Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя

Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя Анемометр

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Основным параметром сглаживающего фильтра, определяющим его эффективность, является коэффициент сглаживания q, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе kп.вх и выходе kп.вых фильтра, т.е.

Сглаживающие фильтры делятся на пассивные и активные.

Пассивные сглаживающие фильтры выполняются на основе реактивных элементов – дросселей (катушек, обладающих высокой индуктивностью) и конденсаторов. Индуктивность дросселя оказывает большое сопротивления переменному току и малое – постоянному, а емкость конденсатора – наоборот. В этой связи дроссель простейшего индуктивного сглаживающего фильтра включается последовательно с нагрузкой, а конденсатор простейшего емкостного сглаживающего фильтра – параллельно.

По виду реактивных элементов различают емкостные, индуктивные и смешанные фильтры. Смешанные сглаживающие фильтры в зависимости от способа соединения входящих в него элементов подразделяют на Г- и П- образные. Эти фильтры могут быть однозвенными, двухзвенными и многозвенными.

В активных сглаживающих фильтрах применяются транзисторы. Использование транзисторов основано на том, что их сопротивление постоянному току (статическое сопротивление) на 2-3 порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление).

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор Сф, включенный параллельно нагрузке Rн (рис. 9.5, а). Работа фильтра основана на способности конденсатора накапливать заряд. Временные диаграммы напряжений (рис. 9.5, б) поясняют работу фильтра.

Емкость конденсатора Сф выбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление конденсатора было много меньше Rн, т.е.

где f – частота основной гармоники напряжения, Гц; f = 50 Гц для однополупериодного, f = 100 Гц для двухполупериодного выпрямителя.

При таком выборе величины емкости конденсатора постоянная времени разряда τразр значительно больше периода изменения выпрямленного напряжения

и конденсатор разряжается медленно – напряжение uС на нем уменьшается несущественно. Это приводит к увеличению среднего значения напряжения на нагрузке Uн.ср по сравнению с отсутствием фильтра и уменьшению переменной составляющей, а следовательно, к снижению коэффициента пульсаций kп.вх.

В качестве конденсаторов емкостных сглаживающих фильтров применяются полярные электролитические конденсаторы. Встречается параллельное включение полярного и неполярного конденсаторов. В этом случае полярные конденсаторы большой емкости (сотни-тысячи мкФ) используются для фильтрации низкочастотной пульсации входного напряжения, а неполярные конденсаторы небольшой емкости (доли мкФ) уменьшаю высокочастотную пульсацию. Кроме того, такое комбинированное включение позволяет избежать выхода из строя полярного конденсатора при пробое выпрямительных диодов.

Емкостные фильтры целесообразно применять при высокоомной нагрузке Rн при мощности Рн не более нескольких десятков ватт.

В индуктивном фильтре катушку индуктивности (дроссель) включают последовательно с нагрузкой Rн (рис. 9.6, а). Работа фильтра основана на явлении самоиндукции, которое изначально препятствует нарастанию тока, а затем поддерживает его при уменьшении.

Рис. 9.6. Схема индуктивного фильтра (а); временные диаграммы напряжений однофазного двухполупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (б).

Условие, при котором обеспечивается сглаживающее действие индуктивного фильтра

Конструктивно дроссель выполняется в виде катушки с ферромагнитным сердечником, что позволяет получить высокое значение индуктивности (до нескольких Гн). Индуктивные фильтры обычно применяют при больших токах нагрузки. Сечение провода катушки зависит от тока нагрузки.

Г -образный сглаживающий фильтр представляет собой LC -фильтр (рис. 9.7, а) либо RC -фильтр (рис. 9.7, б).

Рис. 9.7. Сглаживающие Г -образные фильтры: LC -фильтр (а) и RC -фильтр (б).

Эти фильтры обеспечивают большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения по сравнению с емкостным и индуктивным фильтрами.

Уменьшение пульсаций LC -фильтром объясняется шунтирующим действием конденсатора Сф для переменной составляющей выпрямленного напряжения и значительным падением этой составляющей напряжения на катушке Lф, в результате чего доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении резко снижается.

Уменьшение постоянной составляющей напряжения на нагрузочном резисторе Rн практически не происходит, т.к. отсутствует значительное падение этой составляющей напряжения на очень малом активном сопротивлении катушки Lф. Для переменной составляющей выпрямленного тока сопротивление последовательного звена должно быть значительно больше, чем параллельного, т.е. должны выполняться соотношения:

П -образные фильтры относятся к многозвенным фильтрам, т.к. состоят из емкостного фильтра (Сф 1) и Г- образного LC -фильтра (Lф, Сф 2) (рис. 9.8, а) или емкостного фильтра (Сф 1) и Г -образного RC -фильтра (Rф, Сф 2) (рис. 9.8, б).

Рис. 9.8. П- образный сглаживающий фильтр: LC- фильтр (а), RC -фильтр (б).

Про анемометры:  Утечка газа в плите | Пахнет газом от плиты

Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров определяется произведением коэффициентов сглаживания звеньев, из которых он состоит.

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. Схемы однофазных выпрямителей бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые.

К основным параметрам выпрямителей относятся:

– среднее значение выходного напряжения

где Т – период напряжения на выходе выпрямителя;

– среднее значение выходного тока

– коэффициент пульсаций выходного напряжения

где Um – амплитуда основной (первой) гармоники напряжения на выходе выпрямителя.

В зависимости от типа выпрямителя, частота первой гармоники либо равна, либо в два раза больше частоты напряжения на входе выпрямителя.

Рассмотрим особенности построения и основные характеристики различных типов выпрямителей.

Однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, изображенную на рисунке 4.3. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение одного полупериода сетевого напряжения и, соответственно, напряжение на нагрузке также существует только в течение одного полупериода (рисунок 4.4).

Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя

Рисунок 4.4 – Форма напряжений на входе и выходе выпрямителя

Получим выражения для определения основных параметров однополупериодного выпрямителя. Напряжение на нагрузке Uн содержит ряд гармонических составляющих. Разложив напряжение Uн в ряд Фурье, получим

Из выражения (4.4) видно, что постоянная составляющая (среднее значение) напряжения на нагрузке равна

, а амплитуда первой гармоники –

. С учетом (4.3) коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя составляет

При выборе диода для схемы выпрямителя учитывают такие его параметры, как максимально допустимый прямой ток и максимально допустимое обратное напряжение. В однополупериодном выпрямителе максимальное напряжение на закрытом диоде составляет U 2 m, то есть равно амплитудному значению напряжения на обмотке трансформатора, а максимальный прямой ток через диод равен

где Icp – средний ток в нагрузке.

Однополупериодные выпрямители находят применение только в тех случаях, когда их нагрузкой являются цепи малой мощности. Основными недостатками таких выпрямителей являются высокий уровень пульсаций на выходе и подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, поскольку постоянная составляющая тока во вторичной обмотке трансформатора течет только в одном направлении.

Двухполупериодный выпрямитель может быть построен на основе параллельного соединения двух однополупериодных (рисунок 4.5). Такой выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (или имеющим две одинаковых вторичных обмотки, включенных последовательно). Точки возле изображений обмоток трансформатора указывают на начала обмоток.

Рисунок 4.6 – Временные диаграммы токов и напряжений

Напряжение на нагрузке можно представить в виде

. Его разложение в ряд Фурье имеет вид

Найдем основные параметры двухполупериодного выпрямителя:

– постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна

где U 2 т – амплитуда напряжения каждой половины вторичной обмотки;

– амплитуда первой гармоники выходного напряжения составляет

. С учетом этого коэффициент пульсаций равен

– максимальное напряжение на закрытом диоде равно

– максимальный прямой ток через диод равен

Двухполупериодный выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями. В частности, среднее напряжение на нагрузке в два раза больше, а коэффициент пульсаций почти в два с половиной раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. В двухполупериодном выпрямителе магнитные потоки в сердечнике трансформатора, обусловленные постоянными составляющими тока вторичных обмоток, направлены встречно и взаимно компенсируются. Поэтому в такой схеме отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей, что позволяет использовать трансформатор относительно меньших размеров.

Однако перечисленные достоинства двухполупериодного выпрямителя, собранного по схеме, приведенной на рисунке 4.5, достигнуты за счет увеличения в два раза числа витков во вторичной обмотке (что экономически не выгодно). Кроме этого в схеме должны быть использованы диоды с допустимым обратным напряжением в два раза большим, чем у диодов для схемы однополупериодного выпрямителя при том же уровне напряжения на вторичной обмотке.

В настоящее время наибольшее распространение получила схема двухполупериодного мостового выпрямителя (рисунок 4.7). Диоды в такой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды VD1 и VD3, а вторая – VD2 и VD4. В течение положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора (на выводе, обозначенном буквой А – «+», а на выводе, обозначенном буквой В – «–») диоды VD1 и VD3 открыты, а диоды VD2 и VD4 закрыты.

Про анемометры:  Диспетчеризация расхода, давления и температуры газа автономными логгерами PROMODEM на магистральном трубопроводе, в пунктах ГРП и тупиках газораспределения

Ток течет через нагрузку в направлении, показанном на рисунке 4.7 стрелкой. В течение отрицательного полупериода открыты диоды VD2 и VD4, а диоды VD1 и VD3 закрыты. Но ток через нагрузку течет в том же направлении. Поэтому в мостовом выпрямителе, как и в рассмотренном ранее двухполупериодном выпрямителе, входное синусоидальное напряжение преобразуется в пульсирующее однополярное (рисунок 4.6).

Все основные показатели двухполупериодного мостового выпрямителя (Uср, Iср, Kп) такие же, как и рассмотренного ранее двухполупериодного выпрямителя. Однако при этом число витков во вторичной обмотке трансформатора и напряжение на закрытых диодах Uд обр макс в два раза меньше.

Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя

Рисунок 4.7 – Мостовая схема выпрямителя

Сравнивая параметры двухполупериодных схем выпрямителей, можно сделать вывод, что мостовая схема имеет ряд преимуществ перед схемой со средней точкой:

а) вдвое меньшее требуемое напряжение на вторичной обмотке трансформатора для получения заданного выпрямленного напряжения;

б) вдвое меньшее напряжение на закрытом диоде;

в) меньшие габариты и вес.

К недостаткам мостовой схемы можно отнести большее в два раза число используемых диодов.

Для питания постоянным напряжением большинства устройств электроники коэффициент пульсаций не должен превышать 0,1. Ни одна из рассмотренных схем выпрямителей не обеспечивает такого коэффициента пульсаций. Поэтому для уменьшения пульсаций используют сглаживающий фильтр, который включают между выпрямителем и нагрузкой. Назначение сглаживающего фильтра – выделить из выпрямленного напряжения постоянную составляющую и подавить высшие гармоники.

Следовательно, сглаживающий фильтр является фильтром нижних частот. На рисунке 4.8 показан спектр напряжения на выходе выпрямителя и АЧХ сглаживающего фильтра (зависимость модуля комплексного коэффициента передачи напряжения Kф от частоты). Как видно из рисунка, чем уже полоса пропускания фильтра (меньше частота среза АЧХ фильтра), тем лучше он подавляет высшие гармоники и, следовательно, уровень пульсаций будет меньше.

Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации:

где Uпвх, Uпвых – амплитуды пульсаций на входе и на выходе фильтра.

Рисунок 4.8 – Спектр сигнала на выходе выпрямителя и АЧХ сглаживающего фильтра

Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя

Простейшим фильтром является емкостный фильтр (RС -фильтр). Рассмотрим его работу на примере однополупериодного выпрямителя (рисунок 4.9). Емкостной фильтр подключают параллельно нагрузке.

Рисунок 4.9 – Выпрямитель с RС -фильтром

Рисунок 4.10 – Напряжение на нагрузке выпрямителя при наличии и отсутствии сглаживающего фильтра

На отрезке времени t 1, t 2 (t 3, t 4) диод открыт и конденсатор С заряжается от источника входного напряжения. Постоянная времени цепи заряда конденсатора t зар = rд прС. На отрезке t 2 – t 3 диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки Rн, при этом постоянная времени цепи разряда конденсатора равна t разр = RнС. Если выполняется условие

Если выполняется условие:

где w1 – частота основной (первой) гармоники, то переменная составляющая выпрямленного тока шунтируется конденсатором С, а постоянная составляющая без потерь проходит в нагрузку.

При выполнении условия (4.14) коэффициент сглаживания можно найти из выражения

Из (4.15) можно получить формулу, позволяющую найти емкость фильтра, необходимую для обеспечения заданного коэффициента сглаживания

Емкостный сглаживающий фильтр обычно применяют при больших сопротивлениях нагрузки.

При больших токах в нагрузке (малом сопротивлении нагрузки) целесообразно применять Г-образный LC -фильтр (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 – Г-образный LC -фильтр

Коэффициент сглаживания такого фильтра определяется из выражения

откуда требуемые значения параметров элементов фильтра для обеспечения заданного коэффициента сглаживания могут быть найдены из равенства

Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры − устройства, уменьшающие эти пульсации. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S. По определению S = ε1 / ε2, причем ε1 и ε2 определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.78). Емкостной фильтр подключают параллельно нагрузке (рис. 2.78, а).

Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя

Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

В качестве фильтра можно использовать и индуктивность. Легко доказать, что индуктивный фильтр (L-фильтр) практически не дает полезного эффекта в однофазном однополупериодном выпрямителе. Рассмотрим работу индуктивного фильтра на примере однофазного мостового выпрямителя. Индуктивный фильтр включают последовательно с нагрузкой (рис. 2.79, а). Часто используют катушку индуктивности (реактор) на магнитном сердечнике с зазором. Предположим, что постоянная времени T, определяемая выражением T= L/Rh, достаточно велика (как это обычно бывает на практике). Тогда ток нагрузки оказывается практически постоянным (рис. 2.79, б).

Про анемометры:  Как убрать стену в ржавчине и ржавчине консольными командами

Такой фильтр широко используется в выпрямителях, особенно мощных. Режим работы диодов (и соответствующих электрических цепей) не является тяжелым.

Н а практике используют также следующие типы фильтров (рис. 2.80): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RС-фильтр (б), П-образный LС-фильтр (в), П-образный RС-фильтр (г). Обычно Г- и П-образные RC-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике применяют и другие, более сложные фильтры.

Внешние характеристики выпрямителей с фильтрами.

Внешняя характеристика— это зависимость среднего значения выходного напряжения (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). При увеличении выходного тока выходное напряжение уменьшается из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Чем меньше величина Rвыx, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, что обычно и требуется.

Как следует из рис. 2.81, выпрямитель с RC-фильтром характеризуется повышенным выходным сопротивлением. Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.

Основные виды сглаживающих фильтров и особенности их применения в выпрямителях

Назначение емкостного фильтра и сглаживающего выпрямителя

Схемотехника и конструирование схем

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие емкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности — Г-образные (LC), (RC) и П-образные (CLC) и (CRC) фильтры.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания ((q)), который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (на нагрузке).

Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Анализ работы данного фильтра проведен при описании однофазного однополупериодного выпрямителя. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с емкостным фильтром может быть найден по формуле:

где (m) зависит от схемы выпрямителя:

Из приведенной формулы видно, что коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя с емкостным фильтром обратно пропорционален емкости применяемого конденсатора и величине сопротивления нагрузки. Поэтому применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии изготовления конденсаторов большой емкости рассматриваемый тип фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все большее применение.

Индуктивно-емкостные фильтры (Г-образные (LC) и П-образные (CLC)) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. Коэффициент полезного действия у таких фильтров достаточно высокий. К недостаткам индуктивно-емкостных фильтров относятся: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (рис. 3.4‑13).

Рис. 3.4-13. Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра

П-образный (CLC) фильтр отличается от описанного Г-образного (LC) фильтра наличием еще одной емкости, включаемой на входе фильтра (на рис. 3.4-13 конденсатор (C_0), показан пунктиром). Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают емкость конденсатора (C_0), исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при (C_0 = C_1).

Простейший Г-образный (RC) фильтр (рис. 3.4-14) состоит из балластного резистора ((R_ф)) и конденсатора (C_1). Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

где m зависит от схемы выпрямителя:

Рис. 3.4-14. Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра

Расчет П-образного резистивно-емкостного фильтра (его схема включает дополнительный конденсатор (C_0), показанный на рис. 3.4-14 пунктиром) производится, как и в случае П-образного (CLC) фильтра, в два этапа после разделения этого фильтра на емкостный ((C_0)) и Г-образный (LC_1) фильтр.

Высокий коэффициент сглаживания и хороший КПД могут также обеспечить разнообразные фильтры на транзисторах.

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий