28.03.20 группа 749 "Индуктивные, емкостные и индуктивно-емкостные фильтры."

В рабочих тетрадях отчет подготовить в виде краткого конспекта (только выделенное жирным шрифтом).

Жду фотоотчеты проделанной работы.

ТЕМА: ИНДУКТИВНЫЕ, ЕМКОСТНЫЕ И

ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЕ ФИЛЬТРЫ.

План:

1. Назначение, характеристики и виды фильтров.

2. Емкостный фильтр.

3. Резистивно-емкостные фильтры.

4. Индуктивный фильтр.

5. Индуктивно-емкостные фильтры

1. Назначение, характеристики и виды фильтров

Для нормального функционирования электронных устройств необходимо чтобы пульсации выходного напряжения были меньше допустимой величины. Для каждого устройства эта величина разная и определяется его назначением и свойствами.

Кроме основного требования — сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения — к фильтру предъявляются следующие требования:

• Потери мощности и падение постоянной составляющей напряжения в фильтре должны быть минимальными; т. е. он должен обладать наибольшим КПД при минимальных габаритных размерах, массе и стоимости.

• Фильтр не должен влиять на работу потребителя.

• Внешние электромагнитные поля, создаваемые фильтром, не должны нарушать функционирование устройства.

• Во время переходных процессов, сопровождающих включение выпрямителя, фильтр не должен создавать перенапряжений и сверхтоков, значения которых превышают пределы, допустимые для элементов электропитания и потребителя.

• Собственная частота фильтра должна быть существенно меньше основной частоты пульсаций во избежание появления резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра, поскольку они приводят к резкому возрастанию пульсаций выпрямленного напряжения.

• Фильтр должен обладать высокой надежностью в пределах заданного диапазона температур.

Сглаживающие фильтры различают по элементам, из которых они состоят, схеме соединения и по количеству этих элементов, которые обычно называются звеньями.

Простые однозвенные фильтры состоят из конденсатора или катушки индуктивности, сложные фильтры представляют собой сочетание индуктивностей, конденсаторов, резисторов. Сложный многозвенный фильтр состоит из нескольких простых фильтров.

2. Емкостный фильтр.

Конденсатор С, включенный параллельно нагрузке (рис.1,а), представляет собой простейший емкостный фильтр для уменьшения величины пульсаций выпрямленного напряжения.

Рис 1. Схема емкостного фильтра (а)

и график изменения напряжения на конденсаторе (б)

Конденсатор представляет собой емкостное сопротивление для переменного тока, а в нашем случае — для переменной составляющей выпрямленного тока, т.е.

где т — коэффициент, зависящий от схемы выпрямления.

Шунтирующее действие конденсатора, включенного параллельно нагрузке, обеспечивает сглаживание пульсаций при выполнении условия

.

При соблюдении этого условия большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, минуя нагрузку, как бы замкнется через конденсатор.

Рассчитать пульсации на выходе емкостного фильтра можно с помощью приближенной формулы

Умножая это выражение на 10⁶ и выразив К_п в процентах, получим выражение емкости конденсатора С, мкФ:

Как видно из выражения для К_п, получить небольшое значение коэффициента пульсации на нагрузке при ограниченной емкости конденсатора С можно лишь при большом сопротивлении нагрузки, т.е. при небольших выпрямленных токах, вследствие чего емкостный фильтр применяют преимущественно в маломощных выпрямителях.

К достоинствам, емкостного фильтра можно отнести простоту его выполнения.

Основной недостаток емкостного фильтра — необходимость применения диодов, рассчитанных на большую амплитуду прямого тока I_пр.и.п.

3. Резистивно-емкостные фильтры.

Данные фильтры (рис. 2) можно применять в выпрямителях небольшой мощности при сопротивлениях нагрузки, измеряемых десятками кОм.

а) б)

Рис. 2. Схема резистивно-емкостного фильтра (а),

его эквивалентная схема (б)

Коэффициент сглаживания Г-образного RС-фильтра

Так как R_ф ≥ 0,2/R_Н, напряжения U₀ и U'₀ различаются не менее чем на 20 %.

Для получения достаточно большого коэффициента сглаживания должны выполняться условия

R_Н X_C

и

R_Ф X_C.

С учетом этих условий можно записать

Выражая R_Ф и R_Н в Омах, емкость С в микрофарадах, получим:

для f_C = 50 Гц

для f_C = 400 Гц

При расчете RС-фильтра задаются требуемым коэффициентом сглаживания, а также одним из параметров: либо сопротивлением резистора R_Ф= (0,2÷1,0) R_Н, либо емкостью С, а затем с помощью приведенных формул определяют значение неизвестного параметра (соответственно емкости С или сопротивления R_Ф).

Существенным недостатком RC-фильтров является уменьшение КПД вследствие потерь напряжения на резисторе ΔU_Ф= I₀R_Ф, что допустимо только для маломощных выпрямителей.

4. Индуктивный фильтр.

Индуктивный фильтр представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником (дроссель), включаемую последовательно с нагрузкой (рис. 3). Переменная составляющая выпрямленного тока создает в магнитопроводе дросселя магнитный поток, индуцирующий в его обмотке противо-ЭДС, которая препятствует изменениям тока в цепи. Уменьшение амплитуды переменной составляющей выпрямленного тока вызывает уменьшение пульсаций напряжения на нагрузке. В этом и состоит сглаживающее действие дросселя, включенного последовательно с нагрузкой.

Рис. 3. Схема индуктивного фильтра

Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра легко определить из того, что для переменного тока пульсаций схема представляет делитель, в котором

.

С учетом этого легко определить коэффициент сглаживания индуктивного фильтра

В этой формуле числитель mω_сL является индуктивным сопротивлением дросселя X_L. Таким образом, для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения необходимо, чтобы индуктивное сопротивление дросселя X_L было значительно больше сопротивления нагрузки R_н.

Для получения достаточно большого коэффициента сглаживания необходимо увеличивать индуктивность дросселя L и число фаз т. Поэтому индуктивные фильтры целесообразно применять в многофазных выпрямителях большой мощности (большие токи нагрузки при относительно небольшом значении R_н).

Достоинства индуктивного фильтра состоят в следующем: простота схемы, небольшие потери мощности, а также незначительная зависимость выходного напряжения от изменения сопротивления нагрузки R_н.

Недостатки индуктивного фильтра:

1) перенапряжения, возникающие при отключении нагрузки или внезапном изменении ее величины, связанные с появлением ЭДС самоиндукции дросселя при резком изменении тока нагрузки. С целью устранения этого недостатка в мощных выпрямителях параллельно дросселям включаются разрядники, замыкающие обмотку дросселя, когда напряжение на дросселе превышает определенный уровень;

2) зависимость коэффициента сглаживания q от изменений сопротивления нагрузки R_н, так как при этом меняется индуктивность дросселя L. Это связано с увеличением постоянного подмагничивающего поля дросселя, которое изменяется в соответствии с изменением сопротивления R_н, а значит, и тока нагрузки. Для уменьшения подмагничивающего поля дросселя сердечник его выполняется с воздушным зазором.

5. Индуктивно-емкостные фильтры.

Рассмотренные выше простейшие фильтры не могут обеспечить получение больших коэффициентов сглаживания, поэтому на практике в качестве сглаживающих фильтров используются сочетания индуктивности и емкости, которые при относительной простоте позволяют получить более высокие коэффициенты сглаживания. Наиболее простая схема индуктивно-емкостного Г-образного LC-фильтра показана на рис. 4, а. Входным элементом этого фильтра является дроссель, и при соблюдении условия X_L R_НX_c дроссель и конденсатор в данном (совместном) включении используются лучше, чем каждый из них и отдельности. При этом общее сопротивление цепи для переменной составляющей выпрямленного напряжения значительно уменьшается и поэтому увеличивается переменная составляющая выпрямленного тока, протекающего через дроссель, а значит, возрастает и падение напряжения на нем. Это приводит к уменьшению переменной составляющей напряжения на нагрузке (по сравнению с ее значением при раздельном включении конденсатора и дросселя).

Рис. 4. Схема индуктивно-емкостного фильтра (а), эквивалентная

схема его (б), графики для определения произведения LC(в)

Так как обычно при расчете коэффициент сглаживания q задан и искомыми величинами являются L и С, то можно воспользоваться формулой

LC = (q + l)/(mω_C)².

Выражая индуктивность дросселя в генри, а емкость конденсатора в микрофарадах, получаем следующие расчетные формулы:

при f_C = 50 Гц

LC= 10(q+ 1/m²);

при f_C = 400 Гц

LC = 0,16(q+ 1/m²).

По этим выражениям при известном q, задаваясь, например, емкостью фильтра С, можно найти индуктивность L.

В фильтре, состоящем из дросселя и конденсатора, возможны резонансные явления, и для их исключения необходимо, чтобы собственная частота фильтра была ниже частоты пульсаций, т.е. желательно выполнить условие ω₀≤0,5mω_C. Так как собственная частота фильтра ω₀ = 1/√LC, условие отсутствия резонанса можно записать в следующем виде:

LC ≥ 4/m²ω²_С.

Подставляя LC из ранее полученной формулы для LC, получаем

q ≥ 3.

Таким образом, условием отсутствия резонанса в данном фильтре являются такие значения L и С, которые обеспечивают коэффициент сглаживания не менее трех.

5. Многозвенные фильтры

При необходимости получения больших коэффициентов сглаживания (более 20) многозвенные фильтры оказываются более экономичными, чем однозвенные. Они состоят из нескольких последовательно соединенных однозвенных, и входным элементом таких фильтров может быть либо дроссель, либо конденсатор (Рис.5).

Коэффициент сглаживания всего фильтра

Рис. 5. Схемы многозвенных фильтров:

а - двухзвенный LC-фильтр; б - двухзвенный С₁, L, C₂ (П-образный) фильтр

где К_П - коэффициент пульсации на выходе выбранной, схемы выпрямления; К_П.Н- коэффициент пульсации на нагрузке (см, приложение 9).

Коэффициент сглаживания первого звена фильтра

^{Коэффициент сглаживания второго звена фильтра}

Здесь K_П1 — коэффициент пульсации на выходе первого звена и на входе второго звена данного фильтра.

Произведение коэффициентов сглаживания первого и второго звеньев совместно равно произведению коэффициентов звеньев

⁽

Таким образом, коэффициент сглаживания двухзвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания его звеньев. Аналогично для любого многозвенного фильтра общий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания всех звеньев, т. е.

В многозвенных фильтрах удобно использовать одинаковые по параметрам звенья, т. е.

и в этом случае

где п — число звеньев.

Список используемых интернет ресурсов:

1. https://studfile.net/preview/2393411/