Исследование сглаживающих фильтров: Лабораторная работа с домашним заданием на определение параметров простейшего фильтра и выбор его типа

Красноярск 2003 г.

Цель работы: Рассчитать и определить экспериментально основные параметры пассивных и активных фильтров. Исследовать зависимости этих параметров от тока нагрузки.

Домашнее задание.

1.  Определить  параметры простейшего фильтра и выбрать тип простейшего фильтра, а также рассчитать номиналы элементов фильтра.

Исходные данные: U₀ = 20 В, f_с = 50 Гц, Н = 200, r = 30 Ом, R_Н = 430 Ом,  К_П = 0,006, схема выпрямителя – мостовая.

Выбор типа фильтра произведем исходя из массогабаритных показателей фильтра, режима работы выпрямителей и сопротивления нагрузки. Произведем расчет обоих фильтров.

Определим емкость конденсатора, используя выражение:

Ф = 1100 мкФ

Определим индуктивность дросселя фильтра

Определим коэффициент сглаживания фильтра.

,

тогда

 мГн

Руководствуясь массогабаритным показателем, выберем емкостный тип сглаживающего фильтра. Этот тип фильтра заставляет работать выпрямитель на низкоомную нагрузку.  Изобразим схему устройства.

2.  Привести схему П – образного LC фильтра, рассчитать коэффициент сглаживания и коэффициент пульсаций на его выходе, напряжение на выходе фильтра и его КПД. Исходные данные: U₀ = 20В, f_С = 50Гц, R_H = 430 Ом, C₁ =  C₂ = 1000 мкФ, L = 1,2 мГн, r_L = 80 Ом.

Общий коэффициент сглаживания такого фильтра

Найдем коэффициент пульсации на выходе такого фильтра.

КПД фильтра определяется следующим выражением

Напряжение на выходе фильтра определяется из выражения

 В

3.  Привести схему транзисторного фильтра, определить коэффициент сглаживания и коэффициент пульсации на выходе активного фильтра. Напряжение на входе выпрямителя U₀ = 20 В, f_C = 50 Гц, С₁ = 200 мкФ, С = 2000 мкФ, R = 200 Ом.

Схема активного фильтра на транзисторе КТ 808 А

Коэффициент сглаживания фильтра

Величина переменной составляющей на выходе фильтра определяется параметрами фильтра.

Определим коэффициент пульсации на входе Г – образного RC – фильтра.

тогда коэффициент пульсации в нагрузке

Порядок выполнения работы.

Соберем исследуемую схему, подключим приборы и произведем измерение постоянных и переменных составляющих входного и выходного напряжения.

Iн = 55 мА, Uвх~ = 9,5 В, Uвх- = 26 В, Uвых~ = 95 мВ, Uвых- = 25 В

Определим коэффициенты пульсации на входе и выходе фильтра

Найдем коэффициент сглаживания

Определим КПД фильтра

Произведем измерение напряжений и токов при различном сопротивлении нагрузки фильтра. Полученные значения занесем в таблицу, определим коэффициент пульсации на входе и выходе фильтра, коэффициент сглаживания и КПД фильтра.

IH, мА	UН-, В	UН~, мВ	UВХ-, В	UВХ~, В	КП ВХ	КП ВЫХ	q	η
55	25	1,7	26	9,5	0,365	0,68·10-4	5,37·103	0,96
100	22	2,8	25	9,5	0,38	16,6·10-4	2,98·103	0,88
130	20,5	3,4	24	9,5	0,395	16,6·10-4	2,38·103	0,85
160	19	4,1	23	9,5	0,413	21,6·10-4	1,94·103	0,82

Изобразим графически эти зависимости.

При уменьшении сопротивления нагрузки происходит возрастание тока нагрузки, а так же уменьшение постоянной времени RC – цепи, что приводит к возрастанию переменной составляющей напряжения в нагрузке. Следовательно, возрастает коэффициент пульсации на выходе фильтра. На входе фильтра заметных изменений не происходит. Коэффициент сглаживания уменьшается с возрастанием    К_{П ВЫХ} . Снижение КПД с ростом тока объясняется возрастанием потерь на сопротивлении фильтра.

Проведем исследование П – образного LC – фильтра. Измерим ток нагрузки, постоянные и переменные составляющие входного и выходного напряжения.

I_H = 52 мА, U_ВХ- = 29 В, U_ВХ~ =  9.5 B, U_ВЫХ- = 24,5 В, U_ВЫХ~ = 5,5 мВ.

Определим коэффициенты пульсации на входе и выходе фильтра

Найдем коэффициент сглаживания

Определим КПД фильтра

Произведем измерение напряжений и токов при различном сопротивлении нагрузки фильтра. Полученные значения занесем в таблицу, определим коэффициент пульсации на входе и выходе фильтра, коэффициент сглаживания и КПД фильтра.

IH, мА	UН-, В	UН~, мВ	UВХ-, В	UВХ~, В	КП ВХ	КП ВЫХ	q	η
52	24,5	5,5	29	9,5	0,327	2,2·10-4	1,45·103	0,84
90	21,5	8,5	28,5	9,5	0,33	3,9·10-4	0,84·103	0,75
120	18,5	9	28	9,5	0,34	4,8·10-4	0,68·103	0,66
140	16	11	27,8	9,5	0,34	6,8·10-4	0,49·103	0,58

Построим графики найденных функций.

Исследуем активный фильтр на транзисторе КТ 808 А. Проведем измерения тока нагрузки, входных и выходных составляющих.

I_H = 45 мА, U_ВХ- = 27 В, U_ВХ~ =  9,5 B, U_ВЫХ- = 19,5 В, U_ВЫХ~ = 12 мВ.

Определим коэффициенты пульсации на входе и выходе фильтра

Найдем коэффициент сглаживания

Определим КПД фильтра

Произведем измерение напряжений и токов при различном сопротивлении нагрузки фильтра. Полученные значения занесем в таблицу, определим коэффициент пульсации на входе и выходе фильтра, коэффициент сглаживания и КПД фильтра.

IH, мА	UН-, В	UН~, мВ	UВХ-, В	UВХ~, В	КП ВХ	КП ВЫХ	q	η
45	19,5	12	26,5	9,5	0,35	6,15·10-4	0,58·103	0,735
90	19	15	26	9,5	0,36	7,89·10-4	0,46·103	0,73
130	18,5	17	25,5	9,5	0,37	9,2·10-4	0,40·103	0,725
160	18	19	25	9,5	0,38	10,6·10-4	0,36·103	0,72

Построим графики найденных функций.

Выводы: В ходе проделанной работы мы исследовали различные, широко применяемые типы фильтров, проведя, предварительно, расчет номиналов их элементов и определив их расчетные параметры. Проведенные измерения параметров фильтров подтвердили расчетные их значения, с учетом погрешности измерения. На расхождение результатов так же повлияли допущения, которые были приняты при определении выражений для расчетных параметров фильтров. Так же было выяснено, что увеличение тока нагрузки ухудшает все параметры выходного напряжения фильтров, исследуемых в данной работе.