3.3.5. Згладжуючі фільтри

Форма напруги на виході випрямлячів не є достатньо гладкою й характеризується пульсаціями, зумовленими наявністю у випрямленій напрузі вищих гармонік, їх вплив (кількісна характеристика) визна­чається коефіцієнтом пульсацій К_п. Сучасні пристрої електроніки вимагають такий рівень пульсацій випрямленої напруги, який харак­теризується К_п = 10^-2 10^-4 . Тому, для зниження рівня пульсацій, використовують згладжуючі фільтри, основною характеристикою яких є коефіцієнт згладжування

, (3.3.20)

де К_{п вх}, К_{п вих} - коефіцієнти пульсацій випрямленої напруги на вході та виході фільтра відповідно.

За принципом роботи та схемним рішенням згладжуючі фільт­ри поділяються на пасивні та активні (електронні).

Пасивні згладжуючі фільтри. Пасивні згладжуючі фільтри базуються на фізичних властивос­тях пасивних елементів. Найширше використовуються схеми фільт­рів: типу «С»; типу «L» і типу «LC» або їх комбінації (рис. 3.3.8).

Робота фільтра типу «С» (рис. 3.3.8, а) базується на властивості єм­ності нагромаджувати електричну енергію та явищі заряду-розряду конденсатора. Конденсатор заряджається тоді, коли вхідна напруга U_вх більша, ніж напруга на конденсаторі U_вих і розряджається через опір навантаження за умови U_вх< U_вих(рис. 3.3.9, а).

Фільтр типу «С» застосовують у схемах випрямлячів з потужніс­тю навантаження Р_А < 300 Вт. Коефіцієнт пульсацій випрямленої на­пруги на виході такого фільтра за умови, що τ_роз >10Т, (Т— період змінної складової) визначається за формулою

, (3.3.21)

д

У разі використання фільтра типу «С» необхідно враховувати, що під час заряду конденсатора струм діода обмежується тільки опором вторинної обмотки трансформатора (опір діода у відкритому стані є дуже малий). Тому, з метою обмеження величини струму послідовно до діода, вмикають додатковий резистор.

е τ_роз — стала часу розряду конденсатора; f - частота основної гармоніки випростаної напруги; R_H -- опір навантаження; С_ф — єм­ність фільтра.

L_ф

U_вх С_ф U_вих U_вх U_вих

а) б)

L_ф R_ф

U_вх С_ф U_вих U_вх С_ф U_вих

в) г)

Рис. 3.3.8. Схеми пасивних фільтрів: а – С-фільтр; б – L-фільтр;

в- LC–фільтр (Г-подібний); г – RC–фільтр (Г-подібний)

Для споживачів потужністю, більшою ніж 300 Вт, застосовують фільтр типу «L» (рис. 3.3.8, б). Послідовне з'єднання елементів Lф і R_H зумовлює відставання за фазою струму I_сп відносно напруги U_вх. Для збільшення ефективності згладжування використовують індук­тивності з феромагнітним осердям. Індуктивність нагромаджує магнітну енергію, що веде до збільшення тривалості проходження струму порівняно з тривалістю додатної напруги на діоді (рис. 3.3.9, б). Внаслідок цього зменшуються пульсації випрямленої напруги на на­вантаженні, а коефіцієнт згладжування у цьому випадку визначається за виразом

, (3.3.22)

де L_ф — індуктивність фільтра.

Ефективність роботи такого фільтра визначається співвідношен­ням ωL_ф >>R_н. Тому ці фільтри рекомендується використовувати у схемах трифазних випрямлячів, які характеризуються великими струмами навантаження.

Рис.3.3.9. До пояснення роботи С-фільтра і L-фільтра.

Ефективніше зменшити пульсації випрямленої напруги можна за допомогою фільтра типу «LC». Такі фільтри використовують, коли опір навантаження дорівнює десяткам або сотням Ом. їх принцип ро­боти базується на одночасному використанні згладжуючих власти­востей ємності та індуктивності. За схемною реалізацією поділяються на Г- подібні та П-подібні (рис.3.3.10).

Для фільтра типу «LC» (Г-подібний фільтр) коефіцієнт згладжу­вання визначають за виразом q = (4πf)²L_фС_ф-1, де f – частота основної гармоніки.

L_ф L_ф

U_вх С_ф U_вих U_вх С_ф1 С_ф2 U_вих

а) б)

Рис. 3.3.10. LC – фільтри: Г-подібний (а); П-подібний (б)

У разі вибору параметрів LC-фільтра рекомендується використо­вувати такі співвідношення:

;

Для ефективнішого згладжування використовуються П-подібні фільтри, які називають багатоланковими (рис.3.3.10,6). Такі фільтри роз­глядають як ємнісний (С_ф1) і Г-подібний (L_фС_ф2), а коефіцієнт згла­джування визначається q_п = q_сq_г. Для інженерних розрахунків корис­туються такою рекомендацією: якщо R_н>1кОм, то використовують П-подібний фільтр типу CRC (замість ланки L_ф рис. 3.3.10,б використо­вується R_ф), а якщо менше, то — фільтр типу CLC.

Для малопотужних випрямлячів використовують RC-фільтри. За умови Х_сф < R_ф змінна складова струму І_сп зменшується, чим дося­гається згладжування випрямленої напруги.

Коефіцієнт згладжування такого фільтра

q = (0,50,9) 4πfR_фС_ф?

а опір фільтра R_ф вибирають за умовою

.

Активні згладжуючі фільтри. В сучасних пристроях електроніки використовуються фільтри, в яких основним елементом є транзистор. Відповідно, такі фільтри на­зивають електронними або активними.

Робота транзисторного фільтра базується на відмінності за вели­чиною опору транзистора для постійної та змінної складових струму колектора. Режим транзистора визначається робочою точкою, яку вибирають на горизонтальній ділянці вихідної характеристики I_K(U_KE) (рис. 3.3.11). Тоді опір постійному струму (статичний опір) є незначний, а опір змінній складовій струму (динамічний опір) — набагато більший. Враховуючи, що то при цьому досягається зменшення пульсацій в 35 разів. Тобто ро­бота такого фільтра подібна до роботи фільтра типу «L».

С хеми фільтрів поділяють за способом вмикання навантаження, а саме, послідовно та паралельно до фільтра. Послідовне ввімкнення електронних фільтрів рекомендується для випрямлячів з випрямною напругою 300400 В, а паралельне ввімкнення — для випрямлячів з напругою 010 В.

Розглянемо роботу активного фільтра на прикладі схеми з послі­довним вмиканням навантаження до фільтра (рис. 3.3.12, а). Для того, щоб вищі гармоніки вхідного сигналу не проходили через перехід емітер-база й не підсилювались транзистором, вхідний струм фільт­рується ланкою C_бR_б. Резистор R_E і вхідний опір транзистора також є ланкою фільтра. Завдяки від'ємному зворотному зв'язку за струмом отримуємо згладжуючу дію конденсатора С_Б і резистора R_E. Вра­ховуючи, що R_д »R_ст, то відповідно і спад напруги від змінної складо­вої струму буде більшим.

Необхідною умовою роботи такого фільтра є наявність RC- ланки, стала часу якої повинна бути набагато більшою за період пульсацій основної гармоніки випрямленої напруги C_бR_б>>Т⁽¹⁾.

R_E VT

На рис.3.3.12, б показано схему паралельного вмикання активного фільтра. Резистор R_Б1 призначений для задання робочої точки транзистора. Через елементи С_Б, R_Б проходить змінна складова струму бази, яка підсилюється транзистором і виділяється на резисторі R_ф. оскільки струм колектора зсунений за фазою щодо струму бази на π, то напруга на резисторі R_ф є в протифазі до змінної складової вхідної напруги. В результаті змінна складова напруги на навантаженні значно послаблюється.

C_Б

U_вх С₁ R_н U_вих

R_Б

а)

R_ф

С_ф R_Б1

R_Б2 VT R_н U_вих

б)

Рис. 3.3.12. Схеми транзисторних фільтрів

з послідовним (а) та паралельним (б)

вмиканням навантаження