Меню

Сглаживает пульсации выпрямленного напряжения

Сглаживающие фильтры. Сглаживающие фильтры применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, требуемого для нормальной работы потребителя

date image2015-02-18
views image7539

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Сглаживающие фильтры применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, требуемого для нормальной работы потребителя. Как уже указывалось выше, коэффициенты пульсаций основных выпрямительных схем имеют значения

– однофазный однополупериодный выпрямитель – 1,56;

– однофазный двухполупериодный выпрямитель – 0,67;

– трехфазный с нулевым выводом – 0.25;

– трехфазный мостовой – 0,057.

Для электронных систем автоматического регулирования и контроля коэффициент пульсаций должен быть не более 10 -2 , а для некоторых электронных измерительных преобразователей — не более 10 -6 . Сглаживающий фильтр включается между вентильной группой и нагрузкой. Основная идея сглаживающего фильтра — оказание различного сопротивления постоянному и переменному току. Основной параметр сглаживающего фильтра – коэффициент сглаживания, который определяется как отношение коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра

Как правило, коэффициенты пульсаций и сглаживания определяются по первой (основной) гармонике переменной составляющей выпрямленного напряжения.

При конструировании фильтров принимают во внимание падение напряжения на фильтре (оно должно быть минимальным), их габариты, массу и стоимость. В зависимости от типа фильтрующего элемента различают фильтры с пассивными RLC элементами и фильтры с активным электронным элементом. По количеству фильтрующих звеньев фильтры могут быть одно и многозвенные.

Простейшим фильтром является однозвенный емкостный фильтр, представляющий собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

На рис.3.13 показано включение такого фильтра на выход однофазного однополупериодного выпрямителя. В интервале t1t2 через открытый диод конденсатор заряжается почти до амплитудного значения U2, так как на этом интервале . Ток через диод на этом интервале равен сумме тока заряда емкости и тока нагрузки

В интервале t2t3, когда конденсатор разряжается на нагрузку, заполняя разрядным током паузу между полупериодами выпрямленного напряжения. Заряд конденсатора происходит очень быстро через прямое сопротивление диода и вторичной обмотки трансформатора, а разряд — медленно через сопротивление нагрузки. Коэффициент пульсаций на выходе фильтра тем меньше, чем больше емкость фильтра и сопротивление нагрузки:

Емкостный фильтр вносит существенные особенности в схему:

1. Возрастает амплитуда тока через диод, которая ограничивается малыми сопротивлениями обмотки и диода в прямом направлении. Иногда приходится включать ограничитель тока заряда.

2. Амплитуда обратного напряжения на диоде возрастает вдвое (2U2m), так как напряжение на вторичной обмотке суммируется с напряжением на конденсаторе.

Однозвенный емкостный фильтр применяется при больших Rн и полезной мощности не более нескольких десятков Вт.

Индуктивный однозвенный фильтр образуется путем последовательного включения индуктивности с нагрузкой — рис.3.14. Наличие индуктивности приводит к сглаживанию импульсов выпрямленного тока и напряжения. Коэффициент пульсаций тем меньше, чем меньше сопротивление нагрузки и больше индуктивность фильтра:

Для эффективного сглаживания wLф должно быть значительно больше Rн. В выпрямителе малой мощности (большое Rн) такой фильтр неэффективен, он обычно используется в трехфазных выпрямителях мощности, когда условие wLф >> Rн выполняется при относительно небольшой массе и габаритах индуктивности.

Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются более эффективно при помощи многозвенных Г- или П-образных цепей. В качестве элементов в этих цепях могут использоваться конденсаторы, дроссели, а в случае маломощных потребителей и резисторы (LC и RC звенья). В таких фильтрах пульсации подавляются совместным действием индуктивности и емкости. Схема Г-образного фильтра приведена на рис.3.15.

Для такого фильтра коэффициент сглаживания гармоники частотой f

При большом сопротивлении нагрузки, достигающем значения нескольких кОм, индуктивность Lф можно заменить активным сопротивлением Rф. Значение Rф берут таким, чтобы падение напряжения на нем не превышало 10–20% от Ud. В этом случае

Резонансная частота цепи должна быть меньше основной гармоники выпрямляемого напряжения и не быть кратной ей. В противном случае, возможно возникновение электрического резонанса.

Параметры элементов Г-образного фильтра выбирают таким образом, чтобы последовательно включенные с источником элементы имели большое сопротивление для переменной и малое для постоянной составляющей выпрямленного тока. Элементы, включаемые параллельно нагрузке, наоборот, должны иметь малое сопротивление для переменной и большое для постоянной составляющих. В качестве элементов фильтра могут использоваться не только индуктивности и емкость в чистом виде, но и LC резонансные звенья.

Читайте также:  Стабилизатора сетевого напряжения lm3914

На рис.3.16 приведена схема П-образного LC фильтра. Он состоит из емкостного Сф и Г-образного LфCф фильтров, поэтому общий коэффициент сглаживания П-образного фильтра будет определяться произведением коэффициентов сглаживания обоих фильтров .

Реальные значения коэффициентов сглаживания П-образными фильтрами находятся в пределах 100–1000. Фильтры такого типа наиболее популярны в источниках питания электронных схем различного назначения. В случае высокоомной нагрузки индуктивность может быть заменена активным сопротивлением.

Включением нескольких фильтрующих звеньев последовательно можно значительно уменьшить пульсацию напряжения. Используя несколько фильтров, настроенных каждый на определенную частоту, можно осуществить фильтрацию нескольких гармоник входного напряжения.

Пассивные LC фильтры просты и надежны в эксплуатации, но обладают значительной массой и габаритами, особенно при больших токах нагрузки выпрямителя. При этом дроссели фильтра работают с током, имеющим постоянную составляющую, вызывающую насыщение сердечника и уменьшение индуктивности. Кроме того, дроссели создают магнитные поля рассеяния, вредно влияющие па работу электронной аппаратуры.

Электронные фильтры не содержат сглаживающих дросселей и потому не обладают перечисленными недостатками. Активные электронные фильтры могут использоваться при токах нагрузки до нескольких ампер и напряжениях до нескольких десятков вольт.

Применение транзисторов в электронных фильтрах основано на различии сопротивления транзистора для постоянного и переменного тока. Коллекторная характеристика транзистора подобна кривой намагничивания ферромагнитного сердечника дросселя — рис.3.1 7.

Рабочую точку A выбирают на пологом участке выходной коллекторной характеристики. При этом статическое сопротивление транзистора постоянному току

на два-три порядка меньше динамического сопротивления переменному току

На рис.3.18 показана схема простейшего электронного фильтра на транзисторе, включенном последовательно с нагрузкой Rн. Этот фильтр имеет фиксированное напряжение смещения на базе, задаваемое резистором Rб.

Эмиттерный резистор Rэ, служит для стабилизации режима.

При этом постоянная времени Rб, Cб берется значительно больше периода пульсации основной гармоники.

Источник



Как уменьшить пульсацию выпрямленного напряжения

Как уменьшить пульсацию выпрямленного напряженияНапряжение, получаемое от выпрямителей, является не постоянным, а пульсирующим. Оно состоит из постоянной и переменной составляющих. Чем больше переменная составляющая по отношению к постоянной, тем больше пульсация и хуже качество выпрямленного напряжения.

Переменная составляющая формируется гармониками. Частоты гармоник определяются равенством

где k – номер гармоники, k = 1, 2, 3, …, m – количество пульсов выпрямляемого напряжения, f – частота напряжения сети.

Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации p , который зависит от среднего значения выпрямленного напряжения и амплитуды основной гармоники в нагрузке.

Порядок гармонических составляющих n = km, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения, зависит лишь от числа пульсов и не зависит от конкретной схемы выпрямителя. Гармоники минимальных номеров имеют наибольшую амплитуду.

Действующее значение напряжения гармонической составляющей порядка n зависит от среднего значения выпрямленного напряжения Ud идеального нерегулируемого выпрямителя:

В реальных схемах переход тока с одного диода на другой происходит в течение некоторого конечного промежутка времени, измеряемого долями периода переменного напряжения и называемого углом коммутации . Наличие углов коммутации существенно увеличивает амплитуду гармоник. В результате растут пульсации выпрямленного напряжения .

Переменная составляющая выпрямленного напряжения, состоящая из гармоник низкой и высокой частоты, создает в нагрузке переменный ток, который оказывает мешающее воздействие на другие электронные устройства.

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения между выходными зажимами выпрямителя и нагрузкой включают сглаживающий фильтр , который значительно ослабляет пульсацию выпрямленного напряжения за счет подавления гармоник.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются катушки индуктивности (дроссели) и конденсаторы, а при небольших мощностях и транзисторы.

Работа пассивных фильтров (без транзисторов и других усилителей) основана на зависимости от частоты величины сопротивления реактивных элементов (катушки индуктивности и конденсатора). Реактивные сопротивления катушки индуктивности X l и конденсатора X c : X l = 2πfL, X c = 1/2πfC,

где f – частота тока, протекающего через реактивный элемент, L – индуктивность дросселя, С – eмкость конденсатора.

Из формул для сопротивления реактивных элементов следует, что с увеличением частоты тока сопротивление катушки индуктивности (дросселя) растёт, а конденсатора уменьшается. Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а катушки индуктивности – нулю.

Читайте также:  Силовые кабели среднего напряжения

Отмеченная особенность позволяет катушке индуктивности беспрепятственно пропускать постоянную составляющую выпрямленного тока и задерживать гармоники. Причём, чем больше номер гармоники (выше её частота), тем эффективней она задерживается. Конденсатор наоборот полностью задерживает постоянную составляющую тока и пропускает гармоники.

Основным параметром, характеризующим эффективность работы фильтра, является коэффициент сглаживания (фильтрации)

где p1 – коэффициент пульсации на выходе выпрямителя в схеме без фильтра, p2 – коэффициент пульсации на выходе фильтра.

На практике применяются пассивные Г-образные, П-образные и резонансные фильтры. Наиболее широко используются Г-образные и П-образные, схемы которых приведены на рисунке 1

Схемы пассивных сглаживающих Г-образного (a) и П-образного (б) фильтров для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения

Рисунок 1. Схемы пассивных сглаживающих Г-образного (a) и П-образного (б) фильтров для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения

Исходными данными для расчёта индуктивности дросселя фильтра L и ёмкости конденсатора фильтра C являются коэффициент пульсации выпрямителя, вариант схемного решения, а также требуемый коэффициент пульсации на выходе фильтра.

Расчёт параметров фильтра начинают с определения коэффициента сглаживания. Далее необходимо произвольно выбрать схему фильтра и емкость конденсатора в ней. Ёмкость конденсатора фильтра выбирают из ряда ёмкостей, приведённого ниже.

На практике используют конденсаторы следующих ёмкостей: 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 4000 мкФ. Меньшие значения ёмкостей из этого ряда целесообразно применять при больших рабочих напряжениях, а большие ёмкости – при невысоких напряжениях.

Индуктивность дросселя в Г-образной схеме фильтра можно определить из приближённого выражения

для П-образной схемы –

В формулы ёмкость подставляется в микрофарадах, а результат получается в генри.

Фильтрация пульсаций выпрямленного напряжения

Фильтрация пульсаций выпрямленного напряжения

Источник

Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания.

Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры.
Схемы, свойства, онлайн калькулятор.

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций Кп в пределах 10 -5 . 10 -4 так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Кп является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра Кс = Кп-вхп-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.

Рис.1

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИБП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F :
С1 = Iн/(3,14×Uн×F×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = Iн/(6,28×Uн×F×Кп) — для двухполупериодных.
Кп — это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F — частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.

Читайте также:  Контроллер дежурных напряжений ноутбука

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ.
Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИБП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки XL на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F 2 (Гц)×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F 2 ×Кп) — для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн 2 (Ом) .

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в. Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице ссылка на страницу:
С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/Rн 2 (Ом) .

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак: С3 = 1/(39,44×L1×F 2 ) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F 2 ) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.

Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.

Рис.2

На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.

Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.
При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
Uб = Uвх — Uвх пульсаций — (2,5. 3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
Uкэ = Uвх пульсаций + (3,1. 3,6В) .
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.

Источник