Сглаживающий фильтр: виды, схема, принцип работы, назначение

Сглаживающие фильтры - важный элемент большинства современных электронных устройств. Они выполняют функцию подавления пульсаций и стабилизации питающего напряжения. Давайте разберемся, какие бывают виды сглаживающих фильтров, изучим их схемы и принцип работы.

1. Назначение и области применения сглаживающих фильтров

Основным назначением сглаживающих фильтров является уменьшение амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения в источниках питания и преобразователях энергии.

Сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока.

Такие фильтры находят широкое применение:

• В выпрямителях для питания радиоэлектронной аппаратуры
• В импульсных источниках питания для сглаживания пульсаций выходного напряжения
• В DC/DC преобразователях для стабилизации напряжения на нагрузке
• В сварочных инверторах для подавления помех
• На выходе тяговых подстанций и в электровозах постоянного тока

Пульсации выпрямленного напряжения могут вызывать сбои в работе радиоаппаратуры, ухудшать качество сварки, приводить к нагреву деталей в электроприводах. Сглаживающий фильтр решает эти проблемы.

2. Основные технические параметры и характеристики

Для оценки качества работы сглаживающего фильтра используется несколько основных параметров:

1. Амплитуда пульсаций выходного напряжения \DeltaU:
2. Коэффициент пульсаций выходного напряжения K_п:
3. Коэффициент сглаживания K_с:

Где U_max и U_min – максимальное и минимальное мгновенные значения напряжения на нагрузке, U_ср – среднее напряжение на нагрузке.

Также при выборе сглаживающего фильтра учитывают:

• Постоянную времени \tau фильтра
• Максимальный ток нагрузки I_нагр
• Напряжение питания фильтра U_пит

3. Конструкция и состав сглаживающего фильтра

В состав сглаживающих фильтров входят следующие основные элементы:

Существуют одно- и многозвенные схемы фильтров. Например, популярная схема LC-фильтра, состоящая из конденсатора и катушки индуктивности:

Для увеличения коэффициента сглаживания используют двух- и трехзвенные фильтры на основе LC и RC цепочек.

4. Принцип работы основных типов сглаживающих фильтров

Рассмотрим подробнее, как устроены и работают различные сглаживающие фильтры.

4.1. Емкостной фильтр

В емкостном фильтре используется конденсатор большой емкости, включенный параллельно нагрузке. Во время протекания полуволны тока через выпрямитель конденсатор заряжается. Когда ток спадает, конденсатор отдает накопленный заряд в нагрузку, поддерживая напряжение.

4.2. Индуктивный фильтр

Основным элементом здесь является дроссель большой индуктивности, включенный последовательно с нагрузкой. Благодаря эффекту самоиндукции дроссель противодействует изменениям тока, выравнивая его в нагрузке.

4.3. LC фильтр

Это комбинированный фильтр, использующий и емкость конденсатора, и индуктивность дросселя для эффективного сглаживания пульсаций. За счет резонансных свойств достигается высокое затухание высших гармоник.

4.4. RC фильтр

Включает в себя резистор и конденсатор. Применяется в низковольтных цепях и небольших мощностях из-за потерь на резисторе. Позволяет получить крутой срез частотной характеристики.

4.5. Активные фильтры на транзисторах и операционных усилителях

Используют обратную связь для усиления сглаживающего эффекта. Позволяют значительно уменьшить габариты фильтра при сохранении высокого качества сглаживания.

5. Методика расчета сглаживающего фильтра

При проектировании сглаживающего фильтра нужно определиться с его основными параметрами.

5. Методика расчета сглаживающего фильтра

При проектировании сглаживающего фильтра нужно определиться с его основными параметрами.

5.1. Выбор требуемого коэффициента сглаживания

Величина коэффициента сглаживания K_с зависит от допустимого уровня пульсаций для данной системы. Чем выше K_с, тем лучше подавление пульсаций, но выше стоимость и габариты фильтра.

5.2. Расчет емкости конденсатора

Для емкостных и комбинированных фильтров по заданным требованиям рассчитывают необходимую емкость конденсатора from-корн.

5.3. Выбор индуктивности дросселя

Индуктивность дросселя подбирают исходя из максимального тока нагрузки и напряжения питания фильтра.

5.4. Расчет мощности резисторов

Для RC-фильтров выбирают резисторы необходимой мощности в соответствии с ожидаемыми токами.

5.5. Выбор транзисторов и усилителей

Для активных фильтров подбирают транзисторы и операционные усилители, способные работать на заданных частотах и токах.

5.6. Пример расчета LC-фильтра

Рассмотрим на конкретном числовом примере расчет параметров типового сглаживающего LC-фильтра.

5.6. Пример расчета LC-фильтра

Рассмотрим на конкретном числовом примере расчет параметров типового сглаживающего LC-фильтра.

Исходные данные:

• Напряжение питания Уп = 220 В
• Частота f = 50 Гц
• Ток нагрузки Инагр = 5 А
• Требуемый коэффициент сглаживания Кс = 30

Определяем необходимую емкость конденсатора из выражения:

Где m - число фаз выпрямления.

Для однофазного мостового выпрямителя m = 2. Подставляя значения, получаем:

Выбираем ближайшее стандартное значение C = 2200 мкФ.

5.7. Выбор индуктивности дросселя

Индуктивность дросселя L определяется исходя из максимального тока нагрузки Инагр. Рассчитывается из соотношения:

Подставляя числовые значения, имеем:

L = 1.5 мГн

Выбираем ближайшее стандартное значение индуктивности дросселя - 1.8 мГн.

5.8. Проверка условий согласования

Необходимо проверить выполнение условий согласования реактивных элементов фильтра:

Где ω - угловая частота напряжения питания.

Подставляя значения элементов фильтра, убеждаемся, что условия выполняются.

5.9. Выбор мощности резисторов

В рассматриваемой схеме LC-фильтра резисторы отсутствуют. Однако в RC- и активных фильтрах необходим расчет мощности резисторов.

5.10. Проверка нагрева дросселя

Необходимо убедиться, что выбранный дроссель по габаритам и допустимому нагреву подходит для данной схемы.

5.10. Проверка нагрева дросселя

Необходимо убедиться, что выбранный дроссель по габаритам и допустимому нагреву подходит для данной схемы.

Максимальный ток через дроссель равен току нагрузки Инагр = 5 А.

Допустимый нагрев дросселя обычно составляет 75-80 градусов Цельсия.

Исходя из значений Инагр и допуска по температуре, подбираем подходящий по габаритам дроссель, например дроссель ДТ-0,8.

5.11. Моделирование и оптимизация

Для уточнения параметров и характеристик фильтра рекомендуется провести компьютерное моделирование в средах типа Multisim.

5.12. Изготовление прототипа

Перед запуском фильтра в серийное производство следует изготовить и испытать прототипы на реальных нагрузках.