Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе любого выпрямителя содер­жит пульсации с частотой 50 или 100 Гц, которые вред­но отражаются на работе питаемого этим выпрямите­лем устройства. Если таким напряжением питается усилитель звуковой частоты, пульсации, поступая на базу первого транзистора, усиливаются им и всеми последующими каскадами. В результате возникает фон переменного тока, и громкоговорители помимо полезно­го звукового сигнала воспроизводят неприятное гуде­ние низкого дона.

Если пульсации содержатся в напряжении, питаю­щем каскады телевизора, они приводят к искривлению вертикальных линий изображения и появлению широ­ких горизонтальных темных полос на экране. При этом искривление и полосы перемещаются в вертикаль­ном направлении, что крайне неприятно. Вредно ска­зывается наличие пульсаций и при питании других электронных устройств. Поэтому уровень пульсаций нужно снизить до приемлемой величины, которая долж­на быть значительно меньше уровня сигнала, поступаю­щего в ту же точку устройства, куда поступают пульса­ции. Для снижения уровня пульсаций служат сглажиживающие фильтры.

Рис. 8.Сглаживающий RC фильтр Рис. 9.Сглаживающий LC фильтр

На рис. 8 показан простейший сглаживающий фильтр, состоящий из резистора и конденсатора. Если емкостное сопротивление конденсатора на частоте пуль­саций будет значительно меньше сопротивления рези­стора, уровень пульсаций на нагрузке окажется также значительно меньше, чем на входе фильтра. Отношение амплитуды пульсаций на выходе фильтра к амплитуде пульсаций на его входе называется коэффициентом фильтрации и обозначается буквой q. Если сопротивле­ние нагрузки значительно больше емкостного сопротив­ления конденсатора фильтра и сопротивления резистора фильтра, коэффициент фильтрации для такого фильтра равен:

q = 2πfRC, (1)

где f - частота пульсаций. Так при частоте пульсаций 100 Гц, сопротивлении резистора фильтра 100 Ом и ем­кости конденсатора 1000 мкФ коэффициент фильтрации получается равным 63. Недостаток RС - фильтра состо­ит в падении напряжения на резисторе фильтра от постоянной составляющей тока нагрузки, что приводит к необходимости увеличивать напряжение на выходе вы­прямителя на величину падения напряжения. Поэтому такие фильтры используют лишь для питания схем, рассчитанных на большое напряжение и малый ток на­грузки.

Значительно большей эффективностью обладают сглаживающие фильтры, содержащие индуктивность, как показано на рис. 9. Для получения приемлемых значений индуктивности приходится использовать дрос­сели со стальными сердечниками, подобными сердечни­кам силовых трансформаторов. В связи с тем, что по обмотке дросселя протекает постоянная составляющая тока нагрузки, во избежание насыщения сердечника и связанного с этим падения магнитной проницаемости его собирают не вперекрышку, как при сборке транс­формато- ров, а с зазором. Для этого все Ш - образные пластины собирают в один пакет, а перемычки - в дру­гой и между ними устанавливают картонную проклад­ку. Коэффициент фильтрации для такой схемы сглажи­вающего фильтра равен:

q= 4π²f²LC– 1 (2)

На частоте пульсаций 100 Гц при индуктивности дросселя 1 Гн и емкости конденсатора 1000 мкФ коэф­фициент фильтрации оказывается равным 394. К тому же сопротивление обмотки дросселя постоянному току можно сделать достаточно малым, выбрав соответст­вующий диаметр провода при намотке. Поэтому паде­ние напряжения на дросселе может быть получено также малым. При необходимости очень большого ослабления пульсаций можно последовательно включить два звена фильтра. При этом результирующий коэффициент фильт­рации равен произведению коэффициентов фильтрации каждого звена. Если сравнить двухзвенный фильтр, у которого суммарная индуктивность дросселей равна индуктивности дросселя однозвенного фильтра, а сум­марная емкость конденсаторов равна емкости конденса­тора однозвенного фильтра, то окажется, что коэффи­циент фильтрации двухзвенного фильтра получается на­много больше при условии, что коэффициент фильтрации больше 25. Отсюда можно сделать вывод о том, что для дости­жения такого же коэффициента фильтрации в двухзвенном фильтре можно обойтись меньшими значения­ми индуктивности и емкости по сравнению с однозвенным фильтром. Наконец, из формулы (2) видно, что сами по себе значения индуктивности и емкости фильтра не определяют коэффициент фильтрации, а важно их произведение. Можно уменьшать индуктив­ность, во столько же раз увеличивая емкость, и коэф­фициент фильтрации от этого не изменится.

Иногда параллельно дросселю подключают конден­сатор, как показано на рис. 10. Если получившийся параллельный колебательный контур окажется настро­ен на частоту пульсаций, это резко уменьшит их уро­вень. Указать значение коэффициента фильтрации для такого случая трудно, так как он зависит от добротно­сти контура. Однако такая схема используется редко, в связи с тем что она крайне критична к току потреб­ления нагрузкой и колебаниям напряжения сети, при­водящим к соответствующим изменениям тока нагруз­ки. При изменении тока изменяется постоянное подмагничивание дросселя, его индуктивность, и контур рас страивается. Это может привести к увеличению пульса­ций даже сверх их уровня, который имеется при от­сутствии конденсатора.

Рис. 10.Использова­ние фильтра-пробки Рис. 11.Схема пара­метрического

стабилиза­тора напряжения