СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Требования к уровню пульсации питающего электронную аппаратуру напряжения очень высокие: так, допустимый коэффициент пульсации q_n для питания двухтактных усилителей напряжения не должен превышать 1…2 %, однотактных усилителей 0,1…0,5 %, а усилителей промежуточной частоты – 0,01…0,05 %.

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке до значений, при которых не сказывается их отрицательное влияние на работу электронной аппаратуры. Они должны пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и заметно ослаблять его гармонические составляющие.

Действие фильтра по уменьшению пульсации напряжения (тока) на нагрузке характеризуется коэффициентом сглаживания k_c, представляющим собой отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя q_n (до фильтра) к коэффициенту пульсации на нагрузке q_n1 (после фильтра), т. е.

Различают пассивные и активные сглаживающие фильтры. Принцип работы пассивных LC-фильтров основан на способности индуктивных катушек (дросселей) и конденсаторов изменять свои сопротивления при изменении частоты протекающего через них тока. В бездроссельных активных фильтрах роль индуктивных элементов выполняют обычно транзисторы, сопротивления которых по переменному току при определенных режимах работы могут быть во много раз больше сопротивлений по постоянному току. Активные фильтры обеспечивают независимость коэффициента сглаживания k_c от тока нагрузки и имеют меньшие габариты по сравнению с LC-фильтрами, однако их параметры зависят от температуры.

На рис. 22.5. приведены схемы простейших однофазных сглаживающих LC-фильтров широкого применения. Ёмкостный фильтр С (рис. 22.5, а) включается параллельно высокоомной нагрузке R_н, что исключает прохождение через нагрузку высокочастотных гармонических со­с­тавляющих тока.

Сглаживание пульсаций напряжения и тока нагрузки происходит за счёт периодической зарядки конденсатора С фильтра (когда напряжение u_в > u_С) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки при u_в < u_С.

Требуемая ёмкость конденсатора фильтра при заданном коэффициенте пульсации q_n1:

- для однополупериодной схемы выпрямления

С ³ 2/(q_n1wR_н);

- для двухполупериодной схемы выпрямления

С ³ 1/(2q_n1wR_н),

где w - угловая частота напряжения u₂ трансформатора.

Коэффициент пульсации обычно выбирается в диапазоне q_n1 = 0,01…0,1.

Пусть q_n1 = 0,1 и R_н = 320 Ом. Тогда С ³ 2/(0,1×314×320) » 200 мкФ для однополупериодной и С ³ 50 мкФ для двухполупериодной схемы выпрямления.

Одноэлементный L-фильтр (рис. 22.5, б) включают последовательно с нагрузкой R_н. При нарастании выпрямленного напряжения и тока нагрузки i_н магнитная энергия запасается в индуктивном элементе L (дросселе). При снижении напряжения u_в ток в нагрузке поддерживается за счет накопленной энергии в дросселе (рис. 22.6, б). Коэффициент сглаживания L-фильтра

Из этого выражения следует, что в мощных выпрямителях (когда сопротивление R_н мало) L-фильтр действует наиболее эффективно.

Требуемая индуктивность дросселя при заданном коэффициенте k_c

где п – но­мер основной гармоники выпрямленного напряжения u_в.

Например, при заданном коэффициенте k_c = 10 и R_н = 10 Ом требуемая индуктивность дросселя L ³ k_cR_н/(nw) = 10×10/314 = 0,32 Гн для однополупериодной и L ³ 0,16 Гн для двухполупериодной схемы выпрямления.

В LC-фильтре (рис. 22.5, в) конденсатор шунтирует нагрузку по переменной составляющей , а сопротивление дросселя X_L по переменной составляющей должно быть значительно больше сопротивления Z_пар параллельно соединенных элементов R_н и X_C. Приняв Z_пар = X_C , коэффициент сглаживания LC-фильтра

Тогда для расчёта L и C получаем

Из этого равенства находят L, задаваясь С, или находят С, задаваясь L.

Если при расчёте LC-фильтра мощного выпрямителя получают слишком большие значения индуктивности (L > 100 Гн) дросселя и ёмкости (С > 150 мкФ) конденсатора, то применяют двухзвенный СRC-фильтр: одноэлементное C₁-звено и Г-об­разное RC-звено (рис. 22.5, г), у которого

,

где k_c1 и k_c2 – соответственно коэффициенты сглаживания первого и второго звеньев.

Активное сопротивление R и ёмкость С RC-фильтра:

; ; .

Для получения лучшего сглаживания выходного напряжения после С-фильтра обычно включают дополнительное Г-образное LC-звено. Получившийся П-об­раз­ный СLС-фильтр (рис. 22.5, д) рассчитывают как двухзвенный:

.

Пусть R_н = 320 Ом; и Тогда для однополупериодной схе­мы вы­п­рямления 200 мкФ, а

= с².

Зададим С₂ = 100 мкФ. Отсюда L = » 1,12 Гн.

Для двухполупериодной схемы выпрямления при С₂ = 100 мкФ требуемая индуктивность дросселя L » 0,28 Гн.