Сглаживающие фильтры

Сглаживающий фильтр предназначен для подавления пульсаций постоянного напряжения. Он включается между выходом выпрямителя и нагрузкой. В качестве сглаживающего фильтра используется ФНЧ, частота среза которого выбирается как можно меньше. Конкретное значение выбирается из физической реализуемости, а частота подавления определяется частотой пульсаций (или минимальной частотой помехи). Сглаживающий фильтр не должен ослаблять постоянную составляющую, которая в данном случае служит для питания нагрузки.

Основным параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания пульсаций. Он определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра:

       (1).

Не менее важным параметром сглаживающего фильтра является его коэффициент полезного действия (к.п.д.). Он определяется как отношение постоянного напряжения на выходе фильтра к постоянному напряжению на его входе. Формула вычисления к.п.д. записывается следующим образом:

       (2).

Подставив выражение (2) в формулу вычисления коэффициента сглаживания пульсаций (1), окончательно ее можно записать в следующем виде:

       (3).

Сглаживающие фильтры могут быть реализованы в виде пассивных или активных электрических цепей. В упрощенном виде сглаживающие фильтры можно представить в виде делителя напряжения, коэффициент передачи которого зависит от частоты. Эквивалентная схема сглаживающего фильтра приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Эквивалентная схема сглаживающего фильтра

На данной схеме постоянный ток питания и пульсации представлены двумя отдельными генераторами. Для делителя напряжение на выходе, в соответствии с законами Киргофа и Ома, определяется по следующей формуле:

       (4),

где Z_э = Z₂ || Z_н

Исходя из выражения (4) можно определить отношение выходного напряжения пульсаций к входному

       (5),

и подставив его в выражение (3) получить формулу для вычисления коэффициента сглаживания пульсаций

       (6),

Учитывая, что чем выше частота, тем лучше работает фильтр нижних частот, обычно коэффициент сглаживания пульсаций q определяется для основной частоты пульсаций. Именно для этой частоты определяются реактивные сопротивления Z₁ и Z_э

Пассивные сглаживающие фильтры питания

Работа пассивных сглаживающих фильтров основана на накоплении электрической энергии при максимальном значении тока в индуктивностях или напряжения на конденсаторах. При уменьшении напряжения на входе фильтра ниже номинального значения, напряжение (или ток) на выходе берется от реактивных элементов пассивного фильтра.

Простейшим сглаживающим фильтром на выходе выпрямителя переменного тока является индуктивный или L–фильтр. Его схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема индуктивного сглаживающего фильтра

В этой схеме достаточно просто определить коэффициент сглаживания. Так как Z₁ =jωL, а Z_э = R_н, то коэффициент сглаживания для индуктивного фильтра будет выглядеть следующим образом:

       (7),

При этом к.п.д. этого фильтра будет зависеть от омического сопротивления провода индуктивности r_L. Его можно определить из выражения (4) следующим образом:

       (8),

Из данной формулы видно, что к.п.д. фильтра зависит от тока нагрузки и при уменьшении потребляемого тока он возрастает. Это связано с тем, что ток потребления зависит от сопротивления нагрузки и уменьшается при увеличении R_н. При этом коэффициент полезного дествия приближается к 100%.

По этой же причине коэффициент сглаживания зависит от тока нагрузки. В соответствии с выражением (7) при возрастании тока нагрузки (уменьшении сопротивления нагрузки) он увеличивается. График изменения коэффициента сглаживания от тока нагрузки приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость коэффициента сглаживания от тока нагрузки для индуктивного фильтра

Следует отметить, что задача любого фильтра заключается в обеспечении протекания непрерывного постоянного тока через нагрузку. В индуктивном фильтре это обеспечивается выбором величины индуктивности. При этом величина индуктивности должна быть больше определенного значения. Минимальная индуктивность, обеспечивающая непрерывное протекание тока называется критической. Описанный процесс иллюстрируется рисунком 4.

Рисунок 4. Временные диаграммы напряжения на входе индуктивного фильтра и тока через него для однополупериодного выпрямителя

Для того, чтобы ток протекал через фильтр непрерывно, необходимо выполнить условие:

       (9),

где ω = p×2πfc
    τн = L/Rн — постоянная времени фильтра;
    Rн = U0/I0 — сопротивление нагрузки.

И тогда критическое значение индуктивности можно определить следующим образом:

       (10),

Следует отметить, что индуктивность в данном фильтре не должна зависеть от тока нагрузки. Это может быть достигнуто уменьшением магнитной проницаемости сердечника. Для этого в состав магнитопровода может быть введен немагнитный зазор. Чаще всего этот прием используется в сердечниках, выполненных из электротехнической стали. В ряде случаев в качестве магнитного материала сердечника используется альсифер. Катушки, для которых важно не конкретное значение индуктивности, а ее минимальное значение, получили название дросселей.

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.