4. Сглаживающие фильтры

4.1. Общие положения

На выходе любой схемы выпрямления имеет место пульсация напряжения. Амплитуда и характер пульсации зависят от схемы выпрямления, характера нагрузки, формы входного переменного напряжения и других факторов. Напряжение пульсации создает помехи в питаемой аппаратуре и может нарушить нормальный режим ее работы. Для снижения амплитуды пульсации до до­пустимого значения выпрямительные устройства снабжают фильтрами. Если считать, что выпрямитель нагружен на чисто активную нагрузку и входное напряжение синусоидально, то вы­прямленное напряжение может быть представлено в виде сле­дующего ряда Фурье

,

где U_m - максимальное значение выпрямленного напряжения;

m - число фаз выпрямления

f - частота входного напряжения.

Таблица 4.1

Схемы выпрямления	Гармоники пульсирующего напряжения
	Первая		Вторая		Третья		Четвертая
	Частота, Гц	Амплитуда, В	Частота, Гц	Амплитуда, В	Частота, Гц	Амплитуда, В	Частота, Гц	Амплитуда, В
Однофазная, двухполупериодная и мостовая Трехфазная, однополупериодная Трехфазная, мостовая	100 150 300	0,667 0,250 0,057	200 300 600	0,133 0,057 0,014	300 450 500	0,057 0,025 0,066	400 600 1200	0,057 0,014 0,003

Выражение перед квадратными скобками характеризует по­стоянную составляющую выпрямленного напряжения. Члены вида представляют собой амплитуды гармоник, отнесенные к одному вольту выпрямленного напряжения. Выраже­ния mf, 2mf,... определяют частоты этих гармоник. В таблице 4.1 приведены амплитуды напряжений и частот первых четырех гармо­ник для четырех основных схем выпрямления, причем постоянная составляющая выпрямленного напряжения принята равной 1В.

С увеличением номера гармоники амплитуды напряжения гармоник уменьшаются.

4.2. Оценка мешающего действия пульсации напряжения

Если в выпрямленном напряжении имеются гармоники с часто­тами f₁, f₂, …f_n. амплитудные напряжения которых соответственно U₁, U₂, … U_n, то полное эффективное напряжение помех определяется как среднее квадратичное из выражения

. (4.1)

При оценке мешающего действия переменной составляющей выпрямленного напряжения прежде всего учитывают первую и ближайшие к ней гармонические составляющие, имеющие наи­большие амплитуды. Однако гармоники, которые имеют неболь­шие амплитуды, могут оказывать большее мешающее действие, если частоты этих гармоник совпадают с частотами рабочих сигналов, существующих в питаемой аппаратуре. При оценке ме­шающего действия переменной составляющей на работу аппарату­ры, предназначенную для сигналов, воспринимаемых органами слуха человека (телефонная, радиовещательная и др.), необходимо учитывать не только напряжение гармоник, совпадающих со спектром рабочих сигналов, но и чувствительность человеческого уха к колебаниям различных частот.

Если создать звуковые колебания на различных частотах с одинаковой интенсивностью и принять чувствительность челове­ческого уха к колебаниям с частотой 800 Гц за исходную, то колебания в диапазоне от 800 до 1100 Гц будут восприниматься, как более громкие звуки, а колебания ниже 800 Гц и выше 1100 Гц - как менее громкие. В связи с этим в акустике введено понятие о псофометрическом коэффициенте а_n, который позволяет учитывать сте­пень чувствительности человеческого уха к колебаниям различных частот. Значения этого коэффициента определены экспериментально.

В устройствах электропитания при оценке мешающего действия гармонических составляющих на выходе выпрямителя также поль­зуются псофометрическим коэффициентом. В этом случае он пока­зывает степень мешающего действия колебаний данной частоты по сравнению с мешающим действием колебаний с частотой 800 Гц.

Ниже приведены значения псофометрического коэффициента для наиболее часто встречающихся гармоник переменной составляю­щей выпрямленного напряжения.

f, Гц	50	100	150	200	300	400	450	500	600
an	0.0071	0.00891	0.0355	0.00891	0.295	0.484	0.582	0.505	0.861
f, Гц	700	750	800	900	1000	1100	1200	1300	1400	1500
an	0.902	0.955	1.0	1.072	1.122	1.072	1.0	0.555	0.505	0.861
f, Гц	1600	1600	1800	2000	2500	3000	4000	5000
an	0.824	0.824	0.760	0.708	0.617	0.525	0.375	0.177	0.016

Напряжение помех с учетом чувствительности органов слуха человека к колебаниям различных частот называют псофометрическим напряжением. Полное эффективное псофометрическое на­пряжение помех, содержащих ряд гармоник,

,

где а_х, а₂,.. . , а_n - псофометрические коэффициенты для соответствующих гармоник.

На характер и амплитуду пульсации выпрямленного напряжения существенное влияние оказывают не только схема выпрямления и наличие индуктивностей, приводящих к явлению перекрытия фаз, но и ряд других причин. Так, вследствие неравномерной нагрузки фаз трехфазной сети, асимметрии в схеме выпрямителя или наличия в схемах выпрямителей дросселей насыщения, обладающих значи­тельной нелинейностью, могут появиться гармоники с частотами, не характерными для принятой схемы выпрямления. В результате действия этих факторов амплитуды гармонических составляющих пульсирующего напряжения могут существенно отличаться от при­веденных значений (см. таблицу 4.1), поэтому при расчете фильтров чаще всего руководствуются данными, получаемыми измерением отдельных гармонических составляющих с помощью анализаторов спектра.

Полное эффективное (среднее квадратичное) напряжение пуль­сации измеряется вольтметром с квадратичной характеристикой детектирования и частотным диапазоном от 20 до 20000 Гц.

В связи с тем что гармоники в диапазонах частот ниже и выше 300 Гц по-разному сказываются на работе аппаратуры многока­нальной связи, при измерении напряжения пульсации вольтметр подключают к контролируемой цепи через специальные фильтры нижних и верхних частот с частотами среза 300 Гц. Псофометри­ческое напряжение пульсации измеряется псофометром. В отличие от вольтметра псофометр снабжен фильтром, позволяющим учесть различную чувствительность органов слуха к колебаниям различ­ных частот.

Таблица 4.2

Аппаратура или цепи	Напряжение питания, В		Допустимое напряжение пульсации
	Номинальное UH	Рабочее UP	Эффективное (действующее) Uэфф, В	Псофометрическое Uпсоф, В
Цепи питания аппаратуры систем передачи воздушных кабельных и радиорелейных линий Вспомогательные цепи аппаратуры связи (цепи сигнализации и др.) Коммутаторы ручных телефонных станций Аппаратура тонального телеграфирования Аппаратура автоматических телефонных станций декадно-шаговой системы Аппаратура автоматических телефонных станций координированной системы Аппаратура автоматических телефонных станций квазиэлектронной системы Коммутационная аппаратура телеграфных станций Местные и линейные телеграфные цепи Электродвигатели телеграфных аппаратов * - действительно для аппаратуры, разработанной до 1970 г. ** - в полосе частот до 300 Гц. *** - на частоте 300 Гц и выше.	24 21,2 24 24 24 60 60 60 60 120	21,6-26,4 20,6-1,8* 21,6-26,4 21,6-26,4 21,6-26,4 58-60 54-72 54-66 58-66 108-129*	0,250** 0,015*** 1,2 - 0,24 - - 0,6 3	- - - 2,4·10-3 - 5·10-3 5·10-3 5·10-3 - -

Допустимые амплитуды пульсации выпрямленного напряжения питания аппаратуры автоматики и связи обычно указываются в технических условиях на аппаратуру. Для стационарной аппара­туры проводной и радиорелейной связи, выпускавшейся до 1985 г., напряжения питания и допустимое напряжение пульсации при­ведены в табл. 4.2.

Для стационарной аппаратуры электросвязи, выпускаемой с 1985 г., постоянное напряжение питания и допустимое напряжение пульсации приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Напряжение питания, В			Допустимое напряжение пульсации
Номинальное	рабочее для группы		эффективное (действующее) Uэфф, В, для диапазона частот, Гц		псофометрическое Uпсоф, В
	первой	второй	до 300	от 300 до 20000
24 60	21-28 54-72	21,6-26,4 54-66	0,10 0,250	0,01 0,015	0,002 0,002

Для радиоэлектронной аппаратуры допустимая амплитуда пульсации выпрямленного напряжения часто задается в виде коэффициента пульсации, выраженного в процентах. Ориентировочные допустимые коэффициенты пульсации для некоторых эле­ментов радиоаппаратуры приведены ниже.

Элементы аппаратуры или цепи	Допустимый коэффициент пульсации напряжения, %
Микронный цепи Задающие генераторы радиопередатчиков Усилители низкой частоты Выходные каскады передатчиков: телефонных телеграфных	0,0001-0,0005 0,001-0,01 0,1-0,5 0,005-0,1 0,5-1,0

Амплитуда пульсации напряжения на выходе схемы выпрямле­ния в большинстве случаев превышает допустимое значение. Для снижения амплитуды пульсации применяют сглаживающие фильтры.

Рисунок 4.1 – Сглаживающие фильтры

Схемы и конструкция фильтров могут быть самыми разнооб­разными. Простейшие фильтры (рисунок 4.1, а и б) обычно состоят из одного элемента (индуктивности или емкости). Одно- и многозвен­ные фильтры (рисунок 4.1, в, г и д) состоят из различных комбинаций L, С и R.. В резонансных фильтрах (рисунок 4.1, е и ж) имеются резо­нансные контуры, настроенные на одну из гармоник (обычно первую) выпрямленного напряжения. Электронные фильтры

(рисунок 4.1, з), в которых в качестве управляемого сопротивления, подавляющего переменную составляющую, используются схемы с транзисторами. В фильтрах с аккумуляторной батареей (рисунок 4.1, и) аккумуляторная батарея, кроме основного своего назначения -резервирования питания, выполняет вторую задачу - обеспечивает уменьшение пульсации. Для питания стационарной аппаратуры автоматики и связи на железнодорожном транспорте наиболее широкое распространение получили схемы фильтров (см. рисунок 4.1, а, г, д и и).

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэф­фициент фильтрации, который показывает, во сколько раз фильтр уменьшает амплитуду напряжения соответствующей гармоники ,где U_{n вх} и U_{n вых} - амплитудные значения напряже­ния n-й гармоники соответственно на входе и выходе фильтра.