12. Активные и реактивные сглаживающие фильтры. Типы, способы включения, принципы работы, сравнение.

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора. Нередко устанавливается параллельно электролитическому конденсатору плёночный (или керамический) для переменного тока ёмкостью 0,01 микрофарады, для устранения помех сети 220.

Активный сглаживающий фильтр.

К их достоинствам относят:

• высокие качественные и энергетические показатели;

• широкий диапазон частот;

• простота конструкции;

• малая зависимость коэффициента сглаживания от изменений тока нагрузки;

• малые магнитные поля из-за отсутствия индуктивности в схеме фильтра;

• отсутствие опасных режимов при возникновении переходного процесса, т.к. нет перенапряжения при “сбросе” тока нагрузки.

К недостаткам схемы можно отнести: снижение к.п.д. устройства при увеличении тока нагрузки из-за увеличения потерь на транзисторе; необходимость защиты транзистора в переходных режимах.

В активных фильтрах последовательно или параллельно включается регулирующий транзистор, выполняющий роль дросселя или резистора в раннее рассматриваемых фильтрах. Принцип действия активных фильтров основан на свойстве транзистора создавать различные сопротивления для переменного и постоянного токов. Характерны два способа построения фильтров. Первый способ состоит в том, что транзистор включается по схеме с общим коллектором.

Ток коллектора I_К в схеме фильтра ОК мало зависит от величины приложенного к переходу коллектор- эмиттер напряжения U_К при постоянном значении тока базы. На рисунке приведены графики зависимости I_К = f (U_К ) при I_б = const.

Если провести на графике нагрузочную прямую (U_К = U_ВХ при I_КО = 0 и I_К = U_ВХ / R_Н при U_К = 0 ) и выбрать на ней рабочую точку А { U_К0 , I_КО }, то сопротивление транзистора переменой составляющей тока в точке А R_Д =  U_К /  I_К будет много больше его сопротивления постоянному току R_С = U_К0 / I_КО , т.е. R_Д   R_С . Соответственно переменная составляющая выпрямленного напряжения U_В.ПЕР. на входе фильтра вызывает небольшие изменения тока коллектора  I_К при условии, что ток базы I_б = const. Переменная составляющая напряжения на выходе фильтра ОК U_{ВЫХ.ПЕР.} =  I_К R_Н получается значительно ослабленной по сравнению с U_В.ПЕР. Чтобы обеспечить постоянство тока базы транзистора, в цепь базы включают конденсатор, и резистор такой величины при которой постоянная времени цепи  была бы много больше периода пульсаций выпрямленного напряжения.

Таким образом, сглаживание пульсаций в фильтре ОК обеспечивается RC фильтром в базовой цепи, а транзистор VT предназначен для усиления сигнала по мощности (эмиттерный повторитель!). Резистор R задаёт режим работы транзистора по постоянному току, устанавливая ток базы.

Второй способ построения активного фильтра состоит в том, что транзистор включается по схеме с общей базой:

Фильтры этого типа применяются лишь в тех случаях, когда ток нагрузки остается постоянным. Режим работы транзистора по постоянному току определяется величиной R_б, а сглаживающее действие – постоянной времени цепочки R₁C₁. Эта цепь стабилизирует ток эмиттера, если R₁C₁ >> T_n, где T_n – период пульсации. В этом режиме транзистор обладает большим дифференциальным сопротивлением и малым статическим, что эквивалентно дросселю в LC–фильтрах. В связи с тем, что у данной схемы выходное сопротивление имеет большую величину, для его снижения на выходе фильтра ставится конденсатор С_н.

Принцип действия этого фильтра основан на компенсации переменной составляющей входного напряжения за счет падения напряжения на резисторе R при протекании по нему тока эммитера транзистора.

Для повышения показателей качества активных фильтров в них применяются составные транзисторы, многозвенные RC-цепочки в цепи базы, а также токостабилизирующие двухполюсники.

Коэффициент сглаживания q схемы рассчитывается так же, как в RC пассивном фильтре:

Индуктивный сглаживающий фильтр

Индуктивный фильтр состоит из дросселя,включенного последовательно с нагрузкой.Под дросселем подразумевается обычная катушка, характеризующаяся определённой индуктивностью.^[5]Сглаживающее действие такого фильтра основано на возникновении в дросселе ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока. Дроссель выбирается так,чтобы индуктивное сопротивление его обмотки(  )было много больше сопротивления нагрузки  . При выполнении этого условия большая часть переменной составляющей падает на обмотке дросселя.На сопротивлении нагрузки выделяется в основном постоянная составляющая выпрямленного напряжения   и переменная составляющая , величина которой много меньше переменной составляющей напряжения,падающего на обмотке дросселя.

Коэффициент сглаживания такого фильтра равен 

где у нас

 - сопротивление нагрузки

 - индуктивность обмотки дросселя

 - угловая частота

 - коэффициент зависящий от схемы выпрямителя и показывающий, во сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напряжения больше частоты тока сети.

Емкостной сглаживающий фильтр

Емкостной фильтр фильтр рассматривают не отдельно, а всегда совместно с таким прибором,как выпрямитель.Его действие основано на накоплении электрической энергии в электрическом поле конденсатора^[6] и его разряде при отсутствии тока через вентиль на сопротивление нагрузки  . Причём конденсатор подключается параллельно к нагрузке. Конденсатор имеет следующее реактивное сопротивление   , где   это ёмкость конденсатора Коэффициент сглаживания такого фильтра будет следующим

( ) ( )

где

К(1)-коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя при отсутствии ёмкости

К(2)-коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя при наличии ёмкости.

При увеличении m коэффициент сглаживания индуктивного фильтра увеличивается, а емкостного уменьшается.Поэтому емкостной фильтр выгодно применять при выпрямлении однофазных^[7], а индуктивный при выполнении многофазных токов.При увеличении   сглаживающее действие емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного уменьшается.Поэтому емкостной фильтр выгодно применять при малых,а индуктивный при больших токах нагрузки.

Пассивные сглаживающие фильтры

Строится на индуктивностях, емкостях, сочетаниях активных сопротивлений и емкостей.

L-фильтры

Простейший пассивный фильтр: L-фильтр.

Для него справедливы следующие соотношения:

(7)

(8)

(9)

(10)

С-фильтр Рисунок.1

Для него справедливы следующие соотношения:

(11)

(12)

(13)

(14)

Из формулы (13) следует, что С-фильтр эффективен в выпрямителях с малым количеством m импульсов за период выпрямленного напряжения и в устройствах с малым током нагрузки, т.о. область применения С-фильтра противоположна применению L-фильтра.

При необходимости достижения повышенного коэффициента сглаживания, применяют LC-фильтры.

LC фильтр

Наиболее широко используют Г-образный индуктивно-емкостной фильтр.Для сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо,чтобы емкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты пульсации было много меньше сопротивления нагрузки,а также много меньше индуктивного сопротивления дросселя для первой гармоники.

При выполнении этих условий , пренебрегая активным сопротивлением дросселя, коэффициент сглаживания такого Г-образного фильтра будет равен

Так как  -собственная частота фильтра, то

Одним из основных условий выбора   и   является обеспечение индуктивной реакции фильтра.Такая реакция необходима для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя, а также в случаях использования в выпрямителях германиевых, кремниевых^[8] или ионных вентилей.

Для обеспечения индуктивной реакции необходимо выполнение неравенства

При проектировании фильтра необходимо также обеспечить такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора ,при которых не мог бы возникнуть резонанс на частоте пульсаций выпрямленного напряжения и частоте изменения тока нагрузки.

П-образный   фильтр можно представить в виде двухзвенного,состоящего из емкостного фильтра с ёмкостью   и Г-образного с   и  .

Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

В П-образном фильтре наибольшей величины коэффициент сглаживания достигает при равенстве емкостей 

При необходимости обеспечения большого коэффициента сглаживания целесообразно применение многозвенного фильтра.Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен :

 т.е. общий коэффициент сглаживания будет равен произведению коэффициентов сглаживания всех соединённых фильтров.

Если все звенья фильтра состоят из одиннаковых элементов ( ; ),что наиболее целесообразно,то

 и 

где   - коэффициент сглаживания каждого звена;  ,  - соответственно индуктивность и емкость каждого звена; n - число звеньев.

RC-фильтры

В выпрямителях^[9] малой мощности в некоторых случаях применяют фильтры,в состав которго входит активное сопротивление и ёмкость.В таком фильтре относительно велико падение напряжения и потери энергии на резисторе  , но габариты и стоимость такого фильтра меньше,чем индуктивно-емкостного. Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

Значение сопротивления фильтра   определяется исходя из оптимальной величины его коэффициента полезного действия.Оптимальное значение КПД лежит в пределах от 0.6 до 0.8. Расчёт П-образного активно-емкостного фильтра производится так,как и в случае П-образного LC - фильтра ,путём разделения этого фильтра на емкостной и Г-образный RC-фильтры.