Сглаживающие фильтры Сглаживающий фильтр - это устройство, позволяющее уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую. Основным из параметров сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания (фильтрации), который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе. Фильтры можно классифицировать следующим образом: 1. По частотному составу различают: а) низкочастотные б) высокочастотные 2. По принципу действия: а) пассивные б) активные 3. По степени сложности: а) простые (однозвенные) б) сложные (многозвенные или резонансные); 4. По конструктивному исполнению: а) LC-фильтры б) RC-фильтры. При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности: - минимальная стоимость; - минимальная масса; - минимальные габариты; Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности. На практике обычно применяют смешанные фильтры. Они обеспечивают хорошее сглаживание тока в нагрузке. Их работу удобно объяснить, представляя напряжение на входе фильтра как сумму постоянной составляющей и целого ряда гармоник (переменных составляющих). Тогда индуктивность и емкость фильтра представляют собой делитель. На индуктивном сопротивлении делителя выделяется большая часть переменной, а на емкостном - большая часть постоянной составляющей напряжения выпрямителя. Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр). Или можно включить дроссель, но 1 уже последовательно с сопротивлением нагрузки (индуктивный фильтр). При этом дроссель можно заменить на волновое сопротивление. Комбинация этих элементов дает еще больший эффект сглаживания. Пассивные сглаживающие фильтры выполняются на основе реактивных элементов – дросселей (катушек, обладающих высокой индуктивностью) и конденсаторов. Индуктивность дросселя оказывает большое сопротивления переменному току и малое – постоянному, а емкость конденсатора – наоборот. При таком соединении дроссель простейшего индуктивного сглаживающего фильтра включается последовательно с нагрузкой, а конденсатор простейшего емкостного сглаживающего фильтра – параллельно. В активных сглаживающих фильтрах применяются транзисторы. Использование транзисторов основано на том, что их сопротивление постоянному току (статическое сопротивление) на 2-3 порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Емкость конденсатора Сф выбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление конденсатора было много меньше Rн, т.е. где f – частота основной гармоники напряжения, Гц; f = 50 Гц для однополупериодного, f = 100 Гц для двухполупериодного выпрямителя. При таком выборе величины емкости конденсатора постоянная времени разряда τ разр значительно больше периода изменения выпрямленного напряжения и конденсатор разряжается медленно – напряжение uС на нем уменьшается несущественно. Это приводит к увеличению среднего значения напряжения на нагрузке Uн.ср по сравнению с отсутствием фильтра и уменьшению переменной составляющей, а следовательно, к снижению коэффициента пульсаций kп.вх. В промышленных выпрямительных устройствах широко используются 2х-звенные сглаживающие фильтры благодаря следующим достоинствам: малая зависимость коэффициент сглаживания от тока нагрузки, высокие качественные и удельные показатели. Дальнейшее увеличение числа звеньев приведет к уменьшению области устойчивой работы источника питания (так как источник питания представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, то увеличение числа реактивных элементов в силовой цепи может привести к неустойчивости ) и уменьшению к.п.д. устройства. Резонансные сглаживающие фильтры используются на выходе выпрямительных устройств, в которых переменная составляющая выпрямленного напряжения близка по уровню к первой гармонике. Также они используются для аппаратуры, которая не чувствительна к высшим гармоническим составляющим напряжения. При больших отклонениях частоты питающего напряжения происходит “расстройка” относительно собственной частоты контура, что ухудшает сглаживающие свойства фильтра. Поэтому не допускается использование таких фильтров при больших отклонениях частоты питающего напряжения. Изменение тока нагрузки приводит к изменению индуктивности контура, что также уменьшает значение 2 коэффициента сглаживания. Для исключения этого явления в дроссель вводят зазор или обмотку обратной связи, поддерживающую постоянство индуктивности. Последнее приводит к громоздкости фильтра и уменьшению его КПД поэтому рекомендуется использовать такие фильтры при постоянстве тока нагрузки. Для подавления гармонических составляющих напряжения, кроме первой, используют дополнительные реактивные элементы. По сравнению с другими пассивными сглаживающими фильтрами этот тип фильтров менее громоздкий и имеет больший КПД В качестве конденсаторов емкостных сглаживающих фильтров применяются полярные электролитические конденсаторы. Встречается параллельное включение полярного и неполярного конденсаторов. В этом случае полярные конденсаторы большой емкости используются для фильтрации низкочастотной пульсации входного напряжения, а неполярные конденсаторы небольшой емкости уменьшают высокочастотную пульсацию. Кроме того, такое комбинированное включение позволяет избежать выхода из строя полярного конденсатора при пробое выпрямительных диодов. Емкостные фильтры целесообразно применять при высокоомной нагрузке Rн при мощности Рн не более нескольких десятков ватт. В индуктивном фильтре катушку индуктивности (дроссель) включают последовательно с нагрузкой Rн. Работа фильтра основана на явлении самоиндукции, которое изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении. Конструктивно дроссель выполняется в виде катушки с ферромагнитным сердечником, что позволяет получить высокое значение индуктивности (до нескольких Гн). Индуктивные фильтры обычно применяют при больших токах нагрузки. Сечение провода катушки зависит от тока нагрузки. Смешанные фильтры обеспечивают большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения по сравнению с емкостным и индуктивным фильтрами. Уменьшение пульсаций LC-фильтром объясняется шунтирующим действием конденсатора Сф для переменной составляющей выпрямленного напряжения и значительным падением этой составляющей напряжения на катушке Lф, в результате чего доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении резко снижается. Уменьшение постоянной составляющей напряжения на нагрузочном резисторе Rн практически не происходит, т.к. отсутствует значительное падение этой составляющей напряжения на очень малом активном сопротивлении катушки Lф. Для переменной составляющей выпрямленного тока сопротивление последовательного звена должно быть значительно больше, чем параллельного. В маломощных выпрямителях вместо катушки Lф часто включают резистор Rф. В таком сглаживающем фильтре при Rф >> 1/(2fπCф) на резисторе Rф создается значительно большее падение напряжения от переменной составляющей выпрямленного тока, чем от постоянной. 3 Сопротивление резистора Rф должно быть соизмеримо с сопротивлением нагрузочного резистора Rн. Обычно сопротивление резистора Rф выбирают в пределах Rф = (0,15…0,5)Rн. П-образные фильтры относятся к многозвенным фильтрам, т.к. состоят из емкостного фильтра (Сф1) и Г-образного LC-фильтра (Lф, Сф2) или емкостного фильтра (Сф1) и Г-образного RC-фильтра (Rф, Сф2) Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров определяется произведением коэффициентов сглаживания звеньев, из которых он состоит. Более высоким коэффициентом сглаживания обладают фильтры, содержащие активные элементы, в качестве которых чаще всего используются транзисторы. При наличии пульсаций во входном напряжении на резисторе R1 создается также пульсирующее напряжение. Переменная составляющая этого напряжения через конденсатор С1 прикладывается к эмиттерному переходу транзистора VT. Фазы напряжений, действующих на входе между базой и эмиттером транзистора VT, совпадают, поэтому при увеличении напряжения uВХ транзистор призакрывается, его сопротивление rкэ увеличивается, что приводит к уменьшению изменения тока, протекающего через нагрузку. При уменьшении uВХ, наоборот, сопротивление транзистора уменьшается, и изменения тока нагрузки также оказываются меньше. Таким образом, выходное напряжение фильтра изменяется значительно слабее, чем напряжение на его входе. Коэффициент сглаживания такого фильтра: Недостатком этого фильтра является уменьшение напряжения на нагрузке за счет падения напряжения на резисторе R1. Поэтому часто применяют транзисторный фильтр. Сглаживание пульсаций в таком фильтре происходит вследствие различия сопротивлений транзистора постоянному и переменному токам, поэтому постоянная составляющая напряжения uвх передается на выход фильтра со значительно меньшим (в 50…200 раз) ослаблением, чем переменная. Если с помощью индуктивно-емкостного фильтра необходимо обеспечить коэффициент сглаживания пульсаций более 40…50, то вместо однозвенного фильтра целесообразнее использовать двухзвенный сглаживающий фильтр. 4 Фильтры с тремя и более звеньями на практике применяются редко. В общем случае коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев: q = q’q’’q’’’ … Сглаживающие индуктивно-емкостные фильтры достаточно просты и эффективны в выпрямительных устройствах средней и большой мощностей. Однако масса и габариты таких фильтров весьма значительны, коэффициент сглаживания снижается с ростом тока нагрузки, фильтры малоэффективны при появлении медленных изменений сетевого напряжения. Индуктивные элементы фильтра являются источниками магнитных полей рассеяния, а совместно с паразитными емкостными элементами создают колебательные контуры, способствующие появлению переходных процессов. Транзисторные фильтры по сравнению с индуктивно-емкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Фильтры могут быть выполнены по схемам с последовательным или параллельным включением силового транзистора по отношению к сопротивлению нагрузки, а также с включением нагрузки RH в цепь коллектора или эмиттера транзистора. Недостатком фильтров с нагрузкой в цепи коллектора является большое изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Поэтому чаще используют фильтры, в которых сопротивление нагрузки включено в цепь эмиттера силового транзистора. Транзисторный сглаживающий фильтр с последовательным включением транзистора и нагрузкой в цепи эмиттера эквивалентен П-образному LC фильтру. Принцип действия его основан на том, что коллекторный и эмиттерный токи транзистора в режиме усиления практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Если выбрать рабочую точку транзистора на горизонтальном участке выходной вольтамперной характеристики, то его сопротивление для переменного тока будет значительно большим, чем для постоянного тока. В схеме базовый ток транзистора VT задается резистором Rб. Конденсатор Сб достаточно большой емкости устраняет напряжение пульсаций на переходе эмиттер-база. Поэтому переменная составляющая напряжения пульсаций прикладывается к переходу 5 база-коллектор и выделяется на транзисторе VT. В коллекторном и эмиттерном токе переменная составляющая практически отсутствует, поэтому пульсации в нагрузке RH также очень малы. Коэффициент сглаживания транзисторного фильтра тем больше, чем больше коэффициент передачи тока транзистора VT и чем больше значение отношений то есть чем меньше напряжение пульсаций на переходе эмиттербаза силового транзистора. 6 Литература 1. Электроник-блог [электронный ресурс] https://www.electronicsblog.ru/silovaya-elektronika/vypryamiteli-chast-2sglazhivayushhie-filtry.html 2. Электроника для всех [электронный ресурс] https://emkelektron.webnode.com/news/sglazhivajushchije-filtry/ 3. Студопедия [электронный ресурс] https://studopedia.ru/19_313244_elektronnie-sglazhivayushchie-filtri-natranzistorah.html 4. Раздел № 5 [электронный ресурс] http://thebard.narod.ru/EPUS/lect/5.htm 7