Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Исследование СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРов

Методические указания к лабораторной работе по курсам: «Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств», «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» для студентов всех форм обучения направления 552500 – Радиотехника, направления 654200 – Радиотехника по специальности 200700 – Радиотехника, направления 654400 – Телекоммуникация по специальностям: 200900 – Сети связи и системы коммутации; 201200 – Средства связи с подвижными объектами

Екатеринбург

2005

УДК 621.381

Составители: Н.С. Устыленко, В.И. Елфимов, А.А. Дурнаков

Научный редактор доц., канд. техн. наук А.А. Калмыков

Исследование сглаживающих фильтров: Методические указания к лабораторной работе по курсам: «Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств», «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» для студентов всех форм обучения направления 552500 – Радиотехника, направления 654200 – Радиотехника по специальности 200700 – Радиотехника, направления 654400 – Телекоммуникация по специальностям: 200900 – Сети связи и системы коммутации; 201200 – Средства связи с подвижными объектами / Н.С. Устыленко, В.И. Елфимов, А.А. Дурнаков. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. 36 с.

Методические указания содержат описание принципа действия пассивных и активных сглаживающих фильтров. Рассматриваются основные схемы: простые пассивные LR- и CR – сглаживающие фильтры; сложные пассивные Г-образные и П-образные схемы сглаживающих фильтров; активные последовательные транзисторные сглаживающие фильтры; активные параллельные транзисторные сглаживающие фильтры; активные сглаживающие фильтры в интегральном исполнении. Для пояснения принципа действия сглаживающих фильтров приводятся соответствующие временные диаграммы и расчетные соотношения. Представляется лабораторное задание с указанием порядка выполнения экспериментальной части; требования к оформлению отчета по лабораторной работе; вопросы для самопроверки; образец титульного листа отчета; библиографический список.

Библиогр.: 7 назв. Табл. 4. Рис. 10. Прил. 2.

Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем».

© ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2005

1. Цель лабораторной работы

Ознакомиться с работой основных схем сглаживающих фильтров: простой пассивный LR-фильтр; простой пассивный CR-фильтр; сложный пассивный Г-образный LC-фильтр; сложный пассивный П-образный LC-фильтр; их характеристиками, параметрами и методами проектирования. Экспериментально исследовать схемы сглаживающих фильтров, получить навыки проектирования и расчета параметров различных сглаживающих фильтров.

2. Устройство и принцип действия сглаживающих фильтров

1. Определение, классификация и параметры сглаживающих фильтров

Сглаживающими фильтрами схем выпрямления называются устройства, предназначенные для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения (пульсаций) до величины, при которой обеспечивается нормальная работа питаемой радиоаппаратуры.

Переменная составляющая выпрямленного напряжения в общем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с различными амплитудами, сдвинутых по отношению к первой гармонике на разные углы. При этом амплитуда гармоники низшей (основной) частоты имеет максимальную величину и во много раз превосходит амплитуды высших гармоник.

Различные виды радиотехнической аппаратуры предъявляют различные требования к величине и характеру пульсаций выпрямленного напряжения.

Для всех видов радиоэлектронной аппаратуры качество сглаживания характеризуется величиной максимально допустимой амплитуды переменной составляющей. Поэтому фильтры схем выпрямления, предназначенных для питания радиоэлектронных устройств и систем, следует рассчитывать на максимальное подавление основной гармоники низшей частоты, имея в виду, что гармоники более высоких частот будут сглаживаться фильтрами значительно более эффективно.

Таким образом, основным требованием к фильтру является заданная величина его коэффициента фильтрации либо для гармоники наиболее низкой частоты, либо для отдельных гармоник, содержащихся в выпрямленном напряжении.

Однако этим не исчерпываются требования к фильтрам. Дополнительными требованиями к ним являются:

1. минимально возможное падение постоянной составляющей напряжения на элементах фильтра;

2. отсутствие заметных искажений, вносимых в работу потребителя;

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

з)

и)

к)

л)

м)

н)

Рис.1. Основные схемы пассивных сглаживающих фильтров

3. отсутствие недопустимых перенапряжений и сверхтоков при переходных процессах;

4. минимальные габаритные размеры, вес и стоимость;

5. высокая надежность.

В соответствии с существующей классификацией все сглаживающие фильтры можно разделить на группы:

• пассивные сглаживающие фильтры:

- простые пассивные сглаживающие фильтры (LR-фильтр, CR-фильтр);

- сложные пассивные сглаживающие фильтры (Г-образные LC- и RC- фильтры; П-образные LC- и RC- фильтры; однозвенные фильтры; многозвенные фильтры; резонансные фильтры и др.);

• активные сглаживающие фильтры:

- транзисторные сглаживающие фильтры;

- активные сглаживающие фильтры на интегральных микросхемах.

Основные схемы пассивных сглаживающих фильтров приведены на рис.1. На рис. 1 буквами обозначены: а – индуктивный; б – емкостный ; в – индуктивно-емкостный Г - образный; г – активно-емкостный; д – индуктивно-емкостный П-образный; е – активно-емкостный П-образный; ж - двухзвенный индуктивно-емкостный; з – двухзвенный активно-емкостный; и – двухзвенный индуктивно-емкостный с емкостным входом; к – двухзвенный активно-емкостный с емкостным входом; л - двухзвенный индуктивно-емкостный с компенсацией переменной составляющей на выходе; м – резонансный, с параллельным резонансным контуром; н - резонансный, с последовательным резонансным контуром. Из рис.1 можно выделить:

1. фильтры, состоящие из одного элемента, - индуктивные (L) и емкостные (С);

2. фильтры, состоящие из двух элементов (Г – образные), - индуктивно-емкостные (LC) и активно-емкостные (RC);

3. сложные фильтры, состоящие из различных комбинаций первой и второй групп, - П-образные (CLC и CRC) и многозвенные(LC и RC);

4. фильтры с параллельными и последовательными резонансными контурами;

5. фильтры с компенсацией переменной составляющей на выходе фильтра.

Для определения параметров сглаживающих фильтров введем обозначения:

• на входе сглаживающего фильтра: U′₀ - среднее значение выпрямленного напряжения; U′_п - амплитуда переменной составляющей входного напряжения; Kп вх – коэффициент пульсации;

• на выходе сглаживающего фильтра: U₀ - постоянная составляющая выходного напряжения; U_п - амплитуда переменной составляющей выходного напряжения; Kп вых – коэффициент пульсации.

Вводят следующие параметры сглаживающих фильтров:

1. Коэффициент затухания Kз – это есть отношение постоянной составляющей напряжения на входе сглаживающего фильтра к постоянной составляющей напряжения на выходе сглаживающего фильтра

Kз = U′₀ / U₀ . (1)

Для маломощных пассивных сглаживающих фильтров обычно Kз = (1,05 – 1,1), а для сглаживающих фильтров большой мощности требуется, чтобы коэффициент затухания не превышал значений Kз = (1,005 – 1,01).

2. Коэффициент сглаживания K_сгл – это есть отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе сглаживающего фильтра

Kсгл = Kп вх / Kп вых. (2)

Коэффициент сглаживания должен быть много больше единицы. Иногда сглаживающие действия фильтра оценивают коэффициентом фильтрации, под которым понимается отношение амплитуды переменной составляющей напряжения на входе сглаживающего фильтра к амплитуде переменной составляющей напряжения на его выходе. В этом случае можно записать:

Kсгл = Kф∙Kз, (3)

где Kф = U′_п / U_п - коэффициент фильтрации.