Filtres de puissance

Divers appareils électroniques nécessitent des sources de tension pour alimenter les appareils CC. Tension de sortie redresseurs a un aspect palpitant. Vous pouvez y sélectionner la composante moyenne ou continue de la tension et la composante variable appelée tension d'ondulation ou ondulation de la tension de sortie.

Ainsi, l'ondulation détermine l'écart de la valeur instantanée de la tension de sortie par rapport à la moyenne et peut être à la fois positive et négative. La tension est caractérisée par deux facteurs : la fréquence et l'amplitude des ondes. Dans les redresseurs, la fréquence d'ondulation est soit la même que la fréquence de la tension d'entrée (dans un redresseur demi-onde), soit deux fois plus élevée (dans un redresseur pleine onde).

Dans un redresseur demi-onde, une seule demi-onde de la tension d'entrée est utilisée pour obtenir la tension de sortie, et la tension de sortie se présente sous la forme d'alternances unidirectionnelles, suivant la fréquence de la tension d'entrée.

Dans les redresseurs pleine onde (à la fois au point zéro et en pont), les demi-ondes de la tension de sortie sont formées par chaque demi-onde de la tension d'entrée. Par conséquent, la fréquence des ondes ici est deux fois plus élevée que celle fréquence du réseau… Si la fréquence du courant dans le réseau est de 50 Hz, la fréquence des ondes dans le redresseur demi-onde sera la même et dans le redresseur pleine onde, elle sera de 100 Hz.

L'amplitude de l'ondulation de tension de sortie du redresseur doit être connue dans l'ordre. déterminer l'efficacité des filtres installés en sortie des redresseurs émettant la composante moyenne tension. Cette amplitude est généralement caractérisée par le facteur d'ondulation (Erms), qui est défini comme le rapport de la valeur efficace de la composante variable de la tension de sortie à sa valeur moyenne (Edc) :

r = Erms /Edc

Plus le facteur d'ondulation est faible, plus l'efficacité du filtre est élevée. Le facteur d'ondulation exprimé en pourcentage est également souvent utilisé dans la pratique :

(Erms/Edc)x100 %.

Les filtres passe-bas sont couramment utilisés dans les alimentations. Ces filtres font passer de l'entrée vers la sortie, presque sans atténuation ni atténuation, les signaux dont les fréquences sont inférieures à la fréquence de coupure du filtre, et toutes les fréquences supérieures ne sont pratiquement pas transmises à la sortie du filtre.

Les filtres sont exécutables résistances, inducteurs et condensateurs… L'utilisation de filtres dans les alimentations vise à lisser l'ondulation de la tension de sortie du redresseur et à isoler la composante continue de la tension.

Les filtres utilisés dans les dispositifs d'alimentation sont divisés en deux types principaux :

• filtres à entrée capacitive,

• filtres d'entrée inductifs.

Différentes combinaisons d'inclusion d'éléments filtrants sont utilisées, qui ont des noms différents (filtre en forme de U, filtre en forme de L, etc.). Le type de filtre principal est déterminé par l'élément filtrant installé directement à la sortie du redresseur.

En figue. 1a et 1b montrent les principaux types de filtres. Dans le premier d'entre eux, le condensateur de filtrage est connecté à la sortie du redresseur et shunte la charge. À travers le condensateur de filtrage, la partie principale de la composante alternative du redresseur est fermée. Dans le second, une self de filtrage est connectée à la sortie du redresseur, qui forme un circuit série avec la charge et empêche toute variation du courant dans ce circuit série.

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Un filtre d'entrée capacitif fournit un niveau de tension de sortie plus élevé qu'un filtre d'entrée inductif, et un filtre d'entrée inductif réduit mieux l'ondulation de tension. Ainsi, il est conseillé d'utiliser un filtre d'entrée capacitif lorsqu'une tension d'alimentation plus élevée est requise, et un filtre d'entrée inductif lorsqu'une meilleure qualité de sortie CC est requise.

Filtre d'entrée capacitif

Avant de considérer le fonctionnement des filtres complexes, il est nécessaire de comprendre le fonctionnement du filtre capacitif le plus simple représenté sur la Fig. 2a. Tension de sortie du redresseur sans filtre sur l'afficheuryo de la fig. 2b, et en présence d'un filtre - sur la fig. 2c. En l'absence de condensateur de filtrage, la tension dans Rl a un caractère pulsatoire. La valeur moyenne de cette tension est la tension de sortie du redresseur.

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En présence d'un condensateur de filtrage, la partie principale de la composante de courant alternatif du courant est fermée à travers le condensateur, en contournant la charge Rl... Avec l'apparition de la première demi-onde de la tension de sortie le condensateur de filtrage commencera à se charger positif au boîtier, la tension sur celui-ci changera en fonction de la tension de sortie du redresseur et à la fin de la moitié du demi-cycle atteindra sa valeur maximale.

De plus, la tension secondaire du transformateur chute et le condensateur commence à se décharger à travers R1, maintenant la tension et le courant positifs dans la charge à un niveau plus élevé qu'il ne le serait sans le filtre.

Avant que le condensateur ne puisse se décharger complètement, une deuxième demi-onde de tension positive se produit, chargeant à nouveau le condensateur à sa valeur maximale. Dès que la tension de l'enroulement secondaire commence à diminuer, le condensateur recommence à se décharger vers la charge. À l'avenir, les cycles de charge et de décharge du condensateur alternent à chaque demi-cycle,

Le courant de charge du condensateur traverse l'enroulement secondaire du transformateur et la paire de diodes de redressement correspondant à ce demi-cycle, et le courant de décharge du condensateur est fermé à travers la charge Rl... La réactance du condensateur au la fréquence du réseau est faible par rapport à Rl. Par conséquent, la composante variable du courant circule principalement à travers le condensateur de filtrage et traverse pratiquement Rl DC.

Filtre d'entrée inductif

Considérez un filtre d'entrée inductif ou un filtre LC en forme de L. Son inclusion dans le redresseur et la forme d'onde de la tension de sortie sont illustrées à la figure 3.

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Connexion série starter de filtre (L) avec charge inhibe les variations de courant dans le circuit. La tension de sortie est ici inférieure à celle d'un filtre capacitif d'entrée car la self forme une connexion série avec une impédance formée par la mise en parallèle de la charge et du condensateur de filtrage. Une telle connexion conduit à un bon lissage de l'onde de tension agissant à l'entrée du filtre, améliorant la qualité de la tension de sortie constante, bien qu'elle en diminue la valeur.

La composante alternative de la tension de sortie du redresseur est presque complètement isolée de l'inductance de self, et la composante médiane est la tension de sortie d'alimentation. La présence d'une self conduit au fait que la durée de l'état passant des diodes de redressement ici, contrairement au redresseur à filtre capacitif, est égale à la moitié de la période.

La réactance de self (L) réduit la valeur de la tension d'ondulation car elle empêche le courant de self d'augmenter lorsque la tension de sortie du redresseur est supérieure à la tension de charge, et empêche également le courant de diminuer si la tension de sortie du redresseur est inférieure. que la valeur moyenne Par conséquent, le courant dans la charge pendant la période de fonctionnement est pratiquement constant et la tension des ondes ne dépend pas du courant de charge.

Filtre inductif-capacitif multi-sections

La qualité de filtrage de la tension de sortie peut être améliorée en connectant plusieurs filtres en série. En figue. 4 montre un filtre LC à deux étages et montre grossièrement les formes d'onde de tension à différents points sur le filtre par rapport à un point commun.

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Bien que deux filtres LC connectés en série soient représentés ici, le nombre de connexions peut être augmenté. L'augmentation du nombre de connexions entraîne une diminution de l'ondulation (et les filtres à nombreuses connexions sont utilisés précisément lorsqu'il est nécessaire d'obtenir une ondulation minimale de la tension de sortie), mais cela réduit la stabilité des stabilisateurs avec de tels filtres. De plus, une augmentation du nombre de connexions entraîne une augmentation de la résistance connectée en série avec l'alimentation, ce qui entraîne une augmentation des variations de la tension de sortie avec une modification du courant de charge.

Filtre en forme de U

En figue. 5 montre un filtre en forme de U, ainsi appelé parce que sa représentation graphique ressemble à la lettre P. Il s'agit d'une combinaison de filtres LC capacitifs et en forme de L.

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Une résistance R, qui est connectée à la sortie du filtre, est presque toujours présente dans les alimentations et est facultative résistance à la charge… Son but est double.

Tout d'abord, il fournit un chemin de décharge pour les condensateurs lorsque la tension secteur est interrompue et empêche ainsi la possibilité d'un choc électrique pour le personnel de service.

Deuxièmement, il fournit une charge supplémentaire sur l'alimentation même lorsque la charge externe est désactivée et stabilise ainsi le niveau de tension de sortie. Cette résistance peut également être utilisée comme élément diviseur de tension résistif pour des sorties supplémentaires.

Le filtre en U est un filtre avec une entrée condensateur complétée par une connexion en L.L'action de filtrage principale est effectuée par le condensateur C1, qui est chargé à travers les diodes conductrices et déchargé à travers L et R... Comme avec un filtre conventionnel à entrée capacitive, le temps de charge du condensateur est nettement plus court que le temps de décharge .

La self L lisse les ondulations du courant traversant le condensateur C2, assurant un filtrage supplémentaire. La tension aux bornes du condensateur C2 est la tension de sortie. Bien que sa valeur soit légèrement inférieure à celle d'une alimentation avec un filtre capacitif classique, l'ondulation de la tension de sortie est considérablement réduite.

Même si l'on suppose que le condensateur C1 est chargé à travers les diodes conductrices du redresseur à la valeur de l'amplitude de la tension alternative d'entrée puis déchargé à travers R, la tension du condensateur C2 sera inférieure à celle de C1, car le la self L, qui empêche toute modification du courant de charge, se trouve dans le circuit de décharge du condensateur C1 et forme, avec C2 et R, un diviseur de tension.

Le courant de charge des condensateurs C1 et C2 traverse l'enroulement secondaire du transformateur et les diodes conductrices du redresseur. De plus, lorsque C2 est chargé, ce courant circule à travers le starter L... Le condensateur C1 se décharge à travers L et R connectés en série, et C2 se décharge uniquement à travers la résistance R. Le taux de décharge du condensateur d'entrée C1 dépend de la valeur de la résistance R

La constante de temps de décharge des condensateurs est directement proportionnelle à la valeur R… Si elle est élevée, alors les condensateurs se déchargent un peu et la tension de sortie est élevée.À des valeurs inférieures de R, le taux de décharge augmente et la tension de sortie diminue, car diminuer R signifie augmenter le courant de décharge du condensateur. Ainsi, plus la constante de temps de décharge du condensateur est faible, plus la valeur moyenne de la tension de sortie est faible.

Filtre C-RC en forme de U

Contrairement au filtre qui vient d'être décrit dans le filtre C-RB en forme de U, une résistance R est connectée entre les deux condensateurs au lieu d'un starter.1 comme le montre la Fig. 6.

Les principales différences et les performances du filtre sont déterminées par la réponse différente de la self et la résistance AC. Dans le cas précédent, les réactances de l'inductance L et du condensateur C2 sont telles que le diviseur de tension qu'elles forment assure un lissage relativement meilleur de la tension de sortie.

En figue. 6, les composantes de courant continu et alternatif du courant redressé à travers R1. En raison de la chute de tension aux bornes de R1 à partir de la composante continue, la tension de sortie diminue et plus le courant est important, plus cette chute de tension est importante. Par conséquent, le filtre C-RC ne peut être utilisé qu'avec de faibles courants de charge. Comme dans le cas des filtres inductifs-capacitifs, il est possible d'utiliser une connexion multi-niveaux des circuits de filtrage.

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Le choix des filtres dans tous les cas n'est pas un problème facile, mais dans tous les cas, vous devez comprendre leur objectif et leurs principes de fonctionnement car ils déterminent en grande partie le bon fonctionnement des alimentations.