6. Сглаживающие фильтры основные понятия о сглаживающих фильтрах

При рассмотрении схем выпрямителей было уста­новлено, что выпрямленное напряжение всегда являет­ся пульсирующим и содержит кроме постоянной переменные составляющие. В большинстве случаев питание схем промышленной электроники пульсирующим напря­жением неприемлемо. Допустимые значения коэффи­циента пульсаций (см. § 8.1) зависят от назначения и режима работы устройства; их выбирают в пределах 0,001—2,5%. Поскольку в любой схеме выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во много раз превышает эти пределы, на выходе выпрямителей включают сглаживающие фильтры.

К схемам сглаживающих фильтров предъявляют следующие основные требования:

1) фильтр должен быть построен таким образом, чтобы с одной стороны, максимально уменьшились переменные составляющие, а с другой — не происходи­ло существенного уменьшения постоянной составляющей, которая тоже проходит через фильтр. Поэтому обычно схемы сглаживающих фильтров содержат только реак­тивные составляющие (индуктивности и емкости) и лишь при очень малых мощностях нагрузки могут содержать и активные сопротивления;

2) при переходных процессах в фильтре во время включения и выключения напряжения сети или нагруз­ки величины бросков напряжения и тока должны находиться в допустимых пределах;

3) собственная частота фильтра должна быть ниже частоты основной гармоники выпрямленного напряжения во избежание резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра.

Основным параметром, позволяющим дать количест­венную оценку сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания:

К _{с г} = К _{п. вх} /К _{п. вых},

где К _{п. вх} и К _{п. вых} – коэффициенты пульсаций напряжения на входе и выходе фильтра.

Фильтры с пассивными элементами

Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивные катушки, включенные последо­вательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.

При использовании индуктивных катушек высокий коэффициент сглаживания может быть достигнут при условии, что индуктивное сопротивление цепи значи­тельно превышает ее активное сопротивление:

X_L = L » R_н, (9.1)

где  – частота основной гармоники выпрямленного напряжения.

В этом случае основное падение напряжения пере­менных составляющих происходит не на сопротивле­нии нагрузки, а на индуктивности фильтра. Так как активное сопротивление индуктивности фильтра (дрос­селя) обычно невелико, напряжения постоянной состав­ляющей выпрямленного тока на входе фильтра и на нагрузке практически равны.

Индуктивный фильтр имеет простую схему и обеспе­чивает малые потери мощности и малое изменение выход­ного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Однако при быстром уменьшении тока нагрузки на зажи­мах дросселя возникают кратковременные броски напряжения, которые могут достигать существенного значения.

Поскольку индуктивные фильтры обеспечивают луч­шее сглаживание пульсации при малых сопротивле­ниях нагрузки, их применяют главным образом в мощ­ных выпрямителях.

При включении конденсатора параллельно нагрузке для лучшего сглаживания пульсаций емкостное сопро­тивление должно быть значительно меньше активного сопротивления:

X_с = 1/(С) « R_н.

В этом случае конденсатор заряжается через диод выпрямителя до амплитудного значения напряжения на входе фильтра в те моменты времени, когда напряже­ние на входе фильтра превышает напряжение на кон­денсаторе.

В остальное время конденсатор разряжается на наг­рузку. Значение емкости выбирают таким образом, чтобы за период колебаний напряжения на входе фильтра напряжение на конден­саторе существенно не изменилось.

Ш ирокое применение на практике находят Г-образные индуктивно-ем­костные фильтры (рис. 9.1), представ­ляющие собой сочетание двух про­стейших фильтров: индуктивного и емкостного.

При выполнении условия

Х_C « R_н « X_L (9.2)

такие фильтры обеспечивают значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем фильтры из одной индуктивности или емкости.

Рассмотрим работу Г-образного звена сглаживающего фильтра. Пренебрегая падением напряжения постоянной составляющей U_d на малом активном сопротивлении дрос­селя, можно считать, что

U_{d вх}  U_{d вых} = U_d.

Тогда

А мплитудное значение тока основной гармоники

I_~1 = U_~вх /Z_вх =U_~вых /Z_вых,

где Z_вх – полное сопротивление нагрузки и фильтра; Z_вых — полное сопротивление нагрузки и конденсатора фильтра.

При выполнении условия (9.2)

Z_вх  j(Х_L – X_C), Z_вых  – jХ_C.

С ледовательно,

Если X_L = L, а Х_C = 1/(С), то

К_сг = ²LС – 1

или

LС = (К_сг + 1)/². (9.3)

Зная частоту основной гармоники выпрямленного напряжения, по заданному коэффициенту сглаживания можно найти значения L и С (точнее, их произведение). Выбор конкретных значений индуктивности и емкости представляет в данном случае не математическую, а техни­ческую задачу. Обычно ее решают с учетом дополнительных условий, к которым относятся габаритные раз­меры, масса и стоимость фильтра, а также величина допустимого броска тока при включении.

Б олее эффективными являются П-образные фильтры. На рис. 9.2 показана схема одного звена такого фильтра, представляющего собой сочетание простейшего емкост­ного фильтра и Г-образного звена.

Для получения большего коэффициента сглаживания пульсаций необходимо увеличивать L и С, что приводит к большим габаритным размерам и массам дросселей и конденсаторов. В этом случае лучшие результаты обеспечивают сложные многозвенные фильтры, состоящие из нескольких последовательно соединенных Г-образных звеньев. Входным элементом такого фильтра является индуктивная катушка. Если первое звено сделать П-образным, то входным элементом будет емкость.

Поскольку для каждого звена входное напряжение является выходным напряжением предыдущего звена, общий коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению всех коэффициентов сглаживания отдельных звеньев:

К_сг = К_сг1 К_сг2 … К_{сг n}.

Если коэффициенты сглаживания всех звеньев выбраны одинаковыми, то

где п — число звеньев.

Среди перечисленных требований, предъявляемых к сглаживающим фильтрам, отмечалась необходимость ограничения собственной резонансной частоты фильтра ₀ условием

откуда LC >=4/ ².

(9.4)

Из сопоставления (9.4) с (9.3) условие отсутствия резонансных явлений в фильтре получим в виде

K_сг>= 3.

В отдельных случаях применяют резистивно-емкостные фильтры, которые имеют меньшие габаритные размеры, массу и стоимость. Дроссель в этих фильтрах заменяется резистором. В отличие от индуктивно-емкостных фильтров здесь происходит существенное уменьшение не только переменных, но и постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Р ассмотрим основные соотношения для простейшего Г-образного резистивно-емкостного фильтра (рис. 9.3). Коэффициент сглаживания пульсаций

П оскольку для получения хорошей фильтрации здесь также должно соблюдаться условие (9.1), можно записать.

Аналогично можно вывести соотношение для П-образ­ных и многозвенных резистивно-емкостных фильтров.

В связи с тем что в таких фильтрах происходит умень­шение выпрямленного напряжения, их целесообразно использовать при питании нескольких потребителей с различными напряжениями от одного выпрямителя. Кроме основного назначения фильтр выполняет в этом случае роль делителя напряжения. Из-за сравнительно больших потерь область применения резистивно-емкостных сглаживающих фильтров ограничивается маломощ­ными выпрямителями.

ДЯГИЛЕВ Владимир Иванович

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Редактор О.В. Крутова

Формат 60 х 88 1/16. Усл.печ.л.1.2

Тираж 50.

74