Э и ЭЭ Сглаж. LC и RC ф

Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 1. Всего 38.
СГЛАЖИВАЮЩИЕ
ФИЛЬТРЫ
Часть 1
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 2. Всего 38.
Место сглаживающих фильтров
Сглаживающие фильтры включаются между
диодной группой и нагрузкой для сглаживания
пульсации выпрямленного напряжения. Тип
сглаживающего фильтра определяет режим
работы выпрямителя.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 3. Всего 38.
Отфильтровывание переменной составляющей (гармоник)
основано на том, что последовательно с сопротивлением нагрузки
включаются
устройства
(элементы),
имеющие
большое
сопротивление для переменной составляющей пульсирующего
тока, полученного после диодной группы, и малое для постоянной
составляющей. Параллельно нагрузке включаются устройства
(элементы), имеющие малое сопротивление для переменной
составляющей и большое для постоянной составляющей.
Последовательными
устройствами
могут
быть
катушка
индуктивности с ферромагнитным сердечником, параллельный
контур, настроенный на резонанс с частотой пульсации и др.
Параллельно нагрузке может быть включён конденсатор большой
ёмкости, последовательный контур, настроенный на резонанс с
частотой пульсации и др.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 4. Всего 38.
Коэффициент сглаживания
q
k П 1 ВХ
k П 1 ВЫХ
или так
k П 1 ВХ 
k П 1 ВЫХ 
q
p1 ВХ
p1 ВЫХ
U m1 ВХ
U 0 ВХ
U m1 ВЫХ
U 0 ВЫХ
Коэффициент пульсации на нагрузке задаётся при проектировании
фильтра.
Коэффициент пульсации на входе фильтра определяется схемой
выпрямителя.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Коэффициент сглаживания
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 5. Всего 38.
U m1 ВХ
q
kФ 

U m1 ВХ
U m1 ВЫХ
U 0 ВЫХ
U 0 ВХ
k П 1 ВХ
k П 1 ВЫХ

U 0 ВХ
U m1 ВХ U 0 ВЫХ

:
 kФ 
U m1 ВЫХ U m1 ВЫХ U 0 ВХ
U 0 ВЫХ
- коэффициент фильтрации
- коэффициент передачи постоянной составляющей
Если нет потерь постоянной составляющей напряжения, то
U0 ВЫХ = U0 ВХ,
 = 1,
q = kФ.
Расчёт фильтра сводится к выбору таких значений элементов фильтра,
при которых коэффициент сглаживания был бы больше требуемого.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 6. Всего 38.
Требования к фильтрам
1. Падение постоянной составляющей выпрямленного напряжения
на фильтре должно быть мало.
2. Фильтр не должен создавать недопустимых перенапряжений при
включении и выключении питающей цепи.
3. Фильтр не должен создавать недопустимых перенапряжений при
включении и выключении нагрузки.
4. Фильтр не должен создавать недопустимых перенапряжений при
изменении тока нагрузки.
5. Фильтр должен быть надёжен.
6. Габариты фильтра, его масса и стоимость должны быть
минимальны.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 7. Всего 38.
Две группы сглаживающих фильтров
1. Фильтры на реактивных элементах
2. Электронные
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 8. Всего 38.
СГЛАЖИВАЮЩИЕ
ФИЛЬТРЫ
НА
РЕАКТИВНЫХ
ЭЛЕМЕНТАХ
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 9. Всего 38.
Типы фильтров на реактивных элементах
1. Индуктивный фильтр
2. Ёмкостный фильтр
3. Г – образный фильтр
3. П – образный фильтр
4. Многозвенные фильтры.
5. Резонансные фильтры.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 10. Всего 38.
Индуктивный фильтр
LФ
KП ВХ
RН K
П ВЫХ
Любое изменение тока в цепи с индуктивностью вызывает
появление ЭДС самоиндукции, препятствующее этому
изменению,
поэтому
переменная составляющая
будет
уменьшаться (сглаживается).
На выходе источника питания для радиоаппаратуры всегда
должен стоять конденсатор с ёмкостью, обеспечивающей малое
сопротивление переменным составляющим тока нагрузки,
поэтому простой индуктивный фильтр в таких источниках не
применяют.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 11. Всего 38.
Ёмкостный фильтр
KП1 ВХ
СФ
RН
KП1 ВЫХ
Коэффициент сглаживания емкостного фильтра определяется
как отношение коэффициента пульсации при отключённом
конденсаторе С к коэффициенту пульсации с подключённым к
выпрямителю конденсатором.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 12. Всего 38.
q
k П 1 ВХ 
k П 1 ВХ
k П 1 ВЫХ
2
2
m
 1 ]  2rФ C
[
H
(m 2  1) H
rФ С
2
m2 1
- коэффициент пульсаций выпрямителя без конденсатора
H
rФ С
- коэффициент пульсаций выпрямителя с конденсатором
k П 1 ВЫХ 
rФ
Автор Останин Б.П.
- сопротивление фазы выпрямителя.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 13. Всего 38.
Г – образные фильтры
LC - фильтры
LФ
СФ
KП1 ВХ
RН K
П1 ВЫХ
m C L ДР  RH
mC L ДР 
1
mC C
R ДР  R H
Можно сопротивлением RДР пренебречь и рассматривать Г –
образный фильтр для напряжения основной гармоники как делитель
напряжения, состоящий из из индуктивности LДР и ёмкости С.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 14. Всего 38.
Тогда напряжение первой гармоники на выходе фильтра
U m1 ВЫХ 
С учётом, что
U m1 ВХ
mC L ДР 
U 0 ВЫХ
U 0 ВХ

1
mC C
1
mC C

U m1 ВХ
m 2C2 L ДР C  1
1
коэффициент сглаживания фильтра
q
U m1 ВХ
U m1 ВЫХ
тогда
q  m 2C2 L ДР C  1
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 15. Всего 38.
Для получения заданного коэффициента сглаживания
необходимо, чтобы
q 1
L ДР C  2 2
m C
Дроссель и конденсатор составляют колебательный контур с
собственной частотой
1
Ф 
L ДР C
Тогда
q  m 2C2 L ДР C  1  (
mC
Ф
)2 1
При расчёте фильтра необходимо обеспечить соотношение
реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора, при которых не
могли бы возникнуть резонансные явления на частоте пульсации
выпрямленного напряжения. Для этого необходимо, чтобы
собственная частота фильтра была хотя бы в два раза меньше частоты
пульсации ( Ф  0,5mС). Это условие всегда выполняется при q > 3.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 16. Всего 38.
Для того чтобы ток в дросселе был непрерывным, необходимо, чтобы
амплитудное значение первой гармоники тока пульсации Im1 было
меньше постоянной составляющей выпрямленного тока I0 (Im1 < I0).
Пренебрегая сопротивлением конденсатора, можно записать
I m1 
U m1 ВХ
m C L ДР
mCLДР - индуктивное сопротивление дросселя на частоте пульсации.
Постоянная составляющая тока
I0 
U0
RH
Приравнивая Im1 = I0, получим минимальное значение
индуктивности, при которой ток дросселя имеет непрерывный
характер
U m1 ВХ
m C L ДР min
Автор Останин Б.П.

U0
RH
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 17. Всего 38.
или
L ДР min 
k П 1ВХ 
U m1ВХ
U 0 ВХ

2
m2  1
U m1 ВХ
U0

RH
mC
- коэффициент пульсаций выпрямителя
без фильтра.
Тогда минимальное значение LДР мин для обеспечения непрерывного
тока в нагрузке
L ДР min
RH
2
 2

m  1 mC
L ДР min
U0
2
 2

m  1 mC I 0
или
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 18. Всего 38.
Из полученного выражения видно, что минимальная
индуктивность тем меньше, чем меньше сопротивление нагрузки
выпрямителя RH. При значительных сопротивлениях нагрузки
индуктивность дросселя получается настолько большой, что от
такого фильтра приходится отказываться. Поэтому фильтры LС
применяются при больших токах нагрузки (смотри формулу).
Зная LДР min, и используя ранее полученную формулу
q  m 2C2 L ДР C  1
найдём ёмкость конденсатора
C
Автор Останин Б.П.
q 1
(m 2C2 ) L ДР
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 19. Всего 38.
Постоянный ток, протекая по обмотке дросселя, подмагничивает
его сердечник, что смещает рабочую точку на кривой намагничивания
в область насыщения. Это приводит к уменьшению магнитной
проницаемости и, следовательно, индуктивности дросселя. Для
снижения влияния подмагничивания на индуктивность дросселя
сердечник дросселя делают с немагнитным зазором.
При этом следует иметь в виду, что у дросселя с немагнитным
зазором в сердечнике велико поле рассеяния, которое может явиться
причиной наводок на элементы радиоустройства.
Ещё одна особенность фильтров LC – при отключении нагрузки
или при изменении её сопротивления на обмотке дросселя возникают
большие перенапряжения, так как ЭДС самоиндукции дросселя
велика.
Аномально большие токи в дросселе и повышенные напряжения
на конденсаторе могут возникать при включении и выключении
выпрямителя.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 20. Всего 38.
Фильтры RC
При малых токах нагрузки (несколько миллиампер), что бывает при
работе выпрямителя на большое сопротивление нагрузки, можно
вместо дросселя использовать резистор. Г – образный RC фильтр имеет
малые массу, габариты, стоимость.
RФ
KП1 ВХ
СФ
RН K
П1 ВЫХ
Коэффициент сглаживания одного звена RC фильтра получится
большим, если ёмкостное сопротивление будет значительно меньше
сопротивления фильтра и сопротивления нагрузки.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 21. Всего 38.
Пренебрегая сопротивлением
сопротивлением фильтра имеем
нагрузки,
по
сравнению
с
RФ
СФ
KП1 ВХ
kФ 
U m1 ВХ
U m1 ВЫХ

KП1 ВЫХ
RФ
 mC RФ C
ХС
Коэффициент передачи постоянной составляющей

U 0 ВЫХ
U 0 ВХ

RH
RH  RФ
Тогда коэффициент сглаживания
q  kФ   mC RФ C 
Автор Останин Б.П.
RH
RH  RФ
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 22. Всего 38.
Поскольку на сопротивлении фильтра RФ теряется часть
выпрямленного напряжения то это сопротивление надо выбирать из
условия малости потерь на нём:
RФ  (0,05...0,3) RH
Если пренебречь сопротивлением фильтра RФ, то
q  kФ   mC RФ C
тогда ёмкость конденсатора
С
q
m C RФ
Фильтр RC следует применять там, где выполняется условие
RH  RФ
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 23. Всего 38.
П – образные фильтры
q  q1q2
q
k П1 ВХ 1

k П 1 ВХ 2
k П 1 ВЫХ 1 k П 1 ВЫХ 2
k П 1 ВЫХ 1  k П 1 ВХ 2
q  q1 q 2 
Автор Останин Б.П.
k П1 ВХ 1

k П 1 ВХ 2
k П 1 ВЫХ 1 k П 1 ВЫХ 2

k П1 ВХ 1
k П 1 ВЫХ 2
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 24. Всего 38.
CLC фильтр
LДР
С1
q  q1q2 
С2
2rФ C1
(m 2C2 L ДР C2  1)
2
(m  1) H
Коэффициент сглаживания такого фильтра достигает наибольшего
значения при С1 = С2, тогда
q  q1 q 2 
Автор Останин Б.П.
2rФ C (m 2 C2 L ДР C  1)
(m 2  1) H
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 25. Всего 38.
CRC - фильтры
П – образные CRC – фильтры используются при малых нагрузках.
q  q1q2 
Автор Останин Б.П.
2rФ C
RH
m

R
C

C Ф
RH  RФ
(m 2  1) H
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 26. Всего 38.
Многозвенные фильтры
Для увеличения коэффициента сглаживания применяют фильтры с
несколькими звеньями. Для потребителей малой мощности
используются фильтры, у которых первое звено конденсатор, а
последующие Г – образные LC звенья. Коэффициент сглаживания
такого фильтра равен произведению сглаживания отдельных звеньев.
Например, для трёхзвенного фильтра
LДР 1
С1
LДР 2
С2
С2
q  q1 q 2 q3
Обычно коэффициенты сглаживания Г – образных звеньев одинаковы.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 27. Всего 38.
В мощных выпрямителях иногда применяются фильтры из
нескольких Г – образных звеньев
LДР 1
LДР 2
С2
Элементы звеньев
одинаковыми. Тогда
мощных
С2
фильтров
обычно
выбирают
n
q  q ЗВ
Для приведённой выше двухзвенной схемы
2
q  q ЗВ
 (m 2 C2 LЗВ C ЗВ  1) 2  (m 2 C2 LЗВ C ЗВ ) 2
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 28. Всего 38.
2
q  q ЗВ
 (m 2 C2 LЗВ C ЗВ  1) 2  (m 2 C2 LЗВ C ЗВ ) 2
LЗВ C ЗВ 
q
(mC ) 2
Индуктивность должна обеспечивать непрерывность тока. Она
определяется из ранее полученного выражения
L ДР min
U0
2
 2

m  1 mC I 0
C ЗВ 
Автор Останин Б.П.
q
LЗВ (mC ) 2
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 29. Всего 38.
Питание каскадов (пример)
Маломощные (входные)
Мощные выходные
U0 = 1,2…12 В, kП = 0,05…0,1 %
U0 = 12…60 В, kП до 0,5 %
Для питания устройств, имеющих маломощные и мощные каскады,
можно использовать многозвенный фильтр
U01, I01, kП1
U02, I02, kП2
R1
R2
LДР
С2
Автор Останин Б.П.
С2
С2
U03, I03, kП3
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 30. Всего 38.
В радиоэлектронных устройствах с питанием от
одного источника
между
каскадами может
возникнуть нежелательная ОС через внутреннее
сопротивление источника, которая может привести
даже к самовозбуждению источника. Для ликвидации
самовозбуждения (паразитной релаксации) в цепь
питания ставится одно звено Г – образного RC
фильтра.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 31. Всего 38.
Развязывающий фильтр
ЕП
RФ
CФ
RК
VT
Обычно выбирают RФ  0,1 RК. Для хорошей фильтрации сопротивление RФ
должно быть хотя бы раз в десять больше реактивного сопротивления
конденсатора на самой низкой частоте сигнала.
RФ  10
Автор Останин Б.П.
1
Н С
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 32. Всего 38.
Для питания устройств, которые должны работать даже в случае
отключения питающей сети, применяются резервные аккумуляторы,
включённые параллельно нагрузке. Помимо своего основного
назначения – резерва, эта батарея является также элементом
сглаживающего фильтра. Такой фильтр состоит из дросселя и
внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи RБ, включённого
параллельно нагрузке. Так как RБ << RH, то переменная составляющая
замкнётся через дроссель и батарею.
LФ
RБ
RН
Е
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 33. Всего 38.
Пренебрегая активным сопротивлением дросселя, и учтя, что для
переменной составляющей сопротивление батареи много меньше
сопротивления дросселя, можно записать
q
k П 1 ВХ
k П 1 ВЫХ

(mC L ДР ) 2  RБ2
RБ
Отсюда
L ДР 
Автор Останин Б.П.

mC L ДР
RБ
qRБ
mC
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 34. Всего 38.
Резонансные фильтры
Схема с фильтром- пробкой
L
С
0 
1
С0
Р 
LC
Z P  Q 
L

C
Автор Останин Б.П.
RН
L
 RL2
C
L
C
1
LC
L
CRL
Q

RL
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 35. Всего 38.
Ток с частотой пульсации замыкается через конденсатор С0,
поэтому коэффициент сглаживания фильтра определится как
отношение резонансного сопротивления контура ZР к ёмкостному
сопротивлению конденсатора фильтра ХС:
q
 П LC0
CRL
Для токов с частотой пульсации больше резонансной контур будет
иметь сопротивление ёмкостного характера, и фильтр превратится в
ёмкостный делитель напряжения. Коэффициент сглаживания для
высших гармоник с учётом того, что почти весь ток высших гармоник
пройдёт через конденсатор контура
q
C  C0
C
Для токов с частотой ниже, чем резонансная частота, сопротивление
контура будет иметь индуктивный характер, и резонансный фильтр
превратится в обычный Г – образный LC фильтр.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 36. Всего 38.
Схема с режекторным фильтром
L
L1
С0
RН
С1
При резонансе сопротивление режекторного фильтра равно
резистивному сопротивлению катушки RL1. Тогда коэффициент
сглаживания
q
Автор Останин Б.П.
П L
RL1
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 37. Всего 38.
Схема с фильтром пробкой и режекторным фильтром
L1
С1
L2
С0
RН
С2
Резонансные фильтры эффективны для сглаживания токов только
одной частоты. При необходимости ослабления нескольких частот
параллельно нагрузке подключают режекторные фильтры, настроенные
на эти частоты.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Сглаживающие фильтры LC и RC. Слайд 38. Всего 38.
Для сглаживания пульсации при больших токах можно использовать
дроссель с дополнительной (компенсационной) обмоткой. Обмотка L1
трансформирует переменную составляющую в обмотку L2. Обмотка L2
включена встречно, ослабляя пульсации. Для лучшей компенсации
переменной составляющей компенсационная обмотка имеет несколько
отводов для подбора необходимой компенсации. Дроссели с
компенсационной
обмоткой
унифицированы
и
выпускаются
промышленностью.
L1
L2
С
RН
Автор Останин Б.П.
Конец слайда