Сглаживающий фильтр

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора. Нередко устанавливается параллельно электролитическому конденсатору плёночный (или керамический) для переменного тока ёмкостью 0,01 микрофарады, для устранения помех сети 220.

Общие сведения

В любой схеме выпрямления на выходе выпрямленное напряжение помимо постоянной составляющей содержит переменную, называемую пульсацией напряжения. Пульсация напряжения столь значительна , что непосредственно питание нагрузки от выпрямителя, возможно,относительно редко(при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей сигнализации, электродвигателей и т.д.) там, где приёмник энергии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленного напряжения.При питании аппаратуры связи и радиоаппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу радиоэлектронных устройств. Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, т.е. для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, который обычно состоит из реактивных сопротивлений( т.е. те которые включают в себя индуктивность и ёмкость).

Переменная составляющая выпрямленного напряжения в общем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с различными амплитудами, сдвинутых по отношению к первой на разные углы.При этом первая гармоника имеет амплитуду во много раз превосходящую амплитуды высших гармоник. В зависимости от назначения аппаратуры связи предъявляют различные требования к величине и характеру пульсации выпрямленного напряжения. Чаще всего для радиотехнической аппаратуры качество сглаживания характеризуется величиной максимально допустимой амплитуды переменной составляющей. В этом случае фильтры рассчитывают на максимальное подавление основной гармоники.

Псофометрический коэффициент помех

При оценке помех, проникающих из цепей питания в телефонные каналы, необходимо учитывать не только амплитуду напряжения данной гармоники,но и её частоту.Это объясняется тем , что микротелефонные цепи и ухо человека обладают различной чувствительностью к колебаниям разной частоты , даже если их амплитуда одинакова.В связи с этим вводят понятие псофометрического коэффициента помех $a_{k}$ ,который зависит от частоты и величина которого определяется экспериментально с учётом микротелефона и человеческого уха. Эффективное значение псофометрического напряжения пульсации U на выходе выпрямителя будет равно: $U={\sqrt {0.5[(U_{01m}*a_{1})^{2}+(U_{02m}*a_{2})^{2}+...+(U_{0km}*a_{k})^{2}]}}$

где у нас $a_{1},...,a_{k}$ - псофометрические коэффициенты для соответствующих гармоник; $U_{1},...,U_{k}$ - амплитуды соответсвтующих гармоник выпрямленного напряжения.

Коэффициент сглаживания

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания, которым назывется отношение коэффициента пульсации на входе $(K_{Bx})$ к коэффициенты пульсации на выходе $(K_{H})$ или т.е. на нагрузке.

$K_{C}=K_{Bx}/K_{Ha}=$$(U_{01m}/U_{0})/(U_{H1m}/U_{H})$

где $U_{01m},U_{H1m}$ -это амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно; $U_{0},U_{H}$ - постоянные составляющие напряжений на входе и выходе фильтра.

Виды сглаживающих фильтров

Индуктивный сглаживающий фильтр

Индуктивный фильтр состоит из дросселя,включенного последовательно с нагрузкой.Сглаживающее действие такого фильтра основано на возникновении в дросселе ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока. Дроссель выбирается так,чтобы индуктивное сопротивление его обмотки($X_{L}=mw_{c}L$ )было много больше сопротивления нагрузки $R_{H}$. При выполнении этого условия большая часть переменной составляющей падает на обмотке дросселя.На сопротивлении нагрузки выделяется в основном постоянная составляющая выпрямленного напряжения $U_{0}$ и переменная составляющая , величина которой много меньше переменной составляющей напряжения,падающего на обмотке дросселя.

Коэффициент сглаживания такого фильтра равен $K_{C}=$${\sqrt {(R_{H})^{2}+(mw_{c}L)^{2}}} \over R_{H}$

где у нас

$R_{H}$ - сопротивление нагрузки

$L$ - индуктивность обмотки дросселя

$w_{c}$ - угловая частота

$m$ - коэффициент зависящий от схемы выпрямителя и показывающий, во сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напряжения больше частоты тока сети.

Емкостной сглаживающий фильтр

Емкостной фильтр фильтр рассматривают не отдельно, а всегда совместно с таким прибором,как выпрямитель.Его действие основано на накоплении электрической энергии в электрическом поле конденсатора и его при отсутствии тока через вентиль на сопротивление нагрузки $(R_{H})$. Причём конденсатор подключается параллельно к нагрузке. Конденсатор имеет следующие реактивное сопротивление ($X_{C}=1/w_{c}C$ Коэффициент сглаживания такого фильтра будет следующим

$K_{C}=$$K_{1} \over K_{2}$$=$($2 \over m^{2}-1$)$/$($H \over rC$)

где

К(1)-коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя при отсутствии ёмкости

К(2)-коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя при наличии ёмкости.

При увеличении m коэффициент сглаживания индуктивного фильтра увеличивается, а емкостного уменьшается.Поэтому емкостной фильтр выгодно применять при выпрямлении однофазных, а индуктивный при выполнении многофазных токов.При увеличении $R_{H}$ сглаживающее действие емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного уменьшается.Поэтому емкостной фильтр выгодно применять при малых,а индуктивный при больших токах нагрузки.

LC фильтр

Наиболее широко используют Г-образный индуктивно-емкостной фильтр.Для сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо,чтобы емкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты пульсации было много меньше сопротивления нагрузки,а также много меньше индуктивного сопротивления дросселя для первой гармоники.

При выполнении этих условий , пренебрегая активным сопротивлением дросселя, коэффициент сглаживания такого Г-образного фильтра будет равен

$K_{c}=m^{2}w_{c}^{2}LC-1$

Так как $1/{\sqrt {LC}}=w_{0}$-собственная частота фильтра, то

$K_{c}=(mw_{c}/w_{0})^{2}-1$

Одним из основных условий выбора $L$ и $C$ является обеспечение индуктивной реакции фильтра.Такая реакция необходима для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя, а также в случаях использования в выпрямителях германиевых, кремниевых или ионных вентилей.

Для обеспечения индуктивной реакции необходимо выполнение неравенства

$L>2R_{H}/(m^{2}-1)mw_{c}$

При проектировании фильтра необходимо также обеспечить такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора ,при которых не мог бы возникнуть резонанс на частоте пульсаций выпрямленного напряжения и частоте изменения тока нагрузки.

П-образный $LC$ фильтр можно представить в виде двухзвенного,состоящего из емкостного фильтра с ёмкостью $C_{0}$ и Г-образного с $L$ и $C_{1}$.

Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

$K_{c}=$$2rC_{0} \over (m^{2}-1)H$$(m^{2}w_{c}^{2}LC_{1}-1)$

В П-образном фильтре наибольшей величины коэффициент сглаживания достигает при равенстве емкостей $C_{1}=C_{0}$

При необходимости обеспечения большого коэффициента сглаживания целесообразно применение многозвенного фильтра.Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен :

$K_{c}=$$K_{c1}K_{c2}K_{c3}...K_{cn}$ т.е. общий коэффициент сглаживания будет равен произведению коэффициентов сглаживания всех соединённых фильтров.

Если все звенья фильтра состоят из одиннаковых элементов ($C_{1}=C_{2}=...=C_{n}$;$L_{1}=L_{2}=...=L{n}$),что наиболее целесообразно,то

$K_{c1}=K_{c2}=...=K_{cn}$ и $K_{c}=K_{zv}^{n}=(mw_{c})^{2n}(L_{zv}C_{zv})^{n}$

где $K_{zv}$ - коэффициент сглаживания каждого звена; $C_{zv}$,$L_{zv}$ - соответственно индуктивность и емкость каждого звена; n - число звеньев.

RC-фильтры

В выпрямителях малой мощности в некоторых случаях применяют фильтры,в состав которго входит активное сопротивление и ёмкость.В таком фильтре относительно велико падение напряжения и потери энергии на резисторе $R=$, но габариты и стоимость такого фильтра меньше,чем индуктивно-емкостного. Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

$K_{c}=$$mw_{c}CR$$R_{H} \over R_{H}+R$

Значение сопротивления фильтра $R$ определяется исходя из оптимальной величины его коэффициента полезного действия.Оптимальное значение КПД лежит в пределах от 0.6 до 0.8. Расчёт П-образного активно-емкостного фильтра производится так,как и в случае П-образного LC - фильтра ,путём разделения этого фильтра на емкостной и Г-образный RC-фильтры.

Сглаживающий реактор

Cтатическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи с целью уменьшения содержания высших гармоник (пульсаций) в выпрямленном токе. Сглаживающий реактор обычно соединяется последовательно с выпрямителем, таким образом, через него протекает весь ток нагрузки.

Литература

• В.Е.Китаев,А.А.Бокуняев,М.Ф.Колканов. Электропитание устройств связи. — М.: «Связь», 1975. — С. 328.

• В.М.Бушуев,В.А. Деминский,Л.Ф.Захаров. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. — М.: «Связь», 2009. — С. 383.

• Раймонд Мэк. Импульсные источники питания. — М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2008. — С. 272.

См. также

• Фильтр_(электроника)
• Фильтр нижних частот
• Фильтр верхних частот
• Полосовой фильтр
• Полосно-заграждающий фильтр
• Фазовый фильтр

Ссылки

Полезные статьи

• Онлайн расчёт RC фильтров (ФНЧ и ФВЧ)
• «Транзисторные сглаживающие фильтры»  (рус.)
• «Выпрямители» (рус.)
• «Cглаживающие фильтры»  (рус.)

Видео

• «Транзисторный сглаживающий фильтр», ЧИП И DИП (рус.)

Примечания

Все сглаживающие фильтры применяются в зависимости от мощности нагрузки