Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры (СФ) - устойства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. СФ бывают активные и пассивные. Простейшим СФ является кондер, включаемый параллельно нагрузке. Также можно влепить катушку индуктивности (дроссель), но уже последовательно с нагрузкой. А можно комбинировать.

Емкостной фильтр

Емкостной сглаживающий фильтр представляет собой кондер, включенный параллельно нагрузке. Как же происходит сглаживание этих самых пульсаций? Давайте взглянем на форму выходного напряжения, скажем, однополупериодного выпрямителя, показанную ниже на рисунке.

Рис. 1 - Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя

На рисунке U_ср - это среднее значение выпрямленного напряжения. Если проще, то это напряжение, которое покажет обычный вольтметр, по науке называемый вольтметр среднеквадратических значений, или любой авометр (тестер). Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное - бешеные пульсации.

А теперь впендюрим параллельно нагрузке выпрямителя кондер, как показано ниже на рисунке:

Рис. 2 - Пример выпрямителя с простейшим сглаживающим фильтром

Что же получилось? Воткнем щупы осциллы (осциллограф - это такой прибор, позволяющий наблюдать форму сигналов и ешче много чего интересного) параллельно нагрузке и увидим следующую картину:

Рис. 3 - Форма выходного напряжения выпрямителя со сглаживающим фильтром

Опаньки! Вот эта красная хреновина называется пилой или пилообразным напряжением. Теперь разберем все это. Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим кондер разряжен. При подаче напряжения на кондер он начинает заряжаться - короткий отрезок пилы на рисунке. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения кондер начинает разряжаться через нагрузку - длинный отрезок пилы. При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Естесственно, что размах амплитуды пилы, а это тоже пульсации, напрямую зависит от емкости кондера и от величины сопротивления нагрузки, конечно. Чем больше емкость, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации. Если нагрузку вообшче выкинуть, то и пульсаций не будет.

Итак, подведем итоги. Запихнув кондер в схему выпрямителя мы добились сглаживания пульсаций выходного напряжения, к тому же, посмотрите на рисунок, увеличилось среднее значение выпрямленного напряжения. Ешче эффектней это выглядит с двуполупериодным выпрямителем. Поскольку частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, то кондер разряжается через нагрузку намного медленней, естесственно при соответствующем выборе его емкости. Другими словами, уровень пульсаций будет намного меньше, а U_ср - выше. Некоторые думают, что втыкая кондер параллельно нагрузке, он увеличивает выходное напряжение. Хотя всего-то кондер заряжается до амплитудного значения напряжения, которое и является выходным.

Процесс фильтрации можно объяснить и в другом аспекте. Считается, что выходное напряжение выпрямителя содержит постоянную и переменную составляющую. Поскольку емкостное сопротивление кондера есть X = 1 / ωC, где ω = 2πf, то нетрудно заметить, что при увеличении емкости сопротивление уменьшается. Аналогично и для частоты. Но для постоянного тока частота равна 0, значит емкостное сопротивление будет стремиться к бесконечности. Таким образом, переменная состовляющая проходит через кондер и замыкается на общий провод не попадая в нагрузку, тогда как постоянная составляющая полностью выделяется в нагрузке.

Индуктивный фильтр

Индуктивный фильтр - это катушка индуктивности (дроссель), включенная последовательно с нагрузкой. Катушка индуктивности (КИ) - это отрезок проводника, намотанный на что-то там, обладающий свойством накапливать магнитную энергию при протекании по нему электрического тока. Дроссель низкой частоты - это катушка индуктивности с магнитопроводом, предназначенная для использования в электрических цепях в качестве индуктивного сопротивления.

Рисунков не будет. Возьмем тот же самый выпрямитель. Как включается КИ понятно, разрываем цепь нагрузки и туда втуляем дроссель. В чем же суть. Как отмечалось выше, КИ способна накапливать энергию при протекании тока. При протекании тока через индуктивность она запасает энергию. Затем энергия выделяется в нагрузке и т. д. В другом аспекте: поскольку катушка обладает индуктивным сопротивлением, равным X = ωL, то нетрудно заметить, что при увеличении частоты сопротивление также пропорционально увеличивается. Аналогично для индуктивности. Поскольку для постоянного тока частота равна нулю, то и сопротивление будет равным нулю. Другими словами, индуктивность не пропускает переменной составляющей в нагрузку, тогда как постоянная составляющая беспрепятственно проходит через индуктивность.

Чаще емкостной и индуктивный фильтр комбинируют и получают так называемый LC-фильтр. Сначала давим пульсации в индуктивности, затем остальное в кондере или наоборот. Такие фильтры ешче называют Г-образными. Причем можно построить многозвенные фильтры. Например, сначала дроссель, затем кондер, опять дроссель - Т-образный фильтр. Или кондер, дроссель, кондер - П-образный фильтр и т. д. LC-фильтры обладают существенными недостатками. Во-первых, это массогабаритные показатели. Кондер большой емкости будет не таким уж маленьким. Да и индуктивность тоже. Во-вторых, для LC-фильтров характено наличие внешних магнитных полей (индуктивность все-таки), а это неблагоприятно сказывается на чувствительные узлы аппаратуры.

Помимо LC-фильтров существуют RC-фильтры. У них меньше габариты и масса, нет паразитных магнитных полей. Зато и максимальный ток нагрузки такого фильтра совсем детсткий - 10-15 мА.

Для того, чтобы избавиться от указанных выше недостатков умные люди не спали ночами и придумали так называемые активные сглаживающие фильтры или просто транзисторные СФ.

Транзисторные сглаживающие фильтры

Уменьшить массогабаритные показатели можно, используя транзисторные СФ, вместо громоздких LC-фильтров. Правда выигрыш транзисторных фильтров компенсируется меньшим КПД. Рассмотрим типичные схемы транзисторных фильтров.

На рисунке 1 представлена схема наиболее простого транзисторного фильтра.

Рис. 4 - Простейший транзисторный фильтр

На коллектор транзистора VT поступает напряжение с выпрямителя с большой амплитудой пульсаций. Цепь базы питается через интегрирующую цепь RC. Эта цепочка сглаживает пульсации на базе транзистора. В принципе, эту цепь можно представить, как RC-фильтр. Чем больше постоянная времени τ = RC, тем меньше пульсации напряжения на базе транзистора. Ну а поскольку транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, то ны выходе напряжение будет повторять напряжение на базе, т. е. пульсации будут столь же малыми, как и на базе. Емкость кондера С может быть в несколько раз меньше (примерно в h_21э раз), чем в LC-фильтре, поскольку базовый ток намного меньше выходного тока фильтра, т. е. коллекторного тока транзистора. Основное достоинство схемы - простота. А вот недостатков... Во-первых, противоречивые требования к сопротивлению резика R - для уменьшения пульсаций следует увеличивать сопротивление, для повышения КПД - уменьшать. Во-вторых, сильная зависимость параметров от температуры, тока нагрузки, коэффициента передачи тока базы транзистора (h_21э). Обычно резик подбирают эксперементально.

Несколько иная схема, приведенная на рисунке 5. В такой схеме цепь базы транзистора запитывается от отдельного источника с напряжением, больше входного. Схема обладает меньшими пульсациями.

Рис. 5 - Еще одна схема транзисторного СФ

Поскольку база питается от отдельного источника, сопротивление резика можно увеличить и, следовательно, уменьшить пульсации выходного напряжения. Мощность, выделяемая на резике R мала, так как ток базы мал. Тем не менее, этой схеме присущи те же недостатки, что и предыдущей. Кроме того, в таком фильтре транзистор может войти в насыщение и все пульсации со входа фильтра без ограничений будут передаваться на выход. В этот режим транзистор войдет, когда напряжение на базе превысит напряжение на коллекторе.

Ниже приведена схеме транзисторного СФ, лишенная вышеуказанных недостатков.

Рис. 6 - Фильтр с делителем напряжения

Ток через делитель R1R2 выбирается большим в 5-10 раз, по сравнению с током, ответвляющимся в базу. Поэтому выходное напряжение фильтра определяется распределением входного напряжения на делителе. Недостатки фильтра - меньший КПД по сравнению с предыдущими схемами. К тому же, необходимо увеличивать емкость кондера С1 для получения приемлимых пульсаций.

В завершении практическая схема транзисторного сглаживающего фильтра, по КПД и пульсациям близкого к LC-фильтрам, но превосходящего их по массогабаритным показателям. Схема приведена на рисунке 7.

Рис. 7 - Транзисторный сглаживающий фильтр

На коллектор транзистора VT1 поступает входное напряжение с большими пульсациями, на базу через резик R1 напряжение от отдельного источника, по значению больше входного. Кондер С1 заряжается до тех пор, пока напряжение на нем не станет больше входного на величину прямого напряжения на диоде VD1, т. е. U_пр.VD1.Кондер С1 начинает разряжаться через отпертый диод VD1, транзистор VT1 и нагрузку. Разряжаться кондер будет, пока входое напряжение вновь не станет увеличиваться. Диоды VD2, VD3 смещают уровень постоянной составляющей. Кроме того, диод VD2 выполняет функции ключа в пиковом детекторе VD2C2. Поскольку ток базы довольно мал и кондер разряжается только через цепь базы, то пульсации на нем будут меньше, чем на С1. Значит и на выходе пульсации будут незначительны. В качестве транзистора используется КТ827А. Можно заменить его на составной из КТ815 и КТ819. При входном напряжении 14-15 В с уровнем пульсаций 2,5-3 В и напряжении на базе 18-20 В при токе нагрузки 2 А выходное напряжение 12,5 В с уровнем пульсаций 40 мВ.