Классификация сглаживающих фильтров

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Основным параметром сглаживающего фильтра, определяющим его эффективность, является коэффициент сглаживания q, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе k_п.вх и выходе k_п.вых фильтра, т.е.

.

(9.19)

Сглаживающие фильтры делятся на пассивные и активные.

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. В этой связи дроссель простейшего индуктивного сглаживающего фильтра включается последовательно с нагрузкой, а конденсатор простейшего емкостного сглаживающего фильтра – параллельно.

По виду реактивных элементов различают емкостные, индуктивные и смешанные фильтры. Смешанные сглаживающие фильтры в зависимости от способа соединения входящих в него элементов подразделяют на Г- и П- образные. Эти фильтры могут быть однозвенными, двухзвенными и многозвенными.

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).

Емкостной фильтр

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор С_ф, включенный параллельно нагрузке R_н (рис. 9.5, а). Работа фильтра основана на способности конденсатора накапливать заряд. Временные диаграммы напряжений (рис. 9.5, б) поясняют работу фильтра.

В течение интервала времени t ₁- t ₂конденсатор С_ф заряжается через открытые диоды до амплитудного значения напряжения u_вх, т.к. в этом интервале времени u_вх > u_С. В интервале времени t ₂- t ₃ напряжение u_С > u_вх – конденсатор разряжается через нагрузку R_н с постоянной времени τ = С_фR_н. При этом напряжение u_С = u_н снижается до некоторого наименьшего значения U_{С .min}. Начиная с момента времени t ₃, напряжение на конденсаторе u_С становится меньше входного напряжения u_вх. Конденсатор начинает заряжаться через открытые диоды и процесс повторяется. Как показывают временные диаграммы, при включении емкостного фильтра напряжение u_н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.

 

 

Емкость конденсатора С_ф выбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление конденсатора было много меньше R_н, т.е.

,

(9.20)

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

(9.21)

и конденсатор разряжается медленно – напряжение u_С на нем уменьшается несущественно. Это приводит к увеличению среднего значения напряжения на нагрузке U_н.ср по сравнению с отсутствием фильтра и уменьшению переменной составляющей, а следовательно, к снижению коэффициента пульсаций k_п.вх.

В качестве конденсаторов емкостных сглаживающих фильтров применяются полярные электролитические конденсаторы. Встречается параллельное включение полярного и неполярного конденсаторов. В этом случае полярные конденсаторы большой емкости (сотни-тысячи мкФ) используются для фильтрации низкочастотной пульсации входного напряжения, а неполярные конденсаторы небольшой емкости (доли мкФ) уменьшаю 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 R_н при мощности Р_н не более нескольких десятков ватт.

Индуктивный фильтр

В индуктивном фильтре катушку индуктивности (дроссель) включают последовательно с нагрузкой R_н (рис. 9.6, а). Работа фильтра основана на явлении самоиндукции, которое изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении.

 

а) б)

Рис. 9.6. Схема индуктивного фильтра (а); временные диаграммы напряжений однофазного двухполупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (б).

 

Условие, при котором обеспечивается сглаживающее действие индуктивного фильтра

.

(9.22)

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

Г -образный сглаживающий фильтр представляет собой LC -фильтр (рис. 9.7, а) либо RC -фильтр (рис. 9.7, б).

а) б)

Рис. 9.7. Сглаживающие Г -образные фильтры: LC -фильтр (а) и RC -фильтр (б).

 

Эти фильтры обеспечивают большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения по сравнению с емкостным и индуктивным фильтрами.

Уменьшение пульсаций LC -фильтром объясняется шунтирующим действием конденсатора С_ф для переменной составляющей выпрямленного напряжения и значительным падением этой составляющей напряжения на катушке L_ф, в результате чего доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении резко снижается.

Уменьшение постоянной составляющей напряжения на нагрузочном резисторе R_н практически не происходит, т.к. отсутствует значительное падение этой составляющей напряжения на очень малом активном сопротивлении катушки L_ф. Для переменной составляющей выпрямленного тока сопротивление последовательного звена должно быть значительно больше, чем параллельного, т.е. должны выполняться соотношения:

или .

(9.23)

В маломощных выпрямителях вместо катушки L_ф часто включают резистор R_ф. В таком сглаживающем фильтре при R_ф >> 1/(2 fπC_ф) на резисторе R_ф создается значительно большее падение напряжения от переменной составляющей выпрямленного тока, чем от постоянной. Сопротивление резистора R_ф должно быть соизмеримо с сопротивлением нагрузочного резистора R_н. Обычно сопротивление резистора R_ф выбирают в пределах R_ф = (0,15…0,5) R_н.

П -образные фильтры относятся к многозвенным фильтрам, т.к. состоят из емкостного фильтра (С_{ф 1}) и Г- образного LC -фильтра (L_ф, С_{ф 2}) (рис. 9.8, а) или емкостного фильтра (С_{ф 1}) и Г -образного RC -фильтра (R_ф, С_{ф 2}) (рис. 9.8, б).

а) б)

Рис. 9.8. П- образный сглаживающий фильтр: LC- фильтр (а), RC -фильтр (б).

 

Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров определяется произведением коэффициентов сглаживания звеньев, из которых он состоит.