В источниках вторичного электропитания аппаратуры наибольшее применения получили простейшие фильтры. Используются также фильтры с параллельным и последовательным резонансным контуром и электронные фильтры на транзисторах

Используются также фильтры с параллельным и последовательным резонансным контуром и электронные фильтры на транзисторах.

К фильтрам предъявляется ряд требований. Основные из них следующие:

1. Обеспечение необходимого коэффициента сглаживания.

Коэффициент сглаживания является основным параметром сглажи-вающих фильтров и представляет собой отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра (на нагрузке):

.

Коэффициент пульсации на входе фильтра определяется схемой выпрямления и вычисляется по известной формуле . Коэффициент пульсации на выходе фильтра , где и соответственно амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая напряжения на нагрузке.

Коэффициент пульсации на выходе фильтра задается требованиями приемника энергии к питающему напряжению, а коэффициент пульсации на выходе выпрямителя известен после выбора схемы выпрямления.

2. Минимально возможное падение постоянной составляющей напряжения на элементах фильтра;

3.Минимальные габариты, масса, стоимость;

4.Отсутствие заметных искажений, вносимых в работу нагрузки;

5.Отсутствие недопустимых перенапряжений и выбросов тока при переходных процессах;

6.Высокая надежность.

6.1 Эквивалентная схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра. Расчет коэффициента фильтрации

Фильтры простейшего типа могут быть представлены в виде Г-образного четырехполюсника состоящего из сопротивления и .К входным зажимам этого четырехполюсника приложено выпря-мленное напряжение (рис.8). Источник этого напряжения может быть заменен двумя последовательно включенными генераторами постоянного и переменного напряжения. К выходным зажимам подключена нагрузка.

Рис.8

На схеме обозначено:

=, где - активное сопротивление дросселя;

=,

где - активное сопротивление (потерь) конденсатора;

, где - частота тока в сети (на входе выпрямителя);

; .

Коэффициент сглаживания для данной эквивалентной схемы равен:

, где .

Гармонические составляющие напряжения пропорциональны отношению комплексных сопротивлений:

, где .

Преобразуем выражение для , подставив в него заранее :

,

где ;

.

Отношение переменных составляющих равно:

После преобразования получим:

.

Модуль отношения переменных составляющих будет равен

.

Поскольку постоянный ток через комплексное сопротивление не течет, то отношение постоянных составляющих можно представить пропорционально отношению активных сопротивлений

.

Окончательно для коэффициента сглаживания имеем выражение:

(I)

Это выражение является общим и точным выражением для определения коэффициента сглаживания, т.к. учитывает все параметры фильтра: , фазность схемы m, частоту тока входного напряжения выпрямителя , сопротивления нагрузки .

6.2 Расчет индуктивно-емкостного фильтра

Если на эквивалентной схеме (Рис.8) активным сопротивлением конденсатора пренебречь, что оправдано при низких частотах, (до 1 кГц), то выражение (I) -фильтра упростится и будет иметь вид (см. рис.9)

Рис.9

. (II)

На практике обычно выполняются следующие неравенства:

<<; <<1,

а <<,

поэтому .

Так как при расчете фильтра коэффициент фильтрации задан и искомыми величинами являются и , то выражение удобнее переписать в виде:

.

Если выразить в генри, а в микрофарадах, то получаются следующие расчетные формулы:

При Гц, ,

При Гц, .

Одним из основных условий выбора и является обеспечение индуктивной реакции фильтра на выпрямитель (т.е. чтобы >>). Индуктивная реакция необходима для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя.

Для обеспечения индуктивной реакции фильтра необходимо найти критическое значение индуктивности обмотки дросселя и выбрать .

При ток в дросселе имеет прерывистый характер, при ток в дросселе непрерывен. Для этого необходимо, чтобы амплитудное значение первой гармоники тока пульсации .

.

Расчет дросселя производится по известной литературе [59, 60, 10] или выбирается по справочнику.

Для использования в схемах сглаживания фильтров рекомендуются дроссели типа .

Определив и выбрав можно найти из выражения для значение емкости.

Конденсатор выбирается по справочнику.

Как правило, это электролитические конденсаторы, например типа К50, К52, К53 и др.

Конденсатор выбирается по величине рабочего напряжения, при этом необходимо, чтобы величина амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения не превышала предельно допустимой величины для выбранного типа конденсатора. Этот параметр конденсатора в значительной степени зависит от частоты основной гармоники выпрямленного напряжения.

Если расчетное значение переменной составляющей превышает допустимое для данных частот и температуры, то следует либо выбрать конденсатор не большее рабочее напряжение, либо увеличить емкость и тем самым уменьшать переменную составляющую до требуемого значения [53, 12].

Обычно с увеличением температуры окружающей среды допустимое значение напряжение на конденсаторе снижается, поэтому конденсатор надо выбирать с напряжением на 15-20% выше напряжения холостого хода, учитывая при этом также напряжения, которые могут возникать при запуске схемы и резкий изменениях тока нагрузки.

Емкость электролитических конденсаторов существенно зависит и от температуры окружающей среды. Она резко уменьшается при отрицательных температурах, что следует обязательно учитывать при проектировании.

Выбор конкретных значений и производится таким образом, чтобы получить наименьшую массу. В первом приближении необходимо, чтобы массы дросселя фильтра и выходного конденсатора были примерно равны другу.

Индуктивно-емкостные фильтры применяются в выпрямителях на токи от единиц до сотен ампер.

6.3.Расчет индуктивного фильтра

Если в выражении (II) для коэффициента сглаживания положить , то получим коэффициент сглаживания индуктивного фильтра

Рис.10

.

Так как активное сопротивление дросселя составляет примерно , то отношением по сравнению с единицей в формуле можно пренебречь. В этом случае получим приближенное значение коэффициента сглаживания индуктивного фильтра

.

Из этого выражения определяется величина индуктивности

.

Достоинством индуктивного фильтра является его простота. К недостаткам можно отнести следующее:

1. При отключении сопротивления нагрузки или при его резком изменении возникают перенапряжения, т.к. в дросселе появляется э.д.с. самоиндукции.

Для исключения больших перенапряжений при скачкообразном сбросе тока нагрузки необходимо шунтировать дроссель диодом в направлении обратному току выпрямителя.

2. Непостоянство сглаживающего действия фильтра при изменении сопротивления нагрузки (с увеличением тока нагрузки индуктивность дросселя уменьшается, и сглаживание дросселя снижается).

Несмотря на указанные недостатки, индуктивные фильтры на практике используются часто. Как видно из формулы, для они эффективны в многофазных схемах выпрямителей при больших мощностях, т.е. когда мало.

Широко индуктивные фильтры применяются в сильноточных низковольтных выпрямителях (с токами до 50-100 А), работающих при неизменных токах нагрузки.

Таким образом, индуктивные и индуктивно-емкостные фильтры в выпрямителях применяются, как правило, при токах нагрузки свыше одного ампера.

6.4. Расчет активно-емкостного фильтра

Полагая в выражении (II) , а получим формулу для

Рис.11

где . определения коэффициента сглаживания Г-образного активно-емкостного фильтра на рис.11.

Так как обычно на практике >>1, то из этого выражения определяют величину емкости С конденсатора

.

Полагая при этом, что .

При величине напряжение на входе фильтра , а КПД фильтра равен 0,8.

Активно-емкостной Г-образный фильтр применяется в устройствах малой мощности (примерно 10-15 Вт). В таком фильтре создается относительно большое падение напряжения, и имеют место значительные потери энергии на резисторе , но габариты и стоимость такого фильтра меньше, чем индуктивно-емкостного.

6.5.Расчет емкостного фильтра

Выпрямители с емкостной реакцией нагрузки (с емкостным фильтром рис. 12) применяются в источниках электропитания малой мощности и током не более 1 А. Для хорошего сглаживания пульсации необходимо, чтобы .

Расчет схем с емкостной реакцией производится в следующей последовательности [53].

Рис.12

обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке [60]:

, где - магнитная индукция в магнитопроводе для трансформаторов до 1000 ВА, принимается 1,2-1,6 Тл для сети Гц и 1,0-1,3 Тл для сети 400 Гц или выбирается по кривым ; - число стержней магнитопровода трансформатора, несущих обмотки (=1 для магнитопроводов типа IIIЛ и 0Л, =2 для магнитопроводов типа IIЛ с обмотками на обоих стержнях, =3 – для трехфазных трансформаторов);

- частота тока питающей сети;

- коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, определяется по таблицам [53] (например, он равен для мостовых схем: однофазной – 3,5·10³, а трехфазной – 4,5·10³).

2. Определяется параметр А, зависящий от угла отсечки диода, по формуле ,

где - сопротивление фазы выпрямителя:

.

Здесь - количество последовательно включенных и одновременно работающих диодов.

- сопротивление диода в прямом направлении (определяется из его вольтамперной характеристики).

Приближенно можно считать, что прямое падение напряжения у кремниевых диодов равно 1 В.

3. По найденному значению коэффициента А определяют коэффициент Н по кривым [ 53 ] (по А определяют и другие коэффициенты) и вычисляют емкость фильтра по формуле

,

где - измеряется в микрофарадах, - в процентах, - в Омах.

Коэффициент сглаживания емкостного фильтра определяется по известному выражению

,

где - коэффициент пульсации выпрямителей при ;

.

Если в начале расчета коэффициент задан, из приведенного выражения можно определить величину емкости фильтра.

Как следует из полученного выражения, для емкостной фильтр целесообразно применять в однофазовых схемах (при этом больше) и при малых мощностях нагрузки (чем меньше ток нагрузки, тем меньше А, а, следовательно, и Н, и больше ).

Установлено, что действие емкости фильтра считается эффективным, если постоянная времени разрядка в полтора-два раза превышает период пульсации или .

6.6.Многозвенные сглаживающие фильтры.

Для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке на практике широко используются также П-образные сглаживающие фильтры: C-L-C-фильтр (Рис.13), С-R-С-фильтр (Рис.14) и многозвенные L- C-фильтры, которые состоят из одинаковых Г-образных L-C-фильтров (Рис.15).

L₁= L₂=…= L_n; C₁= C₂=…=C_n.

Они обеспечивают большие коэффициенты сглаживания.

Рис.13

Рис.14

Рис.15

Требования к фильтрам.

1. Обеспечение требуемого коэффициента сглаживания:

,

где K_П.вх – величина пульсации на входе фильтра, которая известна (на выходе выпрямителя).

K_П.вых – величина пульсации на выходе фильтра, которая также известна, так как она задается (на нагрузке).

2. Обеспечение минимального падения напряжения на элементах фильтра (активные элементы).

3. Обеспечение минимальных перенапряжений и сверхтоков в переходных режимах.

4. Обеспечение минимальной массы и габаритов, а так же стоимости.

В двухзвенных индуктивно-емкостных фильтрах Г-образного типа коэффициент сглаживания фильтра определяется как произведение коэффициентов звеньев

Оптимальным считается фильтр, имеющий одинаковые элементы обоих звеньев (, ).

При увеличении числа звеньев фильтра увеличивается собственная частота (резонансная частота), что обуславливает целесообразность применения двухфазного Г-образного фильтра только при >22, а трехфазного – при >220.

Резонансные фильтры (с параллельным и последовательными резонансными контурами) являются разновидностью -фильтров. Они обеспечивают хорошее сглаживание одной из гармоник выпрямленного напряжения, на которую контуры настроены в резонанс.

Действие полупроводниковых фильтров основано на свойстве транзистора создавать в определенных режимах работы различные сопротивления для переменного и постоянного токов.