3.5 Сглаживающие фильтры

Назначение сглаживающего фильтра – подавить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Наиболее трудно подавить первую гармонику, поэтому в дальнейшем будем говорить о ее подавлении.

В ведем понятие коэффициента фильтрации как меру ослабления переменной составляющей

Однако, более полно, с учетом степени ослабления постоянной составляющей, более полно оценивает свойства фильтра коэффициент сглаживания

Требования к фильтрам:

• обеспечение заданного коэффициента фильтрации без заметного (не более 10%) ослабления постоянной составляющей;

• отсутствие искажений, вносимых в работу потребителя;

• отсутствие недопустимых перенапряжений и сверхтоков во время переходных процессов;

• обеспечение приемлемых габаритов, массы, стоимости;

• высокая надежность.

3.5.1 Схемы цепочечных фильтров и их характеристика

На рисунке 35 представлены некоторые варианты цепочечных сглаживающих фильтров.

Рисунок 35. Схемы цепочечных фильтров

Простейший из фильтров – емкостной. Чтобы обеспечить хорошую фильтрацию емкость фильтра должна быть достаточно большой. Если сопротивление конденсатора первой гармонике пульсаций хотя бы в 10 раз меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент фильтрации в худшем случае будет не больше 20%. Отсюда может быть рассчитана минимальная величина емкости конденсатора.

Рассмотрим Г-образный фильтр (рис. 36)

Рисунок 36. Обобщенная схема Г-образного фильтра

Коэффициент фильтрации равен

Т.к. , то .

Откуда следует, что в последовательной ветви должна стоять катушка индуктивности, а в параллельной – конденсатор. LC-фильтр применяется в том случае, если сопротивление конденсатора переменному току хотя бы в 5 раз меньше сопротивления нагрузки, и при этом габариты конденсатора еще не велики. В противном случае применение емкости себя не оправдывает и следует применять индуктивный фильтр. Это очевидно при малых сопротивлениях нагрузки. При нагрузках в десятки килоом и выше применяют RC-фильтр. В этом случае емкость может быть небольшой, а сопротивление фильтра достигать величины нескольких килоом, что даст допустимое ослабление постоянной составляющей и достаточное ослабление переменной составляющей. Резонансный фильтр использует резонансные свойства последовательного и параллельного контура: параллельный колебательный контур обеспечивает большое сопротивление переменному току при резонансе, а последовательный – малое. Эти фильтры применяются соответственно при высокоомной и низкоомной нагрузке.

3.5.2 Электронные фильтры

Дроссель фильтра имеет большие габариты и вес. В электронном фильтре дроссель отсутствует. Его может заменить транзистор. Рассмотрим выходную характеристику транзистора (рис. 37)

Рисунок 37. Выходная характеристика транзистора

Если рабочая точка выбрана на середине пологого участка ( )0, то даже при больших изменения напряжения на коллекторе ток коллектора будет изменяться мало. Если нагрузку включить в цепь коллектора, то пульсации в нагрузке будут незначительны. На рисунке 38 представлена принципиальная схема транзисторного фильтра.

Рисунок 38. Схема транзисторного фильтра

Для уменьшения пульсаций на нагрузке во входную цепь транзистора включены два фильтра. RC Г-образный фильтр, во-первых, обеспечивает режим работы по постоянному току, т.е. задает рабочую точку, а во-вторых, уменьшает уровень переменной составляющей на входе транзистора, а, следовательно, и на его выходе. Сопротивление Rэ также улучшает фильтрацию, но ослабляет прохождение постоянной составляющей. Ориентировочно коэффициент фильтрации этой схемы имеет значение

Для хорошего сглаживания следует выбирать транзистор с большим β. Рассматриваемую схему можно улучшить, введя обратную связь по напряжению (рис. 39) или включить нагрузку в цепь эмиттера (рис. 40)

Рисунок 39. Схема с обратной связью по напряжению

Рисунок 40. Схема с нагрузкой в цепи эмиттера

Т .к. коэффициент передачи этой схемы <1, следовательно, значительно меньше сказываются пульсации, прошедшие через фильтр (усилитель). Анализ показывает, что в этой схеме действует так, как действовала бы

емкость ,т.е. очень большой величины, поэтому емкость

не ставится. Еще больший эффект создает применение составного

транзистора, для которого (рис. 41).

Рисунок 41. Фильтр с составным транзистором.

3.5.3 Неустановившийся режим в выпрямителе с фильтром

Включение и выключение выпрямителя с фильтром, изменение нагрузки, сопровождаются переходными процессами, которые могут характеризоваться большими токами (сверхтоки) и напряжениями (перенапряжения). Сверхтоки и перенапряжения могут привести к выходу из строя как самого фильтра, так и питаемую аппаратуру. Основное влияние в переходных процессах оказывает постоянная составляющая. Рассмотрим переходные процессы при подключении фильтра к источнику .

Рисунок 42. Эквивалентная схема

П ереходные процессы в схеме описываются известным уравнением

Обычно , , , .

Решение этого уравнения

Где .

На рисунке 43 представлены временные зависимости тока и напряжения в переходном режиме

Рисунок 43. Временные зависимости тока и напряжения в переходном режиме.

П ри ток максимален.

При этом максимума напряжение достигает при

П редельное значение . Для уменьшения перенапряжения надо увеличивать или уменьшать ρ. Но малое ρ приводит к значительным сверхтокам. Выбор должен быть оптимальным Обычно выбирают перенапряжения порядка 20%.

Во время включения мощных выпрямителей с целью уменьшения перенапряжений и сверхтоков применяют пусковые реостаты или автотрансформаторы.