Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания. Схемы, онлайн расчёт

Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры.
Схемы, свойства, онлайн калькулятор.

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций К_п   в пределах 10^-5… 10^-4 так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:

10^-3… 10^-2   (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10^-4… 10^-3   (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10^-5… 10^-4  (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра

К_с = К_п-вх/К_п-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.

Рис.1

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИБП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F:
С1 = I_н/(3,14×U_н×F×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = I_н/(6,28×U_н×F×К_п) — для двухполупериодных.
К_п   — это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а

F   — частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ!!! Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИБП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки X_L на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F²(Гц)×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F²×К_п) — для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/R_н²(Ом).

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в.

Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице   ссылка на страницу:
С1 = С2 ;   С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/R_н²(Ом).

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3

(Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак:    С3 = 1/(39,44×L1×F²) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F²) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.

Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.

Рис.2

На

Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.

Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.

При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
U_б = U_вх — U_{вх пульсаций} — (2,5…3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
U_кэ = U_{вх пульсаций} + (3,1…3,6В) .
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что

для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.

Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора. Чем выше h31 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h31

Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы транзистора (Рис.2б).
Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).

Ещё эффективней будет работать транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора вместо R2 (Рис.1а), либо R3 (Рис.1б) включить стабилитрон с напряжением пробоя, равным значению, рассчитанному для резистивного делителя.

 

Сглаживающие фильтры | BlogTIMT.ru

Выходное напряжение выпрямительных устройств не удовлетворят требованию, которое предъявляет телекоммуникационная аппаратура связи. Качество полученного напряжения оценивается по следующим параметрам: количеством пульсаций и уровнем переменной составляющей напряжения. Чтобы получить нужное качество электроэнергии, на выходе питающих устройств устанавливают блок сглаживающих фильтров. Схемы выпрямительных устройств мы рассматривали в предыдущих статьях.

Эффект сглаживания достигается за счёт того, что уровень постоянной составляющей на выходе становится больше, чем амплитуда переменной составляющей на входе. Задача сводится к тому, чтобы уменьшить переменную составляющую до нужного уровня и передать без потерь постоянную составляющую. В статье будут рассмотрены все основные фильтры, которые изучаются при освоении дисциплины «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций»

При изучении данной темы основное внимание уделяется изучению двух основных параметров. Первый параметр – это коэффициент пульсаций по n-й гармонике К_п(n), он характеризует изменение амплитуды n-й гармоники напряжения на выходе фильтра по отношению к его входу.

Второй не мало важный параметр – это коэффициент сглаживания пульсаций по n-й гармонике K_c(n). Он показывает во сколько раз происходит изменение коэффициента пульсаций по определённой гармонике на выходе, относительно входа.

Сглаживающие фильтры бывают двух видов: активные и пассивные.

Активные имеют частотно зависимую обратную связь, и рассматриваются как параметрические стабилизаторы, о которых поговорим в другой статье.

Пассивные строятся на базе инерционных элементов, таких как конденсаторы и дроссели. Этот вид в свою очередь подразделяется на фильтры из одной индуктивности или ёмкости, LC, RC и резонансные.

Фильтры из одной индуктивности или емкости

Такие фильтры являются частным случаем работы выпрямителя на индуктивную и емкостную нагрузку. Поэтому изучение данной темы начинается именно с них.

Индуктивный фильтр состоит из одного дросселя, который включен последовательно с нагрузкой. Пример такого фильтра представлен на рисунке 1а.

Рисунок 1 – Фильтры из одной индуктивности или ёмкости: а) – индуктивный, б) – емкостной

Сглаживание происходит за счёт появления ЭДС на витках дросселя, которое препятствует быстрому изменению постоянного тока. Чтобы соблюсти это условие, индуктивное сопротивление дросселя (X_L=mω_cL) должно быть значительно больше сопротивления нагрузки R_н. При таком значении индуктивного сопротивления, переменная составляющая напряжения будет уменьшаться на контактах дросселя. На нагрузке же будет проходить постоянная составляющая напряжения плюс переменная, которая значительно меньше той, что подавалась на вход фильтра. Коэффициент сглаживания в данном случае будет равен:

где   U_01m, U_Н1m – амплитуды гармоник на входе и выходе фильтра;
U₀, U_Н – напряжения на входе и на выходе фильтра;
R_Н – сопротивления нагрузки;
L – индуктивность дросселя;
ω_c – угловая частота (2πf_c), где f_c  промышленная частота тока в сети;
m – коэффициент, показывающий во сколько раз частота пульсаций первой гармоники выпрямленного напряжения больше, чем промышленная частота тока сети (зависит от схемы выпрямительного устройства).

Емкостной фильтр состоит из одной ёмкости, подключенной параллельно нагрузке. Пример такой схемы изображён на рисунке 1б. Рассматривается такая схема обычно совместно со схемой выпрямления. Принцип действия её основан на свойствах конденсатора. Под действием напряжения поступающего с выпрямителя он запасает энергию, при его отсутствии он разряжается в нагрузку, тем самым сглаживая пульсации постоянного напряжения. Коэффициент сглаживания находится по следующей формуле:

Из выражений (1.1) и (1.2) следует, что при возрастании m у емкостного фильтра коэффициент сглаживания уменьшается, а у индуктивного наоборот, возрастает. Следовательно индуктивный фильтр основное применение находит в многофазных выпрямительных устройствах, а емкостной в однофазных выпрямительных схемах. Однако, при уменьшении сопротивления нагрузки Rн, сглаживающее действие индуктивного фильтра возврастает, а емкостного, наоборот, уменьшается. Отсюда можно сделать вывод, что индуктивный целесообразно использовать при больших токах в нагрузке, а емкостной при малых.

LC-фильтры

Наиболее широкое применение в системах электропитания устройств связи находят сглаживающие LC-фильтры. Для начала рассмотрим Г-образную конструкцую изображённой на рисунке 2а.

Рисунок 2 – LC-фильтры: а) Г-образная конструкция, б) П-образная конструкция, в) Двухзвенная конструкция

Для функционирования данного фильтра необходимо соблюсти следующие условия. Емкостное сопротивление для наименьшей гармоники пульсации должно быть во много раз меньше сопротивления, которым обладает нагрузка  и во много раз меньшее индуктивное сопротивление дросселя для первой гармоники  . Исходя из этих условий, коэффициент сглаживания фильтра Г-образной конструкции равен:

где  – собственная частота фильтра.

Главным условием выбора элементов фильтра является обеспечение индуктивной реакции сглаживающего звена. Это необходимо для сглаживания внешней характеристики выпрямителя или использования в диодном блоке ионных, кремневых или германиевых диодов.

При расчёте сглаживающего звена, нужно обеспечить отсутствие возникновения резонансных явлений на частотах изменения тока и пульсации выпрямленного напряжения за счёт подбора соотношения реактивных сопротивлений ёмкости и индуктивности.

Рассмотрим П-образную конструкцию фильтра изображённую на рисунке 2б. Такое сглаживающее звено можно получить используя последовательно соединённые два звена емкостного и Г-образной конструкции LC фильтра. Следовательно коэффициент сглаживания П-образного фильтра будет равен произведению коэффициентов сглаживания емкостного и фильтра Г-образной конструкции:

Для получения больших величин коэффициентов сглаживания можно применять фильтры состоящие из нескольких звеньев. Пример двухзвенного фильтра Г-образной конструкции изображён на рисунке 2в. Итоговый коэффициент сглаживания будет равен произведению коэффициентов сглаживания звеньев фильтра:

Приведённые выше LC фильтры применяются для мощных выпрямительных устройств, для маломощных применяют RC-фильтры

RC-фильтры

В выпрямительных устройствах небольшой ёмкости используются фильтры включающие в себя активное сопротивление и ёмкость. Пример такого фильтра изображён на рисунке 3а.

Рисунок 3 – RC-фильтры: а) Г-образная конструкция, б) П-образная конструкция, в) Двухзвенная конструкция

Фильтры подобной конструкции имеют небольшие габариты по сравнению с LC-фильтрами, но имеют большие потери энергии и падения напряжения на гасящем резисторе. Коэффициент сглаживания для такого фильтра будет:

Расчёт П-образной конструкции (рисунок 3б) производится аналогично LC-фильтру, разделением фильтра на две части, емкостную и резистивно-емкостную. Следовательно коэффициент сглаживания для такого фильтра будет следующим:

Коэффициент сглаживания для многозвенного фильтра будет аналогичен формуле 1.5

Резонансные фильтры

Иногда, чтобы улучшить сглаживающие свойства в электропитающих устройствах применяются резонансные фильтры представленные на рисунке 4.

Рисунок 4 – Резонансные фильтры: а) однозвенный фильтр, б) двухзвенный фильтр

В данном фильтре в место дросселя включен колебательный контур, который подбирается под частоту первой гармоники пульсаций постоянного напряжения. Сопротивление колебательного контура будет большим для первой гармоники, следовательно переменная составляющая почти полностью будет отфильтрована. Коэффициент сглаживания будет примерно равен:

Коэффициент сглаживания подобных фильтров будет значительно больше, чем у обычных Г-образных конструкций LC-фильтров, минимум в 3-4 раза. Стоит отметить, что используя многозвенный резонансный фильтр, первое звено будет сглаживать первую гармонику, второе вторую и т.д. Соответственно каждое звено настраивается на частоту сглаживаемой гармоники.

P.S. Статья со временем будет обновляться. Если нашли ошибку, обязательно дайте мне знать лично, либо в комментариях. Для более глубокого изучения сглаживающих фильтров воспользуйтесь соответствующей литературой.

Сглаживающий фильтр — Википедия

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, включённый параллельно нагрузке. Нередко параллельно электролитическому конденсатору устанавливается плёночный (или керамический) ёмкостью в доли или единицы микрофарада для устранения высокочастотных помех.

Общие сведения

В любой схеме выпрямления на выходе выпрямленное напряжение помимо постоянной составляющей содержит переменную, называемую пульсацией напряжения^[1]. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственно питание нагрузки от выпрямителя возможно относительно редко (при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей сигнализации, электродвигателей и т. д.) — там, где приёмник энергии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленного напряжения. Пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу радиоэлектронных устройств. Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, который обычно состоит из реактивных сопротивлений (то есть тех, которые включают в себя индуктивность и ёмкость). Данный фильтр действует как фильтр нижних частот^[2][3], обрезая лишние гармоники.

Переменная составляющая выпрямленного напряжения в общем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с различными амплитудами, сдвинутых по отношению к первой на разные углы (см. Ряд Фурье). При этом первая гармоника имеет амплитуду, во много раз превосходящую амплитуды высших гармоник. В зависимости от назначения аппаратуры предъявляют различные требования к величине и характеру пульсации выпрямленного напряжения. Чаще всего для радиотехнической аппаратуры качество сглаживания характеризуется величиной максимально допустимой амплитуды переменной составляющей. В этом случае фильтры рассчитывают на максимальное подавление основной гармоники.

Псофометрический коэффициент помех

При оценке помех, проникающих из цепей питания в телефонные каналы, необходимо учитывать не только амплитуду напряжения данной гармоники, но и такой параметр, как частота. Это объясняется тем, что микротелефонные цепи и ухо человека обладают различной чувствительностью к колебаниям разной частоты, даже если их амплитуда одинакова. В связи с этим вводят понятие псофометрического коэффициента помех ak{\displaystyle a_{k}}^[4], который зависит от частоты и величина которого определяется экспериментально с учётом микротелефона и человеческого уха.

Эффективное значение псофометрического напряжения пульсации U на выходе выпрямителя будет равно:

U=0,5[(U01m⋅a1)2+(U02m⋅a2)2+…+(U0km⋅ak)2]{\displaystyle U={\sqrt {0,5[(U_{01m}\cdot a_{1})^{2}+(U_{02m}\cdot a_{2})^{2}+…+(U_{0km}\cdot a_{k})^{2}]}}}

где

a1…,ak{\displaystyle a_{1}…,a_{k}} — псофометрические коэффициенты для соответствующих гармоник;

U1…,Uk{\displaystyle U_{1}…,U_{k}} — амплитуды соответствующих гармоник выпрямленного напряжения.

Коэффициент сглаживания

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания, которым называется отношение коэффициента пульсации на входе (KBx){\displaystyle (K_{Bx})} к коэффициенты пульсации на выходе (KH){\displaystyle (K_{H})}, то есть на нагрузке.

KC=KBx/KHa={\displaystyle K_{C}=K_{Bx}/K_{Ha}=}(U01m/U0)/(Uh2m/UH){\displaystyle (U_{01m}/U_{0})/(U_{h2m}/U_{H})}

где U01m,Uh2m{\displaystyle U_{01m},U_{h2m}} -это амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно; U0,UH{\displaystyle U_{0},U_{H}} — постоянные составляющие напряжений на входе и выходе фильтра.

Виды сглаживающих фильтров

Индуктивный сглаживающий фильтр

Индуктивный фильтр состоит из дросселя, включенного последовательно с нагрузкой. Под дросселем подразумевается обычная катушка, характеризующаяся определённой индуктивностью^[5]. Сглаживающее действие такого фильтра основано на возникновении в дросселе ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока. Дроссель выбирается так, чтобы индуктивное сопротивление его обмотки (XL=mwcL{\displaystyle X_{L}=mw_{c}L}) было больше сопротивления нагрузки RH{\displaystyle R_{H}}. При выполнении этого условия большая часть переменной составляющей падает на обмотке дросселя. На сопротивлении нагрузки выделяется в основном постоянная составляющая выпрямленного напряжения U0{\displaystyle U_{0}} и переменная составляющая, величина которой намного меньше переменной составляющей напряжения, падающего на обмотке дросселя.

Коэффициент сглаживания такого фильтра равен KC={\displaystyle K_{C}=}(RH)2+(mwcL)2RH{\displaystyle {\sqrt {(R_{H})^{2}+(mw_{c}L)^{2}}} \over R_{H}}

где у нас

RH{\displaystyle R_{H}} — сопротивление нагрузки

L{\displaystyle L} — индуктивность обмотки дросселя

wc{\displaystyle w_{c}} — угловая частота

m{\displaystyle m} — коэффициент зависящий от схемы выпрямителя и показывающий, во сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напряжения больше частоты тока сети.

Ёмкостной сглаживающий фильтр

Ёмкостной сглаживающий фильтр.
С — фильтрующий конденсатор, R — сопротивление нагрузки.

Ёмкостной фильтр обычно анализируют не отдельно, а совместно с выпрямителем. Его сглаживающее действие основано на накоплении электрической энергии в электрическом поле конденсатора^[6] и его разряде при отсутствии тока через выпрямитель (вентиль) в моменты времени, когда мгновенное напряжение на выходе выпрямителя ниже напряжения на конденсаторе, через сопротивление нагрузки (R){\displaystyle (R)}. Причём конденсатор подключается параллельно к нагрузке.

Конденсатор имеет реактивное сопротивление:

XC=1/(ω⋅C){\displaystyle X_{C}=1/(\omega \cdot C)},

где C{\displaystyle C} — ёмкость конденсатора.

Коэффициент сглаживания такого фильтра будет следующим:

KC={\displaystyle K_{C}=}K1K2{\displaystyle K_{1} \over K_{2}}={\displaystyle =}(2m2−1{\displaystyle 2 \over m^{2}-1})/{\displaystyle /}(HrC{\displaystyle H \over rC})

где

K1{\displaystyle K_{1}} — коэффициент пульсаций на входе выпрямителя при отсутствии ёмкости

K2{\displaystyle K_{2}} — коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя при наличии ёмкости.

При увеличении m{\displaystyle m} коэффициент сглаживания индуктивного фильтра увеличивается, а ёмкостного уменьшается. Поэтому ёмкостной фильтр выгодно применять при выпрямлении однофазных^[7], а индуктивный при выпрямлении многофазных токов.

При увеличении RH{\displaystyle R_{H}} сглаживающее действие ёмкостного фильтра увеличивается, а индуктивного уменьшается. Поэтому ёмкостной фильтр выгодно применять при малых, а индуктивный фильтр — при больших токах нагрузки.

LC-фильтр

Наиболее широко используют Г-образный индуктивно-ёмкостной фильтр. Для сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо, чтобы ёмкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты пульсации было много меньше сопротивления нагрузки, а также много меньше индуктивного сопротивления дросселя для первой гармоники.

При выполнении этих условий, пренебрегая активным сопротивлением дросселя, коэффициент сглаживания такого Г-образного фильтра будет равен

Kc=m2ωc2LC−1.{\displaystyle K_{c}=m^{2}\omega _{c}^{2}LC-1.}

Так как 1/LC=ω0{\displaystyle 1/{\sqrt {LC}}=\omega _{0}} — собственная частота фильтра, то

Kc=(mωc/ω0)2−1.{\displaystyle K_{c}=(m\omega _{c}/\omega _{0})^{2}-1.}

Одним из основных условий выбора L{\displaystyle L} и C{\displaystyle C} является обеспечение индуктивной реакции фильтра. Такая реакция необходима для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя, а также в случаях использования в выпрямителях германиевых, кремниевых^[8] или ионных вентилей.

Для обеспечения индуктивного импеданса необходимо выполнение неравенства:

L>2RH/(m2−1)mωc.{\displaystyle L>2R_{H}/(m^{2}-1)m\omega _{c}.}

При проектировании фильтра необходимо также обеспечить такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора, при которых не мог бы возникнуть резонанс на частоте пульсаций выпрямленного напряжения и частоте изменения тока нагрузки.

П-образный LC-фильтр.

П-образный LC{\displaystyle LC} фильтр можно представить в виде двухзвенного, состоящего из ёмкостного фильтра с ёмкостью C0{\displaystyle C_{0}} и Г-образного с L{\displaystyle L} и C1{\displaystyle C_{1}}.

Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

Kc={\displaystyle K_{c}=}2rC0(m2−1)H{\displaystyle 2rC_{0} \over (m^{2}-1)H}(m2ωc2LC1−1).{\displaystyle (m^{2}\omega _{c}^{2}LC_{1}-1).}

В П-образном фильтре наибольшей величины коэффициент сглаживания достигает при равенстве ёмкостей C1=C0.{\displaystyle C_{1}=C_{0}.}

При необходимости обеспечения большого коэффициента сглаживания целесообразно применение многозвенного фильтра, — фильтра, составленного из двух и более однозвенных фильтров. Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

Kc={\displaystyle K_{c}=}Kc1⋅Kc2⋅Kc3⋅…⋅Kcn,{\displaystyle K_{c1}\cdot K_{c2}\cdot K_{c3}\cdot …\cdot K_{cn},}

то есть, общий коэффициент сглаживания будет равен произведению коэффициентов сглаживания всех последовательно соединённых фильтров.

Если все звенья фильтра состоят из одинаковых элементов (C1=C2=…=Cn{\displaystyle C_{1}=C_{2}=…=C_{n}} и L1=L2=…=Ln{\displaystyle L_{1}=L_{2}=…=L{n}}), что практически наиболее целесообразно, то:

Kc1=Kc2=…=Kcn{\displaystyle K_{c1}=K_{c2}=…=K_{cn}} и Kc=Kzvn=(mωc)2n(LzvCzv)n{\displaystyle K_{c}=K_{zv}^{n}=(m\omega _{c})^{2n}(L_{zv}C_{zv})^{n}}

где Kzv{\displaystyle K_{zv}} — коэффициент сглаживания каждого звена; Czv{\displaystyle C_{zv}},Lzv{\displaystyle L_{zv}} — соответственно индуктивность и ёмкость каждого звена; n{\displaystyle n} — число звеньев.

RC-фильтр

В выпрямителях^[9] малой мощности в некоторых случаях применяют фильтры, в состав которого входит активное сопротивление и ёмкость. В таком фильтре относительно велико падение напряжения и потери энергии на резисторе R{\displaystyle R}, но габариты и стоимость такого фильтра меньше, чем индуктивно-ёмкостного. Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

Kc={\displaystyle K_{c}=}mwcCR{\displaystyle mw_{c}CR}RHRH+R{\displaystyle R_{H} \over R_{H}+R}

Значение сопротивления фильтра R{\displaystyle R} определяется исходя из оптимальной величины его коэффициента полезного действия. Оптимальное значение КПД лежит в пределах от 0,6 до 0,8. Расчёт П-образного активно-ёмкостного фильтра производится так, как и в случае П-образного LC-фильтра, путём разделения этого фильтра на ёмкостной и Г-образный RC-фильтры.

Сглаживающий реактор

Статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи с целью уменьшения содержания высших гармоник (пульсаций) в выпрямленном токе. Применяется на тяговых подстанциях постоянного тока, на электроподвижном составе (электровозы, электропоезда) переменного тока. Сглаживающий реактор обычно соединяется последовательно с выпрямителем, таким образом, через него протекает весь ток нагрузки.

Примечания

Литература

• Китаев В. Е.,Бокуняев А. А., Колканов М. Ф. Электропитание устройств связи. — М.: «Связь», 1975. — С. 328.

• Бушуев В. М., Деминский В. А., Захаров Л. Ф. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. — М.: «Связь», 2009. — С. 383.

• Раймонд Мэк. Импульсные источники питания. — М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2008. — С. 272.

• Митрофанов А. В., Щеголев А. И. Импульсные источники вторичного электропитания в бытовой радиоаппаратуре. — М.: Радио и Связь, 1985. — С. 37.

• Костиков В. Г., Парфенов Е. М., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3.

См. также

Ссылки

Полезные статьи

Видео

Примечания

Все сглаживающие фильтры применяются в зависимости от мощности нагрузки

Сглаживающий фильтр — Википедия

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, включённый параллельно нагрузке. Нередко параллельно электролитическому конденсатору устанавливается плёночный (или керамический) ёмкостью в доли или единицы микрофарада для устранения высокочастотных помех.

Общие сведения

В любой схеме выпрямления на выходе выпрямленное напряжение помимо постоянной составляющей содержит переменную, называемую пульсацией напряжения^[1]. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственно питание нагрузки от выпрямителя возможно относительно редко (при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей сигнализации, электродвигателей и т. д.) — там, где приёмник энергии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленного напряжения. Пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу радиоэлектронных устройств. Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, который обычно состоит из реактивных сопротивлений (то есть тех, которые включают в себя индуктивность и ёмкость). Данный фильтр действует как фильтр нижних частот^[2][3], обрезая лишние гармоники.

Переменная составляющая выпрямленного напряжения в общем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с различными амплитудами, сдвинутых по отношению к первой на разные углы (см. Ряд Фурье). При этом первая гармоника имеет амплитуду, во много раз превосходящую амплитуды высших гармоник. В зависимости от назначения аппаратуры предъявляют различные требования к величине и характеру пульсации выпрямленного напряжения. Чаще всего для радиотехнической аппаратуры качество сглаживания характеризуется величиной максимально допустимой амплитуды переменной составляющей. В этом случае фильтры рассчитывают на максимальное подавление основной гармоники.

Видео по теме

Псофометрический коэффициент помех

При оценке помех, проникающих из цепей питания в телефонные каналы, необходимо учитывать не только амплитуду напряжения данной гармоники, но и такой параметр, как частота. Это объясняется тем, что микротелефонные цепи и ухо человека обладают различной чувствительностью к колебаниям разной частоты, даже если их амплитуда одинакова. В связи с этим вводят понятие псофометрического коэффициента помех ak{\displaystyle a_{k}}^[4], который зависит от частоты и величина которого определяется экспериментально с учётом микротелефона и человеческого уха.

Эффективное значение псофометрического напряжения пульсации U на выходе выпрямителя будет равно:

U=0,5[(U01m⋅a1)2+(U02m⋅a2)2+…+(U0km⋅ak)2]{\displaystyle U={\sqrt {0,5[(U_{01m}\cdot a_{1})^{2}+(U_{02m}\cdot a_{2})^{2}+…+(U_{0km}\cdot a_{k})^{2}]}}}

где

a1…,ak{\displaystyle a_{1}…,a_{k}} — псофометрические коэффициенты для соответствующих гармоник;

U1…,Uk{\displaystyle U_{1}…,U_{k}} — амплитуды соответствующих гармоник выпрямленного напряжения.

Коэффициент сглаживания

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания, которым называется отношение коэффициента пульсации на входе (KBx){\displaystyle (K_{Bx})} к коэффициенты пульсации на выходе (KH){\displaystyle (K_{H})}, то есть на нагрузке.

KC=KBx/KHa={\displaystyle K_{C}=K_{Bx}/K_{Ha}=}(U01m/U0)/(Uh2m/UH){\displaystyle (U_{01m}/U_{0})/(U_{h2m}/U_{H})}

где U01m,Uh2m{\displaystyle U_{01m},U_{h2m}} -это амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно; U0,UH{\displaystyle U_{0},U_{H}} — постоянные составляющие напряжений на входе и выходе фильтра.

Виды сглаживающих фильтров

Индуктивный сглаживающий фильтр

Индуктивный фильтр состоит из дросселя, включенного последовательно с нагрузкой. Под дросселем подразумевается обычная катушка, характеризующаяся определённой индуктивностью^[5]. Сглаживающее действие такого фильтра основано на возникновении в дросселе ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока. Дроссель выбирается так, чтобы индуктивное сопротивление его обмотки (XL=mwcL{\displaystyle X_{L}=mw_{c}L}) было больше сопротивления нагрузки RH{\displaystyle R_{H}}. При выполнении этого условия большая часть переменной составляющей падает на обмотке дросселя. На сопротивлении нагрузки выделяется в основном постоянная составляющая выпрямленного напряжения U0{\displaystyle U_{0}} и переменная составляющая, величина которой намного меньше переменной составляющей напряжения, падающего на обмотке дросселя.

Коэффициент сглаживания такого фильтра равен KC={\displaystyle K_{C}=}(RH)2+(mwcL)2RH{\displaystyle {\sqrt {(R_{H})^{2}+(mw_{c}L)^{2}}} \over R_{H}}

где у нас

RH{\displaystyle R_{H}} — сопротивление нагрузки

L{\displaystyle L} — индуктивность обмотки дросселя

wc{\displaystyle w_{c}} — угловая частота

m{\displaystyle m} — коэффициент зависящий от схемы выпрямителя и показывающий, во сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напряжения больше частоты тока сети.

Ёмкостной сглаживающий фильтр

Ёмкостной сглаживающий фильтр.
С — фильтрующий конденсатор, R — сопротивление нагрузки.

Ёмкостной фильтр обычно анализируют не отдельно, а совместно с выпрямителем. Его сглаживающее действие основано на накоплении электрической энергии в электрическом поле конденсатора^[6] и его разряде при отсутствии тока через выпрямитель (вентиль) в моменты времени, когда мгновенное напряжение на выходе выпрямителя ниже напряжения на конденсаторе, через сопротивление нагрузки (R){\displaystyle (R)}. Причём конденсатор подключается параллельно к нагрузке.

Конденсатор имеет реактивное сопротивление:

XC=1/(ω⋅C){\displaystyle X_{C}=1/(\omega \cdot C)},

где C{\displaystyle C} — ёмкость конденсатора.

Коэффициент сглаживания такого фильтра будет следующим:

KC={\displaystyle K_{C}=}K1K2{\displaystyle K_{1} \over K_{2}}

Сглаживающие фильтры

Наличие переменной (пульсирующей) составляющей в кривой выпрям­ленного напряжения всегда нежелательно. Для уменьшения коэффициента пульсаций применяют сглаживающие фильтры (далее фильтры), которые включают между выпрямителем и активной нагрузкой. В зависимости от на­значения электронной схемы коэффициент пульсаций напряжения пита­ния не может превышать определенных величин. В частности, для усили­тельных каскадов он должен быть не более 10⁻⁴…10⁻⁵, а для автогенера­торов —. 10⁻⁵…10⁻⁶ и ниже.

В основу сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы — кон­денсаторы и дроссели, представляющие соответственно малое и большое со­противления для переменного тока, и наоборот, большое и малое сопротив­ления для постоянного тока. При этом конденсаторы включаются в ис­точниках питания параллельно нагрузке R_н (как в AM-детекторе), а дроссели — последовательно с ней. Очень часто в источниках питания применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров (рис. 9.4): емкостной, индуктивный, Г-образный и П-образный LC-фильтры.

Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на его вхо­де и выходе:

(9.10)

Чем больше коэффициент сглаживания, тем выше качество выпрямлен­ного напряжения (меньше пульсаций) и тем эффективнее работает фильтр.

Рис. 9.4. Сглаживающие фильтры: а — емкостной; б — индуктивный;

в — Г-образный LC-фильтр; г — П-образный LC—фильтр

Емкостной фильтр. Положим, что на выходе однофазного выпрямителя с нулевым выводом включен емкостной фильтр С (рис. 9.5, а). Включение конденсатора на выходе выпрямителя существенно изменяет режим работы последнего по сравнению с работой на активную нагрузку. Емкость конден­сатора, накапливая энергию в моменты протекания токов и затем; отдавая ее в нагрузку, когда диод закрыт, сглаживает пульсации, повышая среднее значение выпрямленного напряжения. Диоды в схеме пропускают токи под воздействием положительных полуволн напряжений е_а и e_b. Однако их от­крытое состояние определяется интервалами, на которых указанные напря­жения превышают напряжение u_C = u_н на конденсаторе С (и на нагрузке R_н), являющееся для диодов запирающим (рис. 9.5, б — г).

Пусть на интервале 0…v₁ фазное напряжение е_a и напряжение на конден­саторе u_н положительны, причем u_н > е_а (рис. 9.5, б). На этом интервале диод VD2 закрыт, так как к нему приложено обратное напряжение . Ди­одVD1 также закрыт, поскольку положительное напряжение на его катоде u_н превышает напряжение на аноде е_а. Питание нагрузки R_н в данном случае осуществляется от конденсатора С, разряжающегося на нее с постоянной времени τ_н= R_нC. В момент времени, когда v = v₁, напряжение на конденса­торе u_н и напряжение е_а сравниваются, и диод VD1 открывается, подключая конденсатор и нагрузку к напряжению вторичной полуобмотки. Через этот диод начинает протекать импульс тока i₁ (рис. 9.5, в), который заряжает кон­денсатор С (отметим, что малая часть тока протекает и по цепи нагрузки R_н).

Рис. 9.5. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом и емкостным

фильтром: а — схема; б — г — временные диаграммы

При фазовом угле v = v₂ напряжение е_а становится меньше напряжения на конденсаторе и_н, диод VD1 закрывается. На интервале v₂…v₃ оба диода закрыты и конденсатор С разряжается на нагрузку R_н. В момент времени, когда фазовый угол v = v₃, напряжение е_b сравнивается с напряжением u_н (см. рис. 9.5, б), и ди­од VD2 открывается. Через нагрузку R_и в течение интервала v₃…v₄ (см. рис. 9.5, в) протекает импульс тока i₂, который также заряжает конденсатор С. Далее элек­трические процессы в выпрямительной схеме периодически повторяются, при этом кривая напряжения на нагрузке становится более сглаженной.

Поскольку обратное напряжение на закрытом диоде (например VD1) определя­ется суммой напряжений е_b и u_н, введение конденсатора приводит к расширению интервала действия обратного напряжения на диоде от v₂ до v₅. Однако амплитуда обратного напряжения не превышает величины (см. рис. 9.5, г).

При заданном значении коэффициента пульсаций на активной нагрузке вы­прямителя емкость конденсатора приближенно определяют по формуле:

В случае использования на выходе выпрямителя емкостного фильтра необ­ходимо учитывать влияние величины сопротивления нагрузки на коэффициент пульсаций. Поскольку коэффициент пульсаций уменьшается с увеличением со­противления нагрузки, то емкостной фильтр целесообразно применять в ма­ломощных выпрямителях (выпрямителях с высокоомной нагрузкой).

Индуктивный фильтр. В схемах выпрямителей индуктивный фильтр — дроссель L (это катушка индуктивности с сердечником) — включают после­довательно с нагрузочным резистором R_н (рис. 9.6, а). Как и в схеме с ак­тивной нагрузкой, диоды VDI и VD2 проводят ток попеременно на интерва­лах, когда положительны соответствующие им напряжения е_а и е_b (рис. 9.6, б). Существенное отличие — ток нагрузки. Так, например, в момент v = π ток нагрузки i_н = i₁ не спадает до нуля, а за счет энергии, запасенной в индук­тивности дросселя L, плавно переходит от диода VD1 к диоду VD2. В конце следующего полупериода, когда напряжение е_a опять положительно, ток i_н = i₂ снова плавно переходит от диода VD2 к диоду VD1.

Так как ток в цепи с индуктивностью отстает по фазе от напряжения, максимальная амплитуда пульсирующего тока i_н несколько сдвинута по фа­зе относительно максимальной амплитуды выпрямленного напряжения u_Lн (рис. 9.6, б и в). Отметим при этом, что ток i_н и напряжение на нагрузке u_н совпадают по форме.

Рис. 9.6. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом и индуктивным

фильтром: а — схема; б, в — временные диаграммы

Если коэффициент пульсаций на активной нагрузке R_н выпрямителя задан, то индуктивность дросселя можно приближенно определить по формуле:

(9.12)

Поскольку коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения понижа­ется с уменьшением сопротивления нагрузки R_н, то индуктивные фильтры применяют в мощных выпрямителях, работающих на низкоомную нагрузку.

Специальные схемы однофазных выпрямителей. Мостовой выпрямитель с двумя симметричными (разнополярными) напряжениями (рис. 9.7, а) широко применяют в современных радиотехнических устройствах, в частности, для питания схем на ОУ. Данный выпрямитель можно рассматривать как устрой­ство, содержащее две параллельно соединенные схемы с нулевым выводом. Одна выпрямительная схема состоит из полной вторичной обмотки транс­форматора T и пары диодов VD1, VD2; другая — из той же обмотки и диодов VD3, VD4. Равные по величине, разнополярные выпрямленные напряженияu_н1 и u_н2 на выходах схем вместе составляют суммарное постоянное напряже­ние такого выпрямителя u_н = u_н1 + u_н2.

Рис. 9.7. Специальные схемы однофазных выпрямителей: а — с двумя

симметричными напряжениями; б — с удвоением напряжения

Для повышения качества выпрямленного напряжения к каждому из выхо­дов схем устройства подключаются, как правило, емкостные фильтры.

Однофазный выпрямитель с умножением напряжения (схема Латура) — специфическая разновидность схем выпрямления с емкостным фильтром, ра­ботающих исключительно на высокоомную нагрузку. Подобные выпрямители позволяют получать на нагрузке суммарные напряжения нескольких простей­ших выпрямителей. В частности, схема выпрямителя с удвоением напряжения (рис. 9.7, б) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, в кото­рых конденсаторы в определенные моменты одновременно разряжаются на общую нагрузку. В один из полупериодов напряжения сети u₁, когда оно имеет полярность, обозначенную на рис. 9.7, б без скобок, ток протекает через от­крытый диод VD1, и конденсатор С₁ заряжается до амплитудного значения U_m1. В следующий полупериод, когда напряжение u₁ имеет полярность, показанную на рис. 9.7, б в скобках, открывается диод VD2. Конденсатор C₂ при этом заря­жается суммой двух напряжений — напряжением U_m1, до которого заряжен конденсатор C₁, и положительной полуволной сетевого напряжения u₁. Следо­вательно, постоянное напряжение на активной нагрузке R_н будет равно удво­енному значению амплитуды напряжения сети U_m1.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения позволяют получить на их выходе амплитуды напряжений до нескольких десятков киловольт. Такие устрой­ства применяют, например, для питания кинескопов телевизионных приемни­ков, подавая на вход специального выпрямителя импульсы генератора строчной развертки.

Сглаживающие фильтры: схемы, диаграммы, принцип работы

Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры − устройства, уменьшающие эти пульсации. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S. По определению S = ε₁ / ε₂, причем ε₁ и ε₂ определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фактически совпадают, под ε₁ понимают коэффициент пульсаций до подключения фильтра, а под ε₂ — коэффициент пульсаций после его подключения. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации. На выходе фильтра напряжение оказывается хорошо сглаженным, а коэффициент пульсаций может иметь значения в диапазоне 0,001 …. 0,00003.

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.78). Емкостной фильтр подключают параллельно нагрузке (рис. 2.78, а).

На отрезке времени t₁ … t₂ диод открыт и конденсатор заряжается (рис. 2.78, б).
На отрезке t₂ … t₃ диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной времени t = R_hC. ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t₁ … t₂). Чем короче отрезок t₁ … t₂, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С очень велика, то отрезок t₁ … t₂ оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может выйти из строя. Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел.

В качестве фильтра можно использовать и индуктивность. Легко доказать, что индуктивный фильтр (L-фильтр) практически не дает полезного эффекта в однофазном однополупериодном выпрямителе. Рассмотрим работу индуктивного фильтра на примере однофазного мостового выпрямителя. Индуктивный фильтр включают последовательно с нагрузкой (рис. 2.79, а). Часто используют катушку индуктивности (реактор) на магнитном сердечнике с зазором.
Предположим, что постоянная времени T, определяемая выражением T= L/R_h, достаточно велика (как это обычно бывает на практике). Тогда ток нагрузки оказывается практически постоянным (рис. 2.79, б). Такой фильтр широко используется в выпрямителях, особенно мощных. Режим работы диодов (и соответствующих электрических цепей) не является тяжелым.

Н а практике используют также следующие типы фильтров (рис. 2.80): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RС-фильтр (б), П-образный LС-фильтр (в), П-образный RС-фильтр (г).
Обычно Г- и П-образные RC-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике применяют и другие, более сложные фильтры.

Рассмотрим внешние характеристики выпрямителей с фильтрами.

Внешняя характеристика— это зависимость среднего значения выходного напряжения (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). При увеличении выходного тока выходное напряжение уменьшается из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Рассмотрим типичные внешние характеристики (рис. 2.81), которые получают, изменяя сопротивление нагрузки, подключенное к выходу фильтра.
Наклон внешней характеристики при том или ином токе 1ср характеризуют выходным сопротивлением R_выx, которое определяется выражением R_выx = | dU_ср/dI_ср|_{Iср − заданный}

Чем меньше величина R_выx, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, что обычно и требуется.

Как следует из рис. 2.81, выпрямитель с RC-фильтром характеризуется повышенным выходным сопротивлением. Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.

Выпрямители: Основные виды сглаживающих фильтров и особенности их применения в выпрямителях

 

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие емкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности — Г-образные \(LC\), \(RC\) и П-образные \(CLC\) и \(CRC\) фильтры.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания \((q)\), который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (на нагрузке).

Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Анализ работы данного фильтра проведен при описании однофазного однополупериодного выпрямителя. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с емкостным фильтром может быть найден по формуле:

\( K_п \approx \cfrac{1}{2 \cdot m \cdot f \cdot R_н \cdot C}\),

где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:

\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей),

\(f\) — частота входного переменного напряжения.

 

Из приведенной формулы видно, что коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя с емкостным фильтром обратно пропорционален емкости применяемого конденсатора и величине сопротивления нагрузки. Поэтому применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии изготовления конденсаторов большой емкости рассматриваемый тип фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все большее применение.

 

Индуктивно-емкостные фильтры (Г-образные \(LC\) и П-образные \(CLC\)) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. Коэффициент полезного действия у таких фильтров достаточно высокий. К недостаткам индуктивно-емкостных фильтров относятся: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (рис. 3.4‑13).

 

Рис. 3.4-13. Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра

 

Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий: \(X_C = \cfrac{1}{\omega C} \ll R_н\), \(X_L = \omega L \gg X_C\). При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе, для коэффициента сглаживания можно записать:

\(q = {(m \omega)}^2 LC -1\),

где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:

\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).

 

Во избежание резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать \(q > 3\). Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. При индуктивной реакции фильтра меньше действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора (а следовательно, меньше и требуемая габаритная мощность трансформатора). Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:

\(L \ge \cfrac{2 U_н}{(m^2 — 1) m \omega I_н} = \cfrac{2 R_н}{(m^2 — 1) m \omega} \) 

 

П-образный \(CLC\) фильтр отличается от описанного Г-образного \(LC\) фильтра наличием еще одной емкости, включаемой на входе фильтра (на рис. 3.4-13 конденсатор \(C_0\), показан пунктиром). Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают емкость конденсатора \(C_0\), исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при \(C_0 = C_1\).

При выборе конденсаторов фильтра необходимо следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение на 15…20% превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.

 

Резистивно-емкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10…15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток — сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

Простейший Г-образный \(RC\) фильтр (рис. 3.4-14) состоит из балластного резистора (\(R_ф\)) и конденсатора (C_1). Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

\( q = m \omega C \cfrac{R_н R_ф}{R_н + R_ф}\),

где m зависит от схемы выпрямителя:

(\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).

 

Рис. 3.4-14. Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра

 

Сопротивление фильтра (\(R_ф\)) выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД (\(h\)) по формуле \(R_ф = R_н (1 – h)/h \). Оптимальным считается КПД порядка 0,6…0,8.

Расчет П-образного резистивно-емкостного фильтра (его схема включает дополнительный конденсатор \(C_0\), показанный на рис. 3.4-14 пунктиром) производится, как и в случае П-образного \(CLC\) фильтра, в два этапа после разделения этого фильтра на емкостный (\(C_0\)) и Г-образный \(LC_1\) фильтр.

 

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При этом могут использоваться как однотипные, так и разнотипные звенья. При каскадном включении \(LC\) фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания (\(q_\Sigma\)) равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев: \(q_\Sigma = q_1 \cdot q_2 \cdot q_3 … \) . Для нахождения оптимального числа звеньев (\(n_{опт}\)) такого фильтра при заданном \(q_\Sigma\) можно воспользоваться формулой:

\(n_{опт} = \cfrac{\large | \normalsize \ln{1/q_\Sigma} \large | \normalsize}{2} \).

 

Высокий коэффициент сглаживания и хороший КПД могут также обеспечить разнообразные фильтры на транзисторах.

 

 

< Предыдущая		Следующая >