Раздел 3. Сглаживающие фильтры (4 часа)

Лекция 9. Тема 3.1. Реактивные фильтры (2 часа)

Рассмотренные выпрямители переменного тока позволяют получить выпрямленное, но с пульсациями постоянное напряжение. А для питания электронных приборов пульсирующее напряжение не пригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает искажения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Допустимые значения коэффициентов пульсаций для различных потребителей приведены в Приложении 1.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_П=U_m01/U₀,

где U_m01 – амплитуда первой гармоники (ее определяют разложением несинусоидальной кривой выпрямленного напряжения в ряд Фурье); 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 (рис. 3.1). Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а переменная замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.

Физическая сущность работы конденсатора и дросселя в фильтре состоит в том, что конденсатор заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая этим самым его пульсации. Дроссель при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как некие резервуары энергии: они запасают её, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций выпрямленного напряжения и тока.

Рис 3.1. Схема сглаживающего LC-фильтра

Рассмотрим более подробно работу простого емкостного фильтра, включенного на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R (рис. 3.2).

Рис 3.2. К пояснению работы простого емкостного фильтра

При возрастании выпрямленного напряжения на открытом диоде VD₁ конденсатор С зарядится (рис. 3.3, а), а при убывании выпрямленного напряжения полярность напряжения на диоде изменится на противоположную и диод закроется, отключив вторичную обмотку трансформатора от нагрузки. Ток через диод будет иметь форму короткого импульса (рис. 3.3, б).

Когда диод закрылся, конденсатор начинает разряжаться через нагрузку. Скорость его разряда определяется постоянной времени разряда , которая значительно больше (при большой емкости конденсатора) периода переменного тока. Поэтому после первой четверти периода ток в нагрузке поддерживается напряжением разряжающегося конденсатора, которое уменьшается при разряде. При следующем полупериоде синусоиды открывается диод VD₂ и конденсатор снова зарядится. Далее такой цикл разряда и заряда конденсатора повторяется. В результате пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются.

Рис. 3.3. Диаграммы тока и напряжения, поясняющие работу простого емкостного фильтра

Наличие конденсатора позволяет диодам проводить ток в цепи в течение коротких отрезков времени. Когда диоды не проводят ток, конденсатор обеспечивает нагрузку током. Когда нагрузка R потребляет большой ток, то должен использоваться конденсатор большой емкости.

Качество работы фильтра определяется величиной пульсаций, остающихся в постоянном напряжении. Величину пульсаций можно уменьшить при использовании конденсатора большей емкости или при увеличении сопротивления нагрузки (т.е. путем увеличения ). Обычно сопротивление нагрузки задается при расчете цепи. Следовательно, емкость фильтрующего конденсатора определяется заданной величиной допустимых пульсаций.

Заметим, что фильтрующий конденсатор создает дополнительную нагрузку на диоды выпрямителя. Конденсатор заряжается до максимального значения напряжения вторичной обмотки трансформатора и удерживает это значение в течение всего цикла синусоидального напряжения. Когда диод запирается, на его анод попадает отрицательное напряжение. В результате оказывается, что разность потенциалов на диоде в два раза превышает амплитуду напряжения вторичной обмотки трансформатора. Поэтому для выпрямителя должны выбираться диоды, которые выдерживали бы такое обратное напряжение.

Максимальное напряжение, которое может выдерживать диод, будучи смещенным в обратном направлении, называется импульсным обратным напряжением диода. В идеале диод должен работать при 80 % номинального значения обратного напряжения для того, чтобы выдерживать изменения входного напряжения. Это относится как к однополупериодным, так и к двухполупериодным выпрямителям. В мостовом выпрямителе к диодам никогда не прикладывается напряжение, большее, чем амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, поскольку в каждом полупериоде работают по два последовательно включенных диода. Поэтому использование диодов на более низкое импульсное обратное напряжение является ещё одним преимуществом мостового выпрямителя.

Отметим, что пиковое значение тока, протекающего через диод, может во много раз превышать ток нагрузки, что является опасным для целостности диода. В реальной цепи ток через диод возрастает не мгновенно и передний фронт импульса тока закруглен.

Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях являются П-образные LC-фильтры (рис. 3.4, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока свободно проходит через дроссель Д_Р в нагрузку R_Н и замыкается через трансформатор. Переменная составляющая замыкается через большие емкости С₁ и С₂ и в нагрузку не проходит.

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

Фильтры 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.

Лекция 10. Тема 3.2. Активные фильтры (2 часа)

Транзисторные фильтры. Фильтры на реактивных элементах имеют объем и массу, соизмеримые с таковыми трансформатора. Транзисторные фильтры не имеют дросселя, значительно меньше по объему и массе и могут обеспечить малое выходное сопротивление. Принцип действия транзисторных фильтров основан на использовании выходной характеристики транзистора (рис. 3.6). При выборе рабочей точки А транзистора после перегиба выходной характеристики сопротивление между коллектором и эмиттером постоянному току R_СТ = U_К/I_К будет меньше, чем сопротивление переменному току R_ДИН = ΔU_К / ΔI_К . Поэтому транзистор можно использовать вместо дросселя в схеме фильтра.

Рис. 3.6. Коллекторная характеристика транзистора

Транзисторные фильтры различают с последовательным и параллельным подключением нагрузки к транзистору. Чаще используется последовательное включение нагрузки, при этом она может быть включена в цепь коллектора или эмиттера.

На рис. 3.7 приведен транзисторный фильтр с нагрузкой R_Н , включенной в цепь коллектора. При больших изменениях входного напряжения ток коллектора изменяется незначительно (рис. 3.6) и пульсации на нагрузке будут меньше, чем на входе фильтра. Смещение на базе транзистора создается от постоянной составляющей выпрямленного напряжения (резистор R₂ на рис. 3.7). Резистор R₁ обеспечивает термостабилизацию схемы.

Рис. 3.7. Транзисторный фильтр с нагрузкой в цепи коллектора

Достоинства транзисторных фильтров: большие значения коэффициента сглаживания и сопротивления для низкочастотных составляющих.

Недостатки транзисторных фильтров: низкий КПД и зависимость коэффициента сглаживания от температуры.