СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Автор Останин Б.П.

Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 1. Всего 38.

Конец слайда

Часть 1

Сглаживающие фильтры включаются между диодной группой и нагрузкой для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения. Тип сглаживающего фильтра определяет режим работы выпрямителя.

Место сглаживающих фильтров




Отфильтровывание переменной составляющей (гармоник) основано на том, что последовательно с сопротивлением нагрузки включаются устройства (элементы), имеющие большое сопротивление для переменной составляющей пульсирующего тока, полученного после диодной группы, и малое для постоянной составляющей. Параллельно нагрузке включаются устройства (элементы), имеющие малое сопротивление для переменной составляющей и большое для постоянной составляющей. Последовательными устройствами могут быть катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником, параллельный контур, настроенный на резонанс с частотой пульсации и др. Параллельно нагрузке может быть включён конденсатор большой ёмкости, последовательный контур, настроенный на резонанс с частотой пульсации и др.




Коэффициент сглаживания

ВХ

ВХmВХП U

Uk

0

11

ВЫХ

ВЫХmВЫХП U

Uk

0

11

Коэффициент пульсации на нагрузке задаётся при проектировании фильтра. Коэффициент пульсации на входе фильтра определяется схемой выпрямителя.

ВЫХП

ВХП

k

kq

1

1ВЫХ

ВХ

p

pq

1

1или так




Коэффициент сглаживания

ФВХ

ВЫХ

ВЫХm

ВХm

ВЫХ

ВЫХm

ВХ

ВХm

ВЫХП

ВХП kU

U

U

U

U

U

U

U

k

kq

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

ВЫХm

ВХmФ U

Uk

1

1 - коэффициент фильтрации

ВХ

ВЫХ

U

U

0

0 - коэффициент передачи постоянной составляющей

Если нет потерь постоянной составляющей напряжения, то

U0 ВЫХ = U0 ВХ, = 1,q = kФ.

Расчёт фильтра сводится к выбору таких значений элементов фильтра, при которых коэффициент сглаживания был бы больше требуемого.




Требования к фильтрам

1. Падение постоянной составляющей выпрямленного напряжения на фильтре должно быть мало.

2. Фильтр не должен создавать недопустимых перенапряжений при включении и выключении питающей цепи.

3. Фильтр не должен создавать недопустимых перенапряжений при включении и выключении нагрузки.

4. Фильтр не должен создавать недопустимых перенапряжений при изменении тока нагрузки.

5. Фильтр должен быть надёжен.6. Габариты фильтра, его масса и стоимость должны быть

минимальны.




Две группы сглаживающих фильтров

1. Фильтры на реактивных элементах2. Электронные




СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

НА

РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ




1. Индуктивный фильтр2. Ёмкостный фильтр3. Г – образный фильтр3. П – образный фильтр4. Многозвенные фильтры.5. Резонансные фильтры.

Типы фильтров на реактивных элементах




Индуктивный фильтрLФ

RН KП1 ВХ KП1 ВЫХ

Любое изменение тока в цепи с индуктивностью вызывает появление ЭДС самоиндукции, препятствующее этому изменению, поэтому переменная составляющая будет уменьшаться (сглаживается).

На выходе источника питания для радиоаппаратуры всегда должен стоять конденсатор с ёмкостью, обеспечивающей малое сопротивление переменным составляющим тока нагрузки, поэтому простой индуктивный фильтр в таких источниках не применяют.




Ёмкостный фильтр

СФ RН KП1 ВХ KП1 ВЫХ

Коэффициент сглаживания емкостного фильтра определяется как отношение коэффициента пульсации при отключённом конденсаторе С к коэффициенту пульсации с подключённым к выпрямителю конденсатором.




Заряд конденсатора осуществляется через сопротивление фазы питающего трансформатора rФ.

Разряд конденсатора осуществляется через сопротивление фазы нагрузки RН.

Если постоянная времени разряда РАЗР = СRН больше продолжительности периода Т хотя бы в 10 раз, то коэффициент пульсаций можно считать по формуле

.2

1

2

1

11

РАЗHОСНВЫХП fCRf

К

При этом коэффициент пульсации основной гармоники КП ВЫХ не превышает 10-2.


Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 11а. Всего 38.


Hm

Cr

Сr

Hm

k

kq Ф

Ф

ВЫХП

ВХП

)1(

2]1

2

[2

2

1

1

rФ - сопротивление фазы выпрямителя.

1

221

m

k ВХП- коэффициент пульсаций выпрямителя без конденсатора

Сr

Hk

ФВЫХП 1 - коэффициент пульсаций выпрямителя с конденсатором




Г – образные фильтрыLC - фильтры

LФ


HДРC RLm

CmLm

CДРC

1

HДР RR

Можно сопротивлением RДР пренебречь и рассматривать Г – образный фильтр для напряжения основной гармоники как делитель напряжения, состоящий из индуктивности LДР и ёмкости С.




Тогда напряжение первой гармоники на выходе фильтра

1

11 22

111

CLm

U

CmCm

Lm

UU

ДРC

ВХm

C

CДРC

ВХmВЫХm

коэффициент сглаживания фильтра

10

0 ВХ

ВЫХ

U

UС учётом, что

ВЫХm

ВХm

U

Uq

1

1

122 CLmq ДРC

тогда




Для получения заданного коэффициента сглаживания необходимо, чтобы

22

1

CДР m

qCL

Тогда 1)(1 222 Ф

CДРC

mCLmq

При расчёте фильтра необходимо обеспечить соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора, при которых не могли бы возникнуть резонансные явления на частоте пульсации выпрямленного напряжения. Для этого необходимо, чтобы собственная частота фильтра была хотя бы в два раза меньше частоты пульсации ( Ф 0,5mС). Это условие всегда выполняется при q > 3.

Дроссель и конденсатор составляют колебательный контур с собственной частотой

CLДР

Ф

1




Для того чтобы ток в дросселе был непрерывным, необходимо, чтобы амплитудное значение первой гармоники тока пульсации Im1 было меньше постоянной составляющей выпрямленного тока I0 (Im1 < I0). Пренебрегая сопротивлением конденсатора, можно записать

ДРC

ВХmm Lm

UI

1

1

mCLДР - индуктивное сопротивление дросселя на частоте пульсации.

Постоянная составляющая тока

HR

UI 0

0

Приравнивая Im1 = I0, получим минимальное значение индуктивности, при которой ток дросселя имеет непрерывный характер

HДРC

ВХm

R

U

Lm

U0

min

1




или

C

HВХmДР m

R

U

UL

0

1min

1

22

0

11

mU

Uk

ВХ

ВХmВХП - коэффициент пульсаций выпрямителя

без фильтра.

Тогда минимальное значение LДР min для обеспечения непрерывного тока в нагрузке

C

HДР m

R

mL

1

22min

или

0

02min 1

2

Im

U

mL

CДР




Из полученного выражения видно, что минимальная индуктивность тем меньше, чем меньше сопротивление нагрузки выпрямителя RH. При значительных сопротивлениях нагрузки индуктивность дросселя получается настолько большой, что от такого фильтра приходится отказываться. Поэтому фильтры LС применяются при больших токах нагрузки (смотри формулу).

ДРC Lm

qC

)(

122

найдём ёмкость конденсатора

Зная LДР min, и используя ранее полученную формулу

122 CLmq ДРC




Постоянный ток, протекая по обмотке дросселя, подмагничивает его сердечник, что смещает рабочую точку на кривой намагничивания в область насыщения. Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости и, следовательно, индуктивности дросселя. Для снижения влияния подмагничивания на индуктивность дросселя сердечник дросселя делают с немагнитным зазором.

При этом следует иметь в виду, что у дросселя с немагнитным зазором в сердечнике велико поле рассеяния, которое может явиться причиной наводок на элементы радиоустройства.

Ещё одна особенность фильтров LC – при отключении нагрузки или при изменении её сопротивления на обмотке дросселя возникают большие перенапряжения, так как ЭДС самоиндукции дросселя велика.

Аномально большие токи в дросселе и повышенные напряжения на конденсаторе могут возникать при включении и выключении выпрямителя.




Фильтры RC

При малых токах нагрузки (несколько миллиампер), что бывает при работе выпрямителя на большое сопротивление нагрузки, можно вместо дросселя использовать резистор. Г – образный RC фильтр имеет малые массу, габариты, стоимость.

RФ


Коэффициент сглаживания одного звена RC фильтра получится большим, если ёмкостное сопротивление будет значительно меньше сопротивления фильтра и сопротивления нагрузки.




Пренебрегая сопротивлением нагрузки, по сравнению с сопротивлением фильтра имеем

RФ

СФKП1 ВХ KП1 ВЫХ

CRmХ

R

U

Uk ФC

С

Ф

ВЫХm

ВХmФ

1

1

Коэффициент передачи постоянной составляющей

ФH

H

ВХ

ВЫХ

RR

R

U

U

0

0

Тогда коэффициент сглаживания

ФH

HФCФ RR

RCRmkq




Поскольку на сопротивлении фильтра RФ теряется часть выпрямленного напряжения то это сопротивление надо выбирать из условия малости потерь на нём:

HФ RR )3,0...05,0(

Если пренебречь сопротивлением фильтра RФ, то

CRmkq ФCФ

тогда ёмкость конденсатора

ФC Rm

qС

Фильтр RC следует применять там, где выполняется условие

ФH RR




П – образные фильтры

21qqq

21

21

11

11

ВЫХП

ВХП

ВЫХП

ВХП

k

k

k

kq

2111 ВХПВЫХП kk

21

11

21

21

11

1121

ВЫХП

ВХП

ВЫХП

ВХП

ВЫХП

ВХП

k

k

k

k

k

kqqq




CLC фильтр LДР

С2С1

)1()1(

22

222

121

CLm

Hm

Crqqq ДРC

Ф

Коэффициент сглаживания такого фильтра достигает наибольшего значения при С1 = С2, тогда

Hm

CLmCrqqq ДРCФ

)1(

)1(22

22

21




11 СrkH ФВЫХП


kП1 ВЫХ - коэф. пульс после С1

CRC - фильтры

П – образные CRC – фильтры используются при малых токах нагрузки.

ФH

HФC

Ф

RR

RCRm

Hm

Crqqq

)1(

2221




11 СrkH ФВЫХП


kП1 ВЫХ - коэф. пульс после С1

Для увеличения коэффициента сглаживания применяют фильтры с несколькими звеньями. Для потребителей малой мощности используются фильтры, у которых первое звено конденсатор, а последующие Г – образные LC звенья. Коэффициент сглаживания такого фильтра равен произведению сглаживания отдельных звеньев. Например, для трёхзвенного фильтра

Многозвенные фильтры

LДР 1

С2С1

LДР 2

С2

321 qqqq

Обычно коэффициенты сглаживания Г – образных звеньев одинаковы.




В мощных выпрямителях иногда применяются фильтры из нескольких Г – образных звеньев

LДР 1

С2

LДР 2

С2

Элементы звеньев мощных фильтров обычно выбирают одинаковыми. Тогда

nЗВqq

Для приведённой выше двухзвенной схемы

2222222 )()1( ЗВЗВCЗВЗВCЗВ CLmCLmqq




2222222 )()1( ЗВЗВCЗВЗВCЗВ CLmCLmqq

2)( CЗВЗВ m

qCL

Индуктивность должна обеспечивать непрерывность тока. Она определяется из ранее полученного выражения

0

02min 1

2

Im

U

mL

CДР

2)( CЗВЗВ mL

qC




Питание каскадов (пример)

Маломощные (входные) U0 = 1,2…12 В, kП = 0,05…0,1 %

Мощные выходные U0 = 12…60 В, kП до 0,5 % Для питания устройств, имеющих маломощные и мощные каскады, можно использовать многозвенный фильтр

LДР

С2

R1

С2

R2

С2

U01, I01, kП1 U02, I02, kП2

U03, I03, kП3




В радиоэлектронных устройствах с питанием от одного источника между каскадами может возникнуть нежелательная ОС через внутреннее сопротивление источника, которая может привести даже к самовозбуждению источника. Для ликвидации самовозбуждения (паразитной релаксации) в цепь питания ставится одно звено Г – образного RC фильтра.




Развязывающий фильтр

Обычно выбирают RФ 0,1 RК. Для хорошей фильтрации сопротивление RФ должно быть хотя бы раз в десять больше реактивного сопротивления конденсатора на самой низкой частоте сигнала.

СR

НФ

110




RФ

CФ

RК

ЕП

VT

Для питания устройств, которые должны работать даже в случае отключения питающей сети, применяются резервные аккумуляторы, включённые параллельно нагрузке. Помимо своего основного назначения – резерва, эта батарея является также элементом сглаживающего фильтра. Такой фильтр состоит из дросселя и внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи RБ, включённого параллельно нагрузке. Так как RБ << RH, то переменная составляющая замкнётся через дроссель и батарею.

LФ

RБ RН

Е




Пренебрегая активным сопротивлением дросселя, и учтя, что для переменной составляющей сопротивление батареи много меньше сопротивления дросселя, можно записать

Б

ДРC

Б

БДРC

ВЫХП

ВХП

R

Lm

R

RLm

k

kq

22

1

1 )(

Отсюда

C

БДР m

qRL




Резонансные фильтрыСхема с фильтром- пробкой

L

С0 RН

С

LC

10

C

L

RC

L

LC

L

Р

2

1

LP CR

LQZ

C

L

LRQ




Ток с частотой пульсации замыкается через конденсатор С0, поэтому коэффициент сглаживания фильтра определится как отношение резонансного сопротивления контура ZР к ёмкостному сопротивлению конденсатора фильтра ХС:

L

П

CR

LCq 0

Для токов с частотой пульсации больше резонансной контур будет иметь сопротивление ёмкостного характера, и фильтр превратится в ёмкостный делитель напряжения. Коэффициент сглаживания для высших гармоник с учётом того, что почти весь ток высших гармоник пройдёт через конденсатор контура

C

CCq 0

Для токов с частотой ниже, чем резонансная частота, сопротивление контура будет иметь индуктивный характер, и резонансный фильтр превратится в обычный Г – образный LC фильтр.




Схема с режекторным фильтром

L

С0 RН

С1

L1

При резонансе сопротивление режекторного фильтра равно резистивному сопротивлению катушки RL1. Тогда коэффициент сглаживания

1L

П

R

Lq




Схема с фильтром пробкой и режекторным фильтром

С0 RН

С2

L2

L1

С1

Резонансные фильтры эффективны для сглаживания токов только одной частоты. При необходимости ослабления нескольких частот параллельно нагрузке подключают режекторные фильтры, настроенные на эти частоты.




Для сглаживания пульсации при больших токах можно использовать дроссель с дополнительной (компенсационной) обмоткой. Обмотка L1 трансформирует переменную составляющую в обмотку L2. Обмотка L2 включена встречно, ослабляя пульсации. Для лучшей компенсации переменной составляющей компенсационная обмотка имеет несколько отводов для подбора необходимой компенсации. Дроссели с компенсационной обмоткой унифицированы и выпускаются промышленностью.

СRН

L2L1




Documents

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ