Сглаживающие фильтры 2
Сглаживающие фильтры
Выпрямители в очень редких случаях работают только на чисто активную нагрузку. Это связано с тем, что большие пульсации выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя не устраивают потребителя, поэтому между нагрузкой и выходом выпрямителя включают сглаживающий фильтр. Пульсирующее выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие. Полезный эффект у потребителей постоянного тока создают только постоянные составляющие напряжения и тока. Переменные гармонические составляющие, образующие пульсации, приводят к бесполезной трате мощности и помехам. Например, при питании усилителей радиоприемников и передатчиков переменная составляющая создает фон на выходе усилителя, то есть дополнительные колебания на выходе низкой частоты. Для питания предварительных каскадов высококачественных усилителей требуется , предварительных каскадов УНЧ, УВЧ , оконченных каскадов УНЧ. Отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя к коэффициенту пульсации на нагрузке определяет степень сглаживания выпрямленного напряжения и называется коэффициентом сглаживания фильтра:
q=Kпвх
/Кпвых
=[Um ог вх
/Uо вх
]:[Um ог вых
/U0 вых
] (2. 2. 1)
если не учитывать потери в фильтре, то есть считать , то (2. 2. 2)
включается параллельно нагрузке и шунтирует нагрузку для переменой составляющей тока.
Важно, чтобы сопротивление конденсатора для основной гармоники пульсации была много меньше сопротивления нагрузки.
Из расчета выпрямителя на нагрузку известно, что.
Емкостный фильтр относится к простейшим фильтрам. Если обеспеченно превышение над на порядок, то определяется десятками, на два порядка — сотнями, но не более.
Для двухполупериодных схем:
. (2. 2. 4)
При понижении уменьшается ( повышается).
Индуктивный фильтр вкл
ючается последовательно с нагрузкой и представляет большое сопротивление для переменной составляющей тока. Переменная составляющая уменьшается, и падение напряжения от этой составляющей становится незначительным. Для хорошего сглаживания необходимо:
(2. 2. 5)
коэффициент сглаживания:
С учетом (2. 2. 5):
(2. 2. 6)
отсюда необходимая величина при заданном :
(2. 2. 7)
Из формулы видно, что один и тот же коэффициент сглаживания может быть обеспечен при меньших величинах индуктивности , если мало, то есть включение индуктивного фильтра выгодно при малых (в выпрямителях средней и большей мощности). Емкостный фильтр эффективен в цепях с большим (малыми нагрузочными токами, при не более десятков Вт), так как легче добиться неравенства. Когда требуется особенно малое значение коэффициента пульсации , то или простейших фильтров могут получиться очень большими. В этом случае рациональнее иметь Г-образный или П-образный фильтры.
работает по тому же принципу, что и простейшие фильтры. Необходимо условие:
(2. 2. 8)
, (2. 2. 9)
(2. 2. 10)
Раздельный выбор и производится по конструктивным соображениям (минимальный объем, вес, стоимость), а так же из условия избавления от резонанса. Для этого требуется, чтобы. Обычно это условие легко выполняется при. Практически является достаточным выполнения условия
,
В выпрямителях небольшой мощности с целью уменьшения размеров и веса фильтра вместо дросселя часто применяют резисторы. КПД уменьшается, вследствие чего фильтр целесообразно применять в выпрямителях маломощных, на малые токи. Преимущества: небольшие размеры, вес и стоимость, а так же простота исполнения из-за отсутствиея сглаживающего дросселя. Недостаток: потери мощности в. При выводе нужно учитывать уменьшение.
с учетом неравенства
(2. 2. 11)
Чтобы уменьшение было не очень большим, выбирают из условия
. (2. 2. 12)
При питании от одного источника устройства с несколькими каскадами между каскадами может возникнуть нежелательная обратная связь через внутреннее сопротивление источника, которая может привести к самовозбуждению каскадов. Для ликвидации её в цепь питания последовательно с нагрузкой каскада ставится развязывающая цепь — Г-образный фильтр.
П-образный фильтр и многозвенные фильтры
применяются, если коэффициент сглаживания нужен очень высокий. П-образный фильтр представляет собой последовательное включение емкостного и Г-образного
Обычно выбирают. Но можно и в Г-образном фильтре применить. Какой же фильтр лучше использовать в каждом конкретном случае? При использовании Г-образного фильтра выпрямитель работает на индуктивную нагрузку, при использовании П-образного фильтра выпрямитель работает на емкостную нагрузку. При работе на индуктивную нагрузку явными являются следующие преимущества: меньшая (на )
Однако в выпрямителе, начинающемся с индуктивности, сильнее проявляются переходные процессы при включении источника. Чем меньше затухание контура , тем эти процессы интенсивнее (). В результате токи, протекающие через вентили, могут быть в несколько раз больше расчетных. Другим показателем, по которому производится сравнение, является.
если мало и велико, то , выгоднее использовать Г-образный фильтр. При высокоомной нагрузке - П-образный фильтр. Кроме пассивных фильтров применяют
на транзисторах. Эти фильтры имеют меньшие габариты и вес, больший коэффициент сглаживания. Использование транзисторов основано на том, что сопротивление перехода эмиттер-коллертор постоянному току () на 2-3 порядка меньше сопротивления перехода переменному току (), то есть.
Другими словами, его достоинства аналогично достоинствам индуктивного фильтра и его включают в схему сглаживающего Г-образного фильтра или П-образного фильтра вместо дросселя. Но для этого нужно поддерживать постоянным, то есть исключить его пульсации.
<BRC
служит для сглаживания пульсаций на базе транзистора (обеспечивает ). Для хорошей фильтрации должно выполняться условие:
на транзисторе. Это эмиттерный повторитель, которого очень мало, поэтому такой фильтр почти не чувствителен к изменению.
;
При увеличении нужно уменьшить, что приводит к необходимости увеличения С. В этом случае лучше применить транзисторный фильтр с двузвенным фильтром или П-образный.
Для еще большего увеличения коэффициента сглаживания применяют составные транзисторы.
, ,
Такое включение значительно увеличивает коэффициент передачи регулирующего транзистора и уменьшает выходную проводимость. Применяется при больших. Резисторы предназначены для создания цепи протекания теплового тока.
Транзисторные фильтры могут быть выполнены на базе микросхем 140УТ2, 140УТ5 и т. п. коэффициент сглаживания транзисторных фильтров достигает нескольких тысяч.
|