Фильтры

На выходе выпрямителей получается пульсирующее напряжение, состоящее из постоян­ной и переменной составляющих. Для уменьшения пульсации выпрям­ленного напряжения до величины, допускаемой условиями эксплуатации аппара­туры связи, включают сглаживающие фильтры.

Для устранения нежелательного влияния переменной составляющей напряжения в це­пях питания при­меняются фильтры, которые должны вносить максимальное большое затуха­ние для переменной составляющей напряжения.

Основным показателем фильтра является коэффициент сглаживания q, который, являясь безразмерной величиной, определяется как отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе. Обычно коэффициент сглаживания рассчитывается по первой гармонике переменной составляю­щей. Определяя коэффициент пульсации через отношение амплитуды первой гармоники к постоянной состав­ляющей (среднему значению) напряжения, можно коэффициент сглаживания представить в виде

, (10.1)

где К_ф – отношение амплитуд первой гармоники на входе U_m1и на выходе U_m2 фильтра, называемое коэффици­ентом фильтра; К_п – величина, обратная отношению среднего значения напряжения на выходе U₀₂ и на входе U₀₁ фильтра, которая называется коэффициентом передачи. С учетом принятых обозначений коэффициента фильт­рации фильтра K_ф = qK_п. В схемах реальных фильтров коэффициент передачи близок к единицы, поэтому для упрощения расчета можно принимать Кф ≈ q.

Эффект сглаживания может быть достигнуто с применением следующих фильтров: индуктивного; индуктивно-емкостного; емкостного; активно-емкостного; резонансного; индуктивно-емкостного и магнито-связанного.

Эти фильтры водят последовательно с нагрузкой или подключают параллельно с нагрузкой, при этом активное сопротивление фильтра должны иметь очень маленькое значение для соответствующих частот. Параметры фильтра, определяющие его сглаживающие свойства, не должны существенно зависеть от тока нагрузки, протекающий через фильтр.

Сглаживающие фильтры делятся на две основные категории. К одной категории относятся фильтры, в состав которых входят только пассивные реактивные элементы (катушки индуктивности и конденсаторы), а дру­гой – фильтры, которые содержат также активные элементы, например транзисторы, работающие в усилитель­ном режиме.

Если пульсация напряжения происходит на одной или нескольких фиксированных частотах, то целесо­образное применение резонансных фильтров, у которых собственная частота LC - контуров совпадает с часто­тами пульсации напряжения. В случае необходимости подавления спектра частот применяется фильтр, собст­венная частота которого выбирается меньше, чем частота наиболее низкой гармоники сглаживаемого напряже­ния.

Сглаживающие фильтры разделяются на однозвенные и многозвенные. Последние представляют собой фильтры, в которых последовательно включается несколько звеньев. В свою очередь, однозвенные фильтры мо­гут содержать один или несколько реактивных элементов.

Фильтр (рис. 10.1) содержит в последовательном плече дрос­сель L, который имеет большое по сравнению с нагрузкой сопротивление переменному току, и в параллельном плече конден­сатор С, сопротивление которого переменному току значительно меньше сопротивления нагрузки. Пренебрегая активными потерями в дросселе, коэффициент сглаживания можно определить из выражения

(10.2)

а) б)

Рисунок 10.2 – Фильтр LC

Резонансная частота фильтра , поэтому коэффициент сглажива­ния на частоте f может быть представлен в виде .

Многозвенные сглаживающие фильтры представляют собой последовательно включенные однозвенные фильтры. Коэффициент сглаживания таких фильтров равен произведению коэффициентов сглаживания отдель­ных звеньев. Коэффициент сглаживания двухзвенного фильтра, содержащего дроссели L₁ и L₂ и конденсаторы С₁ и С₂,

(10.3)

При выборе элементов двухзвенного (многозвенного) фильтра нужно руководствоваться положениями, изло­женными выше для однозвенных фильтров с учетом (10.3). Двухзвенные фильтры для частот, близких к промыш­ленной частоте переменного тока, при­меняются в случаях, когда требуется иметь коэффициент сглажи­вания больше 10.

Резонансные сглаживающие фильтры содержат резонансные контуры. Положительный эффект приме­нения таких фильтров в большей степени проявляется при необходимости подавления оп­ределенных гармоник повышенной частоты переменной составляю­щей. Реактивные элементы в резонансных фильтрах могут вклю­чаться параллельно или последовательно. В первом случае на резонансной частоте контур имеет большое сопро­тивление и вклю­чается последовательно с нагрузкой, т. е. в последовательное пле­чо фильтра. Во втором случае контур на резонансной частоте имеет минимальное сопротивление и включается параллельно наг­рузке, т. е. в параллельное плечо фильтра.

На рисунке 10.3, а) изображена принципиальная электрическая схе­ма резонансного фильтра с последователь­ным резонансным кон­туром, подключенным параллельно нагрузке. Сопротивление контура, образованного ка­тушкой L_k и конденсатором С_к, на резо­нансной частоте минимально и определяется потерями в этих ре­активных элементах. Обозначая эти потери через R, получаем выражение для коэффициента пульсации на резонансной частоте

.

Рисунок 10.3 – Резонансные фильтры с параллельным а) и

последовательным контурами б)

К достоинствам резонансных фильтров следует отнести их частот­ную избирательность к гармоникам переменной составляющей напряжения, а к недостаткам — повышение требования доброт­ности катушек индук­тивности и необходимость тщательной на­стройки на резонансную частоту.