Сглаживающие фильтры

1. Назначение, характеристики и виды фильтров

Пульсации выходного напряжения ухудшают или делают вообще невозможной работу радиоэлектронных устройств. Для нормального функционирования устройств необходимо чтобы пульсации были меньше допустимой величины. Для каждого устройства эта величина разная и определяется его назначением и свойствами. С позиций сложности источников питания малым коэффициентом пульсации считают К_п<0,1 %, средним — от 0,1 до 1 % и большим К_п>1 %.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п выражается в абсолютных единицах

К_п=U_пm/U₀,

или в процентах

К_п% = (U_пm /U₀)100.

В качестве амплитуды пульсаций U_пm учитывают переменную составляющую спектра напряжения питания наибольшей величины.

Коэффициенты пульсации на выходе рассмотренных схем выпрямления находятся в пределах от 157% "(однополупериодная однофазная схема) до 5,7 % (трехфазная двухполупериодая схема), при этом они, как правило, намного больше допустимых значений. Чтобы уменьшить К_п до допустимого значения, в выпрямительных устройствах применяется сглаживающий фильтр, причем способность фильтра снижать пульсации выпрямленного напряжения определяется коэффициентом сглаживания, обозначаемым q.

В общем случае

где K_п.вх, K_п.вых — коэффициенты пульсации напряжения на входе и выходе фильтра.

Кроме основного требования — сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения — к фильтру предъявляются следующие требования:

1. Потери мощности и падение постоянной составляющей напряжения в фильтре должны быть минимальными; т. е. он должен обладать наибольшим КПД при минимальных габаритных размерах, массе и стоимости.

2. Фильтр не должен влиять на работу потребителя.

3. Внешние электромагнитные поля, создаваемые фильтром, не должны нарушать функционирование радиоустройства.

4. Во время переходных процессов, сопровождающих включение выпрямителя, фильтр не должен создавать перенапряжений и сверхтоков, значения которых превышают пределы, допустимые для элементов электропитания и потребителя.

5. Собственная частота фильтра должна быть существенно меньше основной частоты пульсаций во избежании появления резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра, поскольку они приводят к резкому возрастанию пульсаций выпрямленного напряжения.

6. Фильтр должен обладать высокой надежностью в пределах заданного диапазона температур.

Сглаживающие фильтры различают по элементам, из которых они состоят, схеме соединения и по количеству этих элементов, которые обычно называются звеньями.

Простые однозвенные фильтры состоят из конденсатора или катушки индуктивности, сложные фильтры представляют собой сочетание индуктивностей, конденсаторов, резисторов. Сложный многозвенный фильтр состоит из нескольких простых фильтров.

2. Емкостный фильтр

Конденсатор С, включенный параллельно нагрузке (рис.1,а), представляет собой простейший емкостный фильтр для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения. Во время пиковых значений выпрямленного напряжения конденсатор заряжается и разряжается на нагрузку, когда напряжение на входе фильтра уменьшается и становится меньше напряжения на конденсаторе. В процессе заряда конденсатор большая часть тока протекает через конденсатор, заряжая его и ограничивая максимальное напряжение пульсаций выпрямителя. Во время разряда конденсатор отдает нагрузке ранее запасенную энергию, поддерживая напряжение на нагрузке. В результате оно изменяется в относительно меньших пределах, чем при отсутствии конденсатора. Таким образом, сглаживающее действие емкостного фильтра позволяет уменьшить коэффициент пульсаций на выходе источника питания.

Рис 1. Схема емкостного фильтра (а)

и график изменения напряжения на конденсаторе (б)

Конденсатор представляет собой емкостное сопротивление для переменного тока, а в нашем случае — для переменной составляющей выпрямленного тока, т.е.

где т — коэффициент, зависящий от схемы выпрямления.

Шунтирующее действие конденсатора, включенного параллельно нагрузке, обеспечивает сглаживание пульсаций при выполнении условия

.

При соблюдении этого условия большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, минуя нагрузку, как бы замкнется через конденсатор.

Рассчитать пульсации на выходе емкостного фильтра можно с помощью приближенной формулы

Умножая это выражение на 10⁶ и выразив К_п в процентах, получим выражение емкости конденсатора С, мкФ:

Как видно из выражения для К_п, получить небольшое значение коэффициента пульсации на нагрузке при ограниченной емкости конденсатора С можно лишь при большом сопротивлении нагрузки, т.е. при небольших выпрямленных токах, вследствие чего емкостный фильтр применяют преимущественно в маломощных выпрямителях.

К достоинствам, емкостного фильтра можно отнести простоту его выполнения.

Основной недостаток емкостного фильтра — необходимость применения диодов, рассчитанных на большую амплитуду прямого тока I_пр.и.п.