Сглаживающие фильтры. Сглаживающие фильтры применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, требуемого для нормальной работы потребителя

Сглаживающие фильтры применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, требуемого для нормальной работы потребителя. Как уже указывалось выше, коэффициенты пульсаций основных выпрямительных схем имеют значения

– однофазный однополупериодный выпрямитель – 1,56;

– однофазный двухполупериодный выпрямитель – 0,67;

– трехфазный с нулевым выводом – 0.25;

– трехфазный мостовой – 0,057.

Для электронных систем автоматического регулирования и контроля коэффициент пульсаций должен быть не более 10^-2, а для некоторых электронных измерительных преобразователей — не более 10^-6. Сглаживающий фильтр включается между вентильной группой и нагрузкой. Основная идея сглаживающего фильтра — оказание различного сопротивления постоянному и переменному току. Основной параметр сглаживающего фильтра – коэффициент сглаживания, который определяется как отношение коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра

Как правило, коэффициенты пульсаций и сглаживания определяются по первой (основной) гармонике переменной составляющей выпрямленного напряжения.

При конструировании фильтров принимают во внимание падение напряжения на фильтре (оно должно быть минимальным), их габариты, массу и стоимость. В зависимости от типа фильтрующего элемента различают фильтры с пассивными RLC элементами и фильтры с активным электронным элементом. По количеству фильтрующих звеньев фильтры могут быть одно и многозвенные.

Простейшим фильтром является однозвенный емкостный фильтр, представляющий собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

На рис.3.13 показано включение такого фильтра на выход однофазного однополупериодного выпрямителя. В интервале t₁–t₂ через открытый диод конденсатор заряжается почти до амплитудного значения U₂, так как на этом интервале . Ток через диод на этом интервале равен сумме тока заряда емкости и тока нагрузки

В интервале t₂–t₃, когда конденсатор разряжается на нагрузку, заполняя разрядным током паузу между полупериодами выпрямленного напряжения. Заряд конденсатора происходит очень быстро через прямое сопротивление диода и вторичной обмотки трансформатора, а разряд — медленно через сопротивление нагрузки. Коэффициент пульсаций на выходе фильтра тем меньше, чем больше емкость фильтра и сопротивление нагрузки:

;

Емкостный фильтр вносит существенные особенности в схему:

1. Возрастает амплитуда тока через диод, которая ограничивается малыми сопротивлениями обмотки и диода в прямом направлении. Иногда приходится включать ограничитель тока заряда.

2. Амплитуда обратного напряжения на диоде возрастает вдвое (2U_2m), так как напряжение на вторичной обмотке суммируется с напряжением на конденсаторе.

Однозвенный емкостный фильтр применяется при больших R_н и полезной мощности не более нескольких десятков Вт.

Индуктивный однозвенный фильтр образуется путем последовательного включения индуктивности с нагрузкой — рис.3.14. Наличие индуктивности приводит к сглаживанию импульсов выпрямленного тока и напряжения. Коэффициент пульсаций тем меньше, чем меньше сопротивление нагрузки и больше индуктивность фильтра:

Для эффективного сглаживания wL_ф должно быть значительно больше R_н. В выпрямителе малой мощности (большое R_н) такой фильтр неэффективен, он обычно используется в трехфазных выпрямителях мощности, когда условие wL_ф >> R_н выполняется при относительно небольшой массе и габаритах индуктивности.

Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются более эффективно при помощи многозвенных Г- или П-образных цепей. В качестве элементов в этих цепях могут использоваться конденсаторы, дроссели, а в случае маломощных потребителей и резисторы (LC и RC звенья). В таких фильтрах пульсации подавляются совместным действием индуктивности и емкости. Схема Г-образного фильтра приведена на рис.3.15.

Для такого фильтра коэффициент сглаживания гармоники частотой f

При большом сопротивлении нагрузки, достигающем значения нескольких кОм, индуктивность L_ф можно заменить активным сопротивлением R_ф. Значение R_ф берут таким, чтобы падение напряжения на нем не превышало 10–20% от U_d. В этом случае

Резонансная частота цепи должна быть меньше основной гармоники выпрямляемого напряжения и не быть кратной ей. В противном случае, возможно возникновение электрического резонанса.

Параметры элементов Г-образного фильтра выбирают таким образом, чтобы последовательно включенные с источником элементы имели большое сопротивление для переменной и малое для постоянной составляющей выпрямленного тока. Элементы, включаемые параллельно нагрузке, наоборот, должны иметь малое сопротивление для переменной и большое для постоянной составляющих. В качестве элементов фильтра могут использоваться не только индуктивности и емкость в чистом виде, но и LC резонансные звенья.

На рис.3.16 приведена схема П-образного LC фильтра. Он состоит из емкостного С_ф и Г-образного L_фC_ф фильтров, поэтому общий коэффициент сглаживания П-образного фильтра будет определяться произведением коэффициентов сглаживания обоих фильтров .

Реальные значения коэффициентов сглаживания П-образными фильтрами находятся в пределах 100–1000. Фильтры такого типа наиболее популярны в источниках питания электронных схем различного назначения. В случае высокоомной нагрузки индуктивность может быть заменена активным сопротивлением.

Включением нескольких фильтрующих звеньев последовательно можно значительно уменьшить пульсацию напряжения. Используя несколько фильтров, настроенных каждый на определенную частоту, можно осуществить фильтрацию нескольких гармоник входного напряжения.

Пассивные LC фильтры просты и надежны в эксплуатации, но обладают значительной массой и габаритами, особенно при больших токах нагрузки выпрямителя. При этом дроссели фильтра работают с током, имеющим постоянную составляющую, вызывающую насыщение сердечника и уменьшение индуктивности. Кроме того, дроссели создают магнитные поля рассеяния, вредно влияющие па работу электронной аппаратуры.

Электронные фильтры не содержат сглаживающих дросселей и потому не обладают перечисленными недостатками. Активные электронные фильтры могут использоваться при токах нагрузки до нескольких ампер и напряжениях до нескольких десятков вольт.

Применение транзисторов в электронных фильтрах основано на различии сопротивления транзистора для постоянного и переменного тока. Коллекторная характеристика транзистора подобна кривой намагничивания ферромагнитного сердечника дросселя — рис.3.1 7.

Рабочую точку A выбирают на пологом участке выходной коллекторной характеристики. При этом статическое сопротивление транзистора постоянному току

на два-три порядка меньше динамического сопротивления переменному току

На рис.3.18 показана схема простейшего электронного фильтра на транзисторе, включенном последовательно с нагрузкой R_н. Этот фильтр имеет фиксированное напряжение смещения на базе, задаваемое резистором R_б.

Эмиттерный резистор R_э, служит для стабилизации режима.

При этом постоянная времени R_б, C_б берется значительно больше периода пульсации основной гармоники.