Исследование сглаживающих фильтров: Методические указания и задания на лабораторную работу № 4

Лабораторная работа № 4.

 Сглаживающие фильтры.

1. Назначение

Напряжения и токи на выходе схем выпрямления имеют пульсирующий характер. Допустимые пульсации на выходе источников питания зависят от характера нагрузки и могут составлять от тысячных долей процента (первые каскады микрофонных усилителей) до единиц и десятков процентов (исполнительные устройства).

С наиболее низкой частотой пульсирует первая гармоническая составляющая выпрямленного напряжения и тока.

Переменные составляющие выпрямленного напряжения и тока существенно ухудшают качественные показатели питаемых устройств, поэтому для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, включенные между схемой выпрямления и нагрузкой.

2. Коэффициент пульсаций

Степень содержания переменных составляющих в выпрямленном напряжении и токе оценивают с помощью коэффициента пульсаций, под которым понимают отношение переменной и постоянной составляющих выпрямленного напряжения:

,                                                                  (1)

где U₁ и U₀ – амплитуда переменной и постоянной составляющей выпрямленного напряжения соответственно.

3. Коэффициент сглаживания

Способность сглаживающего фильтра уменьшения пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

                                                        (2)

Кроме обеспечения высокого коэффициента сглаживания, фильтры не должны нарушать работы источника питания (а значит, и питаемого устройства), обладая при этом высокой эффективностью при минимальных габаритах, массе, стоимости.

4. Простейшие сглаживающие фильтры

4.1. Принцип действия

Простейшими сглаживающими фильтрами являются емкостной и индуктивный фильтры. В первом случае последовательно с нагрузкой включается дроссель, во втором – параллельно нагрузке включается конденсатор. Принцип действия этих фильтров основан на различии сопротивления для составляющих выпрямленного тока.

4.2. Емкостной фильтр

Для работы выпрямителей принципиальное значение имеет характер фильтра, включенного на выходе выпрямителя. Выпрямители, нагруженные на емкостной фильтр, используются в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей. Трансформаторы этих выпрямителей должны иметь большую мощность, чем выпрямители с индуктивным фильтром.

К недостаткам выпрямителей с емкостным фильтром относятся большая амплитуда тока через выпрямительный диод в момент включения источника.

4.3. Индуктивный фильтр

Выпрямители с индуктивным фильтром применяются в широком диапазоне выпрямленных напряжений при мощностях от десятков ватт до нескольких киловатт и при токах свыше 1 А. Такие выпрямители имеют меньшее внутреннее сопротивление по сравнению с выпрямителями с емкостным фильтром, что уменьшает зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктивного фильтра ограничивает импульс тока через диод.

Недостатком выпрямителей с таким фильтром являются перенапряжения, возникающие на выходной емкости и на дросселе фильтра при включении выпрямителя и при скачкообразных изменениях тока нагрузки, что представляет опасность для элементов самого выпрямителя и его нагрузки.

5. Сложные сглаживающие фильтры

Сложные сглаживающие фильтры строятся на основе простейших, образуя однозвенные и многозвенные фильтры.

6. Г-образный индуктивно-емкостный (LC) фильтр

6.1. Применение

Г-образный индуктивно-емкостный (LC) фильтр (рис. 1) применяется в источниках средней и большой мощности вследствие того, что падение напряжения на фильтре можно сделать сравнительно малым и тем самым обеспечить более высокий КПД.

Рис. 1. Индуктивно-емкостный фильтр

6.2. Недостатки

• сравнительно большие размеры и вес (при низкой частоте первичного источника);
• дроссель фильтра является источником помех, создаваемых магнитным полем рассеяния;
• дроссель фильтра иногда является причиной сложных переходных процессов, приводящих к искажениям в работе устройств (усилителя, передатчика и т.п.);
• фильтр не устраняет медленных изменений питающих напряжений.

6.3. Выбор номиналов элементов

Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра  и определяется по приближенной формуле:

,                                          (3)

где      F_с — частота выпрямляемого тока (Гц);

m - количество фаз (для однополупериодной схемы выпрямления m=1, для двухполупериодной, мостовой и параллельной схемы удвоения напряжения т=2).