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
Радиочастотный фильтр
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в области фильтрации радиочастотных сигналов, сигналов промежуточной частоты в радиоприемных устройствах, сигналов возбуждения в возбудителях передающих устройств, функционирующих в диапазоне радиочастот до 100 МГц. Достигаемый технический результат — улучшение характеристик малогабаритных нерегулируемых LC-фильтров с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра, а именно уменьшение диссипативных потерь и неравномерности в полосе пропускания, без значительного увеличения геометрических размеров фильтров за счет применения более высокодобротных, с меньшими номиналами катушек индуктивности.
При этом LC-фильтр реализуется в тракте с низкоомным сопротивлением, а согласование с сопротивлением исходного тракта производится посредством широкополосных трансформирующих звеньев: понижающим по входу и повышающим по выходу LC-фильтра. Радиочастотный фильтр состоит из LC-фильтра на n резонансных контурах, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, и широкополосных трансформирующих звеньев, согласующих LC-фильтр с сопротивлением тракта.
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в области фильтрации радиочастотных сигналов, сигналов промежуточной частоты в радиоприемных устройствах, сигналов возбуждения в возбудителях передающих устройств, функционирующих в диапазоне радиочастот до 100 МГц.
При разработке помехоустойчивого, с высоким динамическим диапазоном по входному сигналу радиоэлектронного оборудования, применяемого в диапазоне радиочастот до 100 МГц или имеющего тракт промежуточной частоты в случае супергетеродинного преобразования радиочастоты в данном диапазоне, существует проблема создания малогабаритных, неперестраиваемых, с низкими диссипативными потерями, не подверженных интермодуляционным искажениям и поэтому пассивных фильтров низкой частоты (ФНЧ), высокой частоты (ФВЧ), полосовых фильтров (ПФ) с полосой пропускания более 5%.
Известна конструкция фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтр) [Речицкий В.И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах / Речицкий, В.И. — М.: Радио и связь, 1984. — 112 с.] (аналог), состоящая из пьезоэлектрических элементов, принцип действия которой основан на прямом и обратном пьезоэффекте, возбуждении и прохождении поверхностной акустической волны, предназначенная для селектирования радиочастотных сигналов. Однако ПАВ-фильтры применяются в диапазоне частот выше 50 МГц, реализуемы только полосовые фильтры с узкой полосой пропускания не более 10%.
Также известна конструкция кварцевого фильтра [Плонский А.Ф. Кварцевые резонаторы / Плонский, А.Ф. — М.: Госэнергоиздат, 1954. — 96 с.] (аналог), состоящая из пьезоэлектрических элементов, принцип действия которой основан также на прямом и обратном пьезоэффекте, возбуждении и прохождении механических колебаний внутри пьезоэлемента. Как и в предыдущем варианте, реализуемы только полосовые фильтры с узкой полосой пропускания не более 6%, с диссипативными потерями в полосе пропускания более 3 дБ.
Вместе с тем известны конструкции LC-фильтров с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. — США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е. Знаменского. — М.: Сов. радио, 1974. — 288 с.], позволяющие реализовывать ФНЧ, ФВЧ и ПФ с полосой пропускания более 5% (прототип). Конструкции фильтров содержат n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, сопряженных по входу и выходу с сопротивлением R.
Недостатком данной конструкции являются большие номиналы катушек индуктивности при использовании фильтров в диапазоне частот до 100 МГц. Так как, в основном, расчет LC-фильтров проводится при условии согласования их по входу и выходу с сопротивлениями 50 Ом или 75 Ом, то на частотах ниже 100 МГц номиналы входящих в состав данных фильтров катушек индуктивности превышают сотни нГн. Известно, что характеристики фильтров, а именно диссипативные потери и неравномерность в полосе пропускания, зависят от собственной добротности конденсаторов и катушек индуктивности, входящих в их состав.
Однако добротность конденсатора на несколько порядков превышает добротность катушки индуктивности, и поэтому, в первую очередь, на параметры фильтра влияет изменение добротности катушек индуктивности. Для того чтобы фильтр в диапазоне частот до 100 МГц имел низкие диссипативные потери и неравномерность в полосе пропускания, необходимо применять высокодобротные катушки индуктивности. При номиналах порядка сотен нГн такие катушки имеют большие размеры и поэтому, значительно возрастают габариты фильтра. Использование малогабаритных катушек индуктивности на каркасах с применением сердечников, с более тонким сечением провода, из которого изготавливается катушка индуктивности приводит к значительному снижению добротности катушки, а, следовательно, и к ухудшению параметров фильтра.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в применении технических подходов, позволяющих реализовать LC-фильтры с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра с низкими диссипативными потерями и неравномерностью в полосе пропускания за счет применения более высокодобротных катушек индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтров, согласованных по входу и выходу с сопротивлением R тракта и, как следствие, улучшить характеристики фильтров без значительного увеличения их геометрических размеров.
Поставленная техническая задача решается тем, что в радиочастотный фильтр, включающий LC-фильтр, состоящий из n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, дополнительно по входу и выходу LC-фильтра с характеристиками Баттерворда, Чебышева или Кауэра, согласованного с более низкоомным сопротивлением по отношению к сопротивлению R, введены трансформирующие (согласующие) широкополосные звенья: по входу трансформирующее звено из сопротивления R в более низкоомное сопротивление, по выходу LC-фильтра из более низкоомного в сопротивление R, обеспечивающие согласование низкоомного LC-фильтра и тракта с сопротивлением R.
На схеме (фиг.1) представлена конструкция предлагаемой полезной модели, где обозначены: 1 — трансформирующее звено из тракта с сопротивлением R в более низкоомный тракт, 2 — LC-фильтр, 3 — трансформирующее звено из более низкоомного тракта в тракт с сопротивлением R.
Принцип работы полезной модели заключается в том, что радиочастотный сигнал из тракта с сопротивлением R через трансформирующее звено 1, предназначенное для сопряжения тракта с сопротивлением R с более низкоомным трактом, поступает на согласованный с более низкоомным трактом LC-фильтр 2, где селектируется и далее уже отфильтрованный радиочастотный сигнал через трансформирующее звено 3, предназначенное для сопряжения более низкоомного тракта с трактом с сопротивлением R, поступает обратно в тракт с сопротивлением R.
Известно, что при расчете LC-фильтра номиналы катушек индуктивности и конденсаторов зависят от номинала сопротивления по входу и выходу фильтра. Как видно из формул (1), (2), номинал индуктивности L зависит прямо пропорционально от номинала сопротивления R, номинал емкости С обратно пропорционально от номинала сопротивления R.
где fc — частота среза, Гц.
Также известно, что собственная добротность катушки индуктивности напрямую зависит от ее номинала при неизменных геометрических размерах катушки, так как увеличить номинал возможно только при применении каркасов с сердечниками, более тонкого сечения провода, из которого изготавливается катушка индуктивности. Однако это приводит к значительному снижению добротности катушки.
Поэтому переход из сопротивления R в более низкоомное сопротивление позволил использовать в составе LC-фильтра катушки индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтра для сопротивления R. Благодаря этому появилась возможность применить более высокодобротные катушки индуктивности без значительного увеличения их размеров, и как следствие, улучшить характеристики фильтра также без значительного увеличения его габаритов.
Согласование фильтра с трактом осуществляется широкополосными трансформирующими звеньями. В качестве трансформирующих звеньев могут быть использованы L, С — цепи, трансформаторы на ферритах. L, С — цепи могут применяться при согласовании полосовых фильтров с полосой пропускания до 10%. Трансформаторы на ферритах в отличие от L, С — цепей не обладают частотной зависимостью и могут быть использованы в качестве согласующих звеньев в очень широком диапазоне частот, достигающем 5-10 октав. Несмотря на то, что сами трансформаторы на ферритах имеют собственные диссипативные потери, наблюдается выигрыш в характеристиках фильтра: меньшие затухание и неравномерность в полосе пропускания фильтра по сравнению с фильтрами, рассчитанными при условии согласования их с сопротивлением R за счет применения в несколько раз более высокодобротных катушек индуктивности.
Наглядным примером служит реализация нерегулируемого ФНЧ для тракта с сопротивлением 50 Ом с частотой среза 25 МГц с минимальной неравномерностью и затуханием в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц.
На частоте 37,8 МГц должно быть обеспечено подавление более 30 дБ.
Классическим решением является построение фильтра Чебышева седьмого порядка с коэффициентом отражения 10% с входным и выходным сопротивлением 50 Ом [Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров / Ханзел, Г.Е. — США, 1969. Пер. с англ., под ред. А.Е.Знаменского. — М.: Сов. радио, 1974. — 288 с.].
Среди малоразмерных неперестраиваемых индуктивностей, выпускаемых серийно, были выбраны индуктивности фирмы Epcos серии В82498, как индуктивности с наиболее высокой собственной добротностью. Однако собственная добротность таких индуктивностей на частоте 25 МГц не превышает 23. В ходе моделирования был построен фильтр (фиг.2) с характеристикой, приведенной на фиг.4 пунктиром, с максимальным затуханием в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 1,94 дБ и неравномерностью 0,6 дБ.
При пересчете схемы к входному и выходному сопротивлениям, равным 12,5 Ом, был построен фильтр, номиналы катушек индуктивности которого были уменьшены в 4 раза, что позволило использовать неперестраиваемые катушки индуктивности фирмы CoilCraft серии 1812SMS с собственной добротностью 75 на частоте 25 МГц.
Данный фильтр (фиг.3) с характеристикой, приведенной на фиг.4 сплошной линией, имеет максимальное затухание в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 0,78 дБ и неравномерность 0,35 дБ.
Переход из 50 в 12,5 Ом и обратно осуществляется высокочастотными (ВЧ) трансформаторами, реализованными на сердечниках типа М200 ВНП-7 Тр3,5×2,0×2,4 ПЯ0.707.450ТУ с трифилярной намоткой из провода ПЭВТЛ-2 0,1 ТУ16-505.446-77 с количеством витков 4,75. Трансформатор имеет диссипативные потери не более 0,2 дБ в диапазоне частот до 30 МГц. Вместо примененного могут быть использованы покупные ВЧ трансформаторы, обеспечивающие трансформацию из 50 в 12,5 Ом и обратно и имеющие низкие потери в заданном диапазоне частот.
При макетировании были получены сходящиеся с моделью результаты. Фильтр (фиг.5), согласованный с сопротивлением 50 Ом, с АЧХ, представленной на фиг.6, имеет максимальное затухание в полосе пропускания от 18,9 до 23,9 МГц 1,22 дБ, неравномерность 0,36 дБ, ослабление на частоте 37,8 МГц 33,4 дБ.
При программно-аппаратном моделировании очевиден выигрыш как по максимальному затуханию (уменьшено на 0,72 дБ), так и по неравномерности (уменьшена на 0,24 дБ) в полосе пропускания фильтра.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет реализовать LC-фильтры с характеристиками Баттерворда, Чебышева, Кауэра с низкими диссипативными потерями и неравномерностью в полосе пропускания за счет применения более высокодобротных катушек индуктивности с меньшими номиналами, чем при расчете фильтров, согласованных по входу и выходу с сопротивлением R в диапазоне частот до 100 МГц и, как следствие, улучшить характеристики фильтров без значительного увеличения их геометрических размеров.
Радиочастотный фильтр, включающий LC-фильтр, состоящий из n резонансных контуров, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, отличающийся тем, что дополнительно по входу и выходу LC-фильтра с характеристиками Баттерворда, Чебышева или Кауэра, согласованного с более низкоомным сопротивлением по отношению к сопротивлению R тракта, введены трансформирующие (согласующие) широкополосные звенья: по входу трансформирующее звено из сопротивления R тракта в более низкоомное сопротивление, по выходу LC-фильтра из более низкоомного в сопротивление R тракта, обеспечивающие согласование низкоомного LC-фильтра и тракта с сопротивлением R.
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.
Наиболее 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 формы 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 катушки индуктивности:
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 при этом 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. нулевой каскад (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 соединяют последовательно, чтобы получить фильтры 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 фильтровальных схем. К ним относятся фильтры нижних частот, верхних частот, полосовые и режекторные фильтры.
Цепи фильтра — рабочая серия Индуктор, шунтирующий конденсатор, RC-фильтр, LC, пи-фильтр
Цепь фильтра — блок-схема В разделе схемы выпрямителя мы узнали о преобразовании синусоидального переменного напряжения в соответствующее ему пульсирующее постоянное напряжение.
Помимо составляющей постоянного тока, это пульсирующее постоянное напряжение будет иметь нежелательные составляющие переменного тока, такие как составляющие его частоты питания вместе с его гармониками (вместе называемыми пульсациями). Эти пульсации будут максимальными для однофазного однополупериодного выпрямителя и еще больше уменьшится для однофазного двухполупериодного выпрямителя . Пульсации будут минимальными для цепей трехфазного выпрямителя . Такой источник питания не подходит для управления сложными электронными схемами. Для большинства целей питания требуется постоянное напряжение постоянного тока, а не пульсирующий выход выпрямителя. Для большинства приложений питание от выпрямителя ухудшает работу схемы. Если выходной сигнал выпрямителя сглаживается и стабилизируется, а затем передается в качестве напряжения питания, то общая работа схемы становится лучше. Таким образом, выход выпрямителя должен быть пропущен через схему фильтра для фильтрации компонентов переменного тока.
Фильтр — это устройство, которое пропускает постоянную составляющую нагрузки и блокирует переменную составляющую на выходе выпрямителя. Таким образом, на выходе схемы фильтра будет постоянное напряжение постоянного тока.
Схема фильтра может состоять из комбинации таких компонентов, как конденсаторы, резисторы и катушки индуктивности. Индуктор используется из-за его свойства: он пропускает только компоненты постоянного тока и блокирует сигналы переменного тока. Конденсатор используется для блокировки постоянного тока и пропускания переменного тока. Все комбинации и их работа подробно описаны ниже.
Серийный индукторный фильтр
Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя с последовательным индукторным фильтром приведена ниже.
Индуктивный фильтр серии Как следует из названия схемы фильтра, дроссель L подключается последовательно между схемой выпрямителя и нагрузкой. Катушка индуктивности обладает свойством противодействовать изменению тока, протекающего через нее.
Другими словами, катушка индуктивности имеет высокий импеданс для пульсаций и не имеет импеданса для нужных составляющих постоянного тока. Таким образом, компоненты пульсации будут устранены. Когда выходной ток выпрямителя превышает определенное значение, в нем накапливается энергия в виде магнитного поля, и эта энергия отдается, когда выходной ток падает ниже среднего значения. Таким образом, все внезапные изменения тока, возникающие в цепи, будут сглажены путем последовательного включения катушки индуктивности между выпрямителем и нагрузкой.
Приведенная ниже форма волны показывает использование катушки индуктивности в цепи.
Из схемы для постоянного напряжения нулевой частоты сопротивление дросселя Ri последовательно с сопротивлением нагрузки RL образует цепь делителя напряжения, и, таким образом, постоянное напряжение на нагрузке составляет
Vdc = RL/(Ri + RL)
В постоянного тока — это выход двухполупериодного выпрямителя. В этом случае значение Ri пренебрежимо мало по сравнению с RL.
Эффектом более высоких гармоник напряжения можно легко пренебречь, поскольку имеет место более качественная фильтрация высших гармоник. Это связано с тем, что с увеличением частоты увеличивается и реактивное сопротивление катушки индуктивности. Следует отметить, что уменьшение значения сопротивления нагрузки или увеличение значения тока нагрузки уменьшит количество пульсаций в цепи. Таким образом, последовательный индукторный фильтр в основном используется в случаях высокого тока нагрузки или небольшого сопротивления нагрузки. Простой последовательный индукторный фильтр может использоваться неправильно. Всегда лучше использовать шунтирующий конденсатор (C) с последовательной катушкой индуктивности (L) для формирования LC-фильтра.
Шунтирующий конденсаторный фильтр
Как следует из названия, конденсатор используется в качестве фильтра, и этот конденсатор большой емкости шунтируется или размещается поперек импеданса нагрузки. Этот конденсатор, помещенный на выпрямитель, заряжается и сохраняет заряженную энергию в течение периода проводимости.
Когда выпрямитель не проводит ток, эта энергия, заряженная конденсатором, возвращается в нагрузку. Благодаря этому процессу хранения и доставки энергии продолжительность времени, в течение которого ток протекает через нагрузочный резистор, увеличивается, а пульсации значительно уменьшаются. Таким образом, для компонента пульсаций с частотой «f» мегагерц конденсатор «C» будет иметь очень низкий импеданс. Значение этого импеданса можно записать как:
Сопротивление шунтирующего конденсатора = 1/2 fC
Таким образом, постоянные составляющие входного сигнала вместе с несколькими остаточными пульсациями могут проходить только через сопротивление нагрузки RLoad. Большое количество пульсаций тока устраняется через конденсатор C.
Теперь давайте посмотрим на работу однополупериодного выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя с емкостными фильтрами, их форму отфильтрованного выходного сигнала, коэффициент пульсаций, достоинства и недостатки в деталь.
2.
1 Однополупериодный выпрямитель с конденсаторным фильтром
На приведенной выше принципиальной схеме показан однополупериодный выпрямитель с конденсаторным фильтром. Фильтр применяется к нагрузке RLoad. Выход RLoad — VLoad, ток через него — ILoad. Ток через конденсатор Ic.
Во время положительного полупериода входного переменного напряжения диод D будет смещен в прямом направлении и, таким образом, начнет проводить ток. В этот период конденсатор «С» начинает заряжаться до максимального значения напряжения питания Vсм. Когда конденсатор полностью заряжен, он удерживает заряд до тех пор, пока входное переменное напряжение на выпрямитель не достигнет отрицательного полупериода. Как только достигается отрицательная половина питания, диод смещается в обратном направлении и, таким образом, перестает проводить ток. В течение непроводящего периода конденсатор «С» разряжает все накопленные заряды через сопротивление выходной нагрузки RLoad.
Поскольку значение постоянной времени разрядки (C*RLoad) очень велико, конденсатор «C» не успеет правильно разрядиться. Как только конденсатор начинает разряжаться, время истекает. Таким образом, значение RLoad во время разряда также будет высоким и будет иметь чуть меньшее значение, чем выходное значение RLoad. Это когда положительный полупериод снова повторяется, и диод начинает проводить. Условие, которое необходимо учитывать на этом этапе, состоит в том, что выпрямленное напряжение принимает значение больше, чем напряжение на конденсаторе. При возникновении условия конденсатор начинает заряжаться до значения Vsm. Состояние снова меняется, когда вступает в силу отрицательный полупериод, и весь цикл снова повторяется, чтобы сформировать форму выходного сигнала, как показано выше.
Таким образом, вкратце:
- Если значение сопротивления нагрузки велико, постоянная времени разряда будет иметь высокое значение, и, таким образом, время разряда конденсаторов скоро закончится. Это уменьшает количество пульсаций на выходе и увеличивает выходное напряжение. Если сопротивление нагрузки мало, постоянная времени разряда будет меньше, а пульсации будут больше при уменьшении выходного напряжения.
- Значение используемого конденсатора играет важную роль в определении выходных пульсаций и среднего уровня постоянного тока. Если емкость конденсатора высока, количество заряда, которое он может хранить, будет высоким, а количество, которое он разряжает, будет меньше. Таким образом, пульсации будут меньше, а средний уровень постоянного тока будет высоким. Но существует предел того, насколько емкость может быть увеличена. Если значение конденсатора увеличить до очень высокого значения, величина тока, необходимая для зарядки конденсатора до заданного напряжения, будет высокой.
- Плохая стабилизация напряжения.
Коэффициент пульсации
Среднеквадратичное значение зависит от пикового значения величины заряда и разряда, Vpeak.
Vac rms = Vpeak/2
Vpeak = Idc/fC
Коэффициент пульсаций = Vac rms/Vdc = (Vpeak/2 ) * (1/Idc.RLoad)
/ RL c. f.C) = 1/(2 fCRLoad)
2.2 Двухполупериодный выпрямитель с шунтирующим емкостным фильтром
Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром показана ниже.
Двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром Конденсатор фильтра C размещается параллельно резистивной нагрузке RLoad. Вся работа очень похожа на описанную выше работу однополупериодного выпрямителя с шунтирующим конденсатором.
Ток нагрузки уменьшается на меньшую величину перед приемом следующего импульса, поскольку за цикл приходится 2 импульса тока. Это вызывает хорошее снижение пульсаций и дальнейшее увеличение среднего постоянного тока нагрузки.
Фильтры L-C
В описанной выше простой схеме фильтра с шунтирующим конденсатором мы пришли к выводу, что конденсатор снижает пульсации напряжения, но увеличивает ток диода. снижают эффективность фильтра. С другой стороны, простая последовательная катушка индуктивности снижает как пиковые, так и эффективные значения выходного тока и выходного напряжения. Затем, если мы объединим оба фильтра (L и C), можно разработать новый фильтр, называемый фильтром LC, который будет иметь хорошую эффективность, с ограниченным током диода и достаточным коэффициентом подавления пульсаций.
Стабилизирующее напряжение действие шунтирующего конденсатора и ток Сглаживающее действие последовательного индукторного фильтра может быть объединено в идеальную практичную схему фильтра.
Фильтры L-C могут быть двух типов: Входной дроссель Фильтр L-образной секции и Входной фильтр L-C конденсатора
Входной фильтр L-образной секции дросселя
Индуктивный фильтр увеличивает коэффициент пульсаций с увеличением тока нагрузки Rload. Конденсаторный фильтр имеет коэффициент пульсаций, обратно пропорциональный сопротивлению нагрузки. С экономической точки зрения как индукторный фильтр, так и емкостной фильтр не подходят для высокотехнологичных целей.
Входной индуктор L-C или фильтр L-образной секции состоит из индуктора «L», соединенного последовательно с двухполупериодным или двухполупериодным выпрямителем, и конденсатора «C» на входе. нагрузка. Это устройство также называют дроссельным входным фильтром или фильтром L-образного сечения, потому что его форма напоминает перевернутую L-образную форму.
Для увеличения сглаживающего действия с помощью схемы фильтра одной LC-схемы будет недостаточно. Несколько фильтров L-образной секции будут расположены для получения гладкого отфильтрованного выходного сигнала. Принципиальная схема и сглаженная форма выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя показаны ниже.
Как показано на схеме выше, дроссель L пропускает постоянный ток, но ограничивает поток компонентов переменного тока, поскольку его сопротивление постоянному току очень мало, а полное сопротивление переменному току велико. После прохождения сигнала через дроссель, если есть какие-либо колебания оставшегося тока, он будет полностью пропущен до того, как достигнет нагрузки шунтирующим конденсатором, поскольку значение Xc намного меньше, чем Rload. Количество пульсаций можно значительно уменьшить, сделав значение XL больше, чем Xc на частоте пульсаций.
Коэффициент пульсаций
Коэффициент пульсаций = Vac rms/Vdc = (√2/3)(Xc/XL) = (√2/3)(1/[2wc])(1/[2wL]) = 1/(6√2w 2 LC)
Хотя LC-фильтр обладает всеми этими преимуществами, сейчас он совершенно устарел из-за огромных размеров катушек индуктивности и стоимости его изготовления.
В настоящее время стабилизаторы напряжения на ИС чаще используются вместе с активными фильтрами, которые уменьшают пульсации и поддерживают постоянное выходное напряжение постоянного тока.
Схема входного фильтра конденсатора L-C и форма сигнала показаны ниже.
Π — фильтр или емкостной входной фильтр
Название pi — фильтр подразумевает сходство схемы с формой Π с двумя шунтирующими емкостями (C1 и C2) и индуктивным фильтром «L». Поскольку выход выпрямителя подается непосредственно на конденсатор, его также называют входным фильтром конденсатора.
Выходной сигнал выпрямителя сначала подается на шунтирующий конденсатор C. Используемый выпрямитель может быть однополупериодным или двухполупериодным, а конденсаторы обычно электролитические, несмотря на то, что они большие по размеру. В практических приложениях две емкости заключены в металлический контейнер, который действует как общая земля для двух конденсаторов. Принципиальная схема и форма сигнала приведены ниже.
По сравнению с другими типами фильтров, Π-фильтр имеет некоторые преимущества, такие как более высокое постоянное напряжение и меньший коэффициент пульсаций. Но у него также есть некоторые недостатки, такие как плохое регулирование напряжения, высокий пиковый ток диода и высокое пиковое обратное напряжение.
Этот фильтр состоит из двух частей: емкостного фильтра и фильтра Г-образного сечения. Конденсатор C1 выполняет большую часть фильтрации в цепи, а оставшиеся пульсации удаляются фильтром L-образной секции (L-C2). C1 выбран для обеспечения очень низкого реактивного сопротивления частоте пульсаций. Регулировка напряжения для этой схемы плохая, так как выходное напряжение быстро падает с увеличением тока нагрузки.
Коэффициент пульсации
Коэффициент пульсации = √2/(8w 3 C1C2LRload)
R-C фильтр
Мы уже обсуждали недостатки использования пи-фильтра.
