Виды сглаживающих фильтров и их применение

Преобразование электрической энергии по величине и её передача на большие расстояния наиболее эффективна в виде переменного напряжения. Но у конечного потребителя для функционирования многих устройств требуется постоянное, желательно стабильное, напряжение. Задача трансформации переменного напряжения в постоянное решается с помощью электронных схем, называемых выпрямителями. После стадии выпрямления на выходе имеется однонаправленное напряжение в виде импульсов одинаковой полярности. Для подавления (уменьшения) пульсаций и максимальному приближению выходного напряжения к постоянному виду применяются сглаживающие фильтры (СФ).

Примеры сглаживающих фильтров

От непостоянного синуса к константе

Первым этапом выпрямления синусоидального напряжения является пропускание его через электрические ключи (вентили), которые обладают свойством односторонней проводимости. На сегодняшний день в качестве таких устройств применяются в основном полупроводниковые элементы (диоды, транзисторы). На рисунке ниже показан полупроводниковый диод, последовательно включённый с нагрузочным сопротивлением R_н.

Полупроводниковый диод — ключевой элемент выпрямителей

Вентиль пропускает ток во время положительной полуволны (p-n переход диода открыт) и «обрезает» (не пропускает) отрицательные полуволны  (p-n переход закрыт).

Зависимость от времени входного и выходного напряжений

Видно, что на нагрузке R_н возникает однополярное (положительное) напряжение, которое нельзя признать постоянным.

Усовершенствованной схемой выпрямления является двухполупериодный диодный мост.

Мостовая схема выпрямителя

На схеме ток с положительной полуволной показан красными стрелками, а отрицательной — зелёными стрелками. Основная идея такого построения схемы заключается в том, что через R_н проходит ток два раза за период в одном и том же направлении. То есть, напряжение U_вых не меняет полярности.

Зависимость входного и выходного напряжений для мостового выпрямителя

В обоих приведенных примерах выпрямителей напряжение на выходе остается пульсирующим, далеким от того, чтобы признать его хотя бы квазипостоянным.

Общие положения

Выпрямленным напряжением без дополнительных его приближений к постоянному виду пользуются в случаях, когда потребитель энергии слабо реагирует на переменную компоненту выпрямленного напряжения, например:

• Для зарядных устройств аккумуляторных батарей.
• Для электропитания сигнализационных цепей и устройств.
• Для питания электрических двигателей.

Использование пульсирующего напряжения приводит к ухудшению, а чаще всего к полной невозможности функционирования радиоэлектронных устройств. Для «борьбы» с пульсациями используют сглаживающие фильтры. Их создание основывается на применении реактивных элементов схем (индуктивности и ёмкости). Подобные устройства предназначены выполнять функцию фильтра нижних частот, отсекающего на выходе высшие гармоники.

Коэффициент пульсаций

Переменная часть U_вых в общем случае может быть представлена в виде ряда Фурье с большим количеством гармоник с разными амплитудами, сдвинутых относительно первой на разные углы. Самой существенной является первая гармоника, имеющая амплитуду, многократно превосходящую остальные амплитуды. Поэтому фильтры должны уметь подавлять основную гармонику.

Для характеристики размера пульсаций выпрямленного напряжения применяется величина, названная коэффициентом пульсаций (КП) и равная:

Определение коэффициента пульсаций

Допустимую величину КП для различных устройств обычно представляют в процентах:

• 1–1.0% — для магнитофонов и небольших транзисторных приёмников;
• 01–0.1% — для радиоусилителей и промежуточной частоты;
• 001–0.01% — для микрофонных усилителей и предварительных каскадов усилителей звуковых частот.

Коэффициент сглаживания

Сглаживающее устройство, которое устанавливается на выходе выпрямителя принято характеризовать величиной коэффициента сглаживания или тождественным с ним термином — коэффициентом фильтрации.

Коэффициент сглаживания пульсаций — это величина, равная отношению КП на входе фильтра к КП на выходе фильтра (на нагрузке R_н). Для его расчета используется формула:

Определение коэффициента сглаживания

В случае многозвенной комбинации сглаживающих фильтров итоговый K_с равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев.

Типы фильтров сглаживания

Сглаживающие устройства, созданные на основе пассивных, реактивных элементов (дросселей, конденсаторов), в период действия первой полуволны электронапряжения заряжаются от источников питания, а при отсутствии полуволны (либо при минимальной амплитуде электронапряжения) идёт разрядка на нагрузку. Таков общий принцип работы фильтров.

Типы сглаживающих фильтров

Катушка индуктивности L имеет очень небольшое сопротивление при протекании через неё постоянного тока. При использовании переменного тока оно резко возрастает (ввиду самоиндукции). С конденсатором ёмкостью C ситуация обратная: большое сопротивление постоянному электротоку и резкое уменьшение для переменной токовой компоненты. Поэтому дроссель в СФиндуктивного типа и нагрузку R_Н принято включать последовательно, а конденсатор в емкостном СФ — параллельно. Применяются также комбинированные (смешанные) виды СФ. Это RC и LC—фильтр.

СФемкостного типа

Сглаживающие емкостные фильтры позволяют существенно сгладить пульсации выходного напряжения блоков питания. Как функционирует емкостный фильтр можно понять из графиков входного и выходного электронапряжений, представленных на рисунке ниже.

Схема емкостного СФ и график его входного и выходного электронапряжения

Сглаживающий электролитический (или керамический) конденсатор С_ф должен иметь такую емкость, чтобы для главной гармоники выпрямленного электронапряжения сопротивление конденсатора на частоте f было значительно меньше сопротивления нагрузки. Данное требование можно выразить с помощью такой формулы:

Определение емкости конденсатора С_ф

Индуктивный СФ

Сглаживающий индуктивный фильтр, схема которого изображена на рисунке ниже, состоит из дросселя L_др и нагрузки R_н, включенных последовательно.

Принципиальная схема и форма выходного электронапряжения индуктивного СФ

Из-за физического эффекта самоиндукции на начальном этапе дроссель препятствует росту электротока, а затем начинает его поддерживать на стадии уменьшения.

Условие, при котором индуктивный фильтр будет обеспечивать сглаживание пульсаций, выражается формулой:

Определение индуктивности дросселя

Дроссели с ферромагнитым сердечником обладают большой индуктивностью (до  нескольких единиц Гн). Поэтому индуктивные фильтры могут использоваться при значительных электротоках через R_н. Сечение провода катушки определяется в зависимости от электротока нагрузки.

Смешанные фильтры питания

В сглаживающих устройствах смешанного  типа применяются Г-образные LC и RС—фильтры. Комбинированные схемы позволяют получить более высокие значения коэффициента сглаживания фильтра по сравнению с простейшими  L и R-элементами.

Принципиальные схемы смешанных СФ

Активные сглаживающие устройства

Основу активного сглаживающего фильтра составляют либо транзисторы, либо операционные усилители, представляющие собой интегральные схемы с определённым количеством транзисторов в одном корпусе.

Достоинства и недостатки активных СФ

Транзисторные СФ отличаются от емкостных меньшими размерами, а также массой. Коэффициент сглаживания у них более высокий. Использование таких устройств позволяет на порядок уменьшить номинал конденсатора, применяемого для сглаживания, или же амплитуду пульсаций, не изменяя значение емкости.

Выполняя расчет номиналов элементов СФ, необходимо учитывать электронапряжение на базе транзистора:

Электронапряжение на транзисторной базе

КПД транзисторного фильтра питания будет тем выше, чем меньше падение постоянного электронапряжения на транзисторе. Последний параметр можно определить по формуле:

Падение электронапряжения на транзисторе

Следовательно, чтобы получить активный СФ питания с высоким КПД, нужно обеспечить поступление электронапряжения на вход устройства, отфильтрованного до определенного уровня. Этого можно достичь за счет включения в используемую схему самого простого емкостного фильтра.

Также с целью улучшения фильтрующих свойств СФ в цепь транзисторной базы включают двухзвенный RC-фильтр.

Схема активного СФ без RC-элемента и с ним

Еще более эффективной работы транзисторного СФ можно достичь, если резисторы в цепи базы заменить стабилитроном с электронапряжением пробоя по величине соответствующим тому, что рассчитано для резистивного делителя.

Видео по теме