19. Принцип работы фильтров с резонансными контурами

Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение не пригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает искажения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_П=U_m01/U₀,

где U_m01 – амплитуда первой гармоники U₀ – среднее значение выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсаций К_П<0,1% считают малым, К_П=0,1…1% –средним и К_П>1% – большим. Коэффициент пульсаций на выходе известных схем выпрямления находится в пределах от 157% (однополупериодная однофазная схема) до 57% (трехфазная мостовая). А чтобы уменьшить К_П до допустимых значений и применяют сглаживающие фильтры, способность которых снижать пульсации характеризуют коэффициентом сглаживания q: q=К_П.вх/К_П.вых,

где К_П.вх, К_П.вых – коэффициенты пульсаций напряжения на входе и выходе фильтра.

Сглаживающие фильтры различают по элементам, из которых они состоят, схеме соединения одного звена и количеству звеньев.

Простые однофазные фильтры состоят из конденсатора или катушки индуктивности, сложные – из сочетания индуктивностей, конденсаторов, резисторов.

Емкостной фильтр – это конденсатор С, включенный параллельно нагрузке, а индуктивный фильтр – это дроссель, включенный последовательно с нагрузкой.

В емкостном фильтре конденсатор заряжается, когда напряжение ИП больше напряжения на его зажимах, и разряжается, когда – меньше, отдавая нагрузке запасенную энергию.

В индуктивном фильтре переменная составляющая выпрямленного тока создает в магнитопроводе дросселя магнитный поток, наводящий в его обмотке противо-ЭДС, которая препятствует изменению тока в цепи и уменьшает амплитуду переменной составляющей выпрямленного тока, а это приводит к уменьшению пульсаций напряжения на нагрузке.

Сущность работы сглаживающего LC-фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i(t) на постоянную I₀ и переменную i_~ составляющие. Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а переменная замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

При небольших токах нагрузки применяется Г-образный фильтр (рис. 3.4, б), а при малых токах нагрузки для сглаживания пульсаций достаточно включить только конденсатор С (рис. 3.4, в), что и делается в переносных радиоприемниках и магнитолах. Иногда дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато удешевляет фильтр (рис. 3.4, г,д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр выполняют многозвенным, состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LC или RC фильтров (рис. 3.4, е).

Рис. 3.4. Схемы сглаживающих фильтров

20. Принцип работы фильтров с резонансными контурами

Разновидностью Г-образных LC-фильтров являются резонансные фильтры. Они обеспечивают высокий коэффициент сглаживания для одной из частот напряжения пульсаций. Фильтры, основанные на использовании резонанса токов, называются фильтрами-пробками, так как они (при последовательном включении параллельного резонансного LC -контура с нагрузкой, рис. 3.5,а) сильно ослабляют токи резонансной частоты. У них резонансное сопротивление LC -контура может быть значительно больше индуктивного сопротивления дросселя на той же частоте. Поэтому они обеспечивают лучшую фильтрацию, чем обычные LC -фильтры.

Фильтры, основанные на резонансе напряжений, называются режекторными. У режекторного фильтра (рис. 3.5,б) цепочка L₁C₁ при резонансе имеет минимальное сопротивление, которое может быть меньше емкостного сопротивления конденсатора С, что улучшает сглаживание пульсаций напряжения.

В фильтре-пробке ток с частотой пульсаций замыкается через конденсатор С. Для токов с частотой пульсаций больше резонансной контур будет иметь сопротивление емкостного характера и фильтр превращается в емкостный делитель напряжения. Для токов с частотой ниже резонансной сопротивление контура носит индуктивный характер и резонансный фильтр превращается в обычный Г-образный LC-фильтр.

Рис. 3.5. Резонансные фильтры: а – фильтр с включением параллельного контура (фильтра пробки) вместо дросселя; б – фильтр с включением последовательного контура (режекторного фильтра) вместо конденсатора; в – фильтр с применением фильтра пробки и режекторного фильтра

В схеме резонансного фильтра рис. 3.5,в использованы фильтр-пробка и режекторный фильтр, что дает повышенную фильтрацию. При необходимости ослабления нескольких частот параллельно нагрузке подключают режекторные фильтры, настроенные на эти частоты.

Резонансные фильтры настраивают в резонанс на подавление наиболее интенсивной гармоники. Индуктивность катушки фильтра зависит от величины протекаемого по ней тока. Поэтому при изменении тока нагрузки контур фильтра расстраивается и сглаживание пульсаций ухудшается. Этот недостаток резонансных фильтров ограничивает их применение.