Сглажтвающие фильтры

Требования к уровню пульсации напряжения, питающего электронную аппаратуру, очень высокие: так, допустимый коэффициент пульсации Qn для питания двухтактных усилителей напряжения не должен превышать 1.2%, однотактных усилителей 0,1...0,5%, а усилителей промежуточной частоты — 0,01...0,05%.

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямлен­ного напряжения на нагрузке до значений, при которых не сказывается их отри­цательное влияние на работу электронной аппаратуры. Они должны пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и заметно ослаблять его гар­монические составляющие.

Действие фильтра по уменьшению пульсации напряжения (тока) на нагрузке ха­рактеризуется коэффициентом сглаживания Kc, представляющим собой отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя Qn1 (до фильтра) к коэффициенту пульсации на нагрузке Qn2 (после фильтра), т. е. Kc = Qn1 /Qn2.

Ниже приведены схемы простейших однофазных сглаживающих фильтров широкого применения.

Ёмкостный фильтр включают параллельно нагрузке Rn, что исклю­чает прохождение через нагрузку высокочастотных гармонических составляющих тока.

Временные диаграммы выпрямленного напряжения Uв двухполупериодного вып­рямителя, напряжения на нагрузке Uн и тока вентилей Id = Ic + Ih.

В интервале времени от до t2 конденсатор заряжается (ток Ip.3) до амплитудного значения напряжения Uemax, так как в этот период выпрямленное напряжение боль­ше напряжения на конденсаторе, т. е. Uв > Uc. В интервале времени от t3 до t4, когда напряжение Uв < Uc, вентили будут закрыты, конденсатор станет разряжаться на на­грузочный резистор RH, заполняя разрядным током Icp паузу в токе нагрузки IH, фор­ма которого повторяет форму напряжения Uн. В этот интервал времени напряжение на нагрузке Uн = Uc снижается до некоторого значения, соответствующего моменту времени t4, при котором выпрямленное напряжение Uв становится равным нап­ряжению на конденсаторе Uc. После этого вентили вновь открываются, конденсатор C начинает заряжаться, и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

При частоте основной гармоники выпрямительного напряжения ив сопротивление конденсатора С-фильтра должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки, т. е. XC = 1/nwC << R н, где n — номер основной гармоники напряжения Uв; w — уг­ловая частота напряжения U2 трансформатора.

Коэффициент сглаживания Kc = RH / Xc = nwCRн .

Из выражения коэффициента сглаживания Kс видно, что С-фильтр целесообразно использовать при относительно высокоомной нагрузке RH.

Требуемая ёмкость конденсатора при заданном Kc: С > Kc /(nwRH ).

Одноэлементный Z-фильтр включают последовательно с нагрузкой RH. При нарастании выпрямленного напряжения и тока нагрузки Iн магнитная энергия запасается в индуктивном элементе L (дросселе). При снижении напряжения Uв ток в нагрузке поддерживается за счет накопленной энергии в дросселе.

При частоте основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление дросселя L-фильтра должно быть значительно больше сопротивления нагрузки RH, т. е. XL = nwL >> RH.

Коэффициент сглаживания L-фильтра: kc = Xl / RH.

Из этого выражения следует, что в мощных выпрямителях (когда сопротивление RH мало) L-фильтр действует наиболее эффективно. Требуемая индуктивность дрос­селя при заданном kc: L > kcRH /(nw).

В LC-фильтре конденсатор шунтирует нагрузку по переменной состав­ляющей (Xc = 1/(nwC); Xc << RH ), а сопротивление дросселя XL должно быть зна­чительно больше сопротивления Zпар параллельно соединенных элементов RH и Xc.

Приняв |Zпар| ~Xс и kc = Xl /Xc = (nw)2LC, по известному коэффициенту kc находят произведение LC, а по заданной ёмкости С — индуктивность фильтра L = kc /(nw)2c. Во избежание резонанса (при XL = XC) должно выполняться условие Wф = 1/корень квадратный LC= 0,5nw.

Кроме пассивных сглаживающих фильтров широко используются также бездросельные активные фильтры, роль которых выполняют обычно транзисторы. Активные фильтры обеспечивают независимость коэффициента сглаживания kc от тока нагруз­ки и имеют меньшие габариты по сравнению с LC -фильтрами. Основным недостат­ком активных транзисторных фильтров является значительное влияние изменения температуры на режим работы транзисторов.

Принцип работы активного фильтра основан на том, что сопротивление транзис­тора переменному току при определенных режимах работы может быть во много раз больше его сопротивления постоянному току.

В зависимости от способа включения нагрузки в цепь коллектора или эмиттера активные фильтры подразделяют на фильтры с последовательным включением нагруз­ки и с нагрузкой, включаемой параллельно.

Приведены схемы последовательных активных фильтров с фикси­рованным и автоматическим смещением. Ток коллектора К транзистора VT равный току нагрузки iH, почти не зависит от напряжения Uэк и в основ­ном определяется током эмиттера Iэ. В рабочей точке выходной характеристики сопротивление транзистора постоянному току Ik равно Rcm =Uк / Iк и составляет несколько десятков ом. Если ток базы Iб = const, то любое изменение на­пряжения на коллекторе ведет к перемещению рабочей точки по характеристике Ik(Uk). При этом сопротивление переменной составляющей тока Rdиф = дельтаUк /дельтаIк равно единицам килоом.

Для поддержания Iэ = const в схеме фильтра предусмотрено звено с большой постоянной времени; ток эмиттера Iэ ~ Uc1 /R 1 за время одного периода практичес­ки не изменяется. Однако наличие резистора R1 в схеме уменьшает КПД фильтра на 15...20%. В схеме фильтра с фиксированным смещением выходное напряжение Uн из­меняется с изменением температуры и тока нагрузки. Схема фильтра с автоматичес­ким смещением обеспечивает компенсацию этих возмущений, но она имеет значительно меньший коэффициент сглаживания kc. Конденсатор С2 в схемах является дополнительным фильтром сглаживания пульсаций напря­жения на выходе активных фильтров.

В приведенных схемах активных однозвенного и двухзвенного фильтрах с последовательным включением нагрузки входное сопротивление менее 1 Ом. В них отсутствует конденсатор С2 (он не обеспечивает заметного увеличения коэф­фициента сглаживания kc) и последовательно включаемый с нагрузкой резистор R1, в результате чего значительно увеличивается КПД фильтров.

При малых напряжениях и больших токах (при небольшом сопротивлении нагруз­ки RH) применяют активные фильтры с параллельным включением нагрузки. В каче­стве примера приведена схема фильтра, в котором транзистор VT играет такую же роль, как ёмкость в RC-фильтре. Схема такого фильтра не требует настрой­ки, его характеристики менее чувствительны к колебаниям температуры.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления, тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.