Сглаживающие фильтры. Простейшие сглаживающие фильтры представляют собой дроссель, включенный последовательно с нагрузкой Rн

Простейшие сглаживающие фильтры представляют собой дроссель, включенный последовательно с нагрузкой R_н, или конденсатор С, включенный параллельно нагрузке R_н. Коэффициент пульсаций на выходе емкостного фильтра

,

где r - сопротивление фазы выпрямителя; Н - параметр, зависящий от угла отсечки тока диода, индуктивности рассеяния обмотки трансформатора и параметра

.

Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра

,

где m - отношение частоты основной гармоники выпрямленного напряжения к частоте сети (в двухполупериодных схемах m=2); f_С - частота сети.

Для лучшего сглаживания пульсаций индуктивным фильтром необходимо выполнение условия m2pf_cL >> R_н. Это условие легче выполнить при малых сопротивлениях нагрузки, то есть при больших токах; поэтому индуктивный фильтр применяют главным образом в мощных выпрямительных установках.

Для лучшего сглаживания пульсаций емкостным фильтром должно выполняться условие 1/m2pf_cC <<R_н, которое проще удовлетворяется при больших сопротивлениях нагрузки, то есть при малых токах; поэтому емкостный фильтр применяют главным образом в выпрямителях небольшой мощности.

Для получения больших коэффициентов сглаживания применяют схемы, состоящие из нескольких дросселей и конденсаторов.

Коэффициент сглаживания Г-образного LC-фильтра

. (4.1)

Если задан коэффициент сглаживания, определяют произведение LC. Одним из основных условий выбора L и C является обеспечение индуктивной реакции фильтра, что выполняется при значении индуктивности дросселя, большем критического

.

Выбрав унифицированный дроссель с индуктивностью L > L_кр, нетрудно определить емкость конденсатора из выражения (4.1).

Поскольку П-образный LC-фильтр можно рассматривать как сочетание емкостного и Г-образного LC-фильтра, его коэффициент сглаживания определяется произведением коэффициентов сглаживания этих фильтров:

.

В выпрямителях небольшой мощности с целью уменьшения размеров и веса фильтра вместо дросселя часто применяют резисторы. Коэффициент сглаживания Г-образного RC - фильтра

,

где R_ф - сопротивление резистора, которое выбирается из условия R_ф=(0.1-0.9)R_н

Постоянное напряжение на выходе RC-фильтра

.

RC-фильтры могут выполняться по П-образной схеме. Расчет производится в той же последовательности, как и расчет П-образных LC-фильтров. Кроме рассмотренных схем существуют еще два вида фильтров, в которых для улучшения сглаживания пульсаций используются резонансные явления. Если параллельно дросселю LC-фильтра включить конденсатор С_к такой величины, чтобы параллельный контур LC_к был настроен в резонанс на частоте основной гармоники, то переменная составляющая напряжения на нагрузке существенно снизится. Такой фильтр называется "фильтр-пробка". Его коэффициент фильтрации

,

где r_L - активное сопротивление дросселя.

Недостатки этого фильтра: нарушение резонанса при изменении частоты тока сети и связанное с этим ухудшение фильтрации; нарушение резонанса при изменении тока нагрузки выпрямителя (тока подмагничивания дросселя), в результате чего изменяется индуктивность дросселя, а, следовательно и q ; значительное снижение сопротивления резонансного контура для высших гармоник переменной составляющей выпрямленного напряжения и связанное с этим значительное ухудшение фильтрации.

Если последовательно с конденсатором LC-фильтра включить дроссель с индуктивностью L_k такой величины, чтобы контур был настроен в резонансе с частотой, mf_c, то сглаживающие свойства существенно улучшатся. Коэффициент фильтрации

,

где r_k - сопротивление потерь в последовательном резонансном контуре.

Фильтр с последовательным резонансным контуром лишен двух основных недостатков, присущих фильтру с параллельным резонансным контуром, так как его коэффициент сглаживания не зависит от нагрузки, а сопротивление для высших гармоник при введении резонансного контура практически не снижается. Недостатком фильтра является лишь ухудшение фильтрации при изменении частоты тока сети.

Транзисторный фильтр представляет собой эмиттерный повторитель, входная цепь которого включена на выход Г-образного RC-фильтра (рис.4.1).

Переменная составляющая входного напряжения предварительно сглаживается RC-фильтром и поступает на вход эмиттерного повторителя. Так как напряжение на выходе эмиттерного повторителя повторяет напряжение на его входе, переменная составляющая на нагрузке равна переменной составляющей на выходе RC-фильтра. Таким образом, величина переменной составляющей на нагрузке определяется параметрами RC-фильтра, нагруженного на высокоомный вход эмиттерного повторителя. При хороших усилительных свойствах транзистора коэффициент сглаживания определяется практически одной базовой цепью фильтра:

.

Напряжение на выходе транзисторного фильтра всегда меньше входного напряжения на величину минимального напряжения коллектор-база транзистора.

При увеличении тока нагрузки должен увеличиваться базовый ток I_б. Для этого необходимо уменьшить сопротивление R:

.

Для сохранения фильтрующих свойств необходимо увеличить емкость конденсатора. Если емкость конденсатора велика, увеличивается время установления напряжения (затягиваются переходные процессы). Для повышения коэффициента сглаживания целесообразно применить составной транзистор. Если транзистор составлен из двух, то базовый ток маломощного транзистора

где I₀ - ток нагрузки; h₂₁₍₁₎и h₂₁₍₂₎ – коэффициенты усиления по току в схеме с общим эмиттером соответственно первого и второго транзисторов.

Сопротивление R можно существенно увеличить, а значит, и повысить коэффициент сглаживания фильтра.