Фильтры на пассивных элементах

а) Индуктивные и ёмкостные фильтры

Индуктивный фильтр типа L состоит из дросселя L_др, включенного последовательно с нагрузкой (рисунок 2.31,а). Дроссель –это катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником. Любое изменение тока в цепи с индуктивностью вызывает появление ЭДС самоиндукции, препятствующей этому изменению, поэтому переменная составляющая выпрямленного тока будет уменьшаться (сглаживаться).

Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра равен

К_сг= m·w ·L_др / R_н, (2.21)

где m - число фаз выпрямителя;

w - частота сети;

L_др - индуктивность дросселя;

R_н - сопротивление нагрузки.

Для получения достаточно высокого коэффициента сглаживания нужно увеличивать индуктивность дросселя, число фаз и уменьшать сопротивление нагрузки. Поэтому индуктивные сглаживающие фильтры применяются в много фазных мощных выпрямителях.

а) б)

а- схема индуктивного фильтра;

б-схема ёмкостного фильтра.

Рисунок 2.31 - Электрические принципиальные схемы фильтров

К достоинствам индуктивного фильтра относится простата схемы, небольшие потери мощности и незначительная зависимость выходного напряжения от изменения сопротивления нагрузки.

К недостаткам индуктивного фильтра можно отнести:

- перенапряжение, возникающее при нагрузке или при резком изменении её величины. Это объясняется, появление ЭДС самоиндукции дросселя, резкое изменение тока нагрузки. Поэтому в мощных выпрямителях рекомендуется параллельно дросселям включать разрядники, срабатывание которых

происходит, когда напряжение на дросселе превышает

определённую величину;

- непостоянство сглаживающего действия фильтра при изменении сопротивления нагрузки.

б- ёмкостной фильтр (рисунок 2.31,б) представляет собой кондесатор, включенный параллельно нагрузке. Для уменьшения переменной составляющей ёмкость конденсатора С выбирают такой, чтобы реактивное ёмкостное сопротивление х_с=1/w·C было на порядок меньше R_н. Переменная составляющая будет замыкаться через конденсатор, а постоянная составляющая протекать через конденсатор С не будет, а протекать будет через нагрузку R_н.

Коэффициент сглаживания ёмкостного фильтра определяется как отношение коэффициента пульсации при отключенном конденсаторе C к коэффициенту пульсации с подключенным к выпрямителю конденсатором С.

Коэффициент сглаживания определяется по формуле:

К_сг = 2·r_ф·C / [(m²-1)·H], (2.22)

где k_{п вх}=2/(m²-1) - коэффициент пульсации

выпрямителя без конденсатора С;

k_{п вых}=H/r_фC - коэффициент пульсации

выпрямителя с конденсатором С;

r_ф=r_тр+r_d - сопротивление фазы выпрямителя;

H - коэффициент зависящий от

функции А.

Для того чтобы получить малое значение коэффициента пульсации при заданной ёмкости конденсатора нужно чтобы реактивное сопротивление конденсатора должно быть меньше сопротивления нагрузки, поэтому ёмкостной фильтр применяется в маломощных выпрямителях.

Основное достоинство фильтра - простата, к недостаткам можно отнести:

- большую величину зарядного тока конденсатора, а

значит большое значение прямого тока через диод

выпрямителя;

- большую величину обратного напряжения на диоде.

в- индуктивно-ёмкостной Г-фильтр (рисунок 2.32,а), который состоит из дросселя, включенного последовательно в цепь выпрямленного тока, и конденсатора, включённого параллельно нагрузке. Применение двух реактивных элементов улучшает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. В Г- образном фильтре реактивное сопротивление конденсатора, так же как и в фильтре с конденсатором.выбирается значительно меньше сопротивления нагрузки, а индуктивное сопротивление дросселя фильтра должно быть во много раз больше сопроивления реактивного конденсатора. Таким образом Г-образный фильтр является реактивным делителем переменного напряжения.

Коэффициент сглаживания определяется по формуле

Ксг = m² w² LC - 1, (2.23)

Величину индуктивности можно определить по формуле

L=[2/(m²-1)] · [R_н/(m·w_с)]. (2.24)

Из выражения видно, что индуктивность дросселя фильтра тем меньше, чем меньше сопротивление нагрузки выпрямителя Rн. При значительных сопротивлениях нагрузки индуктивность дросселя получается настолько большой, что от такого фильтра приходится отказаться. Поэтому индуктивные фильтры - LC применяются в мощных выпрямителях и выпрямителя средней мощности при больших токах нашрузки.

г- П-образный фильтр LC-типа (рисунок 2.32,б), можно представить как двухзвенный, состоящий из ёмкостного фильтра С, и Г-образного LC-фильтра. Коэффициент сглаживания такого фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих звеньев

К_{сг п} = К_{сг С} · К_{сг LC}, (2.25)

.

Рекомендуется выбирать С_о=С₁. При больших сопротивлениях нагрузки рекомендуется использовать П-образный фильтр.

а) б)

а - Г-образный фильтр;

б - П-образный фильтр.

Рисунок 2.32- Электрические принципиальные схемы

индуктивно-ёмкостных фильтров.

д- резисторно-ёмкостные фильтры применяются при больших сопротивлениях нагрузки (порядка десятков килоом), т.е. в выпрямителях на мощность порядка 10-15 Вт.

Коэффициент сглаживания такого фильтра определяется по формуле

К_сг = R·(R+R_н)·m·w·C / R_н. (2.26)

При расчётах RC- фильтра обычно задаются определённым значением резистора фильтра R=(0,1…0,2)·R_н и определяют ёмкость фильтра.

Достоинство RC-фильтра заключается в малых габаритах, в массе и стоимости. Основной недостаток - низкий КПД, вследствии потери мощности на резисторе R_ф, что допустимо для выпрямителей малой мощности.

Рисунок 2.33- Электрическая принципиальная схема фильтра

типа – RC.

е- резонансные фильтры. Разновидностью Г-образных LC-фильтров или звеньев является резонансные фильтры. Они обеспечивают высокий коэффициент сглаживания для одной из частот пульсации, что в ряде случаев бывает важно. Фильтры, основанные на использовании резонанса тока, называются фильтрами-пробками (рисунок 2.34,а), так как они при последовательном включении сильно ослабляют токи на резонансной частоте. Параллельный контур этого фильтра настроен в резонанс на частоту пульсации. На этой частоте он имеет большое резонансное сопротивление и сильно ослабляет гармонику пульсации, имеющию частоту w_п. Конденсатор контура, как правило, имеет большую добротность, что позволяет не учитывать его активное сопротивление. Поэтому резонансное сопротивление контура определяется активным сопротивлением катушки r_L.

Ток с частотой пульсации замыкается через реактивное сопротивление конденсатора С, поэтому коэффициент сглаживания фильтра определяется как отношение резонансного сопротивления контура Z_р к ёмкостному сопротивлению конденсатора фильтра Х_с.

К_сг= w_п·L·C_о/C·r_L. (2.34)

Для токов, с частотой пульсации больше резонансной контура,будет иметь сопротивление ёмкостного характера и фильтр превращается в ёмкостной делитель напряжения. Коэффициент сглаживания для высших гармоник пульсаций с учётом того, что почти весь ток высших гармоник пройдет через конденсатор контура и будет равен

К_сг ≈ (C_о+C) / C. (2.35)

Для токов с частотой ниже, чем резонансная частота контура, сопротивление контура будет носить индуктивный характер и резонансный фильтр превращается в обычный Г-образный LC- фильтр.

а- с параллельным резонансным контуром;

б- с последовательным резонансным контуром;

в- резонансная характеристика

Рисунок 2.34 - Принципиальные схемы резонансных фильтров

На рисунке 2.34,б показана схема резонансного фильтра с режекторным фильтром L₁С вместо конденсатора С_о. В режекторном фильтре, цепочка L₁С включена на выходе, при резонансе имет минимальное сопротивление, которое может быть меньше ёмкостного сопротивения конденсатора C, и поэтому при её применении коэффициент сглаживания возрастает. При резонансе сопротивление фильтра чисто активное и равно активному сопротивлению катушки r_L и коэффициент сглаживания определяется формулой

К_сг= w_п·L / r_L. (2.36)

Резонансные фильтры эффективны для сглаживания токов одной частоты. Эти фильтры нужно настраивать в резонанс на подавление наиболее интенсивной гармоники. Индуктивность катушки фильтра зависит от величины тока протекающего по ней. При изменении тока нагрузки контур фильтра расстраивается и коэффициент сглаживания фильтра изменяется. Этот недостаток резонансного фильтра ограничивает применение его.

Обычно резонансные фильтры применяют для однофазных выпрямителей, когда основная гармоника преобладает в кривой выпрямленного напряжения, а частота питающей сети достаточно стабильна.

Дата добавления: 2014-01-04