Исследование сглаживающих фильтров

Цель работы:

Изучение схем пассивных RC и активного сглаживающих фильтров; исследование их основных характеристик.

2.1. Теоретические сведения.

2.1.1. Пассивные фильтры.

Так как выпрямленное напряжение – пульсирующее, для получения постоянного напряжения на выходе выпрямителя обычно ставят сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр - это устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Степень пульсаций выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсаций, который равен отношению амплитуды первой (основной) гармоники пульсаций Umax к среднему значению выходного напряжения Uср.

Зная кратность пульсаций выпрямленного напряжения m, определить по формуле:

Сглаживающее действие фильтра характеризуется его коэффициентом сглаживания, который равен отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра:

Другим параметром фильтра, характеризующим его фильтрующие] свойства, является коэффициент фильтрации:

где - напряжение переменной составляющей соответственно на входе и выходе фильтра.

Схемы сглаживающих фильтров

Рис. 2.1.а.

Рис. 2.1.б.

Рис. 2.1.в.

Рис. 2.1.г.

Емкостный фильтр представляет собой конденсатор Сф, включенный параллельно нагрузке выпрямителя Rн (рис. 2.1.а). Его действие основано на накоплении энергии в электрическом поле конденсатора в моменты, когда выпрямленное напряжение Uвыпр больше напряжения на конденсаторе Uc. При этом вентили выпрямителя открыты и пропускают ток. Когда выпрямленное напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, вентили закрываются и ток в нагрузке поддерживается за счет энергии, накопленной в емкости Сф.

Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и гармоники переменного напряжения с частотой, кратной частоте питающей сети. Максимальную амплитуду имеет первая гармоника. Поскольку для постоянного тока конденсатор представляет бесконечно большое сопротивление, постоянный ток будет идти в нагрузку.

Чтобы переменная составляющая не проходила в нагрузку, емкость конденсатора выбирают так, чтобы его сопротивление для переменного тока было намного меньше сопротивления нагрузки:

Емкостный фильтр выгоднее применять при малых токах нагрузки (больших Рн), так как при этом требуется меньшая емкость конденсатора фильтра. Вследствие того что сглаживающее действие емкостного фильтра основано на накоплении энергии, а энергия, запасаемая конденсатором равна:

можно сделать вывод, что емкостный фильтр выгоднее применять при повышенных напряжениях.

Индуктивный фильтр представляет собой дроссель Lф, включенный последовательно с сопротивлением нагрузки Rн (рис. 2.1.б.). Сглаживающее действие такого фильтра основано на возникновении в дросселе Lф Э.Д.С. самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока. Дроссель для постоянной составляющий выпрямленного тока практически не представляет никакого сопротивления, и она передается в нагрузку без ослабления. Чтобы переменная составляющая выпрямленного напряжения не проходила в нагрузку, необходимо, чтобы сопротивление дросселя для переменного тока было намного больше сопротивления нагрузки:

Так как сглаживающее действие дросселя основано на его свойстве накапливать энергию, а энергия, запасаемая дросселем равна:

индуктивный фильтр более эффективен при больших токах нагрузки. Индуктивный фильтр позволяет обеспечить непрерывность тока в цепи и благоприятный режим работы вентилей и трансформатора выпрямителя. Нагрузочная характеристика Ucp = f(Icp) выпрямителя с индуктивным фильтром - жесткая, что является преимуществом по сравнению с емкостным фильтром.

Если параллельно нагрузке Кн подключить конденсатор, а последовательно с нагрузкой включить дроссель, получим Г-образный LC-фильтр (рис. 2.1.в.). В нем сочетаются положительные качества индуктивного и емкостного фильтра, так как элементы фильтра выбирают из условия:

Такой фильтр одинаково хорошо сглаживает как при больших, так и при малых токах нагрузки. Для обеспечения жесткой нагрузочной характеристики такого фильтра необходимо, чтобы ток в дросселе был непрерывен. Это условие выполнено, если индуктивность дросселя больше некоторого критического значения, определяемого соотношением:

Где К`n – коэффициент пульсации напряжения на выходе фильтра.

В маломощных выпрямителях часто вместо дросселя фильтра ставят сопротивление Кф (рис. 2.1.г.). В таком RC-фильтре на сопротивлении Rф, кроме переменной составляющей, также падает часть постоянной составляющей выпрямленного напряжения. К.П.Д. такого фильтра меньше, чем LC-фильтра. Однако RC-фильтры имеют меньшие габаритные размеры и стоимость. Применяются RC-фильтры в маломощных выпрямителях, работающих, как правило, на статическую нагрузку. Для получения хорошего коэффициента сглаживания и приемлемого к.п.д. элементы RC-фильтра выбирают из следующих условий:

2.1.2. Активные фильтры.

Индуктивно-емкостные фильтры просты и надежны в эксплуатации, однако их масса и габаритные размеры очень существенны и для некоторых устройств могут быть неприемлемы. Электронные фильтры не имеют присущих индуктивно-емкостным фильтрам недостатков. Вместо дросселя в этих фильтрах используют транзисторы, вольт-амперная коллекторная характеристика которых по форме подобна кривой намагничивания ферромагнитного сердечника дросселя.

Электронные активные фильтры применяют при токах нагрузки до нескольких ампер и напряжениях, определяемых десятками вольт. Различают электронные фильтры с нагрузкой, включенной последовательно с транзистором в цепь коллектора либо эмиттера или параллельно транзистору.

Наиболее проста и часто используемая на практике схема фильтра имеет вид, представленная на рис. 2.2.

В данной схеме имеет место автоматическое смещение постоянной составляющей напряжения, подаваемого на базу транзистора. Поэтому фильтр может устойчиво работать при изменении температуры окружающей среды. Схема не требует настройки при замене транзистора.

Рис. 2.2.

Коэффициент усиления по напряжению для данной схемы практически равен единице, а выходное сопротивление значительно ниже, чем для других схем включения транзистора. Однако коэффициент сглаживания этого фильтра ниже, чем у других схем. Повысить его можно путем повышения коэффициента сглаживания фильтра в базовой цепи транзистора, либо за счет увеличения коэффициента усиления усиления транзистора.

2.2. Подготовка к работе.

2.2.1. Изучить принцип работы схем пассивных и активных

фильтров.

2.2.2. Изучить порядок расчета схем фильтров и их качественных характеристик.

2.2.3. Для заданного преподавателем коэффициента сглаживания и известных параметрах RC фильтра рассчитать величину допустимой нагрузки.

2.2.4. Нарисовать схемы исследуемых фильтров.

2.2.5. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

2.3. План работы.

2.3.1. Собрать схемы для исследования пассивных емкостного и RC фильтров, представленных на рис. 2.3. Приложение 1.

2.3.2. Для номинального тока (Iном = 100mA) нагрузки снять и построить осциллограммы напряжений на нагрузке без фильтра и с фильтром для двух схем рис. 2.3. Приложение 1.

2.3.3. Снять и построить зависимость коэффициента сглаживания фильтра от тока нагрузки

Где

К'п, Кп - коэффициенты пульсаций соответственно на входе выходе фильтра,

- амплитуда переменной составляющей

соответственно на входе и выходе фильтра,

U'ср, Uср - среднее значение напряжения соответственно на входе и выходе фильтра.

Сравнить рассчитанное значение допустимой для заданного значения Ксгл и полученное экспериментально.

Амплитудное значение выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра определить с помощью осциллографа.

2.3.4. Собрать схему активного фильтра, представленную на

рис. 2.4. Приложение 1.

2.3.5. Снять и построить зависимость коэффициента сглаживания фильтра от тока нагрузки

Где

К'п, Кп - коэффициенты пульсаций соответственно на входе выходе фильтра,

- амплитуда переменной составляющей

соответственно на входе и выходе фильтра,

U'ср, Uср - среднее значение напряжения соответственно на входе и выходе фильтра.

Сравнить рассчитанное значение допустимой для заданного значения Ксгл и полученное экспериментально.

Амплитудное значение выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра определить с помощью осциллографа. Зарисовать осциллограмму напряжений на входе и выходе фильтра.

2.4. Контрольные вопросы.

2.4.1. Объясните принцип работы различных схем фильтров.

2.4.2. Как осуществляется выбор конденсатора в емкостном

фильтре? Когда применяется емкостной фильтр?

2.4.3. Как выбирается дроссель в индуктивном фильтре? Назовите область применения индуктивных фильтров.

2.4.4. Что такое критическая индуктивность в сглаживающих

LC-фильтрах и как ее определить? Какова ее зависимость от пара-

метров и режима работы схемы?

2.4.5. Из каких соображений выбирают сопротивление Rф в RC

фильтре?

2.4.6. Дайте сравнительную характеристику LC- и RC-фильтров.

2.4.7. Назовите основные параметры фильтров.

3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N3

Дата добавления: 2015-03-29