Сглаживающий фильтр

Шаблон:Переработать Сгла́живающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока.

Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, включённый параллельно нагрузке. Нередко параллельно электролитическому конденсатору устанавливается плёночный (или керамический) с малой паразитной последовательной индуктивностью, ёмкостью в доли или единицы микрофарад, для устранения высокочастотных и импульсных помех (сам электролитический конденсатор плохо фильтрует высокочастотные помехи из-за большой паразитной индуктивности)^[1]^[2].

Общие сведения

В любой схеме выпрямления на выходе выпрямленное напряжение помимо постоянной составляющей содержит переменную, называемую пульсацией напряжения^[3]. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственно питание нагрузки от выпрямителя возможно относительно редко (при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей сигнализации, электродвигателей и т. д.) — там, где приёмник энергии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленного напряжения. Пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу радиоэлектронных устройств. Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть, для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, который обычно состоит из реактивных сопротивлений (то есть тех, которые включают в себя индуктивность и ёмкость). Такой фильтр действует как фильтр нижних частот^[4]^[5], обрезая высшие гармоники.

Переменная составляющая выпрямленного напряжения в общем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с различными амплитудами, сдвинутых по отношению к первой на разные углы (см. Ряд Фурье). При этом первая гармоника имеет амплитуду, во много раз превосходящую амплитуды высших гармоник. В зависимости от назначения аппаратуры предъявляют различные требования к величине и характеру пульсации выпрямленного напряжения. Чаще всего для радиотехнической аппаратуры качество сглаживания характеризуется величиной максимально допустимой амплитуды переменной составляющей. В этом случае фильтры рассчитывают на максимальное подавление основной гармоники.

Псофометрический коэффициент помех

При оценке помех, проникающих из цепей питания в телефонные каналы, необходимо учитывать не только амплитуду напряжения данной гармоники, но и такой параметр, как частота. Это объясняется тем, что микротелефонные цепи и ухо человека обладают различной чувствительностью к колебаниям разной частоты, даже если их амплитуда одинакова. В связи с этим вводят понятие псофометрического коэффициента помех $a_{k}$ ^[6], который зависит от частоты и величина которого определяется экспериментально с учётом микротелефона и человеческого уха.

Эффективное значение псофометрического напряжения пульсации $U$ на выходе выпрямителя будет равно:

U = \sqrt{0, 5 [(U_{01 m} \cdot a_{1})^{2} + (U_{02 m} \cdot a_{2})^{2} + . . . + (U_{0 k m} \cdot a_{k})^{2}]},

где

a_{1} . . ., a_{k}

— псофометрические коэффициенты для соответствующих гармоник;

U_{1} . . ., U_{k}

— амплитуды соответствующих гармоник выпрямленного напряжения.

Коэффициент сглаживания

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания, которым называется отношение коэффициента пульсации на входе $(K_{B x})$ к коэффициенту пульсации на выходе $(K_{H}),$ то есть на нагрузке:

K_{C} = K_{B x} / K_{H a} =

(U_{01 m} / U_{0}) / (U_{H 1 m} / U_{H}),

где

U_{01 m}, U_{H 1 m}

— амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно;

U_{0}, U_{H}

— постоянные составляющие напряжений на входе и выходе фильтра.

Виды сглаживающих фильтров

Индуктивный сглаживающий фильтр

Индуктивный фильтр состоит из дросселя, включённого последовательно с нагрузкой. Сглаживающее действие такого фильтра основано на возникновении в дросселе ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока. Дроссель выбирается так, чтобы индуктивное сопротивление его обмотки ( $X_{L} = m ω_{c} L$ ) было больше сопротивления нагрузки $R_{H} .$ При выполнении этого условия большая часть переменной составляющей падает на обмотке дросселя. На сопротивлении нагрузки выделяется в основном постоянная составляющая выпрямленного напряжения $U_{0}$ и переменная составляющая, величина которой намного меньше переменной составляющей напряжения, падающего на обмотке дросселя.

Коэффициент сглаживания такого фильтра равен:

K_{C} = \frac{\sqrt{R_{H}^{2} + (m ω_{c} L)^{2}}}{R_{H}},

где

R_{H}

— сопротивление нагрузки;

L

— индуктивность обмотки дросселя;

ω_{c}

— угловая частота;

m

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

Ёмкостной сглаживающий фильтр

Ёмкостной фильтр обычно анализируют не отдельно, а совместно с выпрямителем. Его сглаживающее действие основано на накоплении электрической энергии в электростатическом поле конденсатора и его разряде при отсутствии тока через вентили выпрямителя в моменты времени, когда мгновенное напряжение на выходе выпрямителя ниже напряжения на конденсаторе, через сопротивление нагрузки $(R)$ . Конденсатор имеет реактивное сопротивление:

X_{C} = 1 / (ω \cdot C),

где

C

— электрическая ёмкость конденсатора.

Коэффициент сглаживания такого фильтра будет следующим:

K_{C} = \frac{K_{1}}{K_{2}} = \frac{(\frac{2}{m^{2} - 1})}{(\frac{H}{r C})},

где

K_{1}

— коэффициент пульсаций на входе выпрямителя при отсутствии конденсатора;

K_{2}

— коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя при наличии конденсатора.

При увеличении $m$ коэффициент сглаживания индуктивного фильтра увеличивается, а ёмкостного уменьшается. Поэтому ёмкостной фильтр выгодно применять при выпрямлении однофазных^[7], а индуктивный при выпрямлении многофазных токов.

При увеличении $R_{H}$ сглаживающее действие ёмкостного фильтра увеличивается, а индуктивного уменьшается. Поэтому ёмкостной фильтр выгодно применять при малых, а индуктивный фильтр — при больших токах нагрузки.

LC-фильтр

Наиболее широко используют Г-образный индуктивно-ёмкостной фильтр. Для сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо, чтобы ёмкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты спектра 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:

K_{c} = m^{2} ω_{c}^{2} L C - 1 .

Так как $1 / \sqrt{L C} = ω_{0}$ — собственная частота фильтра, то

K_{c} = (m ω_{c} / ω_{0})^{2} - 1 .

Одним из основных условий выбора $L$ и $C$ 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 газоразрядных вентилей.

Для обеспечения индуктивного импеданса необходимо выполнение неравенства:

L > 2 R_{H} / (m^{2} - 1) m ω_{c} .

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 $L C$ фильтр можно представить в виде двухзвенного, состоящего из ёмкостного фильтра с ёмкостью $C_{0}$ и Г-образного с $L$ и $C_{1}$ .

Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

K_{c} =

\frac{2 r C_{0}}{(m^{2} - 1) H}

(m^{2} ω_{c}^{2} L C_{1} - 1) .

В П-образном фильтре наибольшей величины коэффициент сглаживания достигает при равенстве ёмкостей $C_{1} = C_{0} .$

При необходимости обеспечения большого коэффициента сглаживания целесообразно применение многозвенного фильтра, — фильтра, составленного из двух и более однозвенных фильтров. Коэффициент сглаживания такого фильтра будет равен:

K_{c} =

K_{c 1} \cdot K_{c 2} \cdot K_{c 3} \cdot . . . \cdot K_{c n},

то есть, общий коэффициент сглаживания будет равен произведению коэффициентов сглаживания всех последовательно соединённых фильтров.

Если все звенья фильтра состоят из одинаковых элементов ( $C_{1} = C_{2} = \cdot = C_{n}$ и $L_{1} = L_{2} = \cdot = L_{n}$ ), что практически наиболее целесообразно, то:

K_{c 1} = K_{c 2} = \cdot = K_{c n}

и

K_{c} = K_{z v}^{n} = (m ω_{c})^{2 n} (L_{z v} C_{z v})^{n},

где

K_{z v}

— коэффициент сглаживания каждого звена;

C_{z v}

,

L_{z v}

— соответственно индуктивность и ёмкость каждого звена;

n

— число звеньев.

RC-фильтр

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

K_{c} =

m w_{c} C R

\frac{R_{H}}{R_{H} + R .}

Значение сопротивления фильтра $R$ 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-ёмкостного фильтра производится так, как и в случае П-образного LC-фильтра, путём разделения этого фильтра на ёмкостной и Г-образный RC-фильтры.

Сглаживающий реактор

Статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи с целью уменьшения содержания высших гармоник (пульсаций) в выпрямленном токе. Применяется на тяговых подстанциях постоянного тока, на электроподвижном составе (электровозы, электропоезда) переменного тока. Сглаживающий реактор обычно соединяется последовательно с выпрямителем, таким образом, через него протекает весь ток нагрузки. Шаблон:Details

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Книга

Шаблон:Книга

Шаблон:Книга

Шаблон:Книга

Шаблон:Книга Шаблон:Wayback

Шаблон:Книга

См. также

Ссылки

Полезные статьи

Видео

«Транзисторный сглаживающий фильтр», ЧИП И DИП Шаблон:Ref-ru

Примечания

Все сглаживающие фильтры применяются в зависимости от мощности нагрузки

Шаблон:Нет иллюстрации Шаблон:Нет ссылок

↑ Сажнёв А. М., Рогулина Л. Г. Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных систем: учеб. пособие. / 3.5 Сглаживающие фильтры. / Новосибирск, 2011. — 220 с., УДК 621.314.2(075.8) С147
↑ Шаблон:Cite web
↑ Шаблон:Cite web
↑ Шаблон:Книга
↑ Шаблон:Cite web
↑ Шаблон:Cite web
↑ Шаблон:Cite web
↑ Германиевый и кремниевый диоды

[Сажнёв-1] Сажнёв А. М., Рогулина Л. Г. Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных систем: учеб. пособие. / 3.5 Сглаживающие фильтры. / Новосибирск, 2011. — 220 с., УДК 621.314.2(075.8) С147

[Жданкин-2] Шаблон:Cite web

[3] Шаблон:Cite web

[4] Шаблон:Книга

[5] Шаблон:Cite web

[6] Шаблон:Cite web

[7] Шаблон:Cite web

[8] Германиевый и кремниевый диоды

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

Сглаживающий фильтр

Содержание

Общие сведения

Псофометрический коэффициент помех

Коэффициент сглаживания

Виды сглаживающих фильтров

Индуктивный сглаживающий фильтр

Ёмкостной сглаживающий фильтр

LC-фильтр

RC-фильтр

Сглаживающий реактор

Примечания

Литература

См. также

Ссылки

Примечания

Навигация

Сглаживающий фильтр

Общие сведения

Псофометрический коэффициент помех

Коэффициент сглаживания

Виды сглаживающих фильтров

Индуктивный сглаживающий фильтр

Ёмкостной сглаживающий фильтр

LC-фильтр

RC-фильтр

Сглаживающий реактор

Примечания

Литература

См. также

Ссылки

Примечания

Навигация

Поиск