน ตัวแบ่งแรงดันตัวต้านทาน สำหรับผลลัพธ์เพิ่มเติม

ตัวกรองรูปตัวยูเป็นตัวกรองที่มีอินพุตตัวเก็บประจุเสริมด้วยการเชื่อมต่อรูปตัว Lการดำเนินการกรองหลักดำเนินการโดยตัวเก็บประจุ C1 ซึ่งถูกชาร์จผ่านไดโอดตัวนำและคายประจุผ่าน L และ R... เช่นเดียวกับตัวกรองทั่วไปที่มีอินพุตแบบ capacitive เวลาในการชาร์จของตัวเก็บประจุจะสั้นกว่าเวลาการคายประจุอย่างมาก .

Choke L ทำให้ระลอกคลื่นของกระแสที่ไหลผ่านตัวเก็บประจุ C2 เรียบขึ้น ให้การกรองเพิ่มเติม แรงดันคร่อมตัวเก็บประจุ C2 คือแรงดันเอาต์พุต แม้ว่าค่าของมันจะน้อยกว่าเมื่อป้อนด้วยตัวกรองแบบ capacitive ทั่วไปเล็กน้อย แต่การกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุตจะลดลงอย่างมาก

แม้ว่าเราจะถือว่าตัวเก็บประจุ C1 ถูกชาร์จผ่านไดโอดตัวนำของวงจรเรียงกระแสเป็นค่าของแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอินพุตแล้วปล่อยผ่าน R แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ C2 จะน้อยกว่าของ C1 เนื่องจาก สำลัก L ซึ่งป้องกันการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ของกระแสโหลดอยู่ในวงจรดิสชาร์จของตัวเก็บประจุ C1 และแบบฟอร์มพร้อมกับ C2 และ R ซึ่งเป็นตัวแบ่งแรงดัน

กระแสไฟชาร์จของตัวเก็บประจุ C1 และ C2 ผ่านขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงและไดโอดตัวนำของวงจรเรียงกระแส นอกจากนี้ เมื่อชาร์จ C2 กระแสนี้จะไหลผ่านโช้ก L... ตัวเก็บประจุ C1 ปล่อยประจุผ่าน L และ R ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม และ C2 ปล่อยผ่านความต้านทาน R เท่านั้น อัตราการคายประจุของตัวเก็บประจุอินพุต C1 ขึ้นอยู่กับค่าความต้านทาน ร.

ค่าคงที่เวลาคายประจุของตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่า R… หากมีค่าสูง แสดงว่าตัวเก็บประจุคายประจุเพียงเล็กน้อยและแรงดันเอาต์พุตสูงที่ค่า R ที่ต่ำกว่า อัตราการคายประจุจะเพิ่มขึ้นและแรงดันขาออกจะลดลง เนื่องจากการลดลงของ R หมายถึงการเพิ่มกระแสคายประจุของตัวเก็บประจุ ดังนั้นยิ่งค่าคงที่เวลาคายประจุของตัวเก็บประจุต่ำลงเท่าใด ค่าเฉลี่ยของแรงดันเอาต์พุตก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น

ตัวกรอง C-RC รูปตัวยู

ไม่เหมือนกับตัวกรองที่เพิ่งกล่าวถึงในตัวกรอง C-RB รูปตัว U ตัวต้านทาน R เชื่อมต่อระหว่างตัวเก็บประจุสองตัวแทนที่จะเป็นโช้ค1 ดังแสดงในรูปที่ 6.

ความแตกต่างหลักและประสิทธิภาพของตัวกรองนั้นพิจารณาจากการตอบสนองของโช้คและความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับที่แตกต่างกัน ในกรณีก่อนหน้านี้รีแอกแตนซ์ของตัวเหนี่ยวนำ L และตัวเก็บประจุ C2 นั้นเป็นตัวแบ่งแรงดันที่เกิดขึ้นจากพวกมันทำให้แรงดันเอาต์พุตเรียบขึ้น

ในรูป 6 ทั้งส่วนประกอบกระแสตรงและกระแสสลับของกระแสแก้ไขผ่าน R1 เนื่องจากแรงดันตกคร่อม R1 จากส่วนประกอบ DC แรงดันเอาต์พุตจะลดลงและยิ่งมีกระแสไฟฟ้ามาก แรงดันตกคร่อมก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้น ตัวกรอง C-RC สามารถใช้ได้เฉพาะกับกระแสโหลดต่ำเท่านั้น เช่นเดียวกับในกรณีของตัวกรองแบบอุปนัยและตัวเก็บประจุ คุณสามารถใช้การเชื่อมต่อวงจรตัวกรองหลายระดับได้

ข้าว. 6

การเลือกตัวกรองไม่ว่าในกรณีใด ๆ ไม่ใช่ปัญหาที่ง่าย แต่ในกรณีใด ๆ คุณต้องเข้าใจวัตถุประสงค์และหลักการทำงานเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าส่วนใหญ่กำหนดการทำงานที่ถูกต้องของแหล่งจ่ายไฟ