какое соотношение ld и la в выпрямителях со сглаживающим дросселем
Электроника
учебно-справочное пособие
Сглаживающие фильтры
Пульсации вносят помехи в работу аппарата, который питается от БП. Кроме того, они делают невозможной работу стабилизаторов ввиду того, что в интервалах между полуволнами (абсолютная синусоида) напряжение падает практически до нуля. Рассмотрим некоторые виды сглаживающих фильтров.
Пассивные фильтры
Емкостной фильтр
Емкостной фильтр представляет собой конденсатор большой емкости, который включается параллельно нагрузочному резистору Rн. Конденсатор обладает большим сопротивление постоянному току и малым сопротивлением переменному току. Рассмотрим работу фильтра на примере схемы однополупериодного выпрямителя (рис. 1, а).
При протекании положительной полуволны во временном промежутке t0 – t1 (рис. 1, б) протекает ток нагрузки (ток диода) и ток заряда конденсатора. Конденсатор заряжается и в момент времени t1 напряжение на конденсаторе превышает спадающее напряжение вторичной обмотки – диод закрывается и во временной промежуток t1–t2 ток в нагрузке обеспечивается разрядом конденсатора. Т.о. ток в нагрузке протекает постоянно, что значительно уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.
При τ > 10 коэффициент сглаживания q определяется по формуле:
m – число полупериодов выпрямленного напряжения.
Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором Rн при небольших мощностях нагрузки.
Индуктивный фильтр
Индуктивный фильтр (дроссель) включается последовательно с Rн (рис. 3, а). Индуктивность обладает малым сопротивлением постоянному току и большим переменному. Сглаживание пульсаций основывается на явлении самоиндукции, которая изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении (рис. 2, б).
Индуктивные фильтры применяют в выпрямителях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, работающих с большими токами нагрузки.
Коэффициент сглаживания определяется по формуле:
Работа емкостного и индуктивного фильтра основана на том, что во время протекания тока, потребляемого из сети, конденсатор и катушка индуктивности запасают энергию, а когда тока от сети нет, либо он уменьшается, элементы отдают накопленную энергию, поддерживая ток (напряжение) в нагрузке.
Многозвенные фильтры
Многозвенные фильтры используют сглаживающие свойства и конденсаторов и катушек индуктивности. В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько кОм, вместо дросселя Lф включают резистор Rф, что существенно уменьшает массу и габариты фильтра.
На рисунке 3 представлены типы многозвенных LC- и RC-фильтров.
Резистивно-емкостные фильтры
Резистивно-емкостные фильтры (рис. 4) характеризуются сравнительно большим падением напряжения. Это связано с применением в них резистора. Поэтому для работы с токами более 500 мА такие фильтры не подходят ввиду больших потерь и рассеиваемой мощности. Резистор рассчитывается следующим образом
где:
Uвып – выходное напряжение выпрямителя,
Uп – напряжение питания нагрузки,
Iн – ток нагрузки.
Индуктивно-емкостной фильтр
Рис.5. Индуктивно-емкостной фильтр
В любительских условиях вместо дросселя можно использовать первичную обмотку трансформатора (ни того, от которого все питается), а вторичную замкнуть.
Активные фильтры
Активные фильтры применяются в тех случаях, когда пассивные фильтры не годятся по массогабаритным или температурным параметрам. Дело в том, что, как уже говорилось, чем больше ток нагрузки, тем больше емкость сглаживающих конденсаторов. На практике это вытекает в необходимость применения громоздких электролитических конденсаторов. В активном фильтре используется транзистор в схеме эмиттерного повторителя (каскад с общим коллектором), поэтому сигнал на эмиттере практически повторяет сигнал на базе (рис. 6)
Цепь R1C1 рассчитывается как резистивно – емкостной фильтр, только в качестве потребляемого тока берется ток в цепи базы
.
Однако, как видно из формулы, режим фильтра (в том числе и коэффициент сглаживания) будет зависеть от потребляемого тока, поэтому его лучше зафиксировать (рис. 7)
Помехозащитные фильтры
Надо сказать, что радиопомехи могут проникать не только из сети в прибор, но и из прибора в сеть. Поэтому оба направления следует защищать от помех. Особенно это касается импульсных БП. Как правило, это сводится к подключению конденсаторов небольшой емкости (0,01 – 1,0 мкФ) параллельно цепи, как это показано на рис. 8.
Как и в случае со сглаживающими фильтрами, помехозащитные фильтры работают при условии, что емкостное сопротивление конденсаторов на частоте возникновения помехи много меньше сопротивления нагрузки.
Возможно, что помеха возникает ни от спонтанного перепада тока в сети или прибора, а от постоянной «вибрации». Это относится, например, к импульсным БП или передатчикам в телеграфном режиме. В этом случае может потребоваться еще и индукционная развязка (рис. 9).
Однако конденсаторы должны быть подобраны так, чтобы не возникал резонанс в обмотках дросселей и трансформаторов.
Источники:
Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2019
ElectronicsBlog
Обучающие статьи по электронике
Выпрямители. Часть 2. Сглаживающие фильтры
Всем доброго времени суток. Сегодня продолжение темы про выпрямители и поговорим мы о сглаживающих фильтрах выпрямителей. Сглаживающие фильтры включаются между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения переменных составляющих (пульсаций) выпрямленного напряжения. Эти фильтры выполняются из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов. Простейший сглаживающий фильтр может состоять только из одного элемента, например дросселя или конденсатора. В малогабаритной аппаратуре сравнительно малой мощности индуктивные элементы фильтра могут быть заменены активными (резисторами).
Сглаживающие фильтры, прежде всего, характеризуются коэффициентом сглаживания q, представляющим собой отношение коэффициентов пульсаций на входе S0 и выходе S0H фильтра:
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Индуктивный сглаживающий фильтр
Применяется в маломощных выпрямителях, но может входить в состав сложных многозвенных фильтров. Параметры дросселя следует выбирать так, чтобы активное сопротивление обмотки rдр было много меньше сопротивления нагрузки (rдр > Rн). В этом случае почти вся постоянная составляющая напряжения будет приложена к нагрузке, а переменная составляющая – к дросселю.
По заданному коэффициенту сглаживания q можно рассчитать необходимую индуктивность сглаживающего фильтра
Индуктивный фильтр прост, дешев, имеет малые потери мощности; коэффициент сглаживания фильтра растёт с увеличением индуктивности дросселя, числа фаз питающего напряжения и с уменьшением сопротивления нагрузки. Поэтому индуктивные фильтры обычно применяются совместно с многофазными мощными выпрямителями. При отключении нагрузки или скачкообразном изменении ее сопротивления возможно возникновение перенапряжений; в этом случае параллельно обмотке дросселя необходимо включать защитные устройства, например разрядники. В маломощных однофазных выпрямителях индуктивный фильтр может являться звеном более сложного фильтра.
Eмкостной сглаживающий фильтр
Емкостной сглаживающий фильтр состоит из конденсатора Сф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку. Заряд и разряд конденсатора фильтра происходит с частотой пульсаций fп выпрямленного напряжения.
Для расчёта ёмкости конденсатора сглаживающего фильтра можно воспользоваться следующей формулой
, где
результируещее значение ёмкости выражено в микрофарадах,
SOH – коэффициент пульсаций в процентах, %;
RH – сопротивление нагрузки в омах, Ом;
fc – частота сети в герцах, Гц;
m – число используемых при выпрямлении полупериодов за период напряжения сети,m = 1 – для однополупериодных, m = 2 – для двухполупериодных.
Емкостной фильтр целесообразней всего применять совместно с однофазными и маломощными схемами выпрямления.
Сглаживающий LC фильтр
Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения будет более эффективным, если в совместить два предыдущих фильтра: индуктивный и емкостной фильтры. Данные типы сглаживающих фильтров называют LC фильтрами
Простейший Г-образный индуктивно-емкостный фильтр рассчитывают такким образом, чтобы параметры элементов подходили под следующие условия
Коэффициент сглаживания Г-образного фильтра связан с произведением индуктивности и емкости следующим образом:
Сглаживающие RC фильтры
В схемах выпрямления малой мощности дроссель фильтра может быть заменён резистором RФ. Такие типы фильтров называют RC фильтрами
Расчёт сглаживающего RC фильтра должен вестись с учётом следующих условий
Коэффициент сглаживания фильтра
Сопротивление резистора RФ обычно задаются в пределах RФ = (0,15…0,5)RH; КПД резистивно-емкостного фильтра сравнительно мал и обычно составляет 0,6…0,8, причем при ηф = 0,8 RФ = 0,25RH. Емкость Cф (в микрофарадах), обеспечивает требуемый коэффициент сглаживания q при частоте сети fC = 50 Гц, находят из выражения
Преимущества резистивно-емкостных фильтров: малые габариты, масса и стоимость; недостаток – низкий КПД.
Многозвенные сглаживающие фильтры
Если с помощью индуктивно-емкостного фильтра необходимо обеспечить коэффициент сглаживания пульсаций более 40…50, то вместо однозвенного фильтра целесообразнее использовать двухзвенный сглаживающий фильтр.
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.
Транзисторный сглаживающий фильтр
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.
Фильтр с последовательным транзистором
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 вольт-амперной характеристики, то его сопротивление для переменного тока будет значительно большим, чем для постоянного тока.
Транзисторный фильтр
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 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 эмиттер-база силового транзистора.
Составной транзистор
Для более успешного выполнения этих соотношений конденсатор Сб может быть заменён одно- или двухзвенным RC сглаживающим фильтром, а для увеличения коэффициента передачи тока транзистор VT можно выполнить составным
Транзисторный фильтр со стабилитроном
Еще эффективней работает транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора включен стабилитрон
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Однако амплитуда переменной составляющей напряжения на транзисторе не должна превышать значение постоянного напряжения на нём, иначе фильтр потеряет свою работоспособность.
Фильтр с параллельным транзистором
Фильтр с балластным резистором и параллельным включением транзистора
Фильтр с балластным резистором и последовательным включением транзистора
Транзисторные фильтры с балластным резистором Rбл и параллельным включением транзистора относительно нагрузки, в отличие от схем с последовательным включением, применяется при сравнительно небольшом выпрямленном напряжении (десятки вольт). Режим работы транзистора VT – минимальное значение тока IK.min – устанавливается соответствующим выбором сопротивлений R1 и R2. Переменная составляющая напряжения в этой схеме прикладывается к переходу эмиттер-база транзистора VT, усиливается и выделяется на балластном резисторе Rбл. Эта составляющая оказывается в противофазе с переменной составляющей напряжения, выделяющейся на Rбл при непосредственном протекании тока нагрузки. Выбором Rбл и IK.min можно добиться их полной компенсации. Амплитуда переменной составляющей тока транзистора VT должна быть меньше протекающего постоянного тока IK.min, иначе схема будет неработоспособна. Ток IK.min, не должен быть очень малым, так как иначе потребуется увеличение сопротивления Rбл, что приведёт к снижению КПД фильтра. Слишком большой ток также нецелесообразен, так как увеличивается мощность потерь на транзисторе и снижается КПД.
Коэффициент сглаживания параллельного транзисторного фильтра будет тем больше, чем больше сопротивление Rбл, емкость конденсаторов С1 и С2, крутизна вольт-амперной характеристики транзистора. Недостатком транзисторного фильтра с параллельным включением транзистора является значительное изменение среднего значения коллекторного тока транзистора, при изменении среднего значения выпрямленного напряжения, поступающего на вход фильтра. Это приводит к снижению КПД фильтра.
Следует помнить, что транзисторные фильтры не обеспечивают стабилизацию постоянной составляющей выпрямленного напряжения, а при изменении тока нагрузки, температуры окружающей среды и воздействия других дестабилизирующих факторов вносят дополнительную нестабильность выпрямленного напряжения.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Сглаживающие фильтры
Сглаживающие RС-фильтры
Фильтры используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, подключаемый к выходу выпрямителя. Обычно в качестве такового используют оксидные (электролитические) конденсаторы емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад.
Однако степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения емкостным фильтром при больших токах нагрузки оказывается недостаточной.
Для повышения уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы или транзисторы. Чтобы определить, какой фильтр лучше, вводят специальный параметр — коэффициент сглаживания. Он рассчитывается как отношение коэффициента пульсаций на выходе фильтра (Крвых) к коэффициенту пульсаций на его входе (Крвх):
Кс = Крвых/Крвх
Наиболее простым является Г-образный реостатно-емкостный фильтр, состоящий из резистора R1 и конденсатора Сф1
Сглаживающие LC-фильтры
Для увеличения КПД и уменьшения потерь выпрямленного напряжения на элементах фильтра широко применяются индуктивно-емкостные (LC) фильтры. На рисунке изображен однозвенный Г-образный LC-фильтр, состоящий из дросселя Др1 и конденсатора Сф1.
Сглаживающие транзисторные фильтры
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в несколько единиц или десятков вольт широко применяются фильтры с транзисторами. Одна из схем такого фильтра показана на рисунке.
Для пояснения принципа работы этой схемы напомним, что если напряжение базы транзистора (в данном случае на резисторе R2) увеличивается по отношению к напряжению эмиттера, то ток, протекающий через транзистор, уменьшается. Уменьшение тока равносильно увеличению сопротивления транзистора. Если на вход фильтра поступает постоянное напряжение, то напряжение между эмиттером и базой также будет постоянным, и, значит, постоянным будет напряжение на выходе фильтра. При наличии пульсаций в выпрямленном напряжении (на зажимах 1—1) на резисторе R1 создается также пульсирующее напряжение. При увеличении напряжения на входе фильтра повышается и напряжение на резисторе R1. Это приращение напряжения через конденсатор С2 подается на базу. Напряжение базы возрастает, что приводит к увеличению сопротивления транзистора. Возрастание сопротивления транзистора вызывает уменьшение изменения тока в цепи. И наоборот, при уменьшении напряжения на входе фильтра снижается и напряжение на резисторе R1. Это уменьшение напряжения передается на базу транзистора и снижает его сопротивление. Таким образом, данная схема как бы следит за всеми быстрыми изменениями напряжения на ее входе и регулирует сопротивление транзистора проходящему через него току так, что выходное напряжение фильтра изменяется значительно меньше, чем напряжение на его входе.
Недостатком данной схемы является то, что часть напряжения бесполезно тратится на резисторе R1, вследствие чего напряжение на выходе фильтра оказывается меньшим, чем на входе. Поэтому чаще применяют другую схему транзисторного фильтра. Сглаживание пульсаций в ней происходит за счет различий в сопротивлениях транзистора для постоянного и переменного (пульсирующего) токов: сопротивление транзистора переменному току в тысячу и даже десятки тысяч раз больше, чем постоянному току. Вследствие этого постоянная составляющая напряжения передается через такой фильтр почти без ослабления, в то время как переменная составляющая (пульсации) чуть ли не вся выделяется на транзисторе и на выход фильтра едва поступает.
Выбор конденсаторов сглаживающих фильтров
Как уже отмечалось, чем больше емкость конденсатора, тем он лучше сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, поэтому в фильтрах применяют электролитические конденсаторы, обладающие при малых габаритах и весе большой емкостью. Емкость конденсатора фильтра может составлять десятки, сотни и даже тысячи микрофарад (мкФ). Чем больший ток потребляет нагрузка, тем большую емкость должны иметь конденсаторы фильтра. Для получения значительной емкости вместо одного конденсатора можно применять несколько параллельно включенных.
Другим важным параметром, по которому выбираются конденсаторы фильтра, является его рабочее напряжение, которое не должно быть меньше, чем выпрямленное напряжение. Если, например, выпрямленное напряжение составляет 30 В, а для его фильтрации используется электролитический конденсатор с рабочим напряжением 25 В, может произойти пробой конденсатора, в результате чего, его сопротивление упадет почти до нуля и последует короткое замыкание выходной цепи выпрямителя, которое вызовет резкое увеличение тока, протекающего через диоды и вторичную обмотку трансформатора.
При увеличении тока возможны выход из строя выпрямительных диодов или перегорание вторичной (или даже первичной) обмотки трансформатора.
Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания.
Всем доброго времени суток. Сегодня продолжение темы про выпрямители и поговорим мы о сглаживающих фильтрах выпрямителей
. Сглаживающие фильтры включаются между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения переменных составляющих (пульсаций) выпрямленного напряжения. Эти фильтры выполняются из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов. Простейший сглаживающий фильтр может состоять только из одного элемента, например дросселя или конденсатора. В малогабаритной аппаратуре сравнительно малой мощности индуктивные элементы фильтра могут быть заменены активными (резисторами).
Сглаживающие фильтры, прежде всего, характеризуются коэффициентом сглаживания q, представляющим собой отношение коэффициентов пульсаций на входе S0 и выходе S0H фильтра:
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Индуктивный сглаживающий фильтр
Применяется в маломощных выпрямителях, но может входить в состав сложных многозвенных фильтров. Параметры дросселя следует выбирать так, чтобы активное сопротивление обмотки rдр было много меньше сопротивления нагрузки (rдр > Rн). В этом случае почти вся постоянная составляющая напряжения будет приложена к нагрузке, а переменная составляющая – к дросселю.
По заданному коэффициенту сглаживания q можно рассчитать необходимую индуктивность сглаживающего фильтра
Индуктивный фильтр прост, дешев, имеет малые потери мощности; коэффициент сглаживания фильтра растёт с увеличением индуктивности дросселя, числа фаз питающего напряжения и с уменьшением сопротивления нагрузки. Поэтому индуктивные фильтры обычно применяются совместно с многофазными мощными выпрямителями. При отключении нагрузки или скачкообразном изменении ее сопротивления возможно возникновение перенапряжений; в этом случае параллельно обмотке дросселя необходимо включать защитные устройства, например разрядники. В маломощных однофазных выпрямителях индуктивный фильтр может являться звеном более сложного фильтра.
Электрические LC-фильтры
Классификация фильтров. Понятие о полосах фильтров
Электрический фильтр — это четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.
или
полоса прозрачности
фильтра
— Это диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием);
Полоса затухания
или
полоса задерживания
(режекции) фильтра — это диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием.
Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.
В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC-фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки.
Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике.
Для упрощения анализа будем считать, что фильтры составлены из идеальных катушек индуктивности и конденсаторов, т.е. элементов соответственно с нулевыми активными сопротивлением и проводимостью. Это допущение достаточно корректно при высоких частотах, когда индуктивные сопротивления катушек много больше их активных сопротивлений ( ), а емкостные проводимости конденсаторов много больше их активных проводимостей ( ).
Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникающими в них резонансными режимами – резонансами токов и напряжений. Фильтры обычно собираются по симметричной Т- или П-образной схеме, т.е. при или (см. лекцию №14). В этой связи при изучении фильтров будем использовать введенные в предыдущей лекции понятия коэффициентов затухания и фазы.
Классификация фильтров в зависимости от диапазона пропускаемых частот приведена в табл. 1.
Таблица 1. Классификация фильтров
| Название фильтра | Диапазон пропускаемых частот | |
| Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот) | ||
| Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот) | ||
| Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр) | ||
| Режекторный фильтр (полосно-задерживающий фильтр) | и | , |
где
В соответствии с материалом, изложенным в предыдущей лекции, если фильтр имеет нагрузку, сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому, то напряжения и соответственно токи на его входе и выходе связаны соотношением
Низкочастотные LC-фильтры
Рассмотрим схему простейшего низкочастотного фильтра,
представленную на рис. 1,а.
Связь коэффициентов четырехполюсника с параметрами элементов Т-образной схемы замещения определяется соотношениями (см. лекцию № 14)
или конкретно для фильтра на рис. 1,а
Из уравнений четырехполюсника, записанных с использованием гиперболических функций (см. лекцию № 14), вытекает, что
Однако в соответствии с (2) — вещественная переменная, а следовательно,
которому удовлетворяют частоты, лежащие в диапазоне
Для характеристического сопротивления фильтра на основании (3) и (4) имеем
Другим вариантом простейшего низкочастотного фильтра может служить четырехполюсник по схеме на рис. 1,б.
Высокочастотные LC-фильтры
Схема простейшего высокочастотного фильтра
приведена на рис. 3,а.
Для данного фильтра коэффициенты четырехполюсника определяются выражениями
Как и для рассмотренного выше случая, А – вещественная переменная. Поэтому на основании (9)
Данному неравенству удовлетворяет диапазон изменения частот
Характеристическое сопротивление фильтра
изменяясь в пределах от нуля до с ростом частоты, остается вещественным. Это соответствует, как уже отмечалось, работе фильтра, нагруженного характеристическим сопротивлением, в резонансном режиме. Поскольку такое согласование фильтра с нагрузкой во всей полосе пропускания практически невозможно, реально фильтр работает с в ограниченном диапазоне частот.
Вне области пропускания частот определяется из уравнения
Качественный вид зависимостей и для низкочастотного фильтра представлен на рис. 4.
Следует отметить, что другим примером простейшего высокочастотного фильтра может служить П-образный четырехполюсник на рис. 3,б.
Полосовой LC-фильтр
приведена на рис. 5,а, а на рис. 5,б представлены качественные зависимости для него.
Режекторный LC-фильтр
У режекторного фильтра
полоса прозрачности разделена на две части полосой затухания. Схема простейшего режекторного фильтра и качественные зависимости для него приведены на рис.6.
Контрольные вопросы и задачи
Литература по LC-фильтрам
что cогласно релятивистской мифологии «гравитационное линзирование — это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника.» (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО — воздействия гравитации на свет) При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО — это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд — 1011 раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов. Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
Eмкостной сглаживающий фильтр
Емкостной сглаживающий фильтр
состоит из конденсатора Сф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку. Заряд и разряд конденсатора фильтра происходит с частотой пульсаций fп выпрямленного напряжения.
Для расчёта ёмкости конденсатора сглаживающего фильтра
можно воспользоваться следующей формулой
результируещее значение ёмкости выражено в микрофарадах, SOH – коэффициент пульсаций в процентах, %; RH – сопротивление нагрузки в омах, Ом; fc – частота сети в герцах, Гц; m – число используемых при выпрямлении полупериодов за период напряжения сети,m = 1 – для однополупериодных, m = 2 – для двухполупериодных.
Емкостной фильтр целесообразней всего применять совместно с однофазными и маломощными схемами выпрямления.
Сглаживающие RC фильтры
В схемах выпрямления малой мощности дроссель фильтра может быть заменён резистором RФ. Такие типы фильтров называют RC фильтрами
Расчёт сглаживающего RC фильтра должен вестись с учётом следующих условий
Коэффициент сглаживания фильтра
Сопротивление резистора RФ обычно задаются в пределах RФ = (0,15…0,5)RH; КПД резистивно-емкостного фильтра сравнительно мал и обычно составляет 0,6…0,8, причем при ηф = 0,8 RФ = 0,25RH. Емкость Cф (в микрофарадах), обеспечивает требуемый коэффициент сглаживания q при частоте сети fC = 50 Гц, находят из выражения
Преимущества резистивно-емкостных фильтров: малые габариты, масса и стоимость; недостаток – низкий КПД.
Многозвенные сглаживающие фильтры
Если с помощью индуктивно-емкостного фильтра необходимо обеспечить коэффициент сглаживания пульсаций более 40…50, то вместо однозвенного фильтра целесообразнее использовать двухзвенный сглаживающий фильтр
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.
Схемы выпрямителей, фильтров. Расчет устройств
Коэффициенты фильтрации и сглаживания фильтра
Для большинства сглаживающих LC-фильтров низковольтных выпрямителей активным сопротивлением дросселя можно пренебречь и тогда:
Помимо полных коэффициентов фильтрации и сглаживания пульсаций используются коэффициенты фильтрации и сглаживания для каждой из гармоник сглаживаемого напряжения:
Эквивалентная схема сглаживающего фильтра. Расчет индуктивно-емкостных фильтров.
Для индуктивного фильтра получим:
При заданной схеме выпрямления (р), требуемая величина индуктивности:
Сравнение этих выражений показывает, что с ростом пульсности p коэффициент сглаживания индуктивного фильтра увеличивается, а емкостного уменьшается.
Поэтому, при равных условиях, емкостной фильтр выгоднее применить при выпрямлении однофазных и двухфазных, а индуктивный при выпрямлении многофазных токов.
Сглаживающее действие емкостного фильтра при увеличении сопротивления нагрузки увеличивается, а индуктивного уменьшается. Поэтому емкостной фильтр выгоднее применить при малых, а индуктивный при больших токах нагрузки.
Транзисторный сглаживающий фильтр
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.
Фильтр с последовательным транзистором
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 вольт-амперной 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 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 эмиттер-база силового транзистора.
Для более успешного выполнения этих соотношений конденсатор Сб может быть заменён одно- или двухзвенным RC сглаживающим фильтром, а для увеличения коэффициента передачи тока транзистор VT можно выполнить составным
Транзисторный фильтр со стабилитроном
Еще эффективней работает транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора включен стабилитрон
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Однако амплитуда переменной составляющей напряжения на транзисторе не должна превышать значение постоянного напряжения на нём, иначе фильтр потеряет свою работоспособность.
Фильтр с параллельным транзистором
Фильтр с балластным резистором и параллельным включением транзистора Фильтр с балластным резистором и последовательным включением транзистора
Транзисторные фильтры с балластным резистором Rбл и параллельным включением транзистора
относительно нагрузки, в отличие от
схем с последовательным включением
, применяется при сравнительно небольшом выпрямленном напряжении (десятки вольт). Режим работы транзистора VT – минимальное значение тока IK.min – устанавливается соответствующим выбором сопротивлений R1 и R2. Переменная составляющая напряжения в этой схеме прикладывается к переходу эмиттер-база транзистора VT, усиливается и выделяется на балластном резисторе Rбл. Эта составляющая оказывается в противофазе с переменной составляющей напряжения, выделяющейся на Rбл при непосредственном протекании тока нагрузки. Выбором Rбл и IK.min можно добиться их полной компенсации. Амплитуда переменной составляющей тока транзистора VT должна быть меньше протекающего постоянного тока IK.min, иначе схема будет неработоспособна. Ток IK.min, не должен быть очень малым, так как иначе потребуется увеличение сопротивления Rбл, что приведёт к снижению КПД фильтра. Слишком большой ток также нецелесообразен, так как увеличивается мощность потерь на транзисторе и снижается КПД.
Коэффициент сглаживания параллельного транзисторного фильтра будет тем больше, чем больше сопротивление Rбл, емкость конденсаторов С1 и С2, крутизна вольт-амперной характеристики транзистора. Недостатком транзисторного фильтра с параллельным включением транзистора является значительное изменение среднего значения коллекторного тока транзистора, при изменении среднего значения выпрямленного напряжения, поступающего на вход фильтра. Это приводит к снижению КПД фильтра.
Следует помнить, что транзисторные фильтры не обеспечивают стабилизацию постоянной составляющей выпрямленного напряжения, а при изменении тока нагрузки, температуры окружающей среды и воздействия других дестабилизирующих факторов вносят дополнительную нестабильность выпрямленного напряжения.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Выпрямители: Основные виды сглаживающих фильтров и особенности их применения в выпрямителях
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания \((q)\), который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (на нагрузке).
Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Анализ работы данного фильтра проведен при описании однофазного однополупериодного выпрямителя. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с емкостным фильтром может быть найден по формуле:
где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:
- \(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,
\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей),
\(f\) — частота входного переменного напряжения.
Из приведенной формулы видно, что коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя с емкостным фильтром обратно пропорционален емкости применяемого конденсатора и величине сопротивления нагрузки. Поэтому применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии изготовления конденсаторов большой емкости рассматриваемый тип фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все большее применение.
Индуктивно-емкостные фильтры (Г-образные \(LC\) и П-образные \(CLC\)) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. Коэффициент полезного действия у таких фильтров достаточно высокий. К недостаткам индуктивно-емкостных фильтров относятся: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.
Наиболее широко используется Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (рис. 3.4‑13).
Рис. 3.4-13. Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра
Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий: \(X_C = \cfrac<1> <\omega C>\ll R_н\), \(X_L = \omega L \gg X_C\). При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе, для коэффициента сглаживания можно записать:
где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:
- \(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,
\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).
Во избежание резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать \(q > 3\). Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. При индуктивной реакции фильтра меньше действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора (а следовательно, меньше и требуемая габаритная мощность трансформатора). Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:
П-образный \(CLC\) фильтр отличается от описанного Г-образного \(LC\) фильтра наличием еще одной емкости, включаемой на входе фильтра (на рис. 3.4-13 конденсатор \(C_0\), показан пунктиром). Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают емкость конденсатора \(C_0\), исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при \(C_0 = C_1\).
При выборе конденсаторов фильтра необходимо следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение на 15…20% превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.
Резистивно-емкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10…15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток — сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).
Простейший Г-образный \(RC\) фильтр (рис. 3.4-14) состоит из балластного резистора (\(R_ф\)) и конденсатора (C_1). Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:
где m зависит от схемы выпрямителя:
- (\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,
\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).
Рис. 3.4-14. Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра
Сопротивление фильтра (\(R_ф\)) выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД (\(h\)) по формуле \(R_ф = R_н (1 – h)/h \). Оптимальным считается КПД порядка 0,6…0,8.
Расчет П-образного резистивно-емкостного фильтра (его схема включает дополнительный конденсатор \(C_0\), показанный на рис. 3.4-14 пунктиром) производится, как и в случае П-образного \(CLC\) фильтра, в два этапа после разделения этого фильтра на емкостный (\(C_0\)) и Г-образный \(LC_1\) фильтр.
Высокий коэффициент сглаживания и хороший КПД могут также обеспечить разнообразные фильтры на транзисторах.