Сглаживающий фильтр

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) ёмкостью с малой паразитной последовательной индуктивностью, в доли или единицы микрофарады, для устранения высокочастотных и импульсных помех[1][2].

Общие сведенияПравить

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 помехПравить

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  [6], который зависит от частоты и величина которого определяется экспериментально с учётом микротелефона и человеческого уха.

Эффективное значение псофометрического напряжения пульсации   на выходе выпрямителя будет равно:

 
где   — псофометрические коэффициенты для соответствующих гармоник;
  — амплитуды соответствующих гармоник выпрямленного напряжения.

Коэффициент сглаживанияПравить

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания, которым называется отношение коэффициента пульсации на входе   к коэффициенту пульсации на выходе   то есть на нагрузке:

  
где   — амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно;
  — постоянные составляющие напряжений на входе и выходе фильтра.

Виды сглаживающих фильтровПравить

Индуктивный сглаживающий фильтрПравить

Индуктивный фильтр состоит из дросселя, включенного последовательно с нагрузкой. Под дросселем подразумевается обычная катушка, характеризующаяся определённой индуктивностью[7]. Сглаживающее действие такого фильтра основано на возникновении в дросселе ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока. Дроссель выбирается так, чтобы индуктивное сопротивление его обмотки ( ) было 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 намного меньше переменной составляющей напряжения, падающего на обмотке дросселя.

Коэффициент сглаживания такого фильтра равен:

 
где   — 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.

Ёмкостной сглаживающий фильтрПравить

 
Ёмкостной сглаживающий фильтр.
  — фильтрующий конденсатор,   — сопротивление нагрузки.

Ёмкостной фильтр обычно анализируют не отдельно, а совместно с выпрямителем. Его сглаживающее действие основано на накоплении электрической энергии в электростатическом поле конденсатора[8] 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  . Причём конденсатор подключается параллельно нагрузке.

Конденсатор имеет реактивное сопротивление:

 
где   — электрическая ёмкость конденсатора.

Коэффициент сглаживания такого фильтра будет следующим:

 
где   — коэффициент пульсаций на входе выпрямителя при отсутствии конденсатора;
  — коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя при наличии конденсатора.

При увеличении   коэффициент сглаживания индуктивного фильтра увеличивается, а ёмкостного уменьшается. Поэтому ёмкостной фильтр выгодно применять при выпрямлении однофазных[9], а индуктивный при выпрямлении многофазных токов.

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

LC-фильтрПравить

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:

 

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[10] или газорязрядных вентилей.

Для обеспечения индуктивного импеданса 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 LC-фильтр.

П-образный   фильтр можно представить в виде двухзвенного, состоящего из ёмкостного 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 ёмкостей  

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

  

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

Если все звенья фильтра состоят из одинаковых элементов (  и  ), что практически наиболее целесообразно, то:

  и  
где   — коэффициент сглаживания каждого звена;
 ,  — соответственно индуктивность и ёмкость каждого звена;
  — число звеньев.

RC-фильтрПравить

В выпрямителях[11] 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  , но габариты и стоимость такого фильтра меньше, чем индуктивно-ёмкостного. 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-ёмкостного фильтра производится так, как и в случае П-образного LC-фильтра, путём разделения этого фильтра на ёмкостной и Г-образный RC-фильтры.

Сглаживающий реакторПравить

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.

ПримечанияПравить

  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
  2. Жданкин В. Подавление электромагнитных помех во входных цепях преобразователей постоянного напряжения.
  3. Влияние напряжения пульсации на выходное напряжение
  4. Sedra, Adel (англ.); Smith, Kenneth C. Microelectronic Circuits, 3 ed (неопр.). — Saunders College Publishing (англ.), 1991. — С. 60. — ISBN 0-03-051648-X.
  5. Mastering Windows: Improving Reconstruction
  6. Псофометрический коэффициент помех
  7. Inductance
  8. Capacitor
  9. Переменный однофазный ток
  10. Германиевый и кремниевый диоды
  11. Rectifier

ЛитератураПравить

  • Китаев В. Е., Бокуняев А. А., Колканов М. Ф. Электропитание устройств связи. — М.: «Связь», 1975. — С. 328.
  • Бушуев В. М., Деминский В. А., Захаров Л. Ф. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. — М.: «Связь», 2009. — С. 383.
  • Раймонд Мэк. Импульсные источники питания. — М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2008. — С. 272.
  • Митрофанов А. В., Щеголев А. И. Импульсные источники вторичного электропитания в бытовой радиоаппаратуре. — М.: Радио и Связь, 1985. — С. 37.
  • Костиков В. Г., Парфенов Е. М., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3.

См. такжеПравить

СсылкиПравить

Полезные статьи

Видео

ПримечанияПравить

Все сглаживающие фильтры применяются в зависимости от мощности нагрузки