Если на выходе выпрямителя помимо активного сопротивления имеется также ёмкостной накопитель, то характер работы выпрямителя изменяется.
Каждый положительный полупериод нарастающее напряжение вторичной обмотки обеспечивает протекание тока нагрузки и заряд конденсатора, но с момента времени t1 напряжение на выходе обмотки начинает уменьшаться, а напряжение на заряженном конденсаторе мгновенно измениться не может. В результате чего, начиная с момента времени t1 выпрямительный диод закрывается, ток диода прекращается, а конденсатор начинает разряжаться по экспоненциальному закону. В момент времени t2 напряжение на выводе обмотки становится больше, чем на конденсаторе и диод открывается. В момент времени t3 происходит закрытие диода. Таким образом, ток из обмотки потребляется импульсами на «макушках» положительных полупериодов синусоиды, а в нагрузке интервалы нарастания напряжения чередуются с участками экспоненты разряда накопительного конденсатора. В результате даже в однофазной однополупериодной схеме выпрямителя может быть сформировано напряжение, не имеющее участков нулевых значений.
Заряд конденсатора происходит с малой постоянной времени, определяемой выходным сопротивлением выпрямителя, а разряд с большей постоянной времени, определяемой сопротивлением нагрузки. Поэтому с уменьшением сопротивления нагрузки (ростом потребляемого нагрузкой тока) растут пульсации выпрямленного напряжения.
Для узла подключения катода диода выполняется первый закон Кирхгофа для средних значений токов. Учитывая, что среднее значение тока конденсатора тождественно равно нулю, получаем, что среднее значение тока диода равно среднему значению тока нагрузки. Поскольку длительность включенного состояния диода существенно меньше периода, – амплитуда тока диода может существенно превышать амплитуду тока нагрузки. Рост амплитуды тока диода ведет к увеличению его действующего значения.
Увеличение действующего значения тока по мере сокращения длительности зарядного интервала резко увеличивает энергетические потери в активных элементах схемы выпрямителя, поэтому уровень пульсаций напряжения на схеме активного ёмкостного выпрямителя, как правило, определяется в диапазоне 5-10% рабочего напряжения конденсатора фильтра. Ограничения уровня пульсаций сверху является косвенным ограничением тока конденсатора.
Работа схемы иллюстрируется моделированием в LTspice
Однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром, модель LTspice
С помощью моделирования можно проанализировать влияние емкости фильтра на характер протекания процессов в схеме.
Наиболее часто емкостной сглаживающий фильтр используется в двухполупериодной схеме выпрямления.
Для простейшего сглаживающего фильтра при двухполупериодном выпрямлении можно пользоваться следующим выражением. Двойная амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения может быть определена по формуле:
2\widetilde {U}(B)=\displaystyle\frac{6400 I(A)}{C (мкФ)}.
Здесь I – среднее значение потребляемого тока, С — емкость конденсатора фильтра. Коэффициент 6400 учитывает, что двухполупериодно выпрямляется переменное напряжение частотой 50Гц при близкой к синусоиде форме, а также является переводным коэффициентом для подстановки емкости конденсатора фильтра в микрофарадах.
Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice
Если на выходе выпрямителя последовательно с активным сопротивлением нагрузки установлен индуктивный сглаживающий фильтр, то характер работы выпрямителя будет другим.
Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice
Из графиков видно, что при увеличении реактивных сопротивлений фильтров выходное напряжение выпрямителя с емкостным фильтром стремится к амплитуде входного переменного напряжения, а для выпрямителя с индуктивным фильтром – к среднему значению выпрямленной синусоиды.