Сглаживающие фильтры

Выходное напряжение выпрямительных устройств не удовлетворят требованию, которое предъявляет телекоммуникационная аппаратура связи. Качество полученного напряжения оценивается по следующим параметрам: количеством пульсаций и уровнем переменной составляющей напряжения. Чтобы получить нужное качество электроэнергии, на выходе питающих устройств устанавливают блок сглаживающих фильтров. Схемы выпрямительных устройств мы рассматривали в предыдущих статьях.

Эффект сглаживания достигается за счёт того, что уровень постоянной составляющей на выходе становится больше, чем амплитуда переменной составляющей на входе. Задача сводится к тому, чтобы уменьшить переменную составляющую до нужного уровня и передать без потерь постоянную составляющую. В статье будут рассмотрены все основные фильтры, которые изучаются при освоении дисциплины «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций»

При изучении данной темы основное внимание уделяется изучению двух основных параметров. Первый параметр – это коэффициент пульсаций по n-й гармонике Кп(n), он характеризует изменение амплитуды n-й гармоники напряжения на выходе фильтра по отношению к его входу.

Второй не мало важный параметр – это коэффициент сглаживания пульсаций по n-й гармонике Kc(n). Он показывает во сколько раз происходит изменение коэффициента пульсаций по определённой гармонике на выходе, относительно входа.

Сглаживающие фильтры бывают двух видов: активные и пассивные.

Активные имеют частотно зависимую обратную связь, и рассматриваются как параметрические стабилизаторы, о которых поговорим в другой статье.

Пассивные строятся на базе инерционных элементов, таких как конденсаторы и дроссели. Этот вид в свою очередь подразделяется на фильтры из одной индуктивности или ёмкости, LC, RC и резонансные.

Фильтры из одной индуктивности или емкости

Такие фильтры являются частным случаем работы выпрямителя на индуктивную и емкостную нагрузку. Поэтому изучение данной темы начинается именно с них.

Индуктивный фильтр состоит из одного дросселя, который включен последовательно с нагрузкой. Пример такого фильтра представлен на рисунке 1а.

Фильтры из одной индуктивности или ёмкости

Рисунок 1 – Фильтры из одной индуктивности или ёмкости: а) – индуктивный, б) – емкостной

Сглаживание происходит за счёт появления ЭДС на витках дросселя, которое препятствует быстрому изменению постоянного тока. Чтобы соблюсти это условие, индуктивное сопротивление дросселя (XL=mωcL) должно быть значительно больше сопротивления нагрузки Rн. При таком значении индуктивного сопротивления, переменная составляющая напряжения будет уменьшаться на контактах дросселя. На нагрузке же будет проходить постоянная составляющая напряжения плюс переменная, которая значительно меньше той, что подавалась на вход фильтра. Коэффициент сглаживания в данном случае будет равен:

formula-11

где   U01m, UН1m – амплитуды гармоник на входе и выходе фильтра;
U0, UН – напряжения на входе и на выходе фильтра;
RН – сопротивления нагрузки;
L – индуктивность дросселя;
ωc – угловая частота (2πfc), где fc  промышленная частота тока в сети;
m – коэффициент, показывающий во сколько раз частота пульсаций первой гармоники выпрямленного напряжения больше, чем промышленная частота тока сети (зависит от схемы выпрямительного устройства).

Емкостной фильтр состоит из одной ёмкости, подключенной параллельно нагрузке. Пример такой схемы изображён на рисунке 1б. Рассматривается такая схема обычно совместно со схемой выпрямления. Принцип действия её основан на свойствах конденсатора. Под действием напряжения поступающего с выпрямителя он запасает энергию, при его отсутствии он разряжается в нагрузку, тем самым сглаживая пульсации постоянного напряжения. Коэффициент сглаживания находится по следующей формуле:

formula-12

Из выражений (1.1) и (1.2) следует, что при возрастании m у емкостного фильтра коэффициент сглаживания уменьшается, а у индуктивного наоборот, возрастает. Следовательно индуктивный фильтр основное применение находит в многофазных выпрямительных устройствах, а емкостной в однофазных выпрямительных схемах. Однако, при уменьшении сопротивления нагрузки Rн, сглаживающее действие индуктивного фильтра возврастает, а емкостного, наоборот, уменьшается. Отсюда можно сделать вывод, что индуктивный целесообразно использовать при больших токах в нагрузке, а емкостной при малых.

LC-фильтры

Наиболее широкое применение в системах электропитания устройств связи находят сглаживающие LC-фильтры. Для начала рассмотрим Г-образную конструкцую изображённой на рисунке 2а.

Сглаживающие LC-фильтры

Рисунок 2 – LC-фильтры: а) Г-образная конструкция, б) П-образная конструкция, в) Двухзвенная конструкция

Для функционирования данного фильтра необходимо соблюсти следующие условия. Емкостное сопротивление для наименьшей гармоники пульсации должно быть во много раз меньше сопротивления, которым обладает нагрузка formula-19 и во много раз меньшее индуктивное сопротивление дросселя для первой гармоники formula-20 . Исходя из этих условий, коэффициент сглаживания фильтра Г-образной конструкции равен:

formula-13

где formula-21 – собственная частота фильтра.

Главным условием выбора элементов фильтра является обеспечение индуктивной реакции сглаживающего звена. Это необходимо для сглаживания внешней характеристики выпрямителя или использования в диодном блоке ионных, кремневых или германиевых диодов.

При расчёте сглаживающего звена, нужно обеспечить отсутствие возникновения резонансных явлений на частотах изменения тока и пульсации выпрямленного напряжения за счёт подбора соотношения реактивных сопротивлений ёмкости и индуктивности.

Рассмотрим П-образную конструкцию фильтра изображённую на рисунке 2б. Такое сглаживающее звено можно получить используя последовательно соединённые два звена емкостного и Г-образной конструкции LC фильтра. Следовательно коэффициент сглаживания П-образного фильтра будет равен произведению коэффициентов сглаживания емкостного и фильтра Г-образной конструкции:

formula-14

Для получения больших величин коэффициентов сглаживания можно применять фильтры состоящие из нескольких звеньев. Пример двухзвенного фильтра Г-образной конструкции изображён на рисунке 2в. Итоговый коэффициент сглаживания будет равен произведению коэффициентов сглаживания звеньев фильтра:

formula-15

Приведённые выше LC фильтры применяются для мощных выпрямительных устройств, для маломощных применяют RC-фильтры

RC-фильтры

В выпрямительных устройствах небольшой ёмкости используются фильтры включающие в себя активное сопротивление и ёмкость. Пример такого фильтра изображён на рисунке 3а.

Сглаживающие RC-фильтры

Рисунок 3 – RC-фильтры: а) Г-образная конструкция, б) П-образная конструкция, в) Двухзвенная конструкция

Фильтры подобной конструкции имеют небольшие габариты по сравнению с LC-фильтрами, но имеют большие потери энергии и падения напряжения на гасящем резисторе. Коэффициент сглаживания для такого фильтра будет:

formula-16

Расчёт П-образной конструкции (рисунок 3б) производится аналогично LC-фильтру, разделением фильтра на две части, емкостную и резистивно-емкостную. Следовательно коэффициент сглаживания для такого фильтра будет следующим:

formula-17

Коэффициент сглаживания для многозвенного фильтра будет аналогичен формуле 1.5

Резонансные фильтры

Иногда, чтобы улучшить сглаживающие свойства в электропитающих устройствах применяются резонансные фильтры представленные на рисунке 4.

Резонансные фильтры

Рисунок 4 – Резонансные фильтры: а) однозвенный фильтр, б) двухзвенный фильтр

В данном фильтре в место дросселя включен колебательный контур, который подбирается под частоту первой гармоники пульсаций постоянного напряжения. Сопротивление колебательного контура будет большим для первой гармоники, следовательно переменная составляющая почти полностью будет отфильтрована. Коэффициент сглаживания будет примерно равен:

formula-18

Коэффициент сглаживания подобных фильтров будет значительно больше, чем у обычных Г-образных конструкций LC-фильтров, минимум в 3-4 раза. Стоит отметить, что используя многозвенный резонансный фильтр, первое звено будет сглаживать первую гармонику, второе вторую и т.д. Соответственно каждое звено настраивается на частоту сглаживаемой гармоники.

P.S. Статья со временем будет обновляться. Если нашли ошибку, обязательно дайте мне знать лично, либо в комментариях. Для более глубокого изучения сглаживающих фильтров воспользуйтесь соответствующей литературой.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *