Сглаживающие фильтры

“Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники”



Кафедра защиты информации





















РЕФЕРАТ

на тему:

«СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ»

























МИНСК, 2009


Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.

Качество сглаживающего фильтра (СФ) характеризуется следующими величинами: 

					(1)

					(2)

Коэффициент сглаживания:

 					(3) 

Коэффициент сглаживания учитывает подавление пульсаций и передачу постоянной составляющей U.

Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что ).

 - коэффициент деления					(4)

При расчёте коэффициента сглаживания применяются различные определения коэффициента пульсаций. Интенсивность пульсации оценивают различными способами – вычисляют:

- действующее значение U;

- амплитуду ;

- значение ;

						(5)

По частотному составу различают:

- низкочастотную пульсацию (<300Гц)

- высокочастотную пульсацию (>300Гц).

Применяются разнообразные фильтры:

по принципу действия: 

а)	пассивные

б)	активные

по степени сложности: 

а)	простые (однозвенные)

б)	сложные (многозвенные или резонансные);

по виду элементов: 

а)	LC-фильтры

б)	RC-фильтры.

При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности:

- минимальная стоимость;

- минимальная масса;

- минимальные габариты;

Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.



Пассивные сглаживающие фильтры



Строится на индуктивностях, емкостях, сочетаниях активных сопротивлений и емкостей.

L-фильтры

Простейший пассивный фильтр: L-фильтр.

Для него справедливы следующие соотношения:

						(6)

						(7)

				(8)

						(9)

С-фильтр







Рисунок 1



Для него справедливы следующие соотношения:

							(10)

							(11)

					(12)

						(13)

Из формулы (13) следует, что С-фильтр эффективен в выпрямителях с малым количеством m импульсов за период выпрямленного напряжения и в устройствах с малым током нагрузки, т.о. область применения С-фильтра противоположна применению L-фильтра.

При необходимости достижения повышенного коэффициента сглаживания, применяют LC-фильтры.

LС-фильтры.

LC-фильтры могут быть:

- однозвенные;

- Г-образные;

- П-образные;

- многозвенные;





Рисунок 2



Для Г-образных фильтров:

			(14)

В данном случае, в отличие от случая использования L- или C-фильтров по заданному коэффициенту сглаживания непосредственно рассчитать необходимые значения L и C, пользуясь формулой для  не удаётся, но может быть определено следующее:

					(15)

П-образные LC-фильтры можно рассматривать как последовательность включения простого С-фильтра и Г-образного LC-фильтра.

				(16)

	Для многозвенного LC-фильтра:

						(17)

В теории фильтров показано, что если зафиксировано дозволенное значение суммарной индуктивности и суммарной емкости фильтра, то максимальное значение коэффициента сглаживания в многозвенном фильтре достигается при одинаковых индуктивностях и емкостях в каждом звене.

Количество звеньев многозвенных фильтров выбирается исходя из критерия оптимальности. Фильтры с минимальной стоимостью содержат иное количество звеньев, чем фильтры с минимальными массой и габаритами.

Коэффициент сглаживания можно повысить, используя резонансное явление и основанный на нем LC-фильтр.

Резонансные LС-фильтры.





Рисунок 3



						(18)

				(19)

					(20)

,			(21)

где

Возможна схема с использованием последовательного резонанса (рисунок 4).





Рисунок 4



						(22)

						(23)

Использование резонансных LC-фильтров позволяет в 2-3 раза увеличить коэффициент сглаживания против LC-фильтров со сравнительными затратами.

Однако резонансные фильтры сложны в настройке и могут расстроится из-за старения элементов, за счет изменения тока I подмагничивания дросселя.

С использованием реактивностей могут быть построены и фильтры с компенсацией переменной составляющей.

Недостатки: значительные масса и габариты, обусловленные в основном конструктивными особенностями L (дросселя). Поэтому в маломощных выпрямителях со слабым током нагрузки  широко применяются RC-фильтры.

RC сглаживающие фильтры.





а)			б)

Рисунок 5



					(24)

RC-фильтры в своем схемном очертании и аналитическом описании во многом подобны соответствующим LC-фильтрам.

Достоинства:

-простота;

-малые габариты.

Недостаток: невозможность использования в цепях с большими токами из-за недопустимых падений напряжения на сопротивлении фильтра, действующих при больших токах нагрузки .

Общий недостаток LC- и RC-фильтров является трудность получения больших коэффициентов сглаживания.

Значительный коэффициент сглаживания обеспечивают активные сглаживающие фильтры.



Активные сглаживающие фильтры



Активные фильтры строятся с использованием электронных ламп по 2 схемам:

- с последовательным включением регулировочного элемента (РЭ);

- с параллельным включением РЭ;

Рассмотрим полупроводниковые варианты таких фильтров.

Транзисторный активный сглаживающий фильтр с последовательным включением РЭ.

Работа фильтра основана на том, что промежуток коллектор-эмиттер имеет большое сопротивление для переменного тока, или сравнительно небольшое для постоянного, задаваемого рабочей точкой (током базы). Для уменьшения проникновения пульсации в управляющую сеть базы, фильтр R-базы С-фильтра можно усложнить (добавить  с ). Кроме этого, вместо VT можно использовать схему РЭ, чтобы уменьшить ток I по сопротивлению .

					(25)

Недостаток: необходимость пропускания мощного тока нагрузки  через VT.

Данный недостаток исключает VT-фильтр с параллельным включением РЭ.

Транзисторный активный сглаживающий фильтр с параллельным включением РЭ.





Рисунок 6



Схема с последовательным включением (по отношению к нагрузке) VT предъявляет высокие требования к пропускной способности этого VT по току. Кроме того на VT рассеивается значительная мощность, что снижает КПД устройства.

В схеме с параллельным включением VT, этот VT может быть маломощным, но на добавочном сопротивлении при больших токах нагрузки  действует значительное падение напряжения и потери мощности.

Схема с параллельным включением VT предпочтительнее в маломощных устройствах и при импульсном потреблении энергии.

Недостаток: трудность обеспечения значительных мощностей.

В технической электронике во многих случаях требуется регулируемое выходное напряжение источника питания (или ток). Кроме того, из-за нестабильности (непостоянства) напряжения U первичного источника питания меняется и U ИВЭП, что может оказаться для потребителя неприемлемо. В этих случаях оказывается целесообразным регулировать и стабилизировать U и I ИВЭП.


ЛИТЕРАТУРА



			Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем: Учебник. - Изд. 3-е, перераб. и доп.-Мн: Высшая школа, 200

			Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электрические устройства/Под ред. А.Я.Шихина: Учебник. – М.: Энергоиздат, 200– 336 с.

			Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Три Л, 2000. – 400 с.

		Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Кн. 2. – М.: Альтекс а, 2002. –191 с.