Сглаживающие фильтры

Сглаживающие  фильтры     

Выпрямители в очень редких случаях работают только на чисто активную нагрузку. Это связано с тем, что большие  пульсации выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя не устраивают потребителя, поэтому между нагрузкой  и выходом выпрямителя включают сглаживающий фильтр. Пульсирующее выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие. 
     Полезный эффект у потребителей постоянного тока создают только постоянные составляющие напряжения и тока. Переменные гармонические составляющие, образующие пульсации, приводят к бесполезной трате мощности и помехам. Например, при питании усилителей радиоприемников и передатчиков переменная составляющая создает фон на выходе усилителя, то есть дополнительные колебания на выходе низкой частоты. Для питания предварительных каскадов высококачественных усилителей требуется , предварительных каскадов УНЧ, УВЧ , оконченных каскадов УНЧ . 
     Отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя к коэффициенту пульсации на нагрузке определяет степень сглаживания выпрямленного напряжения и называется коэффициентом сглаживания фильтра: 
 
q=K_пвх/К_пвых=[U_{m ог вх}/U_{о вх}]:[U_{m ог вых}/U_{0 вых}]      (2.2.1) 
 
если не учитывать потери в фильтре, то есть считать , то      (2.2.2)     

Емкостный фильтр включается параллельно нагрузке и шунтирует нагрузку для переменой составляющей тока.  
 
     Важно, чтобы сопротивление конденсатора для основной гармоники пульсации была много меньше сопротивления нагрузки.  
 
     Из расчета выпрямителя на нагрузку известно, что . 
 
     Емкостный фильтр относится к простейшим фильтрам. Если обеспеченно превышение над на порядок, то определяется десятками, на два порядка — сотнями, но не более. 
 
 
 
     Для двухполупериодных схем: 
 
. (2.2.4) 
 
     При понижении уменьшается ( повышается).

Индуктивный фильтр вкл ючается последовательно с нагрузкой и представляет большое сопротивление для переменной составляющей тока. 
     Переменная составляющая уменьшается, и падение напряжения от этой составляющей становится незначительным. 
     Для хорошего сглаживания необходимо: 
 
     (2.2.5) 
 
     коэффициент сглаживания: 
 
 
 
      С учетом (2.2.5): 
 
       (2.2.6) 
 
     отсюда необходимая величина при заданном : 
 
     (2.2.7) 
 
     Из формулы видно, что один и тот же коэффициент сглаживания может быть обеспечен при меньших величинах индуктивности , если мало, то есть включение индуктивного фильтра выгодно при малых (в выпрямителях средней и большей мощности). Емкостный фильтр эффективен в цепях с большим (малыми нагрузочными токами, при не более десятков Вт), так как легче добиться неравенства . 
     Когда требуется особенно малое значение коэффициента пульсации , то или простейших фильтров могут получиться очень большими. В этом случае рациональнее иметь Г-образный или П-образный фильтры.

 
 
     Г-образный фильтр типа работает по тому же принципу, что и простейшие фильтры.  
     Необходимо условие: 
 
     (2.2.8) 
 
     коэффициент сглаживания с учетом (2.2.8): 
 
 
 
,      (2.2.9) 
 
     откуда  
 
     (2.2.10)  
 
     Раздельный выбор и производится по конструктивным соображениям (минимальный объем, вес, стоимость), а так же из условия избавления от резонанса. Для этого требуется, чтобы . 
     Обычно это условие легко выполняется при . Практически является достаточным выполнения условия 
 
,  
 
при этом обеспечивается индуктивная реакция фильтра и ток в дросселе будет непрерывным. Выбрав , можно рассчитать . 
     В выпрямителях небольшой мощности с целью уменьшения размеров и веса фильтра вместо дросселя часто применяют резисторы. КПД уменьшается, вследствие чего фильтр целесообразно применять в выпрямителях маломощных, на малые токи. Преимущества: небольшие размеры, вес и стоимость, а так же простота исполнения из-за отсутствиея сглаживающего дросселя. Недостаток: потери мощности в . При выводе нужно учитывать уменьшение . 
 
 
 
      с учетом неравенства  
 
     (2.2.11) 
 
     Чтобы уменьшение было не очень большим, выбирают из условия 
 
.      (2.2.12)     

При питании  от одного источника устройства с  несколькими каскадами между  каскадами может возникнуть нежелательная  обратная связь через внутреннее сопротивление источника, которая  может привести к самовозбуждению  каскадов. Для ликвидации её в цепь питания последовательно с нагрузкой  каскада ставится развязывающая  цепь — Г-образный фильтр.     

  П-образный фильтр и многозвенные фильтры применяются, если коэффициент сглаживания нужен очень высокий. П-образный фильтр представляет собой последовательное включение емкостного и Г-образного  
 
 
 
     Обычно выбирают . Но можно и в Г-образном фильтре применить . Какой же фильтр лучше использовать в каждом конкретном случае? При использовании Г-образного фильтра выпрямитель работает на индуктивную нагрузку, при использовании П-образного фильтра выпрямитель работает на емкостную нагрузку. При работе на индуктивную нагрузку явными являются следующие преимущества: меньшая (на ) 
 
меньшее , . 
 
     Однако в выпрямителе, начинающемся с индуктивности, сильнее проявляются переходные процессы при включении источника. Чем меньше затухание контура , тем эти процессы интенсивнее (). В результате токи, протекающие через вентили, могут быть в несколько раз больше расчетных. Другим показателем, по которому производится сравнение, является . 
 
 
 
если мало и велико, то , выгоднее использовать Г-образный фильтр. При высокоомной нагрузке - П-образный фильтр. 
     Кроме пассивных фильтров применяют активные сглаживающие фильтры на транзисторах. Эти фильтры имеют меньшие габариты и вес, больший коэффициент сглаживания. Использование транзисторов основано на том, что сопротивление перехода эмиттер-коллертор постоянному току () на 2-3 порядка меньше сопротивления перехода переменному току (), то есть .      

Другими словами, его достоинства аналогично достоинствам индуктивного фильтра и его включают в схему сглаживающего Г-образного  фильтра или П-образного фильтра  вместо дросселя. Но для этого нужно  поддерживать постоянным, то есть исключить  его пульсации. 
     Г-образный фильтр  <BRC служит для сглаживания пульсаций на базе транзистора (обеспечивает ). Для хорошей фильтрации должно выполняться условие: 
 
 
 
     Тогда переменная составляющая выделится на . почти не содержит переменной составляющей, а, следовательно, и почти не изменяется во времени. Вся переменная составляющая напряжения почти полностью выделяется на транзисторе. Это эмиттерный повторитель, которого очень мало, поэтому такой фильтр почти не чувствителен к изменению . 
     Вывод формулы для такого фильтра производится путем анализа эквивалентной схемы транзистора, что дает:  
 
; 
 
     Полагая к , , ,      получаем: 
 
     (2.2.13) 
 
     При увеличении нужно уменьшить, что приводит к необходимости увеличения С. В этом случае лучше применить транзисторный фильтр с двузвенным фильтром или П-образный.

 
(a) П-образный фильтр RC в цепи базы 
 
 
(б) двухзвенный фильтр в цепи базы     

В схеме (б) для  создания смещения на базе применен делитель , , . Ток делителя , тогда изменение из-за изменения температуры мало влияет на положение рабочей точки, а смещение создается 
 
 
 
для двух последних схем коэффициент сглаживания:      

Для еще большего увеличения коэффициента сглаживания  применяют составные транзисторы. 
 
, ,  
 
     Такое включение значительно увеличивает коэффициент передачи регулирующего транзистора и уменьшает выходную проводимость . Применяется при больших . Резисторы предназначены для создания цепи протекания теплового тока . 
 
     Транзисторные фильтры могут быть выполнены на базе микросхем 140УТ2, 140УТ5 и т.п. коэффициент сглаживания транзисторных фильтров достигает нескольких тысяч.