Сглаживающие фильтры

            (19)

          (20)

           (21)

      ,   (22)

     где

     Возможна  схема с использованием последовательного  резонанса (рисунок 4).

     

     Рисунок .5 

            (23)

            (24)

     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.

3.3.Сглаживающие RС-фильтры

          Фильтры используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, подключаемый к выходу выпрямителя. Обычно в качестве такового используют оксидные (электролитические) конденсаторы емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад.

          Однако степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения емкостным фильтром при больших токах нагрузки оказывается недостаточной.

          Для повышения уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы или транзисторы. Чтобы определить, какой фильтр лучше, вводят специальный параметр — коэффициент сглаживания. Он рассчитывается как отношение коэффициента пульсаций на выходе фильтра (Крвых) к коэффициенту пульсаций на его входе (Крвх):

Кс = Крвых/Крвх

          Наиболее простым является Г-образный реостатно-емкостный фильтр, состоящий из резистора R1 и конденсатора Сф1 

рисунок .6

          На рисунке показан также конденсатор С1, включенный на выходе выпрямителя. О назначении этого конденсатора сказано в предыдущем параграфе.

          Резистор R1 и конденсатор Сф1 образуют делитель напряжения пульсаций, возникающих на выходе выпрямителя (конденсатора С1). Во сколько раз сопротивление конденсатора Сф1 меньше сопротивления резистора R1 току пульсаций, во столько же раз напряжение пульсаций на конденсаторе Сф1 будет меньше, чем напряжение пульсаций на конденсаторе С1.

         Уменьшить напряжение пульсаций на нагрузке при заданной емкости конденсатора Сф1 можно путем увеличения сопротивления резистора R1. Но поскольку через R1 протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, на резисторе теряется часть выпрямленного напряжения, и напряжение на нагрузке (на конденсаторе Сф1) оказывается меньше, чем напряжение на выходе выпрямителя (на конденсаторе С1).

          Если коэффициент сглаживания однозвенного RС-фильтра недостаточен,  т. е. амплитуда пульсаций в выпрямленном напряжении слишком велика, применяют двухзвенный RС -фильтр. В таком фильтре общий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев R1CФ1 и R2CФ2.

     

     а)   б)

     Рисунок .7

             (25)

     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.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. 
 

     4.1.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 .

           (26)

     Недостаток: необходимость пропускания мощного  тока нагрузки через VT. Данный недостаток исключает VT-фильтр с параллельным включением РЭ. 
 

     4.2.Транзисторный активный сглаживающий фильтр с параллельным включением РЭ.

     

     Рисунок. 8

         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. 

5.Сглаживающие транзисторные фильтры

          Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в несколько единиц или десятков вольт широко применяются фильтры с транзисторами. Одна из схем такого фильтра показана на рисунке рисунок .9

         Для пояснения принципа работы этой схемы напомним, что если напряжение базы транзистора (в данном случае на резисторе R2) увеличивается по отношению к напряжению эмиттера, то ток, протекающий через транзистор, уменьшается. Уменьшение тока равносильно увеличению сопротивления транзистора. Если на вход фильтра поступает постоянное напряжение, то напряжение между эмиттером и базой также будет постоянным, и, значит, постоянным будет напряжение на выходе фильтра. При наличии пульсаций в выпрямленном напряжении  (на зажимах 1—1) на резисторе R1 создается также пульсирующее напряжение. При увеличении напряжения на входе фильтра повышается и напряжение на резисторе R1. Это приращение напряжения через конденсатор С2 подается на базу. Напряжение базы возрастает, что приводит к увеличению сопротивления транзистора. Возрастание сопротивления транзистора вызывает уменьшение изменения тока в цепи. И наоборот, при уменьшении напряжения на входе фильтра снижается и напряжение на резисторе R1. Это уменьшение напряжения передается на базу транзистора и снижает его сопротивление. Таким образом, данная схема как бы следит за всеми быстрыми изменениями напряжения на ее входе и регулирует сопротивление транзистора проходящему через него току так, что выходное напряжение фильтра изменяется значительно меньше, чем напряжение на его входе.

          Недостатком данной схемы является то, что часть напряжения бесполезно тратится на резисторе R1, вследствие чего напряжение на выходе фильтра оказывается меньшим, чем на входе. Поэтому чаще применяют другую схему транзисторного фильтра. Сглаживание пульсаций в ней происходит за счет различий в сопротивлениях транзистора для постоянного и переменного (пульсирующего) токов: сопротивление транзистора переменному току в тысячу и даже десятки тысяч раз больше, чем постоянному току. Вследствие этого постоянная составляющая напряжения передается через такой фильтр почти без ослабления, в то время как переменная составляющая (пульсации) чуть ли не вся выделяется на транзисторе и на выход фильтра едва поступает. 

6.Выбор конденсаторов для сглаживающих фильтров

Как уже  отмечалось, чем больше емкость конденсатора, тем он лучше сглаживает пульсации  выпрямленного напряжения, поэтому  в фильтрах применяют электролитические  конденсаторы, обладающие при малых  габаритах и весе большой емкостью. Емкость конденсатора фильтра может  составлять десятки, сотни и даже тысячи микрофарад (мкФ). Чем больший  ток потребляет нагрузка, тем большую  емкость должны иметь конденсаторы фильтра. Для получения значительной емкости вместо одного конденсатора можно применять несколько параллельно  включенных.

   Другим важным параметром, по  которому выбираются конденсаторы  фильтра, является его рабочее  напряжение, которое не должно  быть меньше, чем выпрямленное  напряжение. Если, например, выпрямленное  напряжение составляет 30 В, а для  его фильтрации используется  электролитический конденсатор  с рабочим напряжением 25 В,  может произойти пробой конденсатора, в результате чего, его сопротивление  упадет почти до нуля и последует  короткое замыкание выходной  цепи выпрямителя, которое вызовет  резкое увеличение тока, протекающего  через диоды и вторичную обмотку  трансформатора.

   При увеличении тока возможны  выход из строя выпрямительных  диодов или перегорание вторичной  (или даже первичной) обмотки  трансформатора. 

 

7.Заключение

Дано  определение коэффициента сглаживания, подходящее для любого сглаживающего фильтра.

Получены  расчетные формулы комплексных  коэффициентов сглаживания простых  и составных пассивных фильтров.

Индуктивный фильтр эффективен для низкоомной нагрузки, емкостный – для высокоомной. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8.Список используемой литературы

1.   Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электрические устройства/Под ред. А.Я.Шихина: Учебник. – М.: Энергоиздат, 200– 336 с.

1. Интернет – www.google.ru

 
 
 
 
 
 

.