Сглаживающие фильтры

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для умень­шения пульсаций выпрямленного напряжения.

Как отмечалось, выпрямленное напряжение является пульси­рующим, в котором согласно формулам (9.4), (9.9), (9.11) и (9.15) можно выделить постоянные и переменные составляющие. Коэф­фициенты пульсаций выпрямленных напряжений, вычисленные -по этим формулам, имеют следующие значения:

Для однополупериодного однофазного выпрямителя ..... 1,57

» двухполупериодного однофазного выпрямителя....... 0,67

» трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом . . .0,25

» трехфазного мостового выпрямителя............................ 0,057

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухуд­шается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т. д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т. д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определенных значений. Так, для основных каскадов ав­томатических систем он не должен превышать 10^-2—10^-3, для вы­ходных усилительных каскадов — 10^-4—10^-5, для автогенерато­ров— 10^-5-10^-6, а для входных каскадов электронных измери­тельных устройств — 10^-6—10^-7. Сглаживающие фильтры, как указывалось в § 9.3, включают между вентильной группой ВГ и ста­билизатором постоянного напряжения с нагрузочным устройством R_н (см. рис. 9.1).

Основными элементами сглаживающих фильтров являются кон­денсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления ко­торых различны для постоянного и переменного токов. Для постоян­ного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а со-

противление, индуктивной катушки очень мало. Сопротивление тран­зистора 'Постоянному току (статическое сопротивление) на два-три--порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффек­тивность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q=p_вх/p_вых (9.18)

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напря­жения на элементах, минимальные габариты, массу и стоимость.

Рис. 9.8. Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и мостовым (б) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и

токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с ем­костным фильтром

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают ем­костные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и много­звенные.

Емкостные фильтры. Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору R_н (рис. 9.8, а). Работу емкостного фильтра удобно рас­сматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.8, б. В интервал времени t₁ — t₂ конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения u₂, так как в этот период напряжение u₂>u_с. В это время ток i_a = i_c=i_н. В интервал времени t₂-t₃, когда напряжение и₂ становится меньше напряжения на конденсаторе и_с, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор R_н, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе i_н, которая имеется в однополупериодном вы­прямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напря­жение на резисторе R_н снижается до некоторого значения, соответст­вующего времени t₃, при котором напряжение u₂ в положительный

полупериод становится равным напряжению на конденсаторе u_с. После этого диод вновь открывается, конденсатор С_ф Начинает за­ряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повто­ряются.

Временные диаграммы тока и напряжений двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром (рис. 9.8, в) приве­дены на рис. 9.8, г. Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора С_ф или сопротивления нагрузоч­ного резистора R_н будет изменяться значение коэффициента пульса­ций выпрямленного напряжения. При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе 1_н. Разряд конденсатора С_ф определяется постоянной времени разрядки = С_фR_н При постоянной времени t_разр³10 Ткоэффициент пульсаций, определяемый по формуле

(9.19)

где f_осн — частота основной гармоники, не превышает 10^-2.

Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от измене­ния нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока t_н, что происходит при уменьшении сопротивления R_н, постоянная времени т_разр уменьшается. Уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения U_н.cp, а пульса­ции возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максималь­ное значение тока диода i_a определяется лишь сопротивлениями диода R_пр и вторичиой обмотки трансформа юра, поэтому оно может достигать значений, больших I_пр.mах. Такой большой ток может вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо включать добавочный резистор. Кроме того, следует учитывать, что напряжение U_обрmax, прикладываемое к диоду, в два раза превышает U_2m, так как в момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора склады­ваются.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором R_н при мощности Р_н не более нескольких десятков ватт.

(9.20)

Индуктивные фильтры. Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя L_ф, включают последовательно с нагрузочным резистором R_н (рис. 9.9, а). Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров. Работу индуктивного фильтра удобно рас­смотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.9, б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток i_н нагрузоч­ного резистора R_н получается сглаженным. Действительно, вследст­вие того что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямляемого напря­жения u₂, зависит от постоянной времени t:=L_ф/R_н, длительность импульса тока увеличивается с ростом t. Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением

Анализ выражения (9.20) позволяет сделать вывод, что фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше Lф или меньше R_н.

ОбычноwL_ф>>R_н.

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, рабо-

Рис. 9.9. Схема индуктивного фильтра с однополупериодным выпрямителем (а), временные диаграммы напряжения и токов однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (б)

тающих на нагрузочные устройства с большими токами. В выпрями­телях малой мощности использование индуктивного фильтра L_ф нецелесообразно, поскольку они работают на высокоомные нагру­зочные, устройства. При этом выполнение условия w_оснL_ф>>R_н

Рис. 9.10. Схемы Г-образных LC-фильтра (а) и RC-фильтра (б)

приводит к необходимости включения дросселя с большими массой и габаритами, что является существенным недостатком индуктивного фильтра по сравнению с емкостным.

Г-образные фильтры. Г-образные фильтры являются простей­шими многозвенными фильтрами. Этот фильтр может быть LC-типа (рис, 9.10, а) и RC-типа (9.10, б). Их применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания. Эти фильтры, являясь более сложными по сравнению с однозвенными, обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций.

Снижение пульсаций LC-фильтром объясняется совместными •действиями индуктивной катушки и конденсатора. Снижение пере­менных составляющих выпрямленного напряжения обусловлено как сглаживающим действием конденсатора С_ф, так и значительным па­дением переменных составляющих напряжения на дросселе L_ф. В то же время постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе не уменьшается, так как отсутствует сколько-нибудь значительное падение напряжения этой составляющей на очень малом активном сопротивлении дросселя. С учетом рекомендаций по выбору значений С_ф и L_ф, изложенных ранее, выражение для коэффициента сглаживания LC-фильтра можно записать, в виде

(9.21)

Оно позволяет рассчитать параметры этого фильтра по заданному

значению коэффициента сглаживания:

(9.21а)

В расчетах по формулам (9.21) одним из параметров (индуктив­ностью или емкостью) элементов фильтра задаются исходя из

габаритов, массы и стои­мости элементов.

В маломощных выпря­мителях, у которых сопро­тивление нагрузочного резистора составляет не­сколько килоом, вместо дросселя L_ф включают резистор R_ф (рис. 9.10, б), что существенно уменьшает

массу, габариты и стоимость фильтра. При выборе X_Cф<<R_ф на ре­зисторе R_ф создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих выпрямленного тока, чем на резисторе R_н. Если выбрать значение R_ф из соотношения R_н/(R_н+R_ф) =0,5¸0,9, то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе R_ф будет минимальным. В итоге доля переменной состав­ляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе R_ф значительно умень­шается. Коэффициент сглаживания для Г-образного RС-фильтра определяется из выражения

(9.22)

Следует отметить, что коэффициент сглаживания RС-фильтра меньше, чем у LC-фильтра.

(9.23)

П-образные фильтры. П-образный фильтр относится к много­звенным фильтрам, так как состоит из емкостного фильтра (С_Ф1) и Г-образного LC-фильтра (L_ФС_Ф2) или RC-фнлътра (R_ФС_Ф2) (рис. 9.11, а, б). Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров равен (при соблюдении определенных условий) произведению коэф­фициентов составных звеньев (фильтров). Поэтому коэффициент сгла­живания П-образного фильтра

где: q_c,q_г- коэффициенты сглаживания С-фильтра и Г-образного
фильтра/

При сопротивлениях нагрузочного устройства несколько килоом применяют П-образные СRС-фильтры, а при малых сопротивлениях (несколько ом) — CLC-фильтры. Наибольший коэффициент сглаживания П-образного фильтра достигается при условии С_ф1=С_ф2. П-образные фильтры целесообразно применять, если коэффи­циент сглаживания должен быть равен 100—1000 и более. Большой

Рис. 9.12 К пояснению cо­противления транзистора для постоянной и переменной со­ставляющих выпрямленного тока

Рис. 9.13. Схема последо-вательного электронного фильтра с включением нагрузочного резистора R_н в коллекторную цепь транзистора

коэффициент сглаживания П-образного фильтра по сравнению с
Г-образным достигается за счет ухудшения таких параметров выпря­мителя, как габариты, масса и стоимость.

Электронные фильтры. В последнее время все чаще начали при­менять электронные фильтры, в которых вместо индуктивных кату­шек включают транзисторы. Такая замена позволяет избавиться от переходных процессов, отрицательно влияющих на работу нагру­зочного устройства и самого выпрямителя, при этом снижаются габариты, масса и стоимость выпрямителей.

Применение транзисторов в фильтрах основано на различии сопротивлений для постоянной и переменной составляющих коллек­торного тока. При выборе рабочей точки на пологом участке выход­ной характеристики (рис. 9.12) сопротивление промежутка коллек­тор — эмиттер постоянному току (статическое сопротивление) R_ст= U_к0/I_к0 на два-три порядка меньше сопротивления этого промежут­ка переменному току DU_1;/DI_к (динамическому сопротивлению), определяемого величиной 1/h₂₂- Электронные фильтры снижают пульсации примерно в 3—5 раз.

Различают два способа включения транзисторов в электронные фильтры: последовательно и параллельно нагрузочным устройст­вам. Последовательное включение транзисторов характерно для выпрямителей, имеющих высокое выходное напряжение (300- 400 В). Параллельное включение осуществляется при низких вы­ходных напряжениях, не превышающих нескольких десятков вольт.

На.рис. 9.13 изображена схема простейшего: электронного фильтра, в котором транзистор включен последовательно с нагрузочным, резистором R_н. В этом фильтре для обеспечения фиксированного по-

ложения рабочей точки на пологом (рабочем) участке выходной характе­ристики в базовую цепь включается RС-цепь, постоянная времени которой t₆=R₆С_б должна ,быть много больше периода пульсации основной гармо­ники выпрямленного напряжения: R_бС_б>>Т_П. Резистор R_э обеспечивает термостабилизацию режима работы транзистора. Если в данном фильтре нагрузочный резистор включен

в коллекторную цепь транзистора, то в транзисторном фильтре, схема которого изображена на рис. 9.14, резистор R_н включён в эмиттерную цепь, что позволяет получить низкое выходное сопротивление выпрямителя с фильтром; следовательно, такой фильтр мало чувст­вителен к изменениям тока I_н. По этой причине электронный, фильтр рис. 9.14, представляющий собой эмиттерный повторитель, получил наиболее Широкое распространение. В нем рабочую точку транзис­тора определяет R_бC_б-цепь, которая обеспечивает ее устойчивое положение при изменениях температуры и коэффициента усиления транзистора h₂₁.

На рис. 9.15, а изображена схема электронного фильтра, в котором транзис­тор включен параллельно нагрузке Rн. Этот фильтр применяют при низких значе­ниях выпрямленных напряжении. С помощью делителя R₆₁R₆₂ устанавливается рабочая точка на характеристике транзистора. R_эС_э-цепь выполняет функции термостабилизирующего звена. Резистор R_ф играет ту же роль, что и резистор R_ф в Г-образном RС-фильтре. Недостатком этого фильтра является сильная зависи­мость выпрямленного тока через транзистор при изменении выпрямленного на­пряжения на входе фильтра. Это приводит к увеличению падения напряжения на транзисторе и, следовательно, к снижению к.п.д. выпрямителя.

Лучшие характеристики имеют электронные фильтры, выполненные на. со­ставном транзисторе (рис. 9.15, б). Коэффициент сглаживания таких фильтров достигает сотни. При подобном включении транзисторов эквивалентный силовой транзистор имеет, как известно, значительно меньшую выходную проводимость, чем каждый транзистор в отдельности. Резистивный делитель R₁R₂R₃обеспечи­вает положение рабочей точки составного транзистора, а резисторы R₄ и R₅ яв­ляются термостабилизирующим звеном. Конденсатор С_б3 не пропускает перемен­ную составляющую в цепь базы составного транзистора, и эквивалентный коллек­торный ток составного транзистора почти не изменяется во времени.

С появлением интегральных микросхем электронные фильтры стали более эффективными. На рис. 9.15, в изображена схема элек­тронного фильтра с применением микросхемы. Пульсации во вход­ном напряжении, усиленные операционным усилителем (ОУ) на интегральной микросхеме, еще более закрывают составной транзис­тор, т. е. еще больше уменьшают выходную проводимость. При этом увеличивается падение напряжения от переменной составляю­щей на составном транзисторе. Таким образом, снижаются пульсации в выходном напряжении фильтра. Коэффициент сглаживания фильтров с ОУ равен нескольким тысячам. Положительные свойства электронных фильтров отмечались ранее, а недостатком их является

Рис. 9.15. Схемапараллельного электронного фильтра на одном тран­зисторе (а), на составном транзисторе (б), на операционном усилите­ле (в)

то, что медленные изменения напряжения на входе приводят к про­порциональному изменению выходного напряжения.