1.3. Описание lc-фильтров

Фильтры более высокого качества реализуются на основе катушек индуктивности и конденсаторов. В LC-фильтр могут входить также и резисторы. Связь входной и выходной цепей большинства LC-фильтров соответственно с источником сигнала и с нагрузкой производится таким образом, чтобы значения их реактивных или полных сопротивлений были равны.

На рис. 4 приведена схема и амплитудно-частотная характеристика типового Г — образного LC-фильтра нижних частот.

Рис. 4. Схема и АЧХ Г — образного низкочастотного фильтра.

Расчет такого фильтра производится по следующим формулам:

Все LC-фильтры обладают тем преимуществом, что на переменном токе конденсаторы и катушки индуктивности работают взаимообратно, т.е. при увеличении частоты сигнала индуктивное сопротивление возрастает, а емкостное падает. Таким образом, в LC-фильтре нижних частот реактивное сопротивление параллельного элемента при увеличении частоты сигнала уменьшается и этот элемент шунтирует высокочастотные сигналы.

На низких частотах реактивное сопротивление параллельного элемента достаточно высокое. Последовательный элемент обеспечивает прохождение низкочастотных сигналов, а для сигналов высоких частот его реактивное сопротивление велико.

Простой Г — образный фильтр не обеспечивает достаточную крутизну амплитудно-частотной характеристики. Для увеличения крутизны в основную Г-образную структуру вводят дополнительную катушку индуктивности, как показано на рис. 5. Такой фильтр называется Т-образным.

Рис. 5. Т — образный НЧ LC-фильтр.

В Т — образном фильтре значение конденсатора С такое же, как и в исходной Г-образной структуре, и все ее расчетные формулы сохраняются. Суммарная индуктивность катушек L₁ и L₂ должна быть эквивалентна индуктивности единственной катушки исходной Г-образной структуры. Обычно требуемая общая индуктивность распределяется между двумя этими катушками поровну таким образом, чтобы каждая из катушек в Т — образном фильтре нижних частот имела индуктивность в два раза меньше, чем катушка в Г — образном фильтре.

Крутизну амплитудно-частотной характеристики можно увеличить также путем введения в цепь дополнительного конденсатора. Такой фильтр называется П-образным (рис. 6.).

Рис. 6. П-образный низкочастотный LC-фильтр.

В П — образном фильтре значение индуктивности L такое же, как и в исходной Г-образной структуре, тогда как суммарная емкость конденсаторов С₁ и С₂ должна быть эквивалентна емкости конденсатора исходной Г — образной структуры. Обычно требуемая общая емкость распределяется между двумя этими конденсаторами поровну таким образом, чтобы каждый из конденсаторов в П — образном фильтре имел емкость, равную половине емкости конденсатора в Г — образном фильтре.

На рис. 7 приведена схема и амплитудно-частотная характеристика типового Г — образногоLС-фильтра верхних частот.

Рис. 7. Схема и АЧХ высокочастотного Г-образного LC-фильтра.

Расчет Г — образного LС-фильтра верхних частот производится по следующим формулам:

В этом фильтре при увеличении частоты сопротивление последовательного элемента уменьшается. Он пропускает высокочастотные сигналы, а для сигналов низких частот его реактивное сопротивление велико. Параллельный элемент оказывает шунтирующее влияние на сигналы низких частот, а для высокочастотных сигналов его реактивное сопротивление велико.

Для увеличения крутизны амплитудно-частотной характеристики в Г — образную структуру можно ввести дополнительный конденсатор, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Т — образный высокочастотный LC-фильтр.

Такой фильтр имеет Т — образную структуру. В Т — образном фильтре значение индуктивности L не отличается от ее значения в исходной Г — образной структуре и все расчетные формулы остаются такими же. Суммарная емкость конденсаторов С₁ и С₂ должна быть эквивалентна емкости одиночного конденсатора исходной Г-образной структуры. Обычно эта требуемая общая емкость распределяется поровну между двумя конденсаторами так, что Т — образном фильтре верхних частот каждый конденсатор имеет емкость, равную удвоенному значению емкости в Г — образной структуре.

Крутизну амплитудно-частотной характеристики фильтра можно также повысить путем введения в схему дополнительной катушки индуктивности, как показано на рис. 9, образуя П — образный фильтр.

Рис. 9. П-образный высокочастотный LC-фильтр.

В П — образном LC-фильтре значение емкости конденсатора не изменяется, а суммарная индуктивность катушек L

1 и L₂ должна быть эквивалентна индуктивности одиночной катушки исходной Г-образной структуры. Обычно требуемая общая индуктивность распределяется поровну между двумя катушками так, что каждая из них имеет индуктивность, равную удвоенному значению индуктивности Г — образной структуры.

Работа полосно-заграждающего (режекторного) фильтра основана на различии зависимостей полных сопротивлений параллельной и последовательной резонансных цепей от частоты. Полное сопротивление параллельной LC-цепи на резонансной частоте максимально, тогда как у последовательной цепи оно минимально.

Эти две LC-цепи, соединенные определенным образом (рис. 10), образуют Г — образный режекторный фильтр.

Рис. 10. Г — образный режекторный LC-фильтр.

На центральной частоте требуемого диапазона полное сопротивление последовательной LC-цепи (она включена параллельно нагрузке) минимально, и она оказывает шунтирующее воздействие и ослабляет сигналы. Полное сопротивление параллельной LC-цепи (которая включена последовательно с нагрузкой) на центральной частоте требуемого диапазона максимально, и она препятствует прохождению сигналов.

Т-образные и П-образные полосно-пропускающие фильтры (рис. 11) обладают более высокой крутизной амплитудно-частотной характеристики.

Расчет полосно-пропускающих LC-фильтров производится по следующим формулам:

Рис.11. Полосовые П- и Т-образные LC – фильтры.

LC-фильтр для FPV | RCDetails Blog

LC-фильтр — это один из базовых фильтров в электронике, в простейшем виде он состоит из одной индуктивности и одного конденсатора. Эта схема очень часто используется в FOV хобби для снижения электрических шумов от регуляторов скорости и моторов.

Оригинал: LC Filter and FPV

Что такое LC-фильтр?

LC-фильтр состоит из катушки индуктивности (L) и конденсатора (C). Всё просто.

Индуктивность создает сопротивление изменению тока, проходящего через неё, а конденсатор сопротивляется изменению напряжения. Описание более серьезного фильтра смотрите тут (англ).

Обычно это фильтр нижних частот (ФНЧ), он пропускает сигналы с небольшими частотами, и создает сопротивление высокочастотным сигналам.

Где купить LC-фильтры?

Вот несколько фильтров подходящих для радиоуправляемых моделей.

• 16 В / 1 А. yа Banggood | Amazon
• 16 В / 2 А, на Banggood | Amazon
• 24 В / 1,5 А на Banggood

Перед покупкой убедитесь, что выбранный фильтр подходит по напряжению и току.

Как LC-фильтр улучшает видеосигнал

В коптерах моторы и регуляторы скорости создают шум по линиям питания, он может влиять на качество видео.

Во время полета скорость вращения моторов постоянно меняется. При изменении скорости вращения меняется потребляемый ток и появляются скачки напряжения, что по сути и есть шум.

Чаще всего шум выражается в полосах на изображении.

LC-фильтр может подавить шум в линии питания вашего FPV оборудования (видеопередатчик, камера). Иногда такой фильтр нужен, иногда нет. Некоторые стабилизаторы (DC-DC преобразователи) уже имеют встроенные фильтры, но отдельный LC-фильтр может улучшить ситуацию.

LC-фильтры и конденсаторы с низким ESR

Меня часто спрашивают о том, что лучше использовать: LC-фильтр или Low ESR конденсатор? Должен заметить, что они нужны для разных целей.

LC-фильтр в основном используется для того, чтобы устранить шум в FPV оборудовании, он не устраняет шум, который есть в основной сети (до стабилизатора). С другой стороны, Low ESR конденсатор должен снизить шум доходящий до всех потребителей.

Дополнительная информация: что такое конденсаторы с низким ESR и как их использовать в миникоптерах (англ. )

У LC-фильтров есть максимально допустимый ток, который определяется параметрами катушки индуктивности (дросселя), следовательно, они используются в схемах с небольшим током. В полетных контроллерах очень часто можно увидеть LC-фильтры в цепях питания 5 и 12 вольт, также они бывают и на PDB (тоже для питания FPV оборудования). Обычно LC фильтры более эффективны, чем отдельный конденсатор.

При использовании только LowESR конденсатора нужно проверить только допустимое напряжение.

Делаем свой LC-фильтр

Значение емкости и индуктивности меняет частоту среза. Если вы знаете частоту шума, то сможете подавить его более эффективно. Однако, даже при использовании произвольной индуктивности и конденсатора, вы все равно получите какую-нибудь фильтрацию 🙂

Хорошо, если вы знаете какая вам нужна емкость конденсатора и индуктивность катушки! Если нет, то не парьтесь, не ракету же строим, всё будет нормально.

Вот схема соединения конденсатора и дросселя.

При выборе конденсатора, убедитесь, что он подходит по напряжению, т.е. если вы подключаете LC-фильтр напрямую к LiPo аккумулятору, то конденсатор должен быть на напряжение не ниже (а лучше на 5-10 вольт выше, прим. перев), чем напряжение аккума. Что касается ёмкости, то, чем больше, тем лучше, думаю подойдёт 100 — 2000 мкФ.

Дроссель можно купить или сделать самому, для этого нужно ферритовое кольцо (англ.) и немного провода. Важно правильно выбрать диаметр и длину провода. В идеале нужно сделать как минимум полдюжины витков. А диаметр проводов выбирается исходя из максимальной силы тока.

Если вы сами наматываете катушку, то наматывайте только плюсовой провод. При намотке на ферритовое кольцо НЕ ЗАКАНЧИВАЙТЕ намотку на той же стороне где начали, выход должен быть с другой стороны.

Конденсатор подойдет любой электролитический. Их легко можно найти в старой аппаратуре или в компах. Или купите какой-нибудь на eBay, они очень дешевые. Лучше всего использовать конденсатор lowESR.

Проверьте, что подключили конденсатор со стороны выхода, там, где подключается нагрузка в виде камеры или видеопередатчика.

Заключение

LC-фильтры великолепны, их просто сделать и легко купить (они очень дешевые). Если у вас есть помехи в виде линий на видеосигнале с коптера, фильтр может снизить шум или даже полностью его убрать. Использование только конденсатора не всегда может решить проблему, так что лучше ставить LC-фильтр.

История изменений

• Февраль 2014 — первая версия статьи
• Июнь 2018 — обновление статьи, добавлены разные LC-фильтры

LC-фильтр — справочник по электронике

В LC-фильтре используется комбинация катушки индуктивности и конденсатора для улучшения качества формы электронного сигнала. LC-фильтры сочетают в себе свойства индукторных и емкостных фильтров, улучшая качество выходного сигнала в большей степени, чем каждый из них по отдельности.

В этой статье мы рассмотрим LC-фильтры для улучшения выходных характеристик выпрямителей . Мы узнаем об использовании LC-фильтра, теории работы и применении в источниках питания. Схемы LC-фильтров также используются в фильтрах нижних частот, верхних частот, полосовых и режекторных фильтрах.

Эффективность выпрямителя переменного тока

Включите JavaScript

Эффективность выпрямителя переменного тока

Самый распространенный способ преобразования сигнала переменного тока в постоянный — использование выпрямителя . Выпрямитель представляет собой схему, которая принимает на вход синусоидальный переменный ток и выводит импульсный сигнал постоянного тока с помощью диодов. Это важный шаг в преобразовании переменного тока в постоянный, но для обычных электронных устройств требуется постоянный ровный сигнал постоянного тока. Нам нужен способ сгладить импульсную форму волны постоянного тока.

Здесь на помощь приходят фильтры. Фильтры можно использовать после выпрямления для улучшения качества выходного сигнала.

Катушки индуктивности и конденсаторы могут использоваться в качестве фильтров как по отдельности, так и в сочетании друг с другом. Фильтры более высокого качества могут иметь несколько каскадов с индуктивными и емкостными элементами для тщательной фильтрации выходного сигнала.

В наших предыдущих руководствах по индуктивным фильтрам и емкостным фильтрам мы узнали, что каждый тип фильтра улучшает качество сигнала, и что они делают это по-разному.

Цепь LC-фильтра

LC-фильтр состоит из катушки индуктивности, включенной последовательно с нагрузкой, и конденсатора, параллельной нагрузке. Мы можем думать, что этот фильтр имеет две ступени; индукторный каскад и конденсаторный каскад.

Схема цепи LC-фильтра

Первая ступень: дроссель

Дроссель действует как «дроссель» для составляющей переменного тока выходного сигнала выпрямителя и работает как индукторный фильтр.

Позволяет протекать через него составляющей постоянного тока без затухания из-за индуктивного реактивного сопротивления. Однако компонент переменного тока испытывает импеданс из-за индуктивного реактивного сопротивления ( X _L ), который пропорционален частоте сигнала, а также силе индуктора:

 X_L = 2\pi fL 

Это означает, что более высокие частоты ослабляются больше, чем более низкие частоты. Таким образом, катушки индуктивности превосходно снижают влияние гармоник более высокого порядка.

Индуктивный фильтр показан справа. Он генерирует синусоидальный сигнал постоянного тока, который колеблется вокруг среднего напряжения (V _DC ) на выходе выпрямителя.

Мы видим, что индуктор улучшает форму сигнала, предотвращая большие колебания напряжения полного импульса постоянного тока.

Однако сигнал можно еще больше улучшить, включив конденсатор. В этом разница между индукторным фильтром и LC-фильтром.

Вторая ступень: Конденсатор

Сглаживающий конденсатор пропускает переменную составляющую сигнала на землю, блокируя постоянный ток. Он также накапливает и высвобождает электрическую энергию, обеспечивая постоянное напряжение и ток через нагрузку, в то время как в противном случае форма входного сигнала резко падала бы и возрастала. Таким образом, он работает как конденсаторный фильтр.

Наибольшее емкостное сопротивление (затухание) на низких частотах:

 X_C = \frac{1}{2\pi fC} 

Это означает, что более низкие частоты (и постоянный ток) не проходят через конденсатор; вместо этого они продолжают загрузку.

Конденсаторы уникальным образом улучшают форму сигнала. Они накапливают заряд, пока напряжение превышает напряжение на конденсаторе, а затем генерируют напряжение, когда форма волны падает ниже напряжения, которое они производят.

Выход конденсаторного фильтра (сам по себе, не в LC-фильтре) показан справа. Конденсатор сглаживает выходное напряжение во время цикла разрядки. Обратите внимание, что на изображении показано влияние конденсаторного фильтра на однополупериодный выпрямитель, чтобы добавить ясности (за счет разделения циклов зарядки и разрядки).

LC-фильтры объединяют эти свойства за счет включения катушек индуктивности и конденсаторов в один фильтр.

Выходной сигнал LC-фильтра

Когда емкостной фильтр добавляется к индукторному фильтру для формирования LC-фильтра, форма выходного сигнала по существу является результатом двухкаскадного фильтра.

Этот выход показан графически на следующем изображении:

Зеленая линия показывает выход двухполупериодного выпрямителя, т. е. нулевая ступень (0).

Темно-синей линией показан выход индукторного фильтра, т.е. первая ступень (1).

Светло-голубая пунктирная линия показывает выходной сигнал LC-фильтра второй ступени (2). Это выход LC-фильтра.

Для наглядности на следующем изображении показан только окончательный результат:

Теперь мы можем ясно видеть, что LC-фильтр значительно улучшает выходной сигнал либо индуктивного, либо емкостного фильтров.

LC-фильтры более высокого порядка

В реальных приложениях LC-фильтры часто последовательно соединяют каскадом для получения фильтров высшего качества.

Фильтр с двумя каскадными LC-фильтрами называется фильтром 2-го порядка. Добавление третьего фильтра приведет к фильтру 3-го порядка и так далее.

Каждая ступень увеличивает стоимость, но улучшает выходную мощность выпрямителя.

Одна из наиболее распространенных версий известна как пи-фильтр, в котором используется на один конденсатор больше, чем в стандартном LC-фильтре.

Другие типы LC-фильтров

Подобно емкостным и индукторным фильтрам, LC-фильтры используются в качестве неотъемлемых компонентов многих различных типов схем фильтров. К ним относятся фильтры нижних частот, верхних частот, полосовые и режекторные фильтры.

Шумоподавление импульсного регулятора с LC-фильтром

к Фредерик Досталь Скачать PDF

Можно использовать различные методы фильтрации для уменьшения шума переключения. регулятор. Особенно хорошо работает LC-фильтр с катушкой индуктивности. последовательно с потоком мощности и конденсатором от отфильтрованного напряжения К земле, приземляться. Этот тип LC-фильтра создает двойной полюс в частоте домен. В зависимости от значений L и C угловая частота — в данном случае двойной полюс — может быть установлена ​​таким образом, чтобы уменьшить шум.

от частоты переключения и переходной частоты переключения импульсного блока питания. Дополнительная LC-цепь работает как фильтр нижних частот.

При наличии шума в чувствительном электронном оборудовании, питаемом от Импульсный источник питания часто может быть оснащен фильтром, состоящим из L2 и C3. используется (рис. 1). Выходное напряжение источника питания фильтруется ЖК-фильтр. Высокочастотный шум, исходящий от частоты коммутации, обычно между 500 кГц и 3 МГц, а от коммутационного перехода частота, обычно между 50 МГц и 200 МГц, ослабляется.

 

 

 

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/switching-regulator-noise-reduction -with-an-lc-filter/figure1.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’>

Рис. 1. Понижающий стабилизатор для питания чувствительных к шуму нагрузок с LC-фильтром на выходе.

Расположение дополнительного фильтра в схеме очень важно для успешная фильтрация. Интуитивно можно было бы поместить этот фильтр между выходным импульсного источника питания и чувствительной нагрузки. Такой чувствительный Нагрузкой может быть АЦП с высоким разрешением, ЦАП, операционный усилитель с низким уровнем сигнала или чувствительный VCO или PLL для радиочастотной схемы. Любые пульсации напряжения на выходе понижающий регулятор будет ослаблен дополнительным фильтром. В то время как рябь в узле А появится напряжение (рис. 1), в узле В шум будет значительно ниже.

Однако, если импульсный блок питания является понижающим стабилизатором, а дополнительный LC фильтр на входе импульсного стабилизатора а не выход, возможно большее шумоподавление. Это показано на рис. 2. Причина этого в том, что топология buck имеет относительно мало шум на выходе. Катушка индуктивности (L1 на рис. 2) включена последовательно с выходной путь (узел A). Этот узел будет испытывать некоторое пульсирующее напряжение, но амплитуда обычно составляет всего несколько мВ. Точное значение зависит от используемая частота переключения, значения входного и выходного напряжения и особенно выбранные значения компонентов L1 и C2.

<img src=’https://www.analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/switching-regulator-noise-reduction-with-an-lc-filter /figure2.png?w=435 ‘ alt=’Рисунок 2’>

Рисунок 2. Часто дополнительный входной фильтр снижает системный шум гораздо сильнее, чем фильтр на выходе

Однако входная сторона понижающей топологии очень зашумлена. Когда переключатель S1 выключен, ток не поступает на понижающий регулятор. Когда переключатель S1 включен, в цепи протекает полный ток. Входной конденсатор С1 помогает уменьшить эти интенсивные течения немного меняются. Тем не менее, шум со стороны входа намного выше.

Шум на входе понижающего регулятора электрически не связан с чувствительная нагрузка. Однако в обычных схемах имеется много связей. механизмы такого шума. Быстрые переменные токи на входе понижающего каскада часто прокладываются на печатной плате на большие расстояния. изменяющиеся токи могут индуктивно соединяться с другими частями цепи и, в конечном счете, вызвать шум в чувствительной цепи нагрузки.

Причина, по которой входной фильтр более эффективен для снижения шума, чем фильтр выходной стороны специфичен для топологии buck. Другие топологии, например в качестве повышения или обратного хода, приводят к высокому уровню шума на выходе. Как результат, дополнительный LC-фильтр на выходе необходим для снижения шума.

Не секрет, что при питании чувствительных нагрузок требуется дополнительная фильтрация Импульсный источник питания имеет большой смысл. Шум можно уменьшить эффективно с таким фильтром. Чего многие дизайнеры не понимают, так это того, что в В некоторых ситуациях, особенно с понижающими регуляторами, очень важно отфильтровать входная сторона для лучшей производительности. Интуитивно можно было бы сначала посмотреть на узел между понижающим регулятором и нагрузкой, на которую подается питание.

Как поясняется в статье, это тот случай, когда наша интуиция не работает. подскажите нам лучшее решение. Всегда смотрите на узлы, где чередуются токи, также называемые горячими петлями, возникают и обеспечивают правильную дополнительную фильтрацию там.