4. Сглаживающие фильтры

4.1. Общая характеристика и классификация сглаживающих фильтров

m ≥ 2:

К_пк = U_mk / U₀

Реальные требования по К_п:

1. Электронный микроскоп: К_п ≤ 10^-5%.

2. Генераторы СВЧ: К_п ≤ (10^-4 – 10^-3) %.

3. Усилители высоких частот: К_п ≤ (10^-3 – 10^-2) %.

Требования к сглаживающим фильтрам:

1. Не должны нарушать нормальную работу СЭП:

- не создавать недопустимых перенапряжений;

- не нарушать работу в переходных режимах.

2. СФ не должны обеспечивать требуемый коэффициент сглаживания.

3. СФ должны иметь минимальное падение напряжения или минимальную мощность потерь.

4. СФ должны иметь резонансную частоту меньшую, чем w_п первой гармоники во избежание резонансных явлений.

5. СФ должны иметь минимальный объем, массу, стоимость и иметь высокую надежность в работе.

Сглаживающий фильтр – это устройство, которое уменьшает амплитуду переменной составляющей на выходе схемы управления.

СФ

U₀^/ U₀

U_п^/ U_п

К_{п вх} К_п
вых

Рис. 4.1. Структурная схема сглаживающего фильтра

Параметры сглаживающих фильтров:

1. Коэффициент затухания – К_з – определяет потери в сглаживающем фильтре.

маломощные СФ: К_з = (1,05 - 1,1);

мощные СФ: К_з = (1,005 - 1,01).

2. Коэффициент сглаживания – К_сгл – это отношение коэффициента пульсаций на входе к коэффициенту пульсаций на выходе.

3. Коэффициент фильтрации – К_ф.

Классификация сглаживающих фильтров.

1. Пассивные сглаживающие фильтры:

a. простые пассивные сглаживающие фильтры:

- простой пассивный LR-фильтр;

- простой пассивный СR-фильтр;

b. сложные пассивные сглаживающие фильтры:

- сложные пассивные Г-образные СФ:

· Г-образный RC-фильтр;

· Г-образный LC-фильтр;

- сложные пассивные П-образные СФ;

- однозвенные, многозвенные, резонансные СФ;

2. Активные сглаживающие фильтры:

a. транзисторные СФ;

b. активные СФ на интегральных микросхемах.

4.2. Пассивные сглаживающие фильтры

4.2.1. Простой пассивный CR-фильтр

R_н \ Х_с ≥ 10 ® u₀ = U₀ + u_п.

Схема:

Рис. 4.2. Схема простого пассивного CR-фильтра

Рис. 4.3. Напряжение на выходе простого пассивного СФ

U_{п вых} = 0,5 ΔU_с

U₀ = I₀ R_н

К_пвх снимается при отключенной емкости.

Особенности:

1. Перегрузка вентилей большим зарядным током конденсатора. Большое обратное напряжение на вентиле за счет конденсатора.

2. Внешняя характеристика устройства имеет ярко выраженный падающий характер, с увеличением I₀ увеличивается емкость конденсатора, что приводит к увеличению амплитуды тока в цепи вентиля.

4.2.2. Простой пассивный LR-фильтр

Схема:

VD L_ф R_ф

Тр

~U₁ U₂

U₀ R_н

Рис. 4.4. Схема простого пассивного LR-фильтра

u₀^/= U₀^/+ u_п^/

Эквивалентная схема:

L_ф R_ф

U^/_п

R_н

U^/₀

Особенности:

1. Более щадящий режим для вентилей схемы выпрямления.

2. Недопустимость резкого изменения сопротивления в цепи потребителя из-за перенапряжений, возникающих на дросселе.

3. Зависимость К_сгл от i₀.

4.2.3. Сложные пассивные Г-образные сглаживающие фильтры

Г-образный LC-фильтр

Г-образный CR-фильтр

Эквивалентная схема:

Z₁

U^/_п

Z₂

U^/₀

Z₁>> Z₂

Допущения:

- во избежание резонансных явлений.

- для обеспечения индуктивного характера нагрузки схемы выпрямления.

К_сгл = m²w_c²L₁C₁ – 1

- минимальное значение индуктивности.

L ≥ 10L_кр

R₁ ≈ (0.05-0.3)R_н

4.2.4. Сложные пассивные П-образные фильтры (на примере LC-фильтра)

Схема:

L₁

C₁ C₂ R_н

CR-фильтр; Г-образный LC-фильтр

Рис. 4.5. Схема сложного П-образного LC-фильтра

4.3. Активные фильтры

4.3.1. Классификация транзисторных сглаживающих фильтров

Выходные характеристики биполярного транзистора:

I_к = f(U_кэ)|_I_э=_const

Рис. 4.6. Выходные характеристики транзистора

Транзисторные сглаживающие фильтры различают:

1. По способу подключения транзистора относительно потребителя:

- последовательные ТСФ;

- параллельные ТСФ;

2. По типу цепи транзистора, в которую подключается потребитель:

- коллекторные ТСФ;

- эмиттерные ТСФ;

3. По способу питания:

- прямое питание транзисторов (от входного сглаженного напряжения);

- косвенное питание (когда применяется дополнительный источник постоянного напряжения (тока);

4. По принципу действия:

- ослабляющие ТСФ;

- компенсационные ТСФ (напряжение с другой полярностью);

5. По способу управления транзистором:

- ТСФ с управлением со входа;

- ТСФ с управлением с выхода;

- ТСФ с комбинированным управлением.

4.3.2. Последовательные коллекторные ТСФ

4.3.2.1. Последовательные КТСФ с фиксированным смещением

Схема:

Рис. 4.7. Схема КТСФ с фиксированным смещением

I_эR₁ << I_бR₂

Отрицательная обратная связь по току за счет R₁ малоэффективна.

В целом образуется Г-образный CR-фильтр.

С = С₂

Недостатки:

- очень большое выходное сопротивление;

- малый диапазон рабочих температур ΔТ = (10-20)°С;

- схема чувствительна к смене транзистора.

4.3.3.2. Последовательный КТСФ с автосмещением

Схема:

R₃

+ VT

C₁ R₂ C₂

U₀^/

R_н

–

Рис. 4.8. Схема последовательного КТСФ с автосмещением

Г-образный CR-фильтр.

При малых токах I_н: r_к = R₂ ® К_сгл уменьшится в два раза.

При больших токах: r_к >> R₂ ® К_сгл уменьшится в (10-30) раз.

4.3.3. Последовательные эмиттерные ТСФ

4.3.3.1. Последовательные ЭТСФ с однозвенным RC-фильтром

Схема:

R₁

C₁ R_н

Рис. 4.9. Схема последовательного ЭТСФ с однозвенным RC-фильтром

- большое значение емкости С не выгодно.

Г-образный RC-фильтр.

С = С₁

Схема не обеспечивает требуемый коэффициент сглаживания.

4.3.3.2. Последовательный ЭТСФ с двухзвенным RC-фильтром

Схема:

+ VT

R₂ R₁

R_н

С₂ С₁

Рис. 4.10. Схема последовательного ЭТСФ с двухзвенным RC-фильтром

4.3.3.3. Последовательный ЭТСФ с нелинейным сопротивлением

Схема:

VT1

R_э VT2

R_н

VD R_б C₁

Рис. 4.11. Схема последовательного ЭТСФ с нелинейным сопротивлением

В роли нелинейного сопротивления выступают R_б, R_э, VD, VT2.

Г-образный RC-фильтр.

С = С₁

1. ЭТСФ с однозвенным RC-фильтром: К_ф = 30, К_сгл = 22.

2. ЭТСФ с двухзвенным RC-фильтром: К_ф = 80, К_сгл = 58.

3. ЭТСФ с нелинейным сопротивлением: К_ф = 300, К_сгл = 250.

Особенности ЭТСФ:

1. Малое выходное сопротивление (меньше 1 Ом).

2. Отсутствие сопротивления между входом и выходом фильтра, что повышает КПД примерно на 20%.

3. Высокая температурная стабильность.

4. Не чувствителен к смене транзистора.

5. Нормально работает при смене тока I₀ от 0 до I_0макс.

4.3.4. ТСФ параллельного вида

4.3.4.1. Параллельные ТСФ с управлением со входа

Схема:

R₁

C₁ R₂ R_н

R₃

Рис. 4.12. Схема параллельного ТСФ с управлением со входа

В отличие от предыдущих схем является компенсационной.

U_п = U_п^/ + U_п_R₃

| U_п^/| = | U_п_R₃| ® U_п ≈ 0 ® К_сгл ® ¥

U_п_R₃ = К U_п^/ ® К_сгл ®1

К = 1 – режим полной компенсации;

К < 1 – режим недокомпенсации;

К > 1 – режим перекомпенсации.

4.3.4.2. Параллельный ТСФ с управлением с выхода

Схема:

C₁ R_н

R₁

R₂

Рис. 4.13. Схема параллельного ТСФ с управлением с выхода

Режим недокомпенсации.

К_сгл = f(R₂)

С увеличением R₂ коэффициент сглаживания также увеличивается.

R_2опт = R_н

4.3.4.3. Параллельный ТСФ с комбинированным управлением

Схема:

R₁

C₁ R₂ R_н

R₄ R₃

Рис. 4.14. Схема параллельного ТСФ с комбинированным управлением

4.3.5. Общая характеристика активных фильтров

ΔU_{ф АСФ} ≈ (3 - 5) В - потери на активном фильтре

ΔU_{ф ПСФ} ≈ (1 - 2) В - потери на пассивном фильтре

Особенности активных сглаживающих фильтров:

1. Нормально работают при низких температурах окружающей среды.

2. Нормально работают при низких частотах пульсаций переменной составляющей.

3. Имеют высокий коэффициент сглаживания:

U_{п вых} ≤ 10 мкВ

4. Обеспечивают заданный коэффициент сглаживания при изменении тока нагрузки на 100%.

5. Низкое выходное сопротивление (меньше 1 Ом).

6. Имеют более низкий КПД.

7. U_{п вх} ≤ 1 В

8. Более сложны в технической реализации и сложны в настройке.

Пусть:

К_ф = 500

w_п = 628 рад/с.

	U_вых = 5В, I_н = 1А			U_вых = 12В, I_н = 1А
	g_М, Вт/кг	g_V, Вт/дм³	η, %	g_М, Вт/кг	g_V, Вт/дм³	η, %
Двухзвенный Г-образный LC-фильтр	9,6	11	61	18,7	25	79
ТСФ	33	23	59	80	50	75
АСФ на ИМС	85	55	50	160	100	70