Лабораторная работа №4. Исследование сглаживающих фильтров

Назначение

Напряжения и токи на выходе схем выпрямления имеют пульсирующий характер. Допустимые пульсации на выходе источников питания зависят от характера нагрузки и могут составлять от тысячных долей процента (первые каскады микро­фонных усилителей) до единиц и десятков процентов (исполнительные устройства).

Переменные составляющие выпрямленного напряжения и тока существенно ухудшают качественные показатели питаемых устройств, поэтому для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, включенные между схемой выпрямления и нагрузкой.

 

Коэффициент сглаживания

Способность уменьшения пульсаций сглаживающего фильтра оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

(10)

Кроме обеспечения высокого коэффициента сглаживания, фильтры не должны влиять на работу источника питания (а значит, и питаемого устройства), обладая при этом высокой эффективностью при минимальных габаритах, массе, стоимости.

 

Простейшие сглаживающие фильтры

 

Принцип действия

Простейшими сглаживающими фильтрами являются индуктивный и емкостной фильтры. В первом случае последовательно с нагрузкой включается дроссель, во втором – параллельно нагрузке включается конденсатор. Принцип действия этих фильтров основан на различии сопротивления для частотных составляющих выпрямляемого тока.

Емкостной фильтр

Для работы выпрямителей принципиальное значение имеет характер фильт­ра, включенного на выходе выпрямителя. Выпрямители, нагруженные на емкостной фильтр, используются в широком диапазоне выпрямленных напряже­ний и мощностей. Трансформаторы этих выпрямителей должны иметь большую мощность, чем выпрямители с индуктивным фильтром.

К недостаткам выпрямите­лей с емкостным фильтром относится большая амплитуда тока через выпрямитель­ный диод в момент включения источника.

 

Индуктивный фильтр

Выпрямители с индуктивным фильтром применяются в широком диапазоне выпрямленных напряжений при мощностях от десятков ватт до нескольких кило­ватт и при токах свыше 1 А. Такие выпрямители имеют меньшее внутреннее сопро­тивление по сравнению с выпрямителями с емкостным фильтром, что уменьшает зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктив­ного фильтра ограничивает импульс тока через диод.

Недостатком выпрямителей с таким фильтром являются перенапряжения, возникающие при включении, что представляет опасность для элементов самого выпрямителя и его нагрузки.

 

Сложные сглаживающие фильтры

Сложные сглаживающие фильтры строятся на основе простейших, образуя однозвенные и многозвенные фильтры.

 

 

Г-образный индуктивно-емкостный (LC) фильтр

 

Применение

Г-образный индуктивно-емкостный (LC) фильтр (рисунок 31) применяется в источниках средней и большой мощности вследствие того, что падение напряжения на фильтре можно сделать сравнительно малым и тем самым обеспечить более высокий КПД.

Рис. 31. Индуктивно-емкостный фильтр

Недостатки

· сравнительно большие размеры и вес;

· дроссель фильтра является источником помех, создаваемых магнитным полем рассеяния;

· дроссель фильтра иногда является причиной сложных переходных процессов, приводящих к искажениям в работе устройств (усилителя, передатчика и т.п.);

· фильтр не устраняет медленных изменений питающих напряжений.

 

Выбор номиналов элементов

Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглажива­ния фильтра и определяется по приближенной формуле:

 

, (11)

где:

· F_с — частота выпрямляемого тока (Гц);

· m - количество фаз (для однополупериодной схемы выпрямления m=1, для двухполупериодной, мостовой и параллельной схе­мы удвоения напряжения m=2).

Величины L и С должны быть выбраны так, чтобы выполнялось усло­вие:

(12)

Если произведение LC больше 200...250, то фильтр следует делать двухзвенным, причем второе звено можно выполнить по схеме RC-фильтра.

 

Г-образный реостатно-емкостный (RC) фильтр

 

Применение

Г-образный реостатно-емкостный фильтр (рисунок 32) целесообразно приме­нять при малых выпрямленных токах (менее 15... 20 мА) и небольших значениях ко­эффициента сглаживания.

Такой фильтр является достаточно дешевым, имеет малые размеры и вес.

Их применяют в качестве элементов развязки в цепях питания.

Рис. 32. Реостатно-емкостный фильтр

Недостатки

Малый КПД из-за большого падения выпрямленного напряжения на сопротивлении фильтра.

Выбор номиналов элементов

Произведение RC (Ом*мкФ) определяется по приближенной формуле:

(13)

Сопротивление R выбира­ется из условия допустимого падения выпрямленного напряжения U_доп на фильтре.

 

П-образный LC-фильтр

 

Схема П-образного LC-фильтра приведена на рисунке 33.

Рис. 33. П-образный LC-фильтр

 

Принцип действия

Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощенно представить как совместное действие двух фильтров. Коэффициент сглаживания такого фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания звеньев:

(14)

 

Недостатки

· громоздкость и дороговизна дросселя;

· зависимость коэффициента сглаживания от тока нагрузки;

· наличие переходных процессов;

· излучение фильтром электромагнитных помех.