3. Сглаживающие фильтры

3. Общие сведения

Сглаживающие фильтры включаются между выпрямителем и нагрузкой, представляет собой ФНЧ и служат для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (выделения постоянной составляющей – U₀). Фильтры бывают пассивные и активные. Действие активных фильтров основано на рассеивании мощности пульсаций в виде тепла на активном элементе (транзисторе), поэтому они имеют низкий КПД. Мы будем рассматривать только пассивные фильтры. Их сглаживающее действие основано на накоплении энергии в реактивных элементах от сети в моменты её максимума и передачи в нагрузку в моменты её минимума. Основные схемы пассивных фильтров приведены на рис.3.1.

Рисунок 3.1 – Схемы пассивных сглаживающих фильтров

Критерием качества сглаживающих свойств фильтров является коэффициент сглаживания равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра

(3.1)

На рис.3.2 приведена схема замещения фильтра (а) и эпюры напряжений (б).

Рисунок 3.2 – Схема замещения (а) и напряжения на входе и выходе сглаживающего фильтра (б)

Выразим коэффициент сглаживания через параметры элементов фильтра:

(3.2)

где .

К параметрам схемы замещения предъявляются следующие требования: ; .

Индуктивный (L) сглаживающий фильтр представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником (дроссель), включаемую последовательно с нагрузкой (рис.3.3).

Рисунок 3.3 – Индуктивный сглаживающий фильтр

Коэффициент сглаживания фильтра равен:

(3.3)

где - частота пульсаций,

p - пульсность схемы выпрямления,

R_Ф- сопротивление потерь дросселя.

Индуктивный фильтр является “габаритным” устройством, поэтому для уменьшения его размеров стараются повысить частоту пульсаций в звене выпрямителя. Данный фильтр используется в цепях с повышенными токами нагрузки. При возрастании тока нагрузки (уменьшении R_н) происходит увеличение энергии, накапливаемой в дросселе, увеличивается ЭДС самоиндукции, что препятствует прохождению в нагрузку переменной составляющей тока и улучшаются сглаживающие свойства фильтра.

При работе на импульсную нагрузку, а именно при “сбросе” тока нагрузки или отключении источника питания энергия, накопленная в дросселе освобождается, возникает перенапряжение, которое может привести к выходу из строя элементов схемы. Поэтому при проектировании фильтров такие перенапряжения необходимо учитывать.

Емкостный (C) сглаживающий фильтр. Представляет собой конденсатор, включаемый параллельно нагрузке (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 –Емкостный сглаживающий фильтр

Выражение для коэффициента сглаживания имеет вид:

(3.4)

Емкостный фильтр используются при малых токах нагрузки, так как с ростом тока уменьшается постоянная цепи разряда, что увеличивает пульсацию напряжения (из-за глубокого разряда конденсатора). К достоинствам фильтра можно отнести: отсутствие колебаний напряжения при переходных процессах, простота, небольшие габаритные размеры. Недостатком фильтра является: воздействие на выпрямитель (угол отсечки тока меньше 180 градусов), поэтому при использовании такого фильтра с большой величиной емкости необходимо вводить в звено выпрямителя защиту по току.

Индуктивно- емкостный (LC) сглаживающий фильтр. При соблюдении условия Х_др > Х_с реакция фильтра будет индуктивного характера (рис. 3.5). Дроссель и конденсатор, используемые совместно, более эффективно выполняют функции сглаживания, чем при их раздельном включении, если выполняются неравенства: Х_др >> R_н и Х_с << R_н .

Рисунок 3.5 – Индуктивно- емкостный (LC) сглаживающий фильтр

Коэффициент сглаживания фильтра через параметры элементов схемы замещения принимает вид (R_Ф- омическое сопротивление дросселя):

(3.5)

Фильтр используется при большой мощности нагрузки. К достоинствам фильтра относятся: малые габаритные размеры, малая зависимость коэффициента сглаживания от изменений тока нагрузки (различный характер зависимости q от I_Н для реактивных элементов взаимно компенсирует это влияние). Недостатки: могут возникать резонансные переходные процессы, усложняющие работу, как потребителя, так и источника питания, дроссели фильтров имеют большие габаритные размеры и массу, а их индуктивность зависит от тока нагрузки. При включении и отключении сети, а также при резких изменениях нагрузки возникают переходные процессы, которые могут привести к перенапряжениям и броскам тока в элементах фильтра и выпрямителя. Несмотря на малую продолжительность этих процессов, они могут быть причиной выхода из строя вентилей выпрямителя по обратному напряжению или прямому току, а также пробоя конденсаторов или изоляции дросселей и силового трансформатора.

Многозвенные сглаживающие фильтры. Для получения высоких значений коэффициента сглаживания (q > 50), в выпрямительных устройствах используются многозвенные сглаживающие фильтры (рис. 3.6). Наиболее широко в выпрямительных устройствах используются двухзвенные фильтры благодаря малой зависимости коэффициента сглаживания от тока нагрузки, высоким качественным и удельным показателям. Увеличение числа звеньев более двух приводит к уменьшению области устойчивой работы (так как источник питания представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, то увеличение числа реактивных элементов в силовой цепи может привести к самовозбуждению) и уменьшению КПД устройства.

Рисунок 3.6 – Многозвенные сглаживающие фильтры

Получим выражение для коэффициента сглаживания многозвенного фильтра.

(3.6)

Видно, что при каскадном включении коэффициенты сглаживания отдельных каскадов перемножаются.