Коэффициенты фильтрации и сглаживания фильтра
Действие
сглаживающего фильтра можно характеризовать
коэффициентом
фильтрации
,
который определяется, как отношение
значений пульсации на входе и выходе
фильтра:
Коэффициент
фильтрации не учитывает падения
напряжения на активном сопротивлении
фильтрующего звена
.
Более точно сглаживающее действие ФУ
оцениваетсякоэффициентом
сглаживания пульсаций q,
который определяется как отношение
коэффициентов пульсаций на входе и
выходе ФУ:
(1.8)
Для
большинства сглаживающих LC-фильтров
низковольтных выпрямителей активным
сопротивлением дросселя можно пренебречь
и тогда:
Помимо полных
коэффициентов фильтрации и сглаживания
пульсаций используются коэффициенты
фильтрации
и сглаживания
для каждой из гармоник сглаживаемого
напряжения:
,
.
В
тех случаях, когда требуются большие
величины
,
применяются многозвенные фильтры,
которые представляют собой ряд простых
Г-образных четырехполюсников, соединенных
последовательно. В данном случае
суммарные коэффициенты фильтрации и
сглаживания:
,
.
Эквивалентная
схема сглаживающего фильтра. Расчет
индуктивно-емкостных фильтров.
Любой из фильтров
может быть представлен Г-образным
четырехполюсником, к входным зажимам
которого прикладывается напряжение
вентильного блока
,
а к выходным подключена нагрузка
.
Напряжение в нагрузке
.
Обозначим полное комплексное сопротивление
продольной ветви фильтра —
.
Для случая продольного фильтра:
, 
,
,
, 
,
,
,
.
Для индуктивного фильтра
получим:
,
,
,
.
При
заданной схеме выпрямления (р),
требуемая величина индуктивности:
.
Для емкостного фильтра:
В справочнике [13]
зависимость коэффициента пульсаций по
1-й гармонике
для однофазных выпрямителей с емкостным
фильтром описывается функцией вида
при
,
которая фактически дает тот же результат.
Сравнение этих
выражений показывает, что с ростом
пульсности p
коэффициент
сглаживания индуктивного фильтра
увеличивается, а емкостного уменьшается.
Поэтому,
при равных условиях, емкостной фильтр
выгоднее применить при выпрямлении
однофазных и двухфазных, а индуктивный
при выпрямлении многофазных токов.
Сглаживающее
действие емкостного фильтра при
увеличении сопротивления нагрузки
увеличивается, а индуктивного уменьшается.
Поэтому емкостной фильтр выгоднее
применить при малых, а индуктивный при
больших токах нагрузки.
Расчет г-образного индуктивно-емкостного фильтра
Сглаживание
пульсаций выпрямленного напряжения
осуществляется более эффективно при
помощи фильтров, составленных из
повторяющихся Г-образных или П-образных
звеньев. Для Г-образного LC-фильтра
совместно с цепью нагрузки полное
комплексное сопротивление:
Обычно
и
,
,
или
,
поэтому
и
.
Окончательно для полного комплексного
сопротивления получим:
.
Для Г-образного
LC-фильтра:
, 
,
,
, 
,
,
,
,
,
,
.
Рекомендации по выбору фильтров
Наибольшая
нестабильность напряжения
во всем диапазоне рабочих токов
свойственна выпрямителю с емкостным
фильтром, а наибольшая стабильность с
индуктивным фильтром. П-образный фильтр
по своей внешней характеристике при
малых токах нагрузки приближается к
емкостному, а Г-образный к индуктивному.
Если
нагрузка меняется в пределах:
(1015)
%, то можно рекомендовать любой фильтр;
(50100)
% – П-образный фильтр или Г-образный
фильтр;
(от
10100)
% – Г-образный фильтр.
Напряжения
UdxxL
и UdxxC
тем больше, чем меньше число фаз
выпрямителя. Поэтому для получения
более стабильной внешней характеристики
следует применить схемы выпрямления с
большим числом фаз.
Для
работы выпрямителей принципиальное
значение имеет характер фильтра,
включенного на выходе выпрямителя.
Выпрямители без сглаживающего фильтра
применяются сравнительно редко и в тех
случаях, когда пульсации напряжения на
нагрузке не имеют существенного значения.
Сглаживающий фильтр также часто
отсутствует в многофазных выпрямителях,
имеющих малую пульсацию выпрямленного
напряжения.
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). Для уменьшения пульсаций
используются дополнительные фильтры.
На
практике используются два основных
режима работы выпрямителей: работа на
нагрузку с емкостной и индуктивной
реакцией. Первый из этих режимов
применяется в источниках электропитания
малой мощности; основная область
применения второго режима — источники
средней и большой мощности.
Соседние файлы в папке ОПТ
- #
- #
- #
- #
17.11.2017145.29 Кб13OPT.MCD
- #
17.11.2017129.73 Кб9opt_tanya.xmcd
- #
- #
- #
- #
- #
- #
17.11.20177.72 Mб47Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника (2005) (1).djvu
Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания.
Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры.
Схемы, свойства, онлайн калькулятор.
Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему
простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций
Кп в пределах 10-5… 10-4
так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения
Кп
является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения
к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:
«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током
вполне определённой «чистоты»:
10-3… 10-2 (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10-4… 10-3 (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10-5… 10-4 (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных
усилителей.»
Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе
фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра
Кс = Кп-вх/Кп-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.
В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов.
Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что
при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.
Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным
подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.
Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.
Рис.1
На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении
электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.
Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИП,
приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F:
С1 = Iн/(3,14×Uн×F×Кп)
для однополупериодных выпрямителей и
С1 = Iн/(6,28×Uн×F×Кп)
— для двухполупериодных.
Кп — это коэффициент пульсаций,
равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F — частота переменного напряжения на входе диодного
выпрямителя.
Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ!!! Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости
получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания,
либо в высокочастотных импульсных ИП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки
XL на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях
низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.
Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими
фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F2(Гц)×Кп)
для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F2×Кп) —
для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн2(Ом).
Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в.
Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше,
а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице
ссылка на страницу:
С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/Rн2(Ом).
Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1
неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр.
Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций
(F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится
этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак:
С3 = 1/(39,44×L1×F2) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F2) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.
Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.
Выбор схемы фильтра |
|
Тип выпрямителя |
|
Частота напряжения с обмотки трансформатора (Гц) |
|
Выходное постоянное напряжение Uн (В) |
|
Максимальный ток нагрузки Iн (А) |
|
Пульсации выходного напряжения (%) |
|
Минимальное сопротивление нагрузки Rн (Ом) |
|
Ёмкость конденсатора С1 (МкФ) |
|
Индуктивность дросселя L1 (мГн) |
|
Ёмкость конденсатора С3 (МкФ) |
Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более
высокий коэффициент сглаживания пульсаций.
Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное
количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.
Рис.2
На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.
Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного
повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации
напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а
так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают
в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.
При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
Uб = Uвх — Uвх пульсаций — (2,5…3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
Uкэ = Uвх пульсаций + (3,1…3,6В) .
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе.
Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать
уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать
на приведённом выше калькуляторе.
Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора.
Чем выше h21 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет
обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h21<50. Но при этом и
составные транзисторы, обладающие высоким усилением — также не являются оптимальным выбором в силу повышенных падений напряжений
на p-n переходах, значительно снижающих КПД транзисторных устройств.
Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы
транзистора (Рис.2б).
Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление
резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).
Ещё эффективней будет работать транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора вместо R2 (Рис.1а), либо R3 (Рис.1б)
включить стабилитрон с напряжением пробоя, равным значению, рассчитанному для резистивного делителя.
Всем доброго времени суток. Сегодня продолжение темы про выпрямители и поговорим мы о сглаживающих фильтрах выпрямителей. Сглаживающие фильтры включаются между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения переменных составляющих (пульсаций) выпрямленного напряжения. Эти фильтры выполняются из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов. Простейший сглаживающий фильтр может состоять только из одного элемента, например дросселя или конденсатора. В малогабаритной аппаратуре сравнительно малой мощности индуктивные элементы фильтра могут быть заменены активными (резисторами).
Сглаживающие фильтры, прежде всего, характеризуются коэффициентом сглаживания q, представляющим собой отношение коэффициентов пульсаций на входе S0 и выходе S0H фильтра:
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Индуктивный сглаживающий фильтр
Применяется в маломощных выпрямителях, но может входить в состав сложных многозвенных фильтров. Параметры дросселя следует выбирать так, чтобы активное сопротивление обмотки rдр было много меньше сопротивления нагрузки (rдр << Rн), а индуктивное сопротивление Xдр = 2πfпLф на частоте пульсаций fп – много больше, чем Rн(Xдр >> Rн). В этом случае почти вся постоянная составляющая напряжения будет приложена к нагрузке, а переменная составляющая – к дросселю.
По заданному коэффициенту сглаживания q можно рассчитать необходимую индуктивность сглаживающего фильтра
Индуктивный фильтр прост, дешев, имеет малые потери мощности; коэффициент сглаживания фильтра растёт с увеличением индуктивности дросселя, числа фаз питающего напряжения и с уменьшением сопротивления нагрузки. Поэтому индуктивные фильтры обычно применяются совместно с многофазными мощными выпрямителями. При отключении нагрузки или скачкообразном изменении ее сопротивления возможно возникновение перенапряжений; в этом случае параллельно обмотке дросселя необходимо включать защитные устройства, например разрядники. В маломощных однофазных выпрямителях индуктивный фильтр может являться звеном более сложного фильтра.
Eмкостной сглаживающий фильтр
Емкостной сглаживающий фильтр состоит из конденсатора Сф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку. Заряд и разряд конденсатора фильтра происходит с частотой пульсаций fп выпрямленного напряжения.
Для расчёта ёмкости конденсатора сглаживающего фильтра можно воспользоваться следующей формулой
, где
результируещее значение ёмкости выражено в микрофарадах,
SOH – коэффициент пульсаций в процентах, %;
RH – сопротивление нагрузки в омах, Ом;
fc – частота сети в герцах, Гц;
m – число используемых при выпрямлении полупериодов за период напряжения сети,m = 1 – для однополупериодных, m = 2 – для двухполупериодных.
Емкостной фильтр целесообразней всего применять совместно с однофазными и маломощными схемами выпрямления.
Сглаживающий LC фильтр
Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения будет более эффективным, если в совместить два предыдущих фильтра: индуктивный и емкостной фильтры. Данные типы сглаживающих фильтров называют LC фильтрами
Простейший Г-образный индуктивно-емкостный фильтр рассчитывают такким образом, чтобы параметры элементов подходили под следующие условия
Коэффициент сглаживания Г-образного фильтра связан с произведением индуктивности и емкости следующим образом:
Сглаживающие RC фильтры
В схемах выпрямления малой мощности дроссель фильтра может быть заменён резистором RФ. Такие типы фильтров называют RC фильтрами
Расчёт сглаживающего RC фильтра должен вестись с учётом следующих условий
Коэффициент сглаживания фильтра
Сопротивление резистора RФ обычно задаются в пределах RФ = (0,15…0,5)RH; КПД резистивно-емкостного фильтра сравнительно мал и обычно составляет 0,6…0,8, причем при ηф = 0,8 RФ = 0,25RH. Емкость Cф (в микрофарадах), обеспечивает требуемый коэффициент сглаживания q при частоте сети fC = 50 Гц, находят из выражения
Преимущества резистивно-емкостных фильтров: малые габариты, масса и стоимость; недостаток – низкий КПД.
Многозвенные сглаживающие фильтры
Если с помощью индуктивно-емкостного фильтра необходимо обеспечить коэффициент сглаживания пульсаций более 40…50, то вместо однозвенного фильтра целесообразнее использовать двухзвенный сглаживающий фильтр.
Фильтры с тремя и более звеньями на практике применяются редко. В общем случае коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев: q = q’q’’q’’’ …
Сглаживающие индуктивно-емкостные фильтры достаточно просты и эффективны в выпрямительных устройствах средней и большой мощностей. Однако масса и габариты таких фильтров весьма значительны, коэффициент сглаживания снижается с ростом тока нагрузки, фильтры малоэффективны при появлении медленных изменений сетевого напряжения. Индуктивные элементы фильтра являются источниками магнитных полей рассеяния, а совместно с паразитными емкостными элементами создают колебательные контуры, способствующие появлению переходных процессов.
Транзисторный сглаживающий фильтр
Транзисторные фильтры по сравнению с индуктивно-емкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций.
Фильтры могут быть выполнены по схемам с последовательным или параллельным включением силового транзистора по отношению к сопротивлению нагрузки, а также с включением нагрузки RH в цепь коллектора или эмиттера транзистора. Недостатком фильтров с нагрузкой в цепи коллектора является большое изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Поэтому чаще используют фильтры, в которых сопротивление нагрузки включено в цепь эмиттера силового транзистора.
Фильтр с последовательным транзистором
Транзисторный сглаживающий фильтр с последовательным включением транзистора и нагрузкой в цепи эмиттера эквивалентен П-образному LC фильтру. Принцип действия его основан на том, что коллекторный и эмиттерный токи транзистора в режиме усиления практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Если выбрать рабочую точку транзистора на горизонтальном участке выходной вольт-амперной характеристики, то его сопротивление для переменного тока будет значительно большим, чем для постоянного тока.
Транзисторный фильтр
В схеме базовый ток транзистора VT задается резистором Rб. Конденсатор Сб достаточно большой емкости устраняет напряжение пульсаций на переходе эмиттер-база. Поэтому переменная составляющая напряжения пульсаций прикладывается к переходу база-коллектор и выделяется на транзисторе VT. В коллекторном и эмиттерном токе переменная составляющая практически отсутствует, поэтому пульсации в нагрузке RH также очень малы.
Коэффициент сглаживания транзисторного фильтра тем больше, чем больше коэффициент передачи тока транзистора VT и чем больше значение отношений
то есть чем меньше напряжение пульсаций на переходе эмиттер-база силового транзистора.
Составной транзистор
Для более успешного выполнения этих соотношений конденсатор Сб может быть заменён одно- или двухзвенным RC сглаживающим фильтром, а для увеличения коэффициента передачи тока транзистор VT можно выполнить составным
Транзисторный фильтр со стабилитроном
Еще эффективней работает транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора включен стабилитрон
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Однако амплитуда переменной составляющей напряжения на транзисторе не должна превышать значение постоянного напряжения на нём, иначе фильтр потеряет свою работоспособность.
Фильтр с параллельным транзистором
Фильтр с балластным резистором и параллельным включением транзистора
Фильтр с балластным резистором и последовательным включением транзистора
Транзисторные фильтры с балластным резистором Rбл и параллельным включением транзистора относительно нагрузки, в отличие от схем с последовательным включением, применяется при сравнительно небольшом выпрямленном напряжении (десятки вольт). Режим работы транзистора VT – минимальное значение тока IK.min – устанавливается соответствующим выбором сопротивлений R1 и R2. Переменная составляющая напряжения в этой схеме прикладывается к переходу эмиттер-база транзистора VT, усиливается и выделяется на балластном резисторе Rбл. Эта составляющая оказывается в противофазе с переменной составляющей напряжения, выделяющейся на Rбл при непосредственном протекании тока нагрузки. Выбором Rбл и IK.min можно добиться их полной компенсации. Амплитуда переменной составляющей тока транзистора VT должна быть меньше протекающего постоянного тока IK.min, иначе схема будет неработоспособна. Ток IK.min, не должен быть очень малым, так как иначе потребуется увеличение сопротивления Rбл, что приведёт к снижению КПД фильтра. Слишком большой ток также нецелесообразен, так как увеличивается мощность потерь на транзисторе и снижается КПД.
Коэффициент сглаживания параллельного транзисторного фильтра будет тем больше, чем больше сопротивление Rбл, емкость конденсаторов С1 и С2, крутизна вольт-амперной характеристики транзистора. Недостатком транзисторного фильтра с параллельным включением транзистора является значительное изменение среднего значения коллекторного тока транзистора, при изменении среднего значения выпрямленного напряжения, поступающего на вход фильтра. Это приводит к снижению КПД фильтра.
Следует помнить, что транзисторные фильтры не обеспечивают стабилизацию постоянной составляющей выпрямленного напряжения, а при изменении тока нагрузки, температуры окружающей среды и воздействия других дестабилизирующих факторов вносят дополнительную нестабильность выпрямленного напряжения.
Силовые фильтры — назначение и основные параметры
В силовой электронике фильтры предназначены для следующих целей:
— сглаживание пульсаций — подавления пульсаций напряжения на выходе или на входе источника
питания обусловленных импульсным характером преобразования энергии или выпрямления переменного напряжения.
Такие фильтры называют сглаживающими. Их основное предназначение – «буферизация» энергии, то есть накопление
энергии и питание нагрузки в те промежутки времени, когда энергия от преобразователя (или выпрямителя) не
поступает в нагрузку;
— помехоподавление — подавление ВЧ помех, обусловленных коммутационными процессами переключения
ключевых элементов. Такие фильтры называют помехоподавляющими. Назначение этих фильтров – максимальное
подавление высокочастотных помех путем обеспечения для них максимального последовательного и минимального
параллельного (на землю) реактивного сопротивления;
Сглаживающие и помехоподавляющие фильтры, несмотря на схожие топологии и конструкции выполняют принципиально
разные задачи. При этом любой сглаживающий фильтр частично выполняет функции помехоподавления, а любой
помехоподавляющий фильтр немного сглаживает пульсации. Поэтому далее представлены методики расчета раздельно
для различных типов фильтров.
Основные параметры фильтров:
— полоса пропускания – или точнее амплитудно-частотная характеристика — зависимость амплитуды выходного
сигнала от частоты входного напряжения. Определяет частоту, начиная с которой происходит эффективное
уменьшение амплитуды пульсаций.
— коэффициент сглаживания K, который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к
коэффициенту пульсаций на выходе.
— максимальный ток, при котором фильтр сохраняет свои помехоподавляющие свойства. Это связано с фильтрами, в
состав которых входят дроссели. Насыщение магнитопровода дросселя приводит к существенному ухудшению
помехоподавляющих свойств.
— последовательное сопротивление на постоянном токе – активное последовательное сопротивление фильтра,
измеряемое на постоянном токе.
Сглаживающие фильтры
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания K, который определяется как
отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра kp_IN к коэффициенту
пульсаций на выходе kp_OUT:
Здесь коэффициенты пульсаций:
где:
ΔVIN – амплитуда пульсации на входе;
ΔVOUT – амплитуда пульсации на выходе;
VIN – входное напряжение;
VOUT – выходное напряжение.
Как правило, напряжение на выходе фильтра практически равно входному напряжению:
Отсюда выражение для коэффициента сглаживания K можно упростить:
где:
ΔVIN – амплитуда пульсации на входе;
ΔVOUT – амплитуда пульсации на выходе.
Сглаживающие фильтры в зависимости от месторасположения и назначения в структуре источника питания
разделяются на входные и выходные. В источниках питания с трансформаторным входом сглаживающие фильтры
ставят непосредственно после выпрямителя, выпрямляющего низкочастотное (50 Гц) сетевое напряжение. В
импульсных преобразователях и стабилизаторах, как правило, используют сглаживающие фильтры как на входе
источника, после сетевого выпрямителя, так и на его выходе, после высокочастотного выпрямителя.
Емкостной фильтр
В простейшем случае представляет собой конденсатор, подключенный к выходу выпрямителя или преобразователя. По
отношению к нагрузке он подключен параллельно. Расчет емкостного фильтра зависит от типа и параметров
питающего источника. В случае входного сетевого напряжения 50 Гц это будет одно. В случае выходного фильтра
импульсного источника – другое.
Наиболее распространено использование емкостного фильтра в связке с двухполупериодным выпрямителем, поэтому
этот случай будет рассмотрен отдельно.
Связка «Емкостной фильтр + двухполупериодный выпрямитель»
Электрическая схема связки мостового выпрямителя с конденсатором фильтра представлена на рисунке FLTR.1.
Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид следующих друг за другом синусоидальных полуволн (рисунок FLTR.2).
Амплитуда напряжения — VA . При работе на емкостной фильтр можно выделить два характерных
интервала времени: первый — интервал разряда (временные промежутки II и IV на рисунке FLTR.2), при котором
происходит передача энергии от конденсатора в нагрузку. При этом напряжение снижается на величину
ΔVC равную амплитуде пульсаций. И второй интервал — интервал заряда (временные промежутки I и III
на рисунке FLTR.2), на котором происходит подзаряд конденсатора до максимального значения VC_max.
Величина VC_max меньше амплитудного напряжения VA на величину
падения напряжения на выпрямителе Vrect.
Рисунок FLTR.1 — Электрическая схема мостового выпрямителя с конденсатором фильтра
Рисунок FLTR.2 — Форма временных диаграмм входного напряжения (синий), выходного напряжения на
конденсаторе (красный), тока нагрузки (желтый) и токов через диоды VD2, VD3 (оранжевый) и VD1, VD4
(зеленый) характеризующие работу мостового выпрямителя с конденсатором фильтра
В разделе «Выпрямители» представлен вывод соотношения для расчета емкостного фильтра, работающего в связке с
двухполупериодным выпрямителем. Методика расчета емкостного фильтра работающего в связке с двухполупериодным
выпрямителем включает в себя следующие действия:
— определяем мощность потребляемую нагрузкой P и КПД η;
— определяем максимальное напряжение на конденсаторе VС_max согласно заданным значениям
амплитуды входного напряжения — VA и падения напряжения на выпрямителе Vrect :
— задаем допустимую амплитуду пульсаций напряжения на нагрузке ΔVС;
— рассчитываем емкость фильтра Cf по соотношению [Источники вторичного электропитания с
бестрансформаторным входом. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. М.: Радио и Связь, 1987. 160 с.] :
Данная методика может быть использована для расчета выходных фильтров источников питания с трансформаторным
входом, для расчета входных сглаживающих фильтров импульсных источников питания с безтрансформаторым входом.
В данных фильтрах используются электролитические конденсаторы, как обладающие более высокой удельной
емкостью по сравнению с другими типами конденсаторов.
Необходимо отметить, что на практике беспредельным увеличением емкости фильтра уменьшить до нуля пульсации не
получится. Причиной является то, что с ростом емкости фильтра сокращается время, за которое ёмкость должна
зарядиться до амплитудного значения, это в свою очередь вызывает рост амплитуды импульсов зарядного тока. В
результате с одной стороны за счет падения напряжения на паразитном последовательном сопротивлении источника
питания снижается амплитуда напряжения питания VA. С другой стороны с ростом зарядного тока
увеличиваются пульсации напряжения на фильтре, обусловленные падением напряжения на ESR — паразитном
последовательном сопротивлении конденсаторов. Кардинальным способом уменьшения амплитуды пульсаций является
использование многоступенчатых фильтров, включающих Г-, П- и Т- образные звенья LC-цепочек.
Резистивно-емкостной фильтр (RC-фильтр)
Силовые RC-фильтры при построении источников питания практически не используются. Дело в том, что введение
резистора в классическую связку «емкостной фильтр + двухполупериодный выпрямитель» приводит лишь к
затягиванию интервала заряда конденсатора за счет ограничения резистором максимального тока. При этом
пропорционально снижается амплитуда импульсов тока через диоды выпрямителя, что в принципе неплохо. Но
значительно возрастают потери, поскольку ток через резистор в любом случае носит характер сравнительно
коротких импульсов и его среднеквадратичное значение уходит в облака. Тем не менее, для ограничения
импульсного тока диода применение RC-фильтров допускается для маломощных источников (менее 100 Вт), особенно
в случаях, когда не предъявляются жесткие требования к КПД [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного
электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с.].
Электрическая схема резистивно-емкостного фильтра представлена на рисунке FLTR.3.
Рисунок FLTR.3 — Электрическая схема резистивно-емкостного фильтра
Согласно определению коэффициент сглаживания K фильтра определяется по формуле:
где:
ΔVIN – амплитуда пульсации на входе;
ΔVOUT – амплитуда пульсации на выходе;
VIN – входное напряжение;
VOUT – выходное напряжение.
Если на вход фильтра поступает напряжение с выпрямителя, то амплитуда пульсации на входе ΔVIN
равна уровню входного напряжения VIN:
Отсюда соотношение для коэффициента сглаживания K приводится к виду:
Выходное напряжение RC-фильтра VOUT меньше входного за счет падения напряжения на сопротивлении
фильтра. Его среднее значение определяется выражением:
где:
Rf – сопротивление фильтра;
Iload_max – максимальный ток нагрузки.
Отсюда следует требование к величине сопротивления фильтра:
Последовательность расчета резистивно-емкостного сглаживающего фильтра представлена ниже [Гейтенко Е.Н.
Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448
с.]:
— определяем величину сопротивления фильтра:
где:
(VIN-VOUT) – разность между средними значениями входного VIN и выходного
напряженийVOUT. Рекомендуемое значение падения напряжения на резисторе
(VIN-VOUT) не должно превышать 1-5% от величины напряжения питания;
Iload_max – максимальный ток нагрузки.
— определяем минимальное эффективное сопротивление нагрузки как отношение минимального выходного напряжения VOUT_min к
максимальному току нагрузки Iload_max :
— задаемся требуемым значением амплитуды пульсаций ΔVOUT и рассчитываем коэффициент сглаживания K:
где:
ΔVOUT – амплитуда пульсации на выходе;
VOUT – выходное напряжение.
— рассчитываем величину емкости конденсатора фильтра по соотношению:
где:
K – коэффициент сглаживания;
m – фазность схемы (или число фаз выпрямления — количество полуволн на период, m зависит от схемы
выпрямителя: m=1 для однофазного однополупериодного выпрямителя, m=2 для однофазного двухполупериодного и
мостового выпрямителей, m=6 для трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова);
f – частота пульсаций входного напряжения;
Rf – сопротивление фильтра;
Rload – эффективное сопротивление нагрузки.
КПД фильтра определяется из соотношения:
RC-фильтры могут быть использованы как маломощные сглаживающие и помехоподавляющие фильтры. Использование
RC-фильтров в мощных цепях ограничено высокой рассеиваемой мощностью и значительным снижением выходного
напряжения. Поэтому в мощных цепях используют LC фильтры различных топологий.
Преимуществом использования RC-фильтров является низкий уровень электромагнитных помех, что улучает
ЕМС-совместимость. А также более низкая стоимость и габариты. Недостатками – снижение выходного напряжения,
значительное уменьшение КПД, проблемы нагрева и необходимости отвода значительной мощности, выделяющейся на
резисторе.
Индуктивно-емкостной фильтр (LC-фильтр)
LC-фильтры являются более эффективным типом фильтров по сравнению с RC-фильтрами. При этом простейший
LC-фильтр содержит два реактивных элемента и точный расчет данных фильтров является более сложным. Кроме
того объединение L и C всегда образует гремучую смесь в виде опасности резонанса и выбросов
перенапряжений.
Электрическая схема индуктивно-емкостного фильтра представлена на рисунке FLTR.4.
Рисунок FLTR.4 — Электрическая схема индуктивно — емкостного фильтра
Первым и базовым условием эффективного подавления пульсаций на частоте f является малое емкостное
сопротивление конденсатора фильтра ZCf (на данной частоте) по сравнению с эффективным
сопротивления нагрузки и наоборот большое индуктивное сопротивление дросселя ZLf (на данной
частоте) по отношению к нагрузке [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет.
Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с.]:
Таким образом, реактивные сопротивления индуктивности и емкости, по отношению к пульсации образуют делитель
напряжения, резко уменьшающий её амплитуду на выходе (на нагрузке).
Вторым условием оптимального сглаживания является обеспечение индуктивной реакции фильтра в диапазоне частоты
подавления пульсаций на частоте f. Физически это означает непрерывность тока через дроссель и выравнивание
тока протекающего через фильтр за счет его затягивания индуктивностью. Это приводит к устранению импульсного
характера тока, заряжающего конденсатор фильтра и соответственно к снижению потерь на ключевых элементах,
диодах, паразитных сопротивлениях. Кроме снижения потерь уменьшаются пульсации обусловленные падением
напряжения на ESR — последовательном паразитном сопротивлении конденсатора фильтра. Условием индуктивной
реакции является [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие.
— М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с. ; А.А. Ровдо. Полупроводниковые диоды и схемы с диодами. Лайт Лтд. 2000.
286 с.]:
где:
Linuct_min – минимальное значение индуктивности фильтра обеспечивающей
индуктивную реакцию фильтра;
m – фазность схемы (количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: выражение справедливо для
однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей — m=2 и для трехфазного мостового выпрямителя (схема
Ларионова) — m=6);
f – частота пульсаций входного напряжения;
Rload – эффективное сопротивление нагрузки;
Vout_rms – среднеквадратичное значение напряжения на нагрузке;
Iload_rms – среднеквадратичное значение тока нагрузки.
Коэффициент сглаживания LC-фильтра K (без учета активного сопротивления дросселя) рассчитывается по
соотношению:
где:
m – фазность схемы (количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: m=1 для однофазного
однополупериодного выпрямителя, m=2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей);
f – частота пульсаций входного напряжения;
Lf – индуктивность дросселя фильтра;
Cf – ёмкость конденсатора фильтра.
Поскольку LC-фильтр представляет собой соединение двух реактивных элементов, то существуют подводные камни,
способные стать причиной выхода фильтра из строя:
— резонансные явления;
— перенапряжения на конденсаторе при сбросе нагрузки;
— перенапряжения на конденсаторе при включении;
— броски тока при включении.
— Для устранения возможных резонансных явлений необходимо выполнение условия:
— Для устранения недопустимых перенапряжений на конденсаторе при сбросе нагрузки емкость должна быть
достаточно большой, чтобы поглотить избыточную энергию. Так, выброс напряжения на выходе фильтра,
обусловленный резким изменением тока нагрузки (сбросом или обрывом тока нагрузки)
∆Vload_OFF равен [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов; Под ред. А.А.
Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь
1993. — 232с.]:
где:
ΔIload – величина изменения тока нагрузки (принимается равной току нагрузки как крайнему случаю –
обрыву нагрузки фильтра);
Lf – индуктивность дросселя фильтра;
Cf – ёмкость конденсатора фильтра.
Это соотношение можно привести к виду:
Здесь выражение:
имеет смысл волнового сопротивления фильтра.
Отсюда следует требование к величине емкости фильтра:
Здесь ΔVload_max – максимально допустимая величина выбросов на нагрузке.
— Для расчета перенапряжения на конденсаторе, обусловленного коммутацией фильтра к сети
ΔVf_comm используют следующее соотношение [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф.
Колканов; Под ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для
вузов. — М.: Радио и связь 1993. — 232с.]:
где:
r – активное сопротивление первичного источника (источника до фильтра) включающее внутренне сопротивление
источника, сопротивление проводов, коммутационных и выпрямительных элементов и т.д.
VIN – амплитуда входного напряжения фильтра;
Lf – индуктивность дросселя фильтра;
Cf – ёмкость конденсатора фильтра.
— Для расчета броска тока через фильтр, обусловленного зарядом конденсатора при коммутации фильтра к сети
If_comm используют следующее соотношение [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф.
Колканов; Под ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для
вузов. — М.: Радио и связь 1993. — 232с.]:
где:
r – активное сопротивление первичного источника (источника до фильтра) включающее внутренне сопротивление
источника, сопротивление проводов, коммутационных и выпрямительных элементов и т.д. ;
VIN – амплитуда входного напряжения фильтра;
Iload – ток нагрузки;
Lf – индуктивность дросселя фильтра;
Cf – ёмкость конденсатора фильтра.
Последовательность расчета индуктивно — емкостного сглаживающего LC фильтра представлена ниже [Гейтенко Е.Н.
Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448
с.]:
— определяем максимальное эффективное сопротивление нагрузки Rload как отношение максимального
выходного напряжения VOUT_max к минимальному току нагрузки
Iload_min(наихудший случай):
— рассчитываем индуктивность фильтра исходя из условия обеспечения индуктивной реакции фильтра:
где:
Linuct_min – минимальное значение индуктивности фильтра обеспечивающей
индуктивную реакцию фильтра;
m – фазность схемы (количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: выражение справедливо для
однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей — m=2 и для трехфазного мостового выпрямителя (схема
Ларионова) — m=6);
f – частота пульсаций входного напряжения;
Rload – эффективное сопротивление нагрузки.
Рекомендуется выбирать значение Lf превышающее в 2-4 раза минимальное рассчитанное
значение Linuct_min.
— задаем коэффициент сглаживания Г-образного LC-фильтра K. Для выполнения условия отсутствия возникновения
резонанса — K > 3;
— рассчитываем величину емкости конденсатора фильтра по соотношению:
где:
m – фазность схемы (количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: m=1 для однофазного
однополупериодного выпрямителя, m=2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей);
f – частота пульсаций входного напряжения;
Lf – индуктивность дросселя фильтра;
Cf – ёмкость конденсатора фильтра.
— вычисляем величину перенапряжений на конденсаторе ΔVload_OFF при условии
полного обрыва нагрузки:
где величина изменения тока ΔIload равна номинальному току нагрузки Iload:
и
Lf – индуктивность дросселя фильтра;
Cf – ёмкость конденсатора фильтра.
— вычисляем величину перенапряжения на конденсаторе обусловленного коммутацией фильтра к сети
ΔVf_comm по соотношению [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов; Под
ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для вузов. — М.:
Радио и связь 1993. — 232с.]:
где:
r – активное сопротивление первичного источника (источника до фильтра) включающее внутренне сопротивление
источника, сопротивление проводов, коммутационных и выпрямительных элементов и т.д. ;
VIN – амплитуда входного напряжения фильтра;
Lf – индуктивность дросселя фильтра;
Cf – ёмкость конденсатора фильтра.
— выбираем максимальное из полученных величин перенапряжений и сравниваем сопоставляем его с максимальным
входным напряжением фильтра VIN . Если максимальное напряжение превышает это значение более чем
на 30% то рекомендуется увеличение номинала емкости. При выборе конденсатора его максимальное рабочее
напряжение должно быть превышать наибольшее из полученных значений
ΔVload_OFF и ΔVf_comm.
— оцениваем величину выбросов напряжения на нагрузке ΔVf_comm относительно
максимально допустимой величины. Если наблюдается превышение максимального порога, то выбирается большая
емкость конденсатора фильтра и расчет повторяют снова.
— дополнительно рассчитываем бросок тока через фильтр обусловленный зарядом конденсатора по следующему
соотношению [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов; Под ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников
электропитания устройств связи. Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь 1993. — 232с.]:
где:
r – активное сопротивление первичного источника (источника до фильтра) включающее внутренне сопротивление
источника, сопротивление проводов, коммутационных и выпрямительных элементов и т.д. ;
VIN – амплитуда входного напряжения фильтра;
Iload – ток нагрузки;
Lf – индуктивность дросселя фильтра;
Cf – ёмкость конденсатора фильтра.
— сравниваем полученное значение тока с максимально допустимым значением однократного импульсного тока через
элементы до фильтра (диоды выпрямителя и т.д.). Если полученная величина превышает данное значение, то
необходимо увеличить индуктивность дросселя и произвести перерасчет фильтра.
Помехоподавляющие фильтры
Помехоподавляющие фильтры предназначены для подавления высокочастотных составляющих напряжения сети питания.
Как правило, силовые помехоподавляющие фильтры стоят на входе источников питания и предназначены как для
подавления ВЧ-пульсаций как исходящих из сети, так и пульсаций, поступающих в сеть от блока питания.
Что такое ВЧ-помехи? Как они образуются и передаются? Зачем с ними нужно бороться?
Подавление ВЧ помех необходимо по ряду причин:
— обеспечение нормального электромагнитного фона внутри изделия, поскольку дополнительные высокочастотные
помехи, проходящие из сети по цепи питания или же генерируемые самой схемой способны вызвать наводки в цепях
управления способные стать причиной выхода устройства из строя. Кроме этого минимизация электромагнитного
фона крайне важна для обеспечения нормальной работы измерительной техники, акустических устройств Hi-Fi и
Hi-End класса и др.
— обеспечение существующих норм и стандартов по излучаемым в питающую сеть ВЧ-колебаний. Это особенно
актуально для устройств с импульсными источниками питания на входе.
— обеспечение совместимости и нормальной работы различных устройств подключенных к одной сети, например
мощного источника питания и аудиоусилителя;
— сглаживание высоковольтных выбросов напряжения в питающей сети.
Организация мер по подавлению ВЧ помех зависит от того какая из вышеприведенных причин является приоритетной.
Об этом подробнее ниже.
Источниками помех внутри устройства являются:
— коммутация активных элементов (транзисторы, тиристоры, электромагнитные реле, закрывающиеся диоды и
др.);
— скачкообразные изменения нагрузки;
— резонансные явления из-за паразитных элементов (звон паразитных LC-контуров и т.д.) [Векслер Г.С.,
Недочетов В.С. и др. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Киев: Тэхника. 1990. 167
с.].
Источниками помех вне устройства являются:
— соседние устройства, в особенности работающий рядом инверторный сварочный аппарат J;
— питающая сеть (пресловутые 50 Гц);
— беспроводные сети (Wi-Fi и т.д.);
— мобильная техника и т.д.
Источники распространяют помехи по одному из нижеперечисленных путей или по обоим одновременно.
Существуют два пути распространения помех:
— кондуктивные помехи – помехи, распространяющиеся в проводящей среде. Иными словами помехи,
распространяющиеся по проводникам внутри схемы;
— распространение помех за счет электромагнитных волн в пространстве. Этот вид путей распространения помех
включает существующие емкостные (между площадками и «антенками») и магнитные связи (между контурами). Иными
словами распространение помех осуществляется через пространство или, кому как удобнее, эфир являющийся
проводником для распространения электромагнитных возмущений.
Различают два вида кондуктивных помех:
— дифференциальные помехи – пульсации напряжения, возникающие между двумя шинами питания. То есть контур
протекания тока помехи ограничен контуром токопроводящих шин внутри устройства. С этими помехами бороться
проще.
— синфазные помехи — пульсации напряжения, возникающие между любой из шин питания и общим проводом (землей).
Иными словами потенциал всех шин питания одновременно «осциллирует» относительно уровня земли. В этом случае
контур протекания тока помехи замыкается на корпус устройства за счет емкостной связи, и контур,
охватываемый током, получается «объемным». С этими помехами бороться несколько сложнее.
Для подавления кондуктивных помех используют помехоподавляющие фильтры. Для подавления помех
распространяющихся за счет электромагнитных волн используют электромагнитное экранирование.
Характерные параметры помехоподавляющих фильтров:
— рабочий ток;
— частотный диапазон;
— вносимое затухание.
Основные типы входных помехоподавляющих пассивных фильтров
Пассивные помехоподавляющие фильтры широко применяются в различных источниках питания [Векслер Г.С.,
Недочетов В.С. и др. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Киев: Тэхника. 1990. 167 с.]
благодаря своей простоте и надежности.
Помехоподавляющие фильтры должны пропускать постоянный ток или ток низкой частоты (50 Гц) и блокировать
высокочастотные помехи. В зависимости от назначения и используют:
— емкостные фильтры;
— индуктивные фильтры;
— индуктивно-емкостные фильтры.
На рисунке FLTR.5 представлены электрические схемы емкостных фильтров, предназначенные для подавления только
несимметричных (FLTR.5а), только симметричных (FLTR.5б) и обоих типов помех одновременно (FLTR.5в).
Рисунок FLTR.5 — Емкостные помехоподавляющие фильтры
а – подавление несимметричных помех (конденсаторы Cy);
б — подавление симметричных помех (конденсаторы Cx);
в – комбинированное включение — подавление симметричных и несимметричных помех.
На рисунке FLTR.6 представлены электрические схемы индуктивных помехоподавляющих фильтров. Развязанные
дроссели на прямом и обратном пути тока подавляют как симметричные, так и несимметричные помехи (рисунок
FLTR.6а).
Сдвоенный дроссель с синфазным включением обмоток (рисунок FLTR.6б) эффективно подавляет помехи, ток которых
проходит через обмотки в одном направлении (несимметричные, но одинаковые по амплитуде тока); Для
симметричных помех – эта схема представляет собой только индуктивность рассеяния (связи между обмотками).
Преимущество схемы – в сетях переменного тока исключается подмагничивание рабочим током.
Сдвоенный дроссель с противофазным включением обмоток (рисунок FLTR.6в) эффективно подавляет помехи, ток
которых проходит через обмотки в противоположных направлениях (симметричные, но одинаковые по амплитуде
тока). Для данной схемы общая индуктивность дросселя для симметричных помех в четыре раза превышает
индуктивность отдельно взятой обмотки [Векслер Г.С., Недочетов В.С. и др. Подавление электромагнитных помех
в цепях электропитания. Киев: Тэхника. 1990. 167 с.]. Таким образом, резко уменьшаются массогабаритные
параметры фильтра. Недостатком является значительное падение напряжения на фильтре, вследствие чего эта
схема фильтра используется крайне редко.
Индуктивно-связанные дроссели (рисунок FLTR.6 б, в) позволяют снизить падение напряжения на фильтре и
уменьшить потери.
Рисунок FLTR.6 — Индуктивные помехоподавляющие фильтры
а – развязанные дроссели на прямом и обратном пути тока;
б – сдвоенный дроссель с синфазным включением обмоток;
в – сдвоенный дроссель с противофазным включением обмоток.
На основе представленных схем емкостных и индуктивных фильтров строят индуктивно-емкостные фильтры или просто
LC-фильтры. Однозвенные LC-фильтры делятся на:
— Г-образные фильтры;
— П-образные фильтры;
— Т-образные фильтры.
На рисунке FLTR.7 показаны примеры всех трех топологий однозвенных LC фильтров с использованием конденсаторов
подавления несимметричных помех и сдвоенных дросселей с синфазным включением обмоток.
Рисунок FLTR.7 — Однозвенные индуктивно-емкостные помехоподавляющие фильтры
а – Г-образный LC-фильтр;
б – Т-образный LC-фильтр;
в – П-образный LC-фильтр.
Многозвенные фильтры
Для улучшения помехоподавления используют комбинацию различных типов фильтров. Пример эволюции построения
фильтров представлен на рисунке FLTR.8.
Рисунок FLTR.8 — Эволюция однозвенных индуктивно-емкостных помехоподавляющих фильтров
а – Г-образный LC-фильтр с конденсатором подавления несимметричных помех;
б – Т-образный LC-фильтр с конденсаторами подавления несимметричных и несимметричных помех;
в – Т-образный LC-фильтр с конденсаторами подавления несимметричных и несимметричных помех;
г – Т-образный LC-фильтр с конденсаторами подавления несимметричных и несимметричных помех.
Та или иная последовательность и комбинация отдельных простых фильтров в многозвенном составном фильтре
выбирается в соответствии с решаемыми задачами. Однако в любом случае важно, чтобы фильтр содержал как
емкостные, так и индуктивные элементы. И был симметричным по отношению к прохождению помех (туда и
обратно).
Необходимо отметить, что если сеть не предусматривает «земляного» провода, то подавление несимметричных помех
с помощью емкостных звеньев фильтра неэффективно.
Расчет вносимого затухания
Расчет вносимого фильтром затухания проводится отдельно для симметричных и отдельно для несимметричных
помех.
Таблица FLTR.1 — Затухание различных типов фильтров
Расчет полного сопротивления элементов электромагнитных фильтров
Таблица FLTR.2 — Полное сопротивление элементов электромагнитных фильтров
12.12.2012 00:00
Переменный ток идеально выпрямить нельзя, поэтому на выходе любого выпрямителя присутствуют пульсации с частотой 50 Гц или 100 Гц. Пульсации вредно отражаются на работе питаемого устройства, и поэтому их уровень необходимо снижать. Эту задачу и выполняют сглаживающие фильтры.
Сглаживающий фильтр — это устройство, позволяющее уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.
Основным из параметров сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания (фильтрации), который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе (рис.1):
Рис.1. Процесс фильтрации
Качество сглаживающих свойств фильтров (коэффициент сглаживания) можно оценить по следующей формуле:
где S — коэффициент сглаживания,
Kп.вх — коэффициент пульсации на входе,
Kп.вых — коэффициент пульсации на выходе.
Для удовлетворения фильтрующих свойств необходимо выполнение условий: U12<11, U02 приблизительно равно U01.
Коэффициент сглаживания учитывает подавление пульсаций и передачу постоянной составляющей U. Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что Uвх приблизительно равно Uн).
Фильтры можно классифицировать следующим образом:
1. По частотному составу различают:
а) низкочастотные
б) высокочастотные
2. По принципу действия:
а) пассивные
б) активные
3. По степени сложности:
а) простые (однозвенные)
б) сложные (многозвенные или резонансные);
4. По конструктивному исполнению:
а) LC-фильтры
б) RC-фильтры.
При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности:
— минимальная стоимость;
— минимальная масса;
— минимальные габариты;
Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.
Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр). Или можно включить дроссель, но уже последовательно с сопротивлением нагрузки (индуктивный фильтр). При этом, дроссель можно заменить на волновое сопротивление.
Комбинация этих элементов дает еще больший эффект сглаживания. Варианты построения различных типов фильтров приведены на рисунке 2.
Рис.2. Сложные (многозвенные) фильтры.
Рассмотрим работу устройства на примере емкостного фильтра. Как же происходит сглаживание пульсаций? Давайте посмотрим на форму выходного напряжения, например, однополупериодного выпрямителя без фильтра, показанную на рисунке 3:
Рис.3. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя без фильтра
На рисунке Uср — это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное – на диаграмме присутствуют большие пульсации. Теперь подсоединим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано на рисунке 4:
Рис.4. Подсоединение фильтра Сф относительно нагрузки Rн
При подключении осциллографа параллельно нагрузке выпрямителя получим следующую диаграмму работы выпрямителя с С-фильтром (рис. 5):
Рис.5. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром
Рассмотрим полученную диаграму выходного напряжения выпрямителя. Красным цветом показана работа конденсатора в качестве сглаживающего фильтра (пилообразное напряжение). Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться (в момент прихода полуволны) — короткий отрезок пилообразного напряжения на рисунке. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку — длинный отрезок «пилы». При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Таким образом, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср — выше. В данной схеме размах амплитуды пилообразного напряжения (а это тоже пульсации), напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.