Расчет схем сглаживающих пассивных фильтров

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения между выпрямительной схемой и нагрузкой включают сглаживающий фильтр. Различают пассивные и активные сглаживающие фильтры. Пассивные строятся на основе накопителей энергии (например, индуктивности, емкости), а активные представляют собой системы автоматического регулирования выходного напряжения и выполняются на основе транзисторов и (или) операционных усилителей в интегральном исполнении.

Рассмотрим порядок расчета простых пассивных сглаживающих фильтров.

Самыми простыми являются одноэлементные индуктивные и емкостные фильтры. Индуктивная катушка включается последовательно с нагрузкой, а конденсатор включается параллельно нагрузке. Двухэлементными фильтрами являются Г-образные

RC-фильтры и LC-фильтры, трехэлементные П-образные RC-фильтры и

LC-фильтры (рис. 1.5)

 

 

 

Рис. 1.5. Схемы пассивных электрических сглаживающих фильтров:

А – Г-образный RC-фильтр; Б – П-образный RC-фильтр;

В – Г-образный LC-фильтр; Г – П-образный LC-фильтр

 

 

Показателем качества работы сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания q.

 

q = Кп.вх / К п.вых,

 

где Кп.вх – коэффициент пульсаций на входе фильтра;

 

К п.вых – коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

 

Рассмотрим порядок расчета пассивных сглаживающих фильтров

 

А. Расчет емкостного фильтра

 

Условием эффективной работы сглаживающего фильтра является Хс << Rн ,

где Хс – емкостное сопротивление конденсатора,

 

Хс = 1 / (mωс Сф); m = f01 / fc ,

 

 

m – пульсность схемы выпрямления ( для однополупериодной схемы выпрямителя

m = 1, для двухполупериодной m = 2);

 

Сф – емкость конденсатора фильтра;

 

f01 – частота повторения выпрямленного напряжения;

 

fc – частота питающей сети;

К п.вых = U01m / Uн ; U01m ≈ ΔUн / 2;

 

U01m – амплитуда первой гармонической составляющей напряжения нагрузки;

 

Uн – среднее значение напряжения нагрузки;

 

ΔUн – разница между максимальным и минимальным значениями выходного напряжения

выпрямительной схемы (мгновенные значения напряжений на нагрузке),

 

ΔUн = Iн / (mfc Cф), откуда получим

 

К п.вых = 1/ (2mfc Cф Rн) или Cф = 1 / (2mfc К п.вых Rн).

 

Для удобства расчетов последнюю формулу представляют в виде:

 

Cф = 108 / [ (2mfcп.вых %) Rн)],

 

где К п.вых % – коэффициент пульсации выходного напряжения фильтра,

выраженный в процентах.

 

Коэффициент 108 дает возможность получить результат в мкФ и учитывает, что коэффициент пульсации выражен в процентах.

 

 

Б. Расчет Г-образного RC-фильтра

Схема фильтра представлена на рис. 1.5.

 

Требования к параметрам элементов фильтра те же, что и в рассмотренном выше примере:

 

Хс << Rн; Хс << Rф, причем рекомендуется выбирать Rф = (0,2 …1,0) Rн.

 

При этом коэффициент сглаживания определяют по формуле

 

q = (Rф / Rн) (Rф + Rн) mωс Cф ; ωс = 2πfc,

 

 

откуда выражают Cф и при известных значениях прочих параметров рассчитывают ее

(в фарадах).

 

Расчет П-образного RC-фильтра сводится к расчету емкостного фильтра и Г-образного RC-фильтра по приведенной выше методике.

 

 

В. Расчет индуктивного фильтра

 

Условием эффективной работы индуктивного фильтра является ХL >> Rн , или

 

с L >> Rн .

 

Так как q = Кп.вх. / К п.вых , то при условии, что q >> 1 , а также

 

Rн >> rL , получим L = ( q Rн )/( mωс),

 

где rL – активное сопротивление катушки индуктивности.

 

 

Г. Расчет Г-образного LC-фильтра

 

 

Условием эффективной работы Г-образного LC-фильтра является

 

ХL >> Rн и Хс << Rн .

 

При этом получим LC = (q + 1) / ( mωс)2.

 

Задаваясь величиной L, получим C, или наоборот.

 

После расчета параметров L и C проверяют условие на отсутствие резонанса:

LC ≥ 4 / ( mωс)2.