Сглаживающие фильтры

Сглаживающими фильтрами называются устройства, состоящие из конденсаторов и индуктивных катушек. Применение данных элементов определяется зависимостью их реактивного сопротивления от роста частоты пульсаций (х_с при этом уменьшается, а х_L - растет). Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживания, равным отношению амплитуд пульсаций на входе и выходе фильтра:

К_с=А_вх/А_вых.

Емкостный фильтр приведен на рис.46, а. Емкость конденсатора С_ф выбирают такой величины, чтобы при данной частоте пульсаций соблюдалось условие

С_ф>>

при котором конденсатор поддерживает уровень выпрямленного напряжения на R_н т. е. время разряда (τ=R_нС_ф) сравнительно велико. Это приводит к увеличению среднего значения напряжения U_н на нагрузке и уменьшению его пульсаций.

Индуктивный фильтр (рис.46, б) состоит из катушки индуктивности L_ф, включенной последовательно с нагрузкой R_н. Импульсы тока, проходящие поочередно через пары диодов, создают в нагрузочном резисторе R_н непрерывный ток i_d. В данном случае сглаживается так же и кривая выпрямленного напряжения, так как пульсирующая составляющая u_d выделяется на L_ф(2π∙f_н∙L_ф>>R_н). Применение такого типа фильтрующего устройства эффективно при больших значениях выходного тока i_d и малых величинах R_н.

а) б)

Рис.46. Простейшие сглаживающие фильтры

Г - образные (комбинированные) сглаживающие фильтры являются более сложными, но обеспечивают лучшее сглаживание пульсаций по сравнению с вышерассмотренными фильтрами (рис.47). RС имеют преимущественное применение в маломощных выпрямителях, так как потери напряжения на R_ф велики.

Рис.47. Г- образные сглаживающие фильтры

Кроме пассивных фильтров на элементах С, L, R применяют электронные сглаживающие фильтры на транзисторах, работающих в активном режиме регулируемого сопротивления эмиттер - коллектор (рис.48) постоянному току.

Действие фильтра данного типа аналогично действию L - фильтра, включенного между фильтрующими конденсаторами С_ф1 и С_ф2. Резисторы R₁ и R₂ необходимы для выбора рабочего режима транзистора. Транзисторный фильтр имеет высокий коэффициент сглаживания пульсаций (К_с = 80 – 100).

Рис.48.Сглаживающий фильтр на транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения

Среднее значение постоянного напряжения, получаемого с выхода выпрямителя, может изменяться вследствие изменения входного переменного напряжения U₂ или сопротивления нагрузки. Для стабильности работы устройств автоматики необходимо, чтобы величина постоянного напряжения была практически неизменной, что достигается включением на выходе выпрямителя специального устройства - стабилизатора напряжения. Различают стабилизаторы двух типов: параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор напряжения (рис.49) является простым устройством, включающим в себя кроме нагрузочного резистора R_н стабилитрон V балластный резистор R_б. Для нормальной работы стабилизатора необходимо обеспечить условия, при которых ток стабилитрона I_ст не должен превышать величину I_ст.мах. Качество работы стабилизаторов напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации К_ст который показывает отношение относительного изменения входного напряжения стабилизатора к относительному изменению напряжения па нагрузке:

К_ст= ,

где ∆U_вх - изменение напряжения на входе стабилизатора;

∆U_н - изменение напряжения на выходе стабилизатора, вызванное изменением U_вх;

U_н.ср, U_вх.ср - среднее значение напряжений на выходе и входе стабилизатора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора может достигать нескольких десятков. При последовательном соединении нескольких стабилизаторов общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных стабилизаторов.

Рис.49. Параметрический сглаживающий фильтр

Компенсационный стабилизатор включается аналогично параметрическому (рис.50), т.е. между фильтрующим устройством и нагрузочным резистором R_н. Выходное напряжение стабилизатора данного типа равно разности между его входным напряжением U_вх и падением напряжения ∆U на транзисторе, т.е. U_вых= U_вх - ∆U. В компенсационных стабилизаторах происходит непрерывное сравнение напряжения на нагрузке (или части его) с опорным напряжением U_оп на стабилитроне СТ. При отклонении напряжения U_н от заданной величины на вход эмиттер - база управляющего усилителя на транзисторе V2 подается напряжение разбаланса между опорным и нагрузочным напряжениями. Усиленное напряжение разбаланса поступает на вход управляемого усилителя на мощном транзисторе V1. Сопротивление эмиттер-коллектор V1, а, следовательно, и падение напряжения ∆U на нём изменяется в ту или другую сторону, компенсируя тем самым изменения выходного напряжения. При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока I_н напряжение U_н должно повыситься, отклоняясь от заданной величины. Часть напряжения U_н, равного βU_н (β - коэффициент деления резистивного делителя R₁, R₂, R₃), сравнивается с опорным напряжением на стабилитроне U_оп.

Рис.50. Стабилизатор компенсационного типа

Поскольку опорное напряжение остается постоянным, напряжение база - эмиттер транзистора V1 из - за увеличения напряжения βU_н уменьшается. Следовательно, коллекторный ток транзистора V2 снижается. Это приводит к тому, что напряжение база - коллектор транзистора V1 уменьшается, а следовательно, уменьшается коллекторный ток транзистора V1, что означает рост сопротивления его цепи (эмиттер - коллектор) и рост падения напряжения ∆U на транзиcторе VI. В результате напряжение на нагрузочном резисторе имеет значение, близкое к номинальному.

Коэффициент стабилизации в компенсационных стабилизаторах может достигать нескольких тысяч. Для его повышения транзистор V2 следует брать с большим коэффициентом усиления. Регулирование уcтавки напряжения U_н осуществляется е помощью переменного резистора R₂.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

(ДВФУ)

Инженерная школа

Материалы для лабораторных занятий

по дисциплине “Электротехника и электроника”