1. Сглаживающие фильтры: назначение, типы, коэффициенты сглаживания, принципы функционирования.

Требования к уровню пульсации напряжения, питающеего электронную аппаратуру, очень высокие: так, допустимый коэффициент пульсации q_n для питания двухтактных усилителей напряжения не должен превышать 1-2%, однотактных усилителей 0,1-0,5%, а усилителей промежуточной частоты — 0,01-0,05%.

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке до значений, при которых не сказывается их отрицательное влияние на работу электронной аппаратуры. Они должны пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и заметно ослаблять его гармонические составляющие.

Действие фильтра по уменьшению пульсации напряжения (тока) на нагрузке характеризуется коэффициентом сглаживания k_c, представляющим собой отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя q_n1(до фильтра) к коэффициенту пульсации на нагрузке q_n2(после фильтра), т. е. .

На рис. 2.5. приведены схемы простейших однофазных сглаживающих фильтров широкого применения. Ёмкостный фильтр (рис. 2.5, а) включают параллельно нагрузке R_H, что исключает прохождение через нагрузку высокочастотных гармонических составляющих тока.

Временные диаграммы выпрямленного напряжения u_в двухполупериодного вып􏰀 рямителя, напряжения на нагрузке u_Н и тока вентилей , поясняющие прин􏰀 ципы действия C􏰀фильтра, изображены на рис. 2.6, а.

В интервале времени от t₁ до t₂ конденсатор заряжается (ток i_C.з) до амплитудного значения напряжения U_{в. max} , так как в этот период выпрямленное напряжение бóльше напряжения на конденсаторе, т. е. u_в > u_C. В интервале времени от t₃ до t₄ , когда напряжение u_в < u_C , вентили будут закрыты, конденсатор станет разряжаться на нагрузочный резистор R_Н, , заполняя разрядным током i_C.p паузу в токе нагрузки i_H , форма которого повторяет форму напряжения u_H. В этот интервал времени напряжение на нагрузке u_H = u_C снижается до некоторого значения, соответствующего моменту времени t₄ , при котором выпрямленное напряжение u_в становится равным напряжению на конденсаторе u_C. После этого вентили вновь открываются, конденсатор С начинает заряжаться, и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

При частоте основной гармоники выпрямительного напряжения u_в сопротивление конденсатора С-фильтра должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки, т. е. , где n — номер основной гармоники напряжения u_в; w — угловая частота напряжения u₂ трансформатора.

Коэффициент сглаживания

Из выражения коэффициента сглаживания k_c видно, что С-фильтр целесообразно использовать при относительно высокоомной нагрузке R_H.

Требуемая ёмкость конденсатора при заданном k_c: .

Одноэлементный L-фильтр (рис. 2.5, б) включают последовательно с нагрузкой R_H. При нарастании выпрямленного напряжения и тока нагрузки i_H магнитная энергия запасается в индуктивном элементе L (дросселе). При снижении напряжения u_в ток в нагрузке поддерживается за счет накопленной энергии в дросселе (рис. 2.6, б).

При частоте основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление дросселя L-фильтра должно быть значительно больше сопротивления нагрузки R_H , т. е. .

Коэффициент сглаживания L-фильтра: . Из этого выражения следует, что в мощных выпрямителях (когда сопротивление R_H мало) L􏰀фильтр действует наиболее эффективно. Требуемая индуктивность дросселя при заданном

В LC-фильтре (рис. 2.5, в) конденсатор шунтирует нагрузку по переменной составляющей ( ) , а сопротивление дросселя X_L должно быть значительно больше сопротивления Z_пар параллельно соединенных элементов R_H и X_C .

Приняв и , по известному коэффициенту k_c находят произведение LC, а по заданной ёмкости С — индуктивность фильтра . Во избежание резонанса (при X_L=X_C) должно выполняться условие

Если при расчёте LC-фильтра получают слишком большие значения индуктивности (L > 100 Гн) дросселя и ёмкости (С > 150 мкФ) конденсатора, то применяют двухзвенный фильтр: одноэлементное C₁-звено и Г-образное RC-звено (рис. 2.5, г), у которого k_c=k_c1k_c2, где k_c1 и k_c2 — соответственно коэффициенты сглаживания первого и второго звеньев.

Активное сопротивление R и ёмкость С RC-фильтра: .

Для улучшения сглаживания выходного напряжения после С-фильтра включают дополнительно Г-образное LC-звено. Получившийся П-образный СLС-фильтр (рис. 2.5, д) рассчитывают как двухзвенный: .

Из последнего равенства находят L, задаваясь C₂. Ёмкость или выбирают равной C₂.

Кроме пассивных сглаживающих фильтров широко используются также бездроссельные активные фильтры, роль которых выполняют обычно транзисторы. Активные фильтры обеспечивают независимость коэффициента сглаживания k_c от тока нагрузки и имеют меньшие габариты по сравнению с LC-фильтрами. Основным недостатком активных транзисторных фильтров является значительное влияние изменения температуры на режим работы транзисторов.

Принцип работы активного фильтра основан на том, что сопротивление транзистора переменному току при определенных режимах работы может быть во много раз больше его сопротивления постоянному току. В зависимости от способа включения нагрузки в цепь коллектора или эмиттера активные фильтры подразделяют на фильтры с последовательным включением нагрузки и с нагрузкой, включаемой параллельно.

На рис. 2.7, а, б приведены схемы последовательных активных фильтров с фиксированным (а) и автоматическим (б) смещением. Ток коллектора i_k транзистора VT (рис. 2.7, а), равный току нагрузки i_H , почти не зависит от напряжения u_ЭК и в основ􏰀 ном определяется током эмиттера i_Э. В рабочей точке выходной характеристики (см. рис. 1.15, б) сопротивление транзистора постоянному току I_Kn равно и составляет несколько десятков ом. Если ток базы I_Б = const t, то любое изменение напряжения на коллекторе ведет к перемещению рабочей точки по характеристике I_K(U_K) При этом сопротивление переменной составляющей тока равно единицам килоом.

Для поддержания I_Э = const в схеме фильтра предусмотрено звено R₁C₁ с большой постоянной времени; ток эмиттера за время одного периода практически не изменяется. Однако наличие резистора R₁ в схеме уменьшает КПД фильтра на 151⁄420%. В схеме фильтра с фиксированным смещением выходное напряжение u_H из􏰀 меняется с изменением температуры и тока нагрузки. Схема фильтра с автоматическим смещением (рис. 2.7, б) обеспечивает компенсацию этих возмущений, но она имеет значительно меньший коэффициент сглаживания k_c. Конденсатор C₂ в схемах на рис 2.7, а, б является дополнительным фильтром сглаживания пульсаций напряжения на выходе активных фильтров.

В приведенных на рис. 2.7 схемах активных однозвенного (в) и двухзвенного (г) фильтрах с последовательным включением нагрузки входное сопротивление менее 1 Ом. В них отсутствует конденсатор C₂ (он не обеспечивает заметного увеличения коэффициента сглаживания k_c) и последовательно включаемый с нагрузкой резистор R₁, в результате чего значительно увеличивается КПД фильтров.

При малых напряжениях и больших токах (при небольшом сопротивлении нагрузки R_H) применяют активные фильтры с параллельным включением нагрузки. В качестве примера на рис. 2.7, д приведена схема фильтра, в котором транзистор VT играет такую же роль, как ёмкость в RC-фильтре. Схема такого фильтра не требует настройки, его характеристики менее чувствительны к колебаниям температуры.