Принцип_действия_сглаживающих_фильтров

Принцип_действия_сглаживающих_фильтров

Сглаживающие фильтры

Общие сведения

Сглаживающие фильтры включаются между выпрямителем и нагрузкой, представляет собой ФНЧ и служат для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (выделения постоянной составляющей – U). Фильтры бывают пассивные и активные. Действие активных фильтров основано на рассеивании мощности пульсаций в виде тепла на активном элементе (транзисторе), поэтому они имеют низкий КПД. Мы будем рассматривать только пассивные фильтры. Их сглаживающее действие основано на накоплении энергии в реактивных элементах от сети в моменты её максимума и передачи в нагрузку в моменты её минимума. Основные схемы пассивных фильтров приведены на рис.3.1.

Рисунок 3.1 – Схемы пассивных сглаживающих фильтров

Критерием качества сглаживающих свойств фильтров является коэффициент сглаживания равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра

(3.1)

На рис.3.2 приведена схема замещения фильтра (а) и эпюры напряжений (б).

Рисунок 3.2 – Схема замещения (а) и напряжения на входе и выходе сглаживающего фильтра (б)

Выразим коэффициент сглаживания через параметры элементов фильтра:

(3.2)

где .

К параметрам схемы замещения предъявляются следующие требования: ; .

Индуктивный (L) сглаживающий фильтр представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником (дроссель), включаемую последовательно с нагрузкой (рис.3.3).

Рисунок 3.3 – Индуктивный сглаживающий фильтр

Коэффициент сглаживания фильтра равен:

(3.3)

где — частота пульсаций,

p — пульсность схемы выпрямления,

RФ— сопротивление потерь дросселя.

Индуктивный фильтр является “габаритным” устройством, поэтому для уменьшения его размеров стараются повысить частоту пульсаций в звене выпрямителя. Данный фильтр используется в цепях с повышенными токами нагрузки. При возрастании тока нагрузки (уменьшении Rн) происходит увеличение энергии, накапливаемой в дросселе, увеличивается ЭДС самоиндукции, что препятствует прохождению в нагрузку переменной составляющей тока и улучшаются сглаживающие свойства фильтра.

При работе на импульсную нагрузку, а именно при “сбросе” тока нагрузки или отключении источника питания энергия, накопленная в дросселе освобождается, возникает перенапряжение, которое может привести к выходу из строя элементов схемы. Поэтому при проектировании фильтров такие перенапряжения необходимо учитывать.

Емкостный (C) сглаживающий фильтр. Представляет собой конденсатор, включаемый параллельно нагрузке (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 –Емкостный сглаживающий фильтр

Выражение для коэффициента сглаживания имеет вид:

(3.4)

Емкостный фильтр используются при малых токах нагрузки, так как с ростом тока уменьшается постоянная цепи разряда, что увеличивает пульсацию напряжения (из-за глубокого разряда конденсатора). К достоинствам фильтра можно отнести: отсутствие колебаний напряжения при переходных процессах, простота, небольшие габаритные размеры. Недостатком фильтра является: воздействие на выпрямитель (угол отсечки тока меньше 180 градусов), поэтому при использовании такого фильтра с большой величиной емкости необходимо вводить в звено выпрямителя защиту по току.

Индуктивно- емкостный (LC) сглаживающий фильтр. При соблюдении условия Хдр > Хс реакция фильтра будет индуктивного характера (рис. 3.5). Дроссель и конденсатор, используемые совместно, более эффективно выполняют функции сглаживания, чем при их раздельном включении, если выполняются неравенства: Хдр >> Rн и Хс 50), в выпрямительных устройствах используются многозвенные сглаживающие фильтры (рис. 3.6). Наиболее широко в выпрямительных устройствах используются двухзвенные фильтры благодаря малой зависимости коэффициента сглаживания от тока нагрузки, высоким качественным и удельным показателям. Увеличение числа звеньев более двух приводит к уменьшению области устойчивой работы (так как источник питания представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, то увеличение числа реактивных элементов в силовой цепи может привести к самовозбуждению) и уменьшению КПД устройства.

Читайте также:  Фауст_профиль_оконный_отзывы

Рисунок 3.6 – Многозвенные сглаживающие фильтры

Получим выражение для коэффициента сглаживания многозвенного фильтра.

(3.6)

Видно, что при каскадном включении коэффициенты сглаживания отдельных каскадов перемножаются.

Принцип действия сглаживающих фильтров

Способ получения постоянного тока из переменного синусоидального (идеализированный вид) при использовании одно или двух полупериодного выпрямителя имеет ряд недостатков, о которых мы и поговорим далее.

Главным недостатком такого выпрямителя является пульсирующее напряжение. Избавление от пульсаций напряжения, их сглаживание – необходимое условие для корректной работы многих электрических приборов, особенно это касается радиоаппаратуры, где такой вид напряжения вносит хорошо заметные помехи. Так называемые, сглаживающие фильтры применяют для устранения пульсаций выходного тока и напряжения.

Емкостной Индуктивный Г-образный П-образный

Так же используют различные комбинации выше перечисленных фильтров для достижения необходимого качества напряжения.

Как работает С-фильтр?

Принцип работы сглаживающих фильтров основывается на свойствах конденсатора и катушки индуктивности. Они выполняют роль резервуара энергии. Как известно, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, а на индуктивности ток не может мгновенно возрасти или исчезнуть . Эти свойства и положены в основу работы сглаживающих фильтров, рассмотрим это на примерах.

Схема С-фильтра (емкостной)

На рисунке выше, к первичной обмотке трансформатора подводиться переменное напряжение U, ко вторичной обмотке подсоединена нагрузка Rн, через которую должен протекать постоянный (выпрямленный) ток. Роль выпрямителя в представленной схеме играет диод, как работает полупроводниковый диод, Вы можете прочесть здесь. Конденсатор С – фильтрующий элемент.

Вид выходных тока и напряжения на С-фильтре

Действия диода во вторичной цепи трансформатора описывает серая, пульсирующая кривая. Если быть точным, диод обрезал отрицательную часть переменного напряжения, он пропускает только положительную волну, а при приложении отрицательного напряжения – запирается. Конденсатор С, как уже говорилось раннее – резервуар энергии. Когда диод открыт и ток протекает через нагрузку, то конденсатор (подсоединен параллельно) заряжается до величины напряжения в цепи. А когда диод закрыт (отрицательная волна синусоиды), благодаря наличию емкости, уровень напряжения не может резко снизиться. Конденсатор постепенно разряжается через нагрузку, таким образом, сглаживая огромные скачки уровня напряжения. Разряжается он до следующей положительной волны, а точнее, когда напряжение на катоде диода превысит напряжение на конденсаторе. И он вновь начнет заряжаться. Такая цикличность действий будет происходить постоянно. Красный цвет линии изображает работу такой смоделированной системы.

Если в качестве выпрямителя применять диодный мост, то выходные ток и напряжения приобретут следующий вид:

Благодаря тому, что диодный мост работает и при положительном, и при отрицательном напряжении — пульсность увеличилась в два раза.

Обратите внимание на вид тока (синий), из-за наличия конденсатора ток имеет резкий скачок, что в свою очередь не есть хорошо для любого электроприбора. На помощь в сложившейся ситуации приходит катушка индуктивности.

Роль индуктивности в сглаживании

Схема Г-образного фильтра (L+C)

От ранее описанной схемы L-фильтр отличается лишь тем, что вместо конденсатора, последовательно с нагрузкой подсоединена катушка индуктивности. На индуктивности ток не может измениться моментально. По этому, при положительной части полуволны (нарастание) ток с небольшой задержкой увеличивает свое значение, а когда происходит спадание – катушка наоборот не дает значению тока резко упасть, создается некоторое запаздывание. Результат действия катушки L можете наблюдать на представленном ниже изображении. Благодаря катушке, изменение значения тока происходит более плавно. Первую волну можете не принимать во внимание , при пуске происходят различные переходные процессы, которые и вызывают подобные вещи.

Читайте также:  Нужно_ли_чистить_луковицы_гладиолусов_перед_хранением

Разница в применении диодного моста и диода

1. Диодный мост работает постоянно (при положительной и отрицательной волне), что увеличивает пульсность выходного напряжения. Соответственно, для получения одного и того же значения напряжения, конденсатор в мостовой схеме нужен меньшей емкости, так как может себе «позволить» разряжаться быстрее.

2. При применении одного диода, имеет место момент времени, когда диод заперт и напряжение между его катодом и анодом равно двухкратному напряжению цепи (на катоде положительное значение благодаря конденсатору, а на аноде отрицательная полуволна, достигшая пика). По этому при выборе диода для выпрямителя, необходимо учесть, что его импульсное обратное напряжение должно превышать 2 значения рабочего напряжения. При работе диодного моста такого нюанса нет, так как диоды в этой схеме работают попарно при + и – волне.

3. Не нужно забывать про свойства полупроводниковых диодов. Ведь при прохождении p-n перехода существует падение напряжения, которое обязательно необходимо учитывать при подборе сглаживающего фильтра. Здесь выигрывает простой диод над диодным мостом. Потому что у него напряжение снижается лишь на одном элементе, а в мостовой схеме, ток в один момент времени протекает по двум полупроводникам. Этот эффект нагляден на рисунках ниже:

Влияние малой нагрузки на эффективность сглаживания

Активное сопротивление катушки индуктивности находится по формуле:

Эффективность индуктивного и емкостного фильтров повышается при соблюдении следующих условий:


Исходя из этого, при очень малой нагрузке (сопротивления потребителя) невозможно будет использовать конденсаторный сглаживающий фильтр. Чем меньше нагрузка, тем большая емкость конденсатора требуется . При уменьшении сопротивления нагрузки, фильтр стает менее эффективным (недостаточный конденсатор для этого потребителя).

Вид выпрямленного напряжения при малой нагрузке (рисунок ниже):

— выпрямление диодом;
— мостовая схема.

Расчет конденсаторного фильтра

Пример . Допустим, у нас есть источник переменного напряжения U=12 B (действующее значение), в то время как его амплитуда будет равна 17 В. Подробнее о значениях переменного напряжения и их зависимостях читайте по ссылке. Сопротивление нагрузки Rн=300Ом. Выпрямление будем производить одним диодом, а С-фильтр — сглаживающий элемент цепи.

Первым делом, необходимо учесть падение напряжения на диоде, в модели выбран диод, у которого этот параметр равен 0,8 В (для мостовой схемы падение будет равно 0,8 В+0,8 В=1,6 В).

Выходное напряжение будет иметь амплитуду:


Таким образом, 16,2В – максимально возможное напряжение на выходе выпрямителя при бесконечной емкости, но в жизни значение будет, естественно, меньшим.

Емкость фильтра находим из условия:

Откуда следует, что

Для хорошей работы фильтра выбираем емкость конденсатора не менее чем в 10 раз больше расчетного значения. Для примера я выбрал 5,3*10 -4 Ф.

Рассчитанная ёмкость при заданных входных параметрах даст следующий результат на выходе:

Сглаживающие фильтры

Переменный ток идеально выпрямить нельзя, поэтому на выходе любого выпрямителя присутствуют пульсации с частотой 50 Гц или 100 Гц. Пульсации вредно отражаются на работе питаемого устройства, и поэтому их уровень необходимо снижать. Эту задачу и выполняют сглаживающие фильтры.

Читайте также:  Сопротивление_в_вытяжном_зонте

Сглаживающий фильтр — это устройство, позволяющее уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.

Основным из параметров сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания (фильтрации), который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе (рис.1):

Рис.1. Процесс фильтрации

Качество сглаживающих свойств фильтров ( коэффициент сглаживания) можно оценить по следующей формуле:

где S — коэффициент сглаживания,

Kп.вх — коэффициент пульсации на входе,

Kп.вых — коэффициент пульсации на выходе.

Для удовлетворения фильтрующих свойств необходимо выполнение условий: U12 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 Uвх приблизительно равно Uн).

Фильтры можно классифицировать следующим образом:

1. По частотному составу различают:

а) простые (однозвенные)

б) сложные (многозвенные или резонансные);

4. По конструктивному исполнению:

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

Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.

Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр). Или можно включить дроссель, но уже последовательно с сопротивлением нагрузки (индуктивный фильтр). При этом, дроссель можно заменить на волновое сопротивление.

Комбинация этих элементов дает еще больший эффект сглаживания. Варианты построения различных типов фильтров приведены на рисунке 2.

Рис.2. Сложные (многозвенные) фильтры.

Рассмотрим работу устройства на примере емкостного фильтра. Как же происходит сглаживание пульсаций? Давайте посмотрим на форму выходного напряжения, например, однополупериодного выпрямителя без фильтра, показанную на рисунке 3:

Рис.3. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя без фильтра

На рисунке Uср — это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное – на диаграмме присутствуют большие пульсации. Теперь подсоединим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано на рисунке 4:

Рис.4. Подсоединение фильтра Сф относительно нагрузки

При подключении осциллографа параллельно нагрузке выпрямителя получим следующую диаграмму работы выпрямителя с С-фильтром (рис. 5):

Рис.5. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром

Рассмотрим полученную диаграму выходного напряжения выпрямителя. Красным цветом показана работа конденсатора в качестве сглаживающего фильтра (пилообразное напряжение). Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться (в момент прихода полуволны) — короткий отрезок пилообразного напряжения на рисунке. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку — длинный отрезок «пилы». При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Таким образом, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср — выше. В данной схеме размах амплитуды пилообразного напряжения (а это тоже пульсации), напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.

Ссылка на основную публикацию
Приклеить_мозаику_на_зеркало
20 эффектных идей, как из обычного зеркала сделать изюминку любого интерьера Получайте на почту один раз в сутки одну самую...
Презентация_дом_будущего_8_класс_технология
Презентация по технологии 8 класс по теме "Дом будущего" При пользовании «Инфоуроком» вам не нужно платить за интернет! Минкомсвязь РФ:...
Прессостат_на_компрессор_380в
Реле давления и арматура Реле давления, иначе именуемое прессостатом - это устройство для автоматического пуска и остановки компрессора. Применяется преимущественно...
Примета_видеть_клин_журавлей
Приметы про журавлей Издавна у самых разных народов к журавлям существовало особенное отношение. Древние египтяне считали их божественными птицами, порождением...
Adblock detector