2.6.3 Электронные фильтры

Сглаживающие LC- фильтры чаще применяются в выпрямителях большой мощности и средней. При большой мощности выпрямителя величина индуктивности дросселя получается сравнительно малой. В выпрямителях малой мощности объём и масса дросселя становится

70

соизмеримой с объёмом и массой трансформатора. Дроссель приходится изготавливать с немагнитным зазором, что увеличивает магнитное поле рассеивания и является источником помех.

Электронные фильтры строятся на лампах, транзисторах и микросхемах. Для фильтрации выпрямленного тока удобны миниатюрные транзисторные фильтры. В зависимости от места включения потребителя эти фильтры делятся :

• ФК ( потребитель - в цепи коллектора ) ;

• ФЭ ( потребитель - в цепи эмиттера );

• ФП ( потребитель – параллельно).

В зависимости от подачи смещения различают фильтры с фиксированным и автоматическим смещением. В транзисторных фильтрах последовательно с нагрузкой включается регулирующий транзистор, выполняющий роль дросселя, так как транзистор имеет дифференциальное сопротивление, на определённом участке характеристики, во много раз больше статического сопротивления.

Фильтр типа ФК. электрическая схема фильтра типа ФК представленная на рисунке 2.35. Данная схема состоит из элементов : фильтрирующих конденсаторов С₁ и С₃, резистора R₂ - служащего для выбора рабочей точки на характеристике, цепочки R₁C₂ и регулирующего транзистора VT.

Принцип работы. Ток коллектора I_к транзистора, равный току нагрузки I_н, почти не зависит от потенциала коллектора U_кэ и в основном определяется током эмиттера I_э. Для рабочей точки А (рисунок 2.36 ) сопротивление транзистора постянному току I_н = I_к равно r_ст = U_кэ/I_о и составляет несколько десятков Ом. Если Iэ=пост, то любое изменение напряжения на коллекторе ведёт к перемещению точка А по характеристики. При этом сопротивление коллектора переменной составляющей тока равно R_к = ∆U_кэ/ ∆I_к, что составляет несколько килоом.

а) б)

а- с фиксированным смещением ;

б- с автоматическим смещением

Рисунок 2.35 - Электрические схемы фильтров типа ФК

Для поддержании I_э=пост. в схеме предусмотренна цепочка R₁C₂, имеющая большую постоянную времени. В этом случае ток I_э= U_с2 / R₁ за

71

время одного периода почти не изменяется. Однвко наличие R₁ в схеме уменьшается его КПД примерно на 20%.

Рисунок 2.36 - Коллекторная характеристика транзистора

В схемах фильтра с фиксированным смещением выходного напряжения Uвых будет изменяться с изменением температуры и тока нагрузки. Фильтр с автоматическим смещением обеспечивает компенсацию этих возмущений, но значительно меньший коэффициент фильтрации.

Недостатки присущие фильтрам ФК, являются :

• малый КПД ;

• большое выходное сопротивление Zвых ;

• изменение выходного напряжения при изменении нагрузки.

Фильтр типа ФЭ. Схема транзисторного фильтра представленна на рисунке 2.37. Данная схема представляет собой эмиттерный повторитель, выходное сопротивление которого мало (от десятых до единиц Ома ), поэтому такой фильтр менее чувствителен к изменениям нагрузки. Так как база транзистора соединена с коллектором через резистор R, то схема имеет автоматическое смещение, устойчиво работает при изменении температуры внешней среды и не требует тщательной подготовки режима. Иногда в этих схемах конденсатор параллельно нагрузке не ставят, так как конденсатор С в цепи базы транзистора оказывает фильтрирующие свойства при колебаниях тока нагрузки.

Рисунок 2.37 - Электрическая схема фильтра типа ФЭ

72

Принцип работы. Переменная составляющая входного напряжения протекает по следующим путям. Первый путь – это фильтрирующее звено RС, через которое переменная составляющая попадает на базу тарнзистора VT. Второй путь- через коллекторное сопротивление и конденсатор С. Третий путь – это через эмиттерное сопротивление к нагрузке. Поскольку всегда выполняется условие

(h_11э) << R_н , 1/w_п·C < (h_11э), ( 2.37 )

то можно считать, что практически весь ток, прошедший через выходную цепь транзистора попадает в базовую ( входную) цепь транзистора.

Для повышения КПД фильтра желательно иметь напряжение U_кэ небольшой величины. Небольшая величина напряжения U_кэ транзистора должна быть досттаточной для компенсации изменения входного напряжения из-за пульсации. По этому и получается выбирать величину резистора R небольшой величины, но при условии фильтрации требуется выбирать величину ёмкости большой величины.

При токах, начиная с десятых ампера и выше, фильтрация в фильтре резко падает.Для повышения коэффициента сглаживания в схемах применяют двухзвенные цепочку в фильтре ФЭ.

Фильтр типа ФП. При малых напряжениях и больших токах (при малых R_н) можно применять транзисторный фильтр (рисунок 2.38 ) с параллельным включением транзистора, который заменяет ёмкость активно - ёмкостного фильтра.

Рисунок 2.38 - Электрическая схема фильтра ФП

В схеме на рисунке 2.38 смещение на базу транзистора подается через резистор R₂. Переменная составляющая пульсации на базу транзистора подается через цепочку R₁С₁. Нагрузкой транзистора является резистор R₃, на который подается выделенная усиленная переменная составляющая в противофазе с напряжением пульсации на входе схемы. Эти два напряжения компенсируют друг друга, если они равны. Если первое напряжение будет

73

больше второго, то будет перекомпенсация напряжения, а если меньше то недокомпенсация.

Достигнуть полной компенсаци при изменении входного напряжения из-за нестабильности параметров транзистора практически невозможно.Поэтому достижимый коэффициент сглаживания таких фильтров значительно меньше теоретического.

В фильтрах типа ФП через транзистор протекает постоянный ток, значительно меньше по величине тока нагрузки, поэтому часто можно обходится транзисторами без теплоотводов. Данные фильтры не боятся коротких замыканий, но при снятии нагрузки транзистор может перегружаться.

В связи с тем, что часть выпрямленного напряжения падает на последовательном включенном транзисторе, а в параллельно включенном транзисторе для своей работы потребляет часть выпрямленного тока, то КПД фильтра ФП составляет порядка 40…60%.

Дополнительный материал к лекции 18 для самостоятельной работы

Переходные процессы в фильтрах

Переходные процессы при включении выпрямителя. Включение и отключение выпрямителя с фильтром со стороны питающей сети, а также полный или частичный сброс нагрузки сопровождается переходными процессами в фильтре.

В индуктивно-емкостном фильтре нестационарные процессы мо­гут сопровождаться значительными бросками тока (сверхтоки) и напряжения (перенапряжения), которые в некоторых случаях могут быть причиной выхода из строя вентилей (транзисторов), пробоя дросселей и конденсаторов фильтра и даже аварии трансформаторов.

На характер переходного процесса оказывают влияние параметры выпрямителя, фильтра и потребителя. Правильный их подбор обес­печивает нормальную работу устройства.

В цепи фильтра протекает пульсирующий ток i_B, который может быть представлен в виде постоянной и ряда гармонических составля­ющих (из последних наиболее значительна первая гармоника с час­тотой m_nf_c). Однако анализ переходных процессов в фильтрах показал, что влияние даже первой гармоники гораздо (в 50... 10 раз) слабее, чем постоянной составляющей. Поэтому ограничимся учетом только среднего значения пульсирующего тока и рассмотрим переходные процессы при подключении фильтра к источнику постоянного тока с э. д. с. Е_х (рисунок 2.39, а). На рисунке 2.39, б приведены графики для u_с и i_в ; штриховой линией проведены огибающие, по которым изменяются амплитуды напряже­ния U_пм и тока I_пм в переходном режиме работы.

Принимая во внимание, что U_H,_cp и Е_х мало отличаются друг от друга, можно считать, что предельное напряжение U_cmax = 2 U_H._cp. Для уменьшения перенапряжения следует учитывать сопротивление r_в и выбирать фильтр с меньшим волновым сопротивлением р, т. е. с большей емкостью и меньшей индуктивностью. Ре­зонансные явления слабее проявляются в плохом контуре, у которого волновое

74

сопротивление р мало, а сопротивление r_в велико.

Однако малое р, создавая хорошие условия в части ограничения перенапряжения, приводит к значительным сверхтокам согласно , причем сверхток может быть во много раз больше тока I_н.ср.. На выбор волнового сопротивления р существенно влияет характер нагрузки. Например, при импульсной нагрузке нельзя увеличивать р . Таким образом, значение р должно подбираться исходя из допустимого перенапряжения и возможного сверхтока. Обычно выбирают перенапряжение порядка 20 % номинального значения в установившемся режиме.

Рисунок 2.39 – Эквивалентная схема и графики напряжения и тока в фильтре

LC- при включении выпрямителя

Поэтому иногда для выбора нужного значения r_в /р во время пуска увеличивают сопротивление r_в , что уменьша­ет сверхток и перенапряжение. Для этого последовательно с первич­ной обмоткой трансформатора включают пусковые резисторы г_пуск . В момент пуска включены все резисторы. Затем они

за­мыкаются один за другим так, чтобы сверхтоки и перенапряжения не превышали допустимых. Объединив реле времени с контакторами, переключающими пусковые резисторы, можно осуществить автомати­ческое включение выпрямителя.

Если выпрямители питают через автотрансформаторы или регуля­торы напряжения, то надобность в пусковых резисторах отпадает, так как первичное напряжение можно плавно поднять до номинала.

Переходные процессы при импульсной нагрузке. При импульсном характере нагрузки потребитель поочередно подключается и отключается от выпрямителя.

Рассматривается случай, когда переходный процесс успевает прак­тически закончиться в промежуток времени между очередными под­ключением и отключением. Если скорость переключения настолько велика, что частота переключений хотя бы в несколько раз превышает собственную частоту фильтра, то это приводит к падению переменного напряжения с частотой переключения на конденсаторе фильтра С .

Сопротивление R_H подключается в момент, когда напряжение u_с = Е_х, а ток

i_в = 0. После этого начинается переходный процесс, который практически

75

оканчивается за время t_n1 меньшее, чем длитель­ность импульса τ_и. При этом в интервале времени τ_и. — t_n1 высота им­пульса тока i_в = I_н._ср. а напряжение на конденсаторе С равно U_н.ср. Отключается сопротивление R_H в момент времени, когда напряжение на конденсаторе u_с = U_н.ср. а ток i_в = I_н.ср. После этого опять

на­чинается переходный процесс, который также практически оканчи­вается за время t_n2 меньшее, чем время Т_И — τ_и (где Т_И — период чере­дования импульсов). После t_n2 ток i_в = 0 и u_с = Е_х.

Часто при импульсной нагрузке происходит неполное отключение R_H, вследствие чего ток изменяется от I_н._ср до I_н.ср.ч. В таком режиме при изменении нагрузки от частичной I_н._Ср.ч до полной I_н._ср .

При импульсной нагрузке, так же как и при вклю­чении выпрямителя, работающего в режиме неизменного тока, жела­тельно иметь р небольшим для уменьшения перенапряжений, но это приведет к увеличению сверхтока. Однако в импульсном режиме ра­боты сверхток не достигает значения, большего 2I_н._ср, в то время как перенапряжения (при больших р) могут быть весьма значительными. (При включении выпрямителя со стороны сети перенапряжение не достигает

2U_Н.Ср). С целью уменьшения перенапряжения и сверх­тока в импульсном режиме работы невозможно использовать пуско­вые сопротивления и поэтому значение р фильтра должно выбираться исходя из допустимых сверхтоков и перенапряжений . Если полученное при этом р не будет достаточно большим, чтобы ог­раничить сверхток при включении выпрямителя со стороны сети (при пуске устройства), то желаемые результаты будут получены с помощью пусковых резисторов или регуляторов первичного напряже­ния. При работе выпрямителя в режиме неизменного тока может про­изойти полное отключение нагрузки. Поэтому фильтр и вентили долж­ны выдерживать перенапряжение. Для уменьшения возникающих при включении выпрямителя или сбросе нагрузки перенапряжений ухудшают добротность контура, в котором возникает колебательный процесс, подключением в цепь конденсатора (последовательно с ним или в качестве шунта) добавоч­ного сопротивления.

Нестационарные процессы в выпрямителях малой мощности вследствие больших сопротивлений г_в имеют апериодический характер. В фильтрах таких выпрямителей сверхтоки и перенапряжения очень малы.

Фильтры маломощных выпрямителей в большинстве П - образные, т. е. начинаются с конденсатора С₀, к которому при холостом ходе может быть приложено напряжение Е_х. От повышенного напряжения конденсатор можно предохранить подключением балластного рези­стора.

Переходные процессы в транзисторных фильтрах. При включении выпрямителя с транзисторным фильтром происхо­дит заряд конденсаторов С₂ и С₁ в фильтре ФК (рисунок 2.35, а и б), кон­денсатора С₂ в фильтре ФЭ (рисунок 2.37, а), а также заряд конденсатора С₀, если он установлен после выпрямительной схемы. Постоянная времени заряда конденсатора С₀ значительно меньше, чем у С₂ и С₁, и поэтому можно считать, что в момент включения выпрямителя на­пряжение на входе фильтра мгновенно достигает установившегося значения U_вx.cp. Поскольку в этот момент u_сБ =0 и u_с1 = 0, то э. д. с. Е_вх практически полностью прикладывается к участкам кол­лектор — эмиттер и коллектор — база (в фильтре ФЭ). По мере заря­да конденсатора эти перенапряжения постепенно снимаются. Таким образом, в момент

76

включения для фильтров ФК и ФЭ.

U_КБмакс = Е_вх. (2.38 )

Перенапряжения будут также в случае пробоя конденсаторов С₂ или С₁ и при коротком замыкании на выходе фильтров.

Значения сверхтоков наибольшие при коротком замыкании на выходе фильтров. Такие сверхтоки имеют по сравнению с перенапря­жением более длительный характер (пока не сработает защита — до­ли секунд) и вызывают значительное импульсное выделение мощности на транзисторе.

Фильтры ФЭ и ФК защищают от перенапряжений и сверхтоков, применяя стабилитроны, ограничивающие резисторы и электронную быстродействующую защиту.

Фильтры ФП (рисунок 2.38) не нуждаются в защите от корот­кого замыкания на выходе и при включении выпрямителя. Однако при холостом ходе увеличиваются Iк, Iэ, Uк и Рк, которые не должны превышать допустимых паспортных значений.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение коэффициента сглаживания пульсаций.

2. Дайте определение коэффициента фильтрации.

3. Дайте определение коэффициента передачи по постоянному току.

4 Нарисуйте схему фильтра типа L и поясните принцип фильтрации.

5 Нарисуйте схему фильтра типа C и поясните принцип фильтрации.

6 Нарисуйте схему фильтра типа LC и поясните принцип фильтрации.

7 Нарисуйте схему фильтра резонансного с параллельным контуром и

поясните принцип фильтрации.

8 Нарисуйте схему фильтра резонансного с режекторным фильтром и

поясните принцип фильтрации.

9 Нарисуйте схему фильтра типа ФК и поясните принцип его работы.

10 Нарисуйте схему фильтра типа ФП и поясните принцип его работы.

11 Нарисуйте схему фильтра типа ФЭ и поясните принцип его работы.

Примеры задач до темы лекции 18

Задача 1

Рассчитать емкость LC-фильтра, если известно коэффициент пульсаций на входе распрямляемая к_п.вх =0,057, частота тока источника электропитания

f = 50 Гц; индуктивность фильтра L_ф = 75 мГн; коэффициент пульсаций на нагрузке к_{п. вых.}= 0,002. Выпрямитель собранно по трехфазной мостовой схеме.

Решение : 1 Коэффициент сглаживания фильтра равен

К _сг.= к_п.вх / к_{п. вых} ,

77

К _сг = 0,057 / 0,002 = 28,5

2 Емкость фильтра Сф равна

К_сг = ( 4πf )² L_ф С_ф ,

Откуда

С_ф = ( К_сг +1) / [ (4πf )² L_ф] ,

С_ф = ( 28,5 +1 ) /[ (4 ∙3.14∙ 50 )∙0,075 ]= 1000 мкФ

Выбираем два конденсатора типа К50-23 емкостью 500 мкФ каждый, включенные параллельно на напряжение 500 В.

Задача 2

На выходе однофазного мостового выпрямителя установлен L-фильтр, который обеспечивает коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения к_п.вых.= 0,01. Мощность потребителя Рн = 900 вт, а напряжение на нагрузке U_н = 36 В. Определите величину индуктивность фильтра.

Решение : 1 Сопротивление нагрузки равно

R_H = U_н / Р_н ,

R_H = 36²/ 900 = 1,44 Ом.

2 Коэффициент сглаживания фильтра равен

К_сг = к_{п. вх.} / к_п.вых ,

где к_{п. вх} = 0,667 — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на выходе однофазного мостового випрямителя.

3 Индуктивность фильтра равна

L_ф = К_сг∙ R_H /2π∙f ,

L_ф = 66,7 ∙1,44 / 2 ∙3,14∙ 50 = 0,3 Гн

Задача 3

Рассчитать емкость С-фильтра для обеспечения коэффициента пульсаций на нагрузке 0,1. Мощность и напряжение нагрузки Рн = 2,4 вт; U_H =16 В.

Решение: 1 Сопротивление нагрузки равно

R_H = U_н² / Р_н ,

R_H = 16² / 2,4 = 106,7 Ом

78

2 Емкость С-фильтра равна

С_ф = 1 / 2π∙f∙ R_H ∙к_п.вых ,

С_ф = 1/ 2∙ 3,14∙ 106,7 ∙0,1 =298,5 мкФ.

Выбираем конденсатор типа К50-20 емкостью 500 мкФ каждый, включенные параллельно на напряжение 50 В.

Задача 4

На выходе однофазного мостового фильтра установлен RC—фильтр. Определить емкость этого фильтра, если на нагрузке необхидно обеспечить коэффициент пульсаций к_{П вих} = 0,2, а сопротивление нагрузки R_H = 36 Ом.

Решение: 1 Сопротивление RC-фильтра равно

R_н / ( R_н + R_ф ) = ( 0,5…0,9 ) ,

откуда R_ф =0,25 ∙R_н = 9 Ом.

2 Ёмкость фильтра равна

К сг =( 0,5…0,9 ) 2π∙f∙ R_ф С_ф ,

где коэффициент сглаживания можно определить по формуле

К _сг = к_{п. вх.} / к_п.вых ,

К_сг = 0,667 / 0,2 = 3,335,

где к_{п вх} = 0,667 — коэффициент пульсаций на выходе однофазного мостового випростувача.

Следовательно, емкость фильтра можно определить по формуле

С_ф = К_сг / 0,8∙ 2 ∙π∙f∙ R_ф ,

С_ф = 3,335 / 0,8 ∙2∙ 3,14 ∙50 ∙9 = 1475 мкФ

Выбираем конденсатор типа К50-20 емкостью 2000 мкФ каждый, включенные параллельно на напряжение 50 В.

Задачи для самостоятельной работы

1 Для уменьшения пульсаций однофазного мостового выпрямителя ,который питается напряжением промышленной частоты, использован емкостный фильтр. Определить емкость этого фильтра для обеспечения коэффициента пульсаций на выходе к _{п. вых.} = 0,2, если сопротивление резистивной нагрузки

R_H = 20 Ом.

2 Для зглаживания пульсаций однофазного мостового выпрямителя, которое питается переменным напряжением частотой 400 Гц, используется емкостный фильтр. Определить емкость этого фильтра для обеспечения коэффициента пульсаций к_{п вых} = 0,1, если сопротивление резистивной нагрузки R_H = 24 Ом.

79

3 На выходе трехфазного мостового выпрямителя, нагруженного сопротивлением R_H =24 Ом включен L-фильтр с индуктивностью L_ф =68 мГн. Определить коэффициент сглаживания фильтра. Переменное напряжение на входе выпрямителя частотой 100 Гц.

4 Для сглаживания пульсаций однофазного выпрямителя используются три Г-образных LC-фильтра с коэффициентом сглаживания К_сг = З каждый. Определить коэффициент сглаживания каскада.

5 Сглаживающий фильтр с коэффициентом сглаживания 16 состоит из двух одинаковых Т-образных LC-фильтров. Определить емкость фильтра, если L = 62 мГн при частоте 400 Гц.

6 На выходе однофазного мостового выпрямителя установлен L-фильтр, который обеспечивает коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения к_п._вих = 0,05 . Мощность потребителя Рн = 500 вт, а напряжение на нагрузке U_н = 24 В. Определите индуктивность фильтра.

7 Определить емкость С-фильтра для обеспечения коэффициента пульсаций на нагрузке 0,12. Мощность и напряжение нагрузки Рн =12 Вт; U_H =120 В

8 Для сглаживания пульсаций выпрямителя использовали два конденсатора емкостью по 250 мкФ, что обеспечило к_{п. вых.} = 0,1. Вычислить сопротивление нагрузки, если частота переменной составляющей 100 Гц.

Литература

1 Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.- К.: Вища школа, 1986, с.117…163.

2 Артомонов Б.И., Бокуняев А.А. Источники электропитания радиоустройств.- М.: Энергоиздат,1982.с. 54…75.

3 Стахів П.Г., Коруд В.І. , Гамола О.Є. Основи електроніки : функціональні елементи та їх застосування. Підручник для студентів неелектротехнічних спеціальностей вищих навчальних закладів. – Львів : : « Новий Світ – 2000»; « Магнолія плюс ». – 2003. – 2008 с. 53..62.

4 Горячева Г.А. , Добромыслова Е.Р. Конденсаторы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1984. – 88 с.

5 Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум.- К.:Каравела, 2003. с.205…215

80

Лекция 19

Экспресс - проверка знаний пройденного материала :

1 Нарисуйте электрическую схему фильтра ФП

2 Нарисуйте электрическую схему фильтра типа ФЭ

3 Нарисуйте электрическую схему фильтра типа ФК

4 Нарисуйте принципиальные схемы резонансных фильтров