Меню

Что такое фильтрация напряжения



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:  Реле регулирования напряжения ваз

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.

Читайте также:  После скачка напряжения не включается монитор компьютера

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

Сглаживающие фильтры

Переменный ток идеально выпрямить нельзя, поэтому на выходе любого выпрямителя присутствуют пульсации с частотой 50 Гц или 100 Гц. Пульсации вредно отражаются на работе питаемого устройства, и поэтому их уровень необходимо снижать. Эту задачу и выполняют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр — это устройство, позволяющее уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.

Основным из параметров сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания (фильтрации), который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе (рис.1):

Рис.1. Процесс фильтрации

Качество сглаживающих свойств фильтров ( коэффициент сглаживания) можно оценить по следующей формуле:

где S — коэффициент сглаживания,

Kп.вх — коэффициент пульсации на входе,

Kп.вых — коэффициент пульсации на выходе.

Для удовлетворения фильтрующих свойств необходимо выполнение условий: U12 Коэффициент сглаживания учитывает подавление пульсаций и передачу постоянной составляющей U. Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что Uвх приблизительно равно Uн).

Фильтры можно классифицировать следующим образом:

1. По частотному составу различают:

а) простые (однозвенные)

б) сложные (многозвенные или резонансные);

4. По конструктивному исполнению:

При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности:

Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.

Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр). Или можно включить дроссель, но уже последовательно с сопротивлением нагрузки (индуктивный фильтр). При этом, дроссель можно заменить на волновое сопротивление.

Комбинация этих элементов дает еще больший эффект сглаживания. Варианты построения различных типов фильтров приведены на рисунке 2.

Рис.2. Сложные (многозвенные) фильтры.

Рассмотрим работу устройства на примере емкостного фильтра. Как же происходит сглаживание пульсаций? Давайте посмотрим на форму выходного напряжения, например, однополупериодного выпрямителя без фильтра, показанную на рисунке 3:

Рис.3. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя без фильтра

На рисунке Uср — это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное – на диаграмме присутствуют большие пульсации. Теперь подсоединим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано на рисунке 4:

Рис.4. Подсоединение фильтра Сф относительно нагрузки

При подключении осциллографа параллельно нагрузке выпрямителя получим следующую диаграмму работы выпрямителя с С-фильтром (рис. 5):

Рис.5. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром

Рассмотрим полученную диаграму выходного напряжения выпрямителя. Красным цветом показана работа конденсатора в качестве сглаживающего фильтра (пилообразное напряжение). Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться (в момент прихода полуволны) — короткий отрезок пилообразного напряжения на рисунке. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку — длинный отрезок «пилы». При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Таким образом, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср — выше. В данной схеме размах амплитуды пилообразного напряжения (а это тоже пульсации), напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.

Источник