Сглаживающие фильтры. Емкостной и индуктивный фильтры. Сложные фильтры

~ ЛЕКЦИЯ 29 ~

Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры служат для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке.

Отношение коэффициента пульсаций на выходе выпрямителя q к коэффициенту пульсаций на нагрузке  q₁  определяет степень сглаживания выпрямленного напряжения и называется коэффициентом сглаживания фильтра:

S = q / q₁.

Расчет коэффициента сглаживания по первой (основной) гармонике проводят по формуле :

,

где  U_d1m и U_dн1m - амплитуды пульсаций первых гармоник напряжения на входе и выходе фильтра; U_dср и U_dнср - постоянные составляющие напряжения на входе и выходе фильтра.

Если принять, что потери в фильтре отсутствуют:

DU_ф = U_dср - U_dнср = 0,

то коэффициент сглаживания S₁ можно определить из выражения:

S₁ = U_d1m / U_dн1m .

Сглаживающие фильтры бывают простые и сложные. К простым относятся емкостной и индуктивный фильтры (рис. 2.8, 2.9), к сложным фильтрам относятся: Г-образные и П-образные фильтры. Г-образные фильтры - это RC- и LC-фильтры (рис. 2.10, 2.11). П-образные фильтры представлены CRC- и CLC-фильтрами (рис. 2.12, 2.13).

Для достижения большей степени сглаживания из Г-образных фильтров собирают многозвенные фильтры. Применение в преобразовательной технике нашли и транзисторные фильтры.

Емкостной фильтр

Использованный в емкостном фильтре конденсатор является реактивным элементом, оказывает малое сопротивление переменному току и большое - постоянному. В связи с этим его включают параллельно нагрузке (рис. 2.8). Сглаживающий фильтр совместно с внешней нагрузкой определяют вид нагрузки выпрямителя. Так, при включении емкостного фильтра между нагрузкой и выпрямителем общая нагрузка выпрямителя носит активно-емкостной характер. Выбор конденсатора для емкостного фильтра основывается на соотношении:

,

где _d1 - круговая частота сигнала основной гармоники.

Рис.2.8. Простой емкостной фильтр.

При таком включении конденсатор шунтирует (закорачивает) нагрузку по переменной составляющей выпрямленного тока и падение напряжения на нагрузке обусловлено протеканием постоянной составляющей I_d выпрямленного тока.

Коэффициент  сглаживания емкостного фильтра:

S₁ = _d1 C_ф R_н .

Индуктивный фильтр

Индуктивный фильтр (рис. 2.9) в выпрямителе включают последовательно с нагрузкой, так как он оказывает большое сопротивление переменной составляющей протекающего тока.

 

  

			Lф
							Rн

 

Рис. 2.9. Простой индуктивный фильтр.

При включении индуктивного фильтра нагрузка носит активно-индукционный характер. Выбор индуктивности для фильтра осуществляют исходя из соотношения:

_d1 L_ф >> R_н

Это позволяет выделить падение напряжения от переменной составляющей выпрямленного тока на L_ф, на R_н будет происходить падение напряжения от постоянной составляющей I_d выпрямленного тока.

Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра:

где с - частота сигнала питающей сети.

Сложные фильтры

Рассмотрим Г-образный RC-фильтр (рис. 2.10). Параметры этого фильтра выбираются исходя из условия:

.

Коэффициент сглаживания RC- фильтра:

.

 

Рис. 2.10. Г-образный RC-фильтр.

Недостаток RC-фильтра - потеря мощности на сопротивлении R.

Г-образный LC-фильтр (рис. 2.11) одновременно должен удовлетворять следующим условиям:

Достаточным считается, если:

 

Рис. 2.11. Г-образный LC-фильтр.

Коэффициент сглаживания Г-образного LC-фильтра:

S₁ =ω _d1² L_ф С_ф - 1 =

ω_c² m² L_ф С_ф - 1.

Из этого выражения, задавшись коэффициентом сглаживания S₁, круговой частотой W_d1 и числом фаз выпрямления, можно определить произведение L_ф С_ф:

Рис. 2.12. П-образный CRC-фильтр.

П-образные фильтры обеспечивают высокое качество сглаживания. Например, коэффициент сглаживания S_1П П-образного CRC-фильтра (рис. 2.12) определится произведением коэффициента сглаживания S₁ фильтра С_ф1 и коэффициента сглаживания S_1Г Г-образного фильтра RC_ф2 :

S_1n = S₁S_1Г .

П-образный CLC-фильтр (рис. 2.13) имеет большие габариты и вес, чем CRC-фильтр, но обеспечивает высокое качество сглаживания.

Рис. 2.13. П-образный CLC-фильтр.

Пример многозвенного фильтра приведен на рис. 2.14. Расчет коэффициента сглаживания многозвенного фильтра осуществляют перемножением коэффициентов сглаживания отдельных звеньев:

S₁ = S₁^I · S₁^II · S₁^III  · ... · S₁ⁿ .

Рис. 2.14. Многозвенный LC-фильтр.

Кроме пассивных фильтров на элементах С, L, R применяют электронные сглаживающие фильтры на транзисторах. Использование транзисторов обусловлено тем, что сопротивление промежутка коллектор-эмиттер постоянному току (статическое сопротивление), определяемое как U_кэо/I_ко в режиме покоя, на 2-3 порядка меньше сопротивления того же промежутка переменному току, равного 1/h_2,2.

Рис. 2.15. Схема транзисторного фильтра.

Таким образом, действие транзисторного фильтра (рис. 2.15) аналогично действию  индуктивного фильтра, и его включают в схему сглаживающего П-образного фильтра вместо катушки L_ф.

Резисторы R₁ и R₂ необходимы для выбора рабочего режима транзистора. Такой фильтр снижает пульсацию на 2-3 порядка.