Сглаживающие фильтры. Выпрямители в очень редких случаях работают только на чисто активную нагрузку

Выпрямители в очень редких случаях работают только на чисто активную нагрузку. Это связано с тем, что большие пульсации выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя не устраивают потребителя, поэтому между нагрузкой и выходом выпрямителя включают сглаживающий фильтр. Пульсирующее выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие.

Полезный эффект у потребителей постоянного тока создают только постоянные составляющие напряжения и тока. Переменные гармонические составляющие, образующие пульсации, приводят к бесполезной трате мощности и помехам. Например, при питании усилителей радиоприемников и передатчиков переменная составляющая создает фон на выходе усилителя, то есть дополнительные колебания на выходе усилителя низкой частоты. Для питания предварительных каскадов высококачественных усилителей требуется , предварительных каскадов УНЧ, УВЧ , оконченных каскадов УНЧ

Отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя к коэффициенту пульсации на нагрузке определяет степень сглаживания выпрямленного напряжения и называется коэффициентом сглаживания фильтра:

, (2.2.1)

если не учитывать потери в фильтре, то есть считать , то

. (2.2.2)

Пассивные фильтры

Емкостный фильтр (рис.2.2.1.) включается параллельно нагрузке и шунтирует нагрузку для переменной составляющей тока.

Важно, чтобы сопротивление конденсатора для основной гармоники пульсации была много меньше сопротивления нагрузки.

Из расчета выпрямителя на RC нагрузку известно, что .

Емкостный фильтр относится к простейшим фильтрам. Если обеспеченно превышение R_H над на порядок, то q определяется десятками, на два порядка – сотнями, но не более.

. (2.2.3)

Для двухполупериодных и многофазных схем:

. (2.2.4)

При понижении R_H q_C уменьшается (H повышается).

Переменная составляющая уменьшается, и падение напряжения от этой составляющей становится незначительным.

Для хорошего сглаживания необходимо:

. (2.2.5)

коэффициент сглаживания:

.

С учетом (2.2.5):

, (2.2.6)

отсюда необходимая величина L при заданном q:

. (2.2.7)

Из формулы видно, что один и тот же коэффициент сглаживания может быть обеспечен при меньших величинах индуктивности L, если R_H мало, то есть включение индуктивного фильтра выгодно при малых R_H (в выпрямителях средней и большей мощности). Емкостный фильтр эффективен в цепях с большим R_H (малыми нагрузочными токами, при P₀ не более десятков Вт), так как легче добиться неравенства .

Когда требуется особенно малое значение коэффициента пульсации, то C или L простейших фильтров могут получиться очень большими. В этом случае рациональнее иметь Г-образный или П-образный фильтры.

Г-образный LC-фильтр (рис.2.2.3) работает по тому же принципу, что и простейшие фильтры.

Необходимо условие:

. (2.2.8)

Рис.2.2.3.

Коэффициент сглаживания с учетом (2.2.8):

, (2.2.9)

откуда

. (2.2.10)

Раздельный выбор С и L производится по конструктивным соображениям (минимальный объем, вес, стоимость), а так же из условия избавления от резонанса. Для этого требуется, чтобы .Обычно это условие легко выполняется при . Практически является достаточным выполнения условия

,

при этом обеспечивается индуктивная реакция фильтра и ток в дросселе будет непрерывным. Выбрав L, можно рассчитать С. В выпрямителях небольшой мощности с целью уменьшения размеров и веса фильтра вместо дросселя часто применяют резисторы. КПД уменьшается, вследствие чего RC-фильтр целесообразно применять в выпрямителях маломощных, на малые токи. Преимущества: небольшие размеры, вес и стоимость, а так же простота исполнения из-за отсутствия сглаживающего дросселя. Недостаток: потери мощности в R_Ф. При выводе q нужно учитывать уменьшение U₀.

с учетом неравенства

. (2.2.11)

Чтобы уменьшение U₀ было не очень большим, R_Ф выбирают из условия

. (2.2.12)

При питании от одного источника устройства с несколькими каскадами между каскадами может возникнуть нежелательная обратная связь через внутреннее сопротивление источника, которая может привести к самовозбуждению каскадов. Для ликвидации её в цепь питания последовательно с нагрузкой каскада ставится развязывающая цепь – Г-образный RC фильтр.

П-образный фильтр и многозвенные фильтрыприменяются, если коэффициент сглаживания нужен очень высокий. П-образный фильтр представляет собой последовательное включение емкостного C₁ и Г-образного LC₂-фильтра. Коэффициент сглаживания:

.

Обычно выбирают . Но можно и в Г-образном фильтре применить . Какой же фильтр лучше использовать в каждом конкретном случае? При использовании Г-образного фильтра выпрямитель работает на индуктивную нагрузку, при использовании П-образного фильтра выпрямитель работает на емкостную нагрузку. При работе на индуктивную нагрузку явными являются следующие преимущества: меньшая (на 20-30%), меньшее , .

Однако в выпрямителе, начинающемся с индуктивности, сильнее проявляются переходные процессы при включении источника. Чем меньше затухание контура LC, тем эти процессы интенсивнее. В результате токи, протекающие через вентили, могут быть в несколько раз больше расчетных. Другим показателем, по которому производится сравнение, является q.

Отношение коэффициентов сглаживания П-образного CLC-фильтра и Г-образного L2C-фильтра:

.

Если R_H мало, а значит параметры А и H велики, то , выгоднее использовать Г-образный фильтр. При высокоомной нагрузке - П-образный фильтр.

Активные фильтры

Кроме пассивных фильтров применяют активные сглаживающие фильтры на транзисторах. Эти фильтры имеют меньшие габариты и вес, больший коэффициент сглаживания. Использование транзисторов основано на том, что сопротивление перехода эмиттер-коллертор постоянному току ( ) на 2-3 порядка меньше сопротивления перехода переменному току ( ), то есть . Это свойство

Рис.2.2.6

Аналогично свойству индуктивного фильтра и его включают в схему сглаживающего Г-образного фильтра или П-образного фильтра вместо дросселя. Но для этого I_Б нужно поддерживать постоянным, то есть исключить его пульсации.

Г-образный фильтр RC-фильтр служит для сглаживания пульсаций на базе транзистора (обеспечивает I_Б = const). Для хорошей фильтрации I_Б должно выполняться условие , тогда переменная составляющая U_вх выделится на R сопротивлении ток базы почти не содержит переменной составляющей, а, следовательно, почти не изменяется во времени. Вся переменная составляющая напряжения почти полностью выделяется на транзисторе. Это эмиттерный повторитель, R_вых которого очень мало, поэтому такой фильтр почти не чувствителен к изменению R_H, что является его преимуществом по сравнению с пассивными фильтрами.

Вывод формулы для q такого фильтра производится путем анализа эквивалентной схемы транзистора, что дает:

Полагая , , , получаем:

. (2.2.13)

При увеличении нужно уменьшить, что приводит к необходимости увеличения С. В этом случае лучше применить транзисторный фильтр с двузвенным RC-фильтром (рис.2.2.7, б) или П-образный (рис.2.2.7, а).

Рис.2.2.7.

В схеме (б) для создания смещения на базе применен делитель R₁R₂R₃. Ток делителя , тогда изменение из-за изменения температуры мало влияет на положение рабочей точки, а смещение создается

.

Для двух последних схем коэффициент сглаживания:

.

Для еще большего увеличения коэффициента сглаживания применяют составные транзисторы (рис.2.2.8).

, .

Транзисторные фильтры могут быть выполнены на базе микросхем 140УТ2, 140УТ5. Коэффициент сглаживания транзисторных фильтров достигает нескольких тысяч.

Недостатками транзисторных фильтров являются большие потери в транзисторе, то есть меньший по сравнению с фильтрами КПД, а также низкая перегрузочная способность.