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.
ТЕСТ ПО ОСНОВАМ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ
16 Какой коэффициент усиления дисперсии помех должен иметь сглаживающий фильтр?
а) может быть произвольным
б) меньше 1
в) равен единице
г) больше 1
17. Может ли выполняться интегрирование данных нерекурсивными цифровыми фильтрами?
а) да
б) нет
18. Как при дифференцировании сигнала изменяется его спектр в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот?
а) соотношение частот не изменяется
б) увеличиваются ВЧ
в) амплитуды ВЧ возрастают, а НЧ уменьшаются
г) увеличиваются НЧ
д) амплитуды НЧ возрастают, ВЧ уменьшаются
19. Как при интегрировании сигнала изменяется его спектр в области низких (НЧ) и высоких (ВЧ) частот?
а) соотношение частот не изменяется
б) увеличиваются ВЧ
в) амплитуды ВЧ возрастают, а НЧ уменьшаются
г) увеличиваются НЧ
д) амплитуды НЧ возрастают, ВЧ уменьшаются
20. К какому типу фильтров относятся разностные операторы?
а) симметричные
б) несимметричные
в) каузальные
21. Под каким углом в z-плоскости находится радиус-вектор нуля и полюса передаточной функции рекурсивного цифрового фильтра режекции постоянной составляющей данных?
а) 0о
б) 90о
в) 180о
г) определяется расчетом
22. Сколько пар нулей и полюсов имеет передаточная функция рекурсивного цифрового фильтра режекции постоянной составляющей данных?
а) 1
б) 2
в) 3
г) определяется расчетом
23. Сколько пар нулей и полюсов имеет передаточная функция рекурсивного цифрового фильтра режекции частоты Найквиста в данных?
а) 1
б) 2
в) 3
г) определяется расчетом
24. Под какими углами в z-плоскости находятся радиус-векторы нулей и полюсов передаточной функции рекурсивного цифрового фильтра режекции произвольной частоты в данных?
а) 0о
б) ±90о
в) ±180о
г) определяется расчетом
25. Сколько пар нулей и полюсов имеет передаточная функция рекурсивного цифрового фильтра режекции произвольной частоты в данных?
а) 1
б) 2
в) 3
г) определяется расчетом
26. Как зависит ширина полосы пропускания Δω (на половине высоты) рекурсивного цифрового фильтра режекции произвольной частоты ω в данных от расстояния ΔR между полюсом и нулем?
а) чем меньше ΔR, тем меньше Δω
б) чем меньше ΔR, тем больше Δω
в) не зависит от ΔR, а определяется расчетом
27. Как зависит длительность импульсной реакции Δh рекурсивного цифрового фильтра режекции произвольной частоты в данных от расстояния ΔR между полюсом и нулем?
а) чем меньше ΔR, тем меньше Δh
в) чем меньше ΔR, тем больше Δh
г) не зависит от ΔR, а определяется расчетом
28. Сколько пар нулей и полюсов (в сумме) имеет передаточная функция рекурсивного цифрового фильтра селекции произвольной частоты в данных?
а) 1
б) 2
в) 3
г) определяется расчетом
29. Z-преобразование связано с деформацией частотной шкалы непрерывных функций в частотную шкалу главного частотного диапазона цифровых функций. В какой шкале задаются значения граничных частот фильтрации при проектировании рекурсивных фильтров?
а) цифровых функций
б) непрерывных функций
30. Z-преобразование связано с деформацией частотной шкалы непрерывных функций в частотную шкалу главного частотного диапазона цифровых функций. В какой шкале задается аппроксимация передаточной функции при проектировании рекурсивных фильтров?
а) цифровых функций
б) непрерывных функций
Какой коэффициент усиления дисперсии помех должен иметь сглаживающий фильтр
Критерии качества сглаживающих свойств фильтров
 |
Сглаживающий фильтр предназначен для подавления пульсаций выпрямленного напряжения. Он относится к классу низкочастотных фильтров. Критерием качества сглаживающих свойств фильтров является коэффициент сглаживания S :
 |
К параметрам схемы замещения предъявляются следующие требования:
 |
 |
Для получения высокого значения коэффициента сглаживания Z1 и Z2 должны быть представлены реактивными элементами. В качестве Z 1 выбирается дроссель.Так как дроссель установлен в цепи постоянного тока, то для исключения намагничивания сердечника он должен выполнятся на сердечнике с воздушным ( или немагнитным) зазором. На высокой частоте используют альсифер, т.к. этот материал имеет достаточный запас по намагничиванию сердечника.
В качестве Z 2 используют электролитический конденсатор, так как он удовлетворяет требованию :
 |
.
 |
Электролитическому конденсатору присущи следующие особенности :
· у ниполярность (при неверном подключении – взрывоопасен) ;
· н еобходима постоянная тренировка напряжением, т.к. он имеет свойство высыхать, при этом все параметры изменяются ;
· чувствительность к пульсациям тока, напряжения и превышению максимально допустимого уровня напряжения.
При проектировании фильтров должны учитываться все эти особенности.
Пассивные сглаживающие фильтры
Активно-индуктивный ( R-L ) сглаживающий фильтр
 |
Установим связь коэффициента сглаживания фильтра с параметрами его элементов.
 |
Коэффициент сглаживания фильтра прямо пропорционален постоянной цепи Т и частоте пульсаций выпрямленного напряжения.
Активно- индуктивный фильтр является габаритным устройством, поэтому для уменьшения его размеров стараются повысить пульсность в звене выпрямителя. Данный фильтр используется при постоянном токе нагрузки в цепях с повышенным током. При возрастании тока нагрузки (I н) происходит увеличение энергии, накапливаемой в дроселе, при этом увеличивается ЭДС самоиндукции, что препятствует прохождению в нагрузку переменной составляющей тока. При этом улучшаются сглаживающие свойства фильтра.
 |
При работе на импульсную нагрузку а, именно при “ сбросе ” тока нагрузки I н или отключении источника питания возникает перенапряжение, который может привести к выходу из строя элементов схемы. Поэтому при проектировании сглаживающих фильтров необходимо учитывать такие перенапряжения.
По законам Ома и Кирхгофа:
 |
Активно- емкостный ( R-C ) сглаживающий фильтр
 |
Получим выражение для коэффициента сглаживания через параметры схемы замещения : 
где Z2 – параллельное соединение R Н и C Ф : 
Тогда S равен : 
где p – пульсность выпрямителя, 
T – постоянная цепи фильтра.
Индуктивно- емкостный ( L-C ) сглаживающий фильтр
 |
Получим выражение для коэффициента сглаживания фильтра через параметры схемы замещения :
 |
где
При проектировании сглаживающего фильтра на заданный коэффициент пульсации определяют требуемое произведение Lф × Cф. Для обеспечения непрерывного протекания тока дросселя по расчетному значению произведения сначала выбирают дроссель. Для этого рассчитывают допустимое минимальное его значение :
 |
Конденсатор выбирается меньше, чтобы не был выражен импульсный режим работы выпрямителя, поэтому Lдр. увеличивают в (2…4) раза, что уменьшает к.п.д. устройства. Конденсатор выбирают из справочной литературы с учетом следующих требований :
·
 |
по рабочему напряжению
· по допустимому уровню пульсации ;
Рассмотрим переходный процесс при “сбросе” и “набросе” тока нагрузки ( смотрите ниже рисунок). При “ сбросе ” тока нагрузки возникает перенапряжение, которое может привести к выходу из строя аппаратуры, поэтому при расчете LC-фильтра, необходимо учитывать режим работы на импульсную нагрузку.
 |
Многозвенные сглаживающие фильтры
В промышленных выпрямительных устройствах широко используются 2-х-звенные сглаживающие фильтры благодаря следующим достоинствам: малая зависимость коэф фициента с глаживания от тока нагрузки, высокие качественные и удельные показатели. Дальнейшее увеличение числа звеньев приведет к уменьшению области устойчивой работы источника питания (так как источник питания представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, то увеличение числа реактивных элементов в силовой цепи может привести к неустойчивости ) и уменьшению к.п.д. устройства.
 |
Получим выражение для коэффициента сглаживания многозвенного фильтра, т.е. докажем, что при каскадном включении коэффициенты сглаживания каскадов перемножаются.
 |
Резонансные сглаживающие фильтры
Существует две модификации резонансных сглаживающих фильтров:
 |
Фильтр с параллельным колебательным контуром ( фильтр “пробка” )
 |
Получим выражение для коэффициента сглаживания фильтра:
Фильтр(контур) настраивается на частоту первой гармоники и создается большле сопротивление Z к для ее прохождения. Кондесатор C ф сглаживает гармоники высших порядков.
Резонансный фильтр с последовательным колебательным контуром (режекторный фильтр)
 |
Получим выражение для коэффициента сглаживания фильтра :
 |
При настройке колебательного контура ZК на частоту первой гармоники, сопротивление контура становится равной потерям в дросселе RК и первая гармоника выпрямленного напряжения не проходит в нагрузку.
Активный сглаживающий фильтр.
· высокие качественные и энергетические показатели;
· широкий диапазон частот;
· малая зависимость коэффициента сглаживания от изменений тока нагрузки;
· малые магнитные поля из-за отсутствия индуктивности в схеме фильтра;
· отсутствие опасных режимов при возникновении переходного процесса, т.к. нет перенапряжения при “ сбросе ” тока нагрузки.
К недостаткам схемы можно отнести : снижение к.п.д. устройства при увеличении тока нагрузки из-за увеличения потерь на транзисторе; необходимость защиты транзистора в переходных режимах.
 |
R Д = D U К / D I К будет много больше его сопротивления постоянному току
Таким образом, сглаживание пульсаций в фильтре ОК обеспечивается RC фильтром в базовой цепи, а транзистор VT предназначен для усиления сигнала по мощности (эмиттерный повторитель!). Резистор R задаёт режим работы транзистора по постоянному току, устанавливая ток базы.
 |
Второй способ построения активного фильтра состоит в том, что транзистор включается по схеме с общей базой:
