6.4. Згладжувальні фільтри

Згладжувальним фільтром випрямляча називають пристрій, призначений для зменшення змінної складової (пульсації) випрямленої напруги. При живленні більшості електронних пристроїв допускається дуже невеликі пульсації випрямленої напруги. Проте на виході випрямляючих схем пульсації в багато разів перевищує допустиму. Щоб зменшити ці пульсації застосовують згладжувальні фільтри. Будь який згладжу - вальний фільтр має забезпечити зниження пульсації до заданого рівня.

Змінна складова випрямленої напруги в загальному випадку є сукупністю ряду гармонік з різними амплітудами і різними початковими фазами. При цьому амплітуда першої гармоніки має максимальну величину і на багато перевищує амплітуду вищих гармонік. Для більшості радіотехнічної апаратури якість згладжування характеризується величиною максимально допустимої амплітуди змінної складової. Отже, фільтри належать розраховувати на максимальне подавання основної гармоніки, маючи на увазі, що гармоніки більш високих порядків(частот) будуть згладжуватися фільтрами – значно більш ефективно.

Основним параметром згладжу вальних фільтрів є коефіцієнт згладжування. Коефіцієнтом згладжування називається відношення коефіцієнта пульсації на вході фільтра до коефіцієнта пульсації на виході фільтра (по навантаженню):

де К_n і К_n^/ - коефіцієнти до (К_n) і після (К_n^/) згладжую чого фільтра.

Основна вимога до згладжую чого фільтра полягає в тому, що він повинен давати максимально можливе значення змінних складових випрямлених струму і напруги на опорі навантаження. Поряд з цим при побудові схем згладжуючи фільтрів слід добиватися, щоб стала складова випрямленого струму повністю проходила через опір навантаження, а втрати сталої складової випрямленої напруги в елементах фільтра були мінімальними. Для того, щоб на виході випрямляча дістати напругу з меншими пульсаціями досить паралельно навантаженню ввімкнути ємність. Ми таку схему вже розглядала. У проміжки часу, коли вентиль пропускає струм, конденсатор запасає електричну енергію і віддає її у навантаження, коли до вентиля прикладенно зворотну напругу. Внаслідок цього струм через навантажувальний опір проходить увесь час, причому пульсації випрямленої напруги і струму значно зменшуються. Тому схеми випрямлячі, що їх застосовують для живлення порівняно малопотужної електронної і напівпровідникової апаратури як правило, мають на своєму виході конденсатор, який по суті є першим елементом згладжую чого фільтра.

Величину вхідної ємності згладжую чого фільтра, що забезпечує пульсацію випрямленого струму не вище 10%, підраховують за формулами:

• для однопівперіодної схеми

• для двопівперіодної схеми з середньою точкою і мостової схеми

де С₀ – вхідна ємність фільтра,мкФ;

І₀ – випрямлений струм, мА;

U₀ – випрямлена напруга, В.

Найпоширеніші схеми згладжувальних фільтрів наведено на рис.6.16

Рис.6.16 - Найпоширеніші схеми згладжувальних фільтрів

Вибір цієї чи іншої схеми визначається величиною випрямленого струму, що проходить через фільтр, і допустимими значеннями коефіцієнта пульсації випрямленої напруги на виході фільтра.

Як послідовні елементи фільтрів застосовують індуктивності (дроселі) і активні опори (резистори). Паралельними елементами фільтрів є звичайно конденсатори.

Дія дроселя як елемента фільтра зворотна до того, що на ньому втрачається найбільша частина змінної складової напруги, бо його опір Х_Lф = ωL_ф вибирають значно більшим, ніж опір навантаження R_н. для сталої складової випрямленого струму індуктивний опір дроселя дорівнює нулю. Отже, втрати сталої складової напруги на дроселі зумовлені тільки його незначним омічним опором, і часто ними можна знехтувати.

Дія конденсатора як елемента фільтра зводиться до того, що шунтуючи опір навантаження, він пропускає через себе найбільшу частку змінної складової випрямленого струму, оскільки опір Х_еф = 1/ωС_ф намагаються вибрати значно меншим від навантажувального опору R_н. для сталої складової струму опір Х_еф нескінченно великий і тому ця складова проходить, головним чином, через опір навантаження.

Добуток L_ф(Генрі)*Сф(мкФ) залежно від потрібного коефіцієнта згладжування визначають за формулою:

де f_n – частота мережі, Гц;

m – число фаз випрямлення ( для однопівперіодної схеми m = 1, для двопівперіодної m = 2 ).

Для найпоширеніших двопівперіодних схем при f_m = 50Гц

L_фС_ф = 2,5(q + 1)

Величини L_ф і С_ф вибирають так, щоб виконувалась умова:

де ω_м = 2πf_м – кутова частота мережі.

Звичайно, як конденсатори фільтра використовують електролітичні, паперові або плівкові конденсатори, що мають досить велику ємність (десятки, сотні мікрофарад). Робоча напруга конденсаторів має перевищувати випрямлену напругу приблизно в 1,5 рази. Задаючись значенням С_ф і користуючись формулою №№№, визначають індуктивність дроселів L_ф. правильність розрахунку провіряють за формулою №№№.

Для збільшення коефіцієнта згладжування застосовують дволанкові фільтри. При цьому слід враховувати, що потрібний коефіцієнт згладжування можна дістати як від одно ланкового, так і від дволанкового фільтрів. Проте при великому значенні коефіцієнта згладжування більш вигідно застосовувати дволанкові фільтри. Для практичних розрахунків можна вважати, що коефіцієнт згладжування дволанкового фільтра дорівнює добутку коефіцієнтів згладжування кожної ланки:

q = q₁q₂

Особливістю фільтрів типу LС є незначний склад сталої складової випрямленої напруги на дроселі, що дає змогу застосовувати такі фільтри в джерелах з порівняно високим струмом навантаження. Істотним недоліком їх є велика маса дроселя, а також магнітні поля, що утворюються навколо нього, які впливають на роботу різних високочутливих вузлів електронної апаратури. Ці недоліки усунено в фільтрах типу RC, рис.6.16в,г.

Такі фільтри значно дешевші від фільтрів типу LC, мають невеликі габарити. Проте їх доцільно використовувати при малих випрямлених струмах (близько 10-15мА); невеликих значеннях коефіцієнтах згладжування. Це пояснюється тим, що на активному опорі R_ф мають місце втрати як змінної, так і сталої складових випрямленої напруги, що при великих струмах навантаження призводить до різкого зменшення напруги на виході фільтра.

Добуток R_фС_ф (в ОМ*мкФ) визначають за формулою:

Величину опору R_ф вибирають з умови допустимого складу напруги на фільтрі, а потужність розсіювання цього опору підраховують за формулою:

де І₀ – випрямлений струм, А;

R_ф – опір резистора, Ом.

Для покращення якості фільтра (усунення магнітних полів в LС – фільтрі; зменшення затрат на резисторі R_ф в RC – фільтрі) застосовують транзисторні фільтри, рис.6.17.

Рис. 6.17 – Транзисторні фільтри

В такій схемі використовується властивість транзистора чинити великий опір змінному струмові і малий – постійному. Чим більший опір R₁, тим краща згладжу вальна дія фільтра, але і більше падіння напруги на фільтрі, на практиці R₁ = 50Ом.