4 СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

 

Сглаживаюшими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.

Качество сглаживающего фильтра (СФ) характеризуется следующими величинами:

                                             (4.1)

                                      (4.2)

Коэффициент сглаживания:

                                               (4.3)

Коэффициент сглаживания учитывает подавление пульсаций и передачу  постоянной  составляющей U.

Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что ).

 - коэффициент деления                                          (4.4)

При расчёте коэффициентата сглаживания применяются различные определения коэффициента пульсаций. Интенсивность пульсации оценивают различными способами – вычисляют:

- действующее значение U;

- амплитуду ;

- значение ;

                                                   (4.5)

 

 

       По частотному составу различают:

- низкочастотную пульсацию (<300Гц)

- высокочастотную пульсацию (>300Гц).

 

       Применяются разнообразные фильтры:

1)           по принципу действия:

а) пассивные

б) активные

2)           по степени сложности:

а) простые (однозвенные)

б) сложные (многозвенные или резонансные);

3)           по виду элементов:

а) LC-фильтры

б) RC-фильтры.

 

При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности:

- минимальная стоимость;

- минимальная масса;

- минимальные габариты;

Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.

 

 

4.1 Пассивные сглаживающие фильтры.

 

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

 

4.1.1 L-фильтры

Простейший пассивный фильтр:    L-фильтр.

Для него справедливы следующие соотношения:

                                                     (4.6)

                                                 (4.7)

                                  (4.8)

                                                     (4.9)

 

 

4.2.1 С-фильтр

 

График1

 

Рис. 4.1

 

Для него справедливы следующие соотношения:

 

                                                                (4.10)

 

                                                             (4.11)

                                            (4.12)

                                                  (4.13)

 

Из формулы (4.13) 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.

 

4.1.3 LС-фильтры.

 

       LC-фильтры могут быть:

       - однозвенные;

       - Г-образные;

       - П-образные;

       - многозвенные;

                

сф

 

Рис. 4.2

Для Г-образных фильтров:

                         (4.14)

       В данном случае, в отличие от случая использования L- или C-фильтров по заданному коэффициенту сглаживания непосредственно рассчитать необходимые значения L и C, пользуясь формулой  для  не удаётся, но может быть определено следующее:

                                             (4.15)

       П-образные LC-фильтры можно рассматривать как последовательность включения простого С-фильтра и Г-образного LC-фильтра.

                               (4.16)

       Для многозвенного LC-фильтра:

                                                      (4.17)

       В теории фильтров показано, что если зафиксировано дозволенное значение суммарной индуктивности и суммарной емкости фильтра, то максимальное значение коэффициента сглаживания в многозвенном фильтре достигается при одинаковых индуктивностях и емкостях в каждом звене.

       Количество звеньев многозвенных фильтров выбирается исходя из критерия оптимальности. Фильтры с минимальной стоимостью содержат иное количество звеньев, чем фильтры с минимальными массой и габаритами.

       Коэффициент сглаживания можно повысить, используя резонансное явление и основанный на нем LC-фильтр.

 

4.1.4 Резонансные LС-фильтры.

сф2

Рис. 4.3

                                                      (4.18)

                                     (4.19)

                                             (4.20)

,                           (4.21)

где

 

 

Возможна схема с использованием последовательного резонанса (рис. 4.4).

LC фильтр

Рис. 4.4

                                                         (4.22)

                                                   (4.23)

Использование резонансных LC-фильтров позволяет в 2-3 раза увеличить коэффициент сглаживания против LC-фильтров со сравнительными затратами.

Однако резонансные фильтры сложны в настройке и могут расстроится из-за старения элементов, за счет изменения тока I подмагничивания дросселя.

С использованием реактивностей могут быть построены и фильтры с компенсацией переменной составляющей.

Недостатки: значительные масса и габариты, обусловленные в основном конструктивными особенностями L (дросселя). Поэтому в маломощных выпрямителях со слабым током нагрузки  широко применяются RC-фильтры.

 

 

4.1.5 RC сглаживающие фильтры.

RC фильтры

а)                                 б)

Рис. 4.5

 

                                               (4.24)

RC-фильтры в своем схемном очертании и аналитическом описании во многом подобны соответствующим LC-фильтрам.

Достоинства:

       -простота;

       -малые габариты.

Недостаток: невозможность использования в цепях с большими токами из-за недопустимых падений напряжения на сопротивлении фильтра, действующих при больших токах нагрузки .

       Общий недостаток LC- и RC-фильтров является трудность получения больших коэффициентов сглаживания.

       Значительный коэффициент сглаживания обеспечивают активные сглаживающие фильтры.

 

4.2 Активные сглаживающие фильтры.

 

Активные фильтры строятся с использованием электронных ламп по 2 схемам:

- с последовательным включением регулировочного элемента (РЭ);

- с параллельным включением РЭ;

Рассмотрим полупроводниковые варианты таких фильтров.

 

4.2.1 Транзисторный активный сглаживающий фильтр с последовательным включением РЭ.

Работа фильтра основана на том, что промежуток коллектор-эмиттер имеет большое сопротивление для переменного тока, или сравнительно небольшое для постоянного, задаваемого рабочей точкой (током базы). Для уменьшения проникновения пульсации в управляющую сеть базы, фильтр R-базы С-фильтра можно усложнить (добавить  с ). Кроме этого, вместо VT можно использовать схему РЭ, чтобы уменьшить ток I по сопротивлению .

                                              (4.25)

Недостаток: необходимость пропускания мощного тока нагрузки  через VT.

Данный недостаток исключает VT-фильтр с параллельным включением РЭ.

 

4.2.2 Транзисторный активный сглаживающий фильтр с параллельным включением РЭ.

Транзист фильтр

Рис. 4.6

Схема с последовательным включением (по отношению к нагрузке) VT предъявляет высокие требования к пропускной способности этого VT по току. Кроме того на VT рассеивается значительная мощность, что снижает КПД устройства.

В схеме с параллельным включением VT, этот VT может быть маломощным, но на добавочном сопротивлении при больших токах нагрузки  действует значительное падение напряжения и потери мощности.

Схема с параллельным включением VT предпочтительнее в маломощных устройствах и при импульсном потреблении энергии.

Недостаток: трудность обеспечения значительных мощностей.

В технической электронике во многих случаях требуется регулируемое выходное напряжение источника питания (или ток). Кроме того, из-за нестабильности (непостоянства) напряжения U первичного источника питания меняется и U ИВЭП, что может оказаться для потребителя неприемлемо. В этих случаях оказывается целесообразным регулировать и стабилизировать U и I ИВЭП.