Пульсации выпрямленного напряжения

Глава 4. ПУЛЬСАЦИИ

 ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПУЛЬСАЦИИ

Напряжение на выходе выпрямителей различных схем является пульсирующим. Значение и форма пульсации зависят от схемы выпрямления, вида нагрузки, формы переменного входного напряжения и других факторов. Так, при действии на входе однополупериодного выпрямителя синусоидального напряжения на выходе его при активной нагрузке получим периодическую последовательность синусоидальных импульсов (рис. 4.1), которая является сложным колебанием и по теореме Фурье может быть представлена в виде суммы ряда составляющих:

u = U0+U1cost + U2cos2t + … + Uncosnt.

Первый член этого ряда представляет постоянную составляющую выпрямленного напряжения, а остальные - гармонические составляющие различных частот и амплитуд. С повышением номера составляющей частота ее повышается, а амплитуда уменьшается. Эти переменные составляющие (гармонические) в аппаратуре проводной связи создают так называемый фон (дополнительные колебания низкой частоты), который ухудшает качество связи. Поэтому для аппаратуры связи установлены допустимые нормы пульсации подводимого постоянного напряжения. Они выражаются в псофометрических или средних квадратичных величинах.

Уровень помех, возникающих в микроэлектронных цепях и воспринимаемых человеком, зависит как от амплитуды, так и от частоты гармоник. Поэтому для телефонной аппаратуры допустимые нормы пульсации указываются в псофометрических единицах. Органы слуха человека наиболее чувствительны к звуковым колебаниям частотой 1000 Гц. На других частотах помехи воспринимаются слабее. И относительное их влияние характеризуется псофометрическим коэффициентом п. Для частоты 800 Гц его значение равно единице (п = 1). Для других частот значения п приведены в табл. 4.1. Псофометрическое напряжение помех определяется приведением гармоник разных частот к одной частоте 800 Гц. Для этого амплитуды гармоник разных частот надо умножить на соответствующие псофометрические коэффициенты пересчета. Действующее псофометрическое напряжение помех

.

Допустимое  действующее псофометрическое напряжение для декадно-шаговых и координатных АТС равно 5 мВ, для коммутаторов ручных городских и междугородных телефонных станций - 2,4 мВ.

Таблица 4.1

fп, Гцпfп, Гцпfп, Гцп500,00716000,79413000,9551000,008917000,90214000,9051500,03557500,95515000,8612000,8918001,00016000,824'3000,2959001,07218000,7604000,48410001,12220000,7084500,58211001,07225000,6175000,66112001,00030000,525

Действующее псофометрическое напряжение измеряют псофометром, который подключают к измеряемой цепи через бумажный конденсатор. Уровень помех, возникающих от пульсации питающего напряжения в телефонных каналах высокочастотной аппаратуры, определить с помощью псофометрических величин нельзя. Поэтому пульсация питающего напряжения на входе высокочастотной аппаратуры выражается средней квадратичной величиной по формуле

.

В многоканальной высокочастотной аппаратуре различные частоты оказывают различное влияние. Поэтому для такой аппаратуры установлены две нормы допустимой пульсации выпрямленного напряжения: первая для гармоник с частотами 0…300 Гц и вторая для гармоник с частотами 300…20 000 Гц. Измеряют среднее квадратичное напряжение пульсации электронным вольтметром с высокоомным входным сопротивлением. Электронный вольтметр подключают  ко входным зажимам аппаратуры связи через специальный измерительный фильтр, состоящий из фильтра нижних частот (до 300 Гц) и фильтра верхних частот (свыше 300 Гц), подключаемых поочередно. Входное и выходное сопротивление фильтра равно 600 Ом каждое. Фильтр низких частот пропускает гармоники с частотами 0…300 Гц, и при этом измеряется среднее квадратичное значение напряжения помех от этой группы частот. При подключении фильтра верхних частот к вольтметру проходят частоты выше 300 Гц и измеряется среднее квадратичное напряжение помех от этой группы частот. Нормы допустимых значений пульсаций приведены в табл. 4.2. Пульсация напряжения на выходе выпрямителя обычно превышает допустимую норму. Поэтому для снижения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры.

Таблица 4.2

Диапазон частот, ГцНапряжение пульсации, В,при номинальной напряжении питания, В2460Ниже 300300... 20 0000,10,010,250,015

4.2. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

При рассмотрении процесса преобразования переменного тока в постоянный было показано, что после выпрямления переменного тока напряжение на выходе выпрямителя получается пульсирующим и сдержит постоянную и переменные составляющие. A для питания аппаратуры связи требуется постоянное напряжение. Поэтому переменные составляющие необходимо отфильтровать я не допустить попадания их потребителю.

Пульсаций выпрямленного напряжения оцениваются коэффициентом пульсаций, который определяется как отношение амплитуды первой гармоники U01max к постоянной составляющей U0 напряжения на выходе выпрямителя:

Kп01 = U01max/U0

В дальнейшем будем учитывать коэффициент пульсаций только по первой гармонике выпрямленного напряжения и обоpначать его Kп.

Коэффициент пульсаций зависит от схемы выпрямителя. Его значения для различных схем приведены в табл. 4.3. Малым коэффициентом пульсации считают Кп<0,1 % (или меньше 10), средним - 0,1…1 % и большим Кп>1%. Наибольший коэффициент пульсаций получается на выходе однофазной однополупе-риодной схемы: Д'„= 157%, Однако и на выходе других схем ко-|ффициент пульсации превышаем нормы, допустимые для нормальной работы aiuiapaiypbi спя in Для уменьшения пульсаций до значения, обеспечивающего нормальную работу потребителей, I выпрямительных чпройоиах применяют сглаживающие фильтры.

Таблица 4.3

ПараметрСхема  выпрямленияоднополу-период-ная одно-фазнаядвухфаз-ная двух-полупе-риодная с выводами средней точкиоднофаз-ная одно-полупери-однаятрехфаз-ная одно-полупери-однаятрехфазная мостовая при объединении обмотокзвезда—звезда,треуголь-ник—звез-дазвезда— треуголь-ннк, тре-угольник —звездаЧастота пульсаций выпрямленного напряженияfc2fc2fc3fc6fc6fcКоэффициент пуль-сации по первой гармонике Кп01 (Кп)1,570,670,670,250,0570,057

Сглаживающим фильтром выпрямителя называется устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей (пульсации) выпрямленною напряжения. Способность фильтра снижать пульсации выпрямленного напряжения определяется коэффициентом сглаживания q, который выражается отношением коэффициентов пульсаций напряжения па входе и выходе фильтра: q = Кп.вх/Кп.вых.

К фильтру предъявляются следующие требования:

коэффициент пульсаций на выходе фильтра должен быть достаточным для обеспечения нормальной работы потребителя;

потери мощности и падение напряжения от постоянной составляющей тока нагрузки должны быть минимальными;

во время переходных процессов при включении выпрямителя в сеть переменного тока в фильтре не должны возникать перенапряжения и броски токов, значения которых превышают допустимые пределы для элементов электропитания и потребителя;

собственная частота фильтра должна быть значительно ниже основной частоты пульсаций, чтобы не возникали резонансные явления в отдельных звеньях фильтра, при которых резко возрастают пульсации выпрямленного напряжения;

внешние электромагнитные поля, создаваемые фильтром, не должны нарушать нормальной работы аппаратуры;

фильтр должен иметь минимальные габариты, массу, стоимость и высокую надежность.

Сглаживающие фильтры различают по виду элементов: L, С, R - емкостные, у которых параллельно нагрузке включается конденсатор С, имеющий такую емкость, при которой выполняете неравенство 1/пСRн (рис. 4.2); индуктивные, у которых последовательно с нагрузкой включается катушка, имеющая индуктивность L, обеспечивающая неравенство пLRн. По схеме соединения элементов различают фильтры Г-образные, П-образные и резонансные. По количеству элементов - простые (однозвенные) и сложные (многозвенные).

Сглаживающие фильтры, составляющие только из элементе L, С, R, называются пассивными. А фильтры, в состав которые входят, еще и активные элементы - транзисторы, - называются активными или транзисторными.

Емкостный фильтр. Простейший емкостный фильтр представляет собой конденсатор С, включенный параллельно нагрузке (рис. 4.2,а). При повышении напряжения источника питания конденсатор С заряжается, а когда питающее напряжение становится меньше напряжения на его зажимах - разряжается (рис. 4.3) через нагрузку Rн. В результате этого напряжение на нагрузке изменяется в меньших пределах, чем при отсутствии конденсатора.

Для переменной составляющей выпрямленного тока конденсатор представляет собой емкостное сопротивление XС=1/mcC, где m - коэффициент, зависящий от схемы выпрямления и показывающий, во сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напряжения больше частоты сети, т.е. m = f01/fc, где fс - частота питающей сети.

Конденсатор, включенный параллельно нагрузке, оказывает шунтирующее действие при условии XСRн,  при выполнении  которого  большая  часть  переменной  составляющей

выпрямленного токa замыкается через конденсатор, не проходя через нагрузку. В общем случае можно считать, что конденсатор фильтра заряжается импульсами тока длительностью, меньшей чем Т/m, где Т - период изменения напряжения сети. Ток разряда конденсатора можно принять равным среднему току нагрузки I0.

Изменение напряжении на нагрузке U0 можно определить как изменение напряжения на конденсаторе UC при его разряде:

.

Это изменение напряжения на конденсаторе оказывается равным удвоенной амплитуде переменной составляющей выпрямленного напряжения (рис. 4.3). Учитывая, что Umax=UС/2, коэффициент пульсации определим как Uп=(Uc/2)/U0. Подставив значения  и Rн=U0/I0, получим Кп=l/2mfСCRн, откуда емкость конденсатора фильтра С=l/2fСRнRп фарад. Отсюда следует, что получить небольшое значение коэффициента пульсации на нагрузке Кп можно только при большом сопротивлении нагрузки Rн, т.е. при небольших выпрямленных токах. Поэтому емкостный фильтр применяют в маломощных выпрямителях.

Достоинством емкостного фильтра является его простота.

Недостатком - необходимость применения диодов, рассчитанных на большую амплитуду прямого тока.

Индуктивный фильтр представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником (дроссель), включаемого последовательно с нагрузкой (рис. 4.2,б). В общем случае индуктивность катушки L зависит от протекающего по ее обмотке тока. Но в сглаживающих фильтрах применяются специальные сглаживающие катушки индуктивности, магнитопровод которых имеет воздушный - немагнитный - зазор. Индуктивность такой катушки практически не зависит от тока и поэтому может рассматриваться как пассивный линейный элемент с постоянной индуктивностью. Такая катушка называется дросселем.

Переменная составляющая выпрямляемого тока создает в магнитопроводе дросселя магнитный поток, индуктирующий в его обмотке противоЭДС, которая препятствует изменениям тока в цепи. А уменьшение амплитуды переменной составляющей выпрямленного тока создает уменьшение пульсаций напряжения на нагрузке.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения необходимо, чтобы индуктивное сопротивление дросселя XL было значителъно больше сопротивления нагрузки Rн, т.е. XLRн или mcLRн. Активное сопротивление дросселя т мало, и падением напряжения на дросселе от постоянной составляющей выпрямленного тока можно пренебрегать, считая, что вся постоянная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на сопротивления нагрузки Rн. А поскольку для переменной составляющей дроссель оказывает большое сопротивление, то на зажимах дросселя выделяется значительная часть переменной составляющее выпрямленного напряжения.

Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра определим как отношение коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q = Кп.вх/ Кп.вых, Кп.вх = U01 max/U0; Кп.вых = U01 max/U0,

где U01 max, U01 max - амплитудные напряжения первой гармоники в выпрямленном напряжении на входе и выходе фильтра; U0 и U0 - среднее выпрямленное напряжение на входе и выход фильтра.

Напряжения на выходе фильтра U01 max и U0 определяются выражением U01 max =           = I01 maxRн, где

;

U0 = I0Rн,  где I0 = U0/(Rн+rL).

Здесь I01 max - амплитудный ток основной гармоники; I0 - средний выпрямленный ток. После преобразований получим коэффициент сглаживания индуктивного фильтра:

.

А так как RнrL, то  или

Отсюда

Для хорошего сглаживания пульсаций нужно, чтобы значение q было больше 1, т.е. q>1. При этом индуктивность дросселя L=Rнq/mc. Отсюда коэффициент сглаживания индуктивного фильтра q=mcL/Rн. Следовательно, для получения большого коэффициента сглаживания индуктивного фильтра необходимо увеличивать индуктивность дросселя L и число фаз т. Поэтому индуктивные фильтры применяют в многофазных выпрямителях большой мощности.

Достоинства индуктивного фильтра: простота схемы, малые потери мощности, незначительная зависимость выходного напряжения от изменения сопротивления нагрузки Rн.

Недостатки: перенапряжения, возникающие вследствие появления ЭДС самоиндукции дросселя; для устранения этого недостатка обмотку дросселя замыкают разрядниками, которые срабатывают при превышении напряжения на дросселе выше допустимого.

4.3. СГЛАЖИВАЮЩИЕ Г-ОБРАЗНЫЕ LC-ФИЛЬТРЫ

Простейшие фильтры L и С не могут обеспечить достаточно больших коэффициентов сглаживания. Поэтому на практике применяются сглаживающие фильтры, содержащие оба эти элементы - индуктивность L и емкость С. Наиболее простая схема индуктивно-емкостного Г-образного LC-фильтра приведена на рис. 4.4. При таком сочетании дросселя и конденсатора значительно уменьшается переменная составляющая напряжения на нагрузке. Это происходит так. Общее сопротивление цепи LCRн будет меньше, чем при наличии только дросселя, за счет шунтирующего действия конденсатора. Поэтому переменная составляющая выпрямленного тока через дроссель будет больше, и  падение  напряжения  на

нем возрастает. Это приводит к уменьшению переменной составляющей напряжения на нагрузке по сравнению с ее значением при раздельном включении конденсатора или дросселя.

В фильтре, состоящем из дросселя и конденсатора, возможно возникновение резонанса. Для исключения возможности этого собственная частота фильтра должна быть ниже частоты пульсаций. Это достигается выбором L и С, обеспечивающих коэффициент сглаживания не менее трех (q3). Минимальную индуктивность дросселя можно определить из выражения

Lmin=2Rн/(m2-1)mfс.

Затем при известном значении q, пользуясь формулой

LC = 10(q+1)/m2,

определим значение емкости С. Здесь fc=50 Гц, индуктивность - в генри, а емкость - в микрофарадах.

Резисторно-емкостные (RC) фильтры (рис 4.4) применяют в маломощных выпрямителях - до 10 Вт при сопротивлениях нагрузки в десятки килоом.

Для получения достаточно большого коэффициента сглаживания необходимо выполнение условий RФXc и XcRн. При расчете RC-фильтра задаются значением требуемого коэффициент сглаживания q и одним из параметров либо сопротивлением резистора RФ=(0,2…1)Rн, либо емкостью конденсатора С, а затем определяют другой параметр (емкости С или сопротивления RФ) по формуле

- для fс = 50 Гц

или

- для fс = 400 Гц

Недостатком RС-фильтра являются потери напряжет на резисторе фильтра UФ=I0RФ, что снижает КПД выпрямителя в целом.

Многозвенные фильтры. Для получения больших коэффициентов сглаживания более экономичными оказываются многозвенные фильтры. Они состоят из нескольких последовательно соединенных однозвенных. Общий коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания всех звеньев, т.е.

qобщ=q1q2q3…qn.

В многозвенных фильтрах удобно использовать одинаковые по параметрам звенья, тогда qобщ=qn, где п - число звеньев.

При небольших токах нагрузки (до нескольких десятков миллиампер) применяют двухзвенные и иногда трехзвенные RС-фильтры.

Резонансные фильтры. Бывают случаи, когда переменная составляющая выпрямленного напряжения мало отличается от своей первой гармоники или же потребители чувствительны к одной определенной гармонике. В таких случаях выгодно применять резонансные сглаживающие фильтры, которые представляют собой Г-образные фильтры, имеющие в качестве одного из фильтрующих элементов резонансный LC-контур. Собственная резонансная частота такого контура равна частоте подавляемой гармоники.

В схеме, приведенной на рис. 4.5, параллельный LC-контур включен вместо дросселя в Г-образный LC-фильтр. При настройке контура в резонанс его сопротивление возрастает до десятков килоом (Rэкв = Lк/CrL). Получается фильтр-пробка. Коэффициент сглаживания такого фильтра по сравнению с Г-образным LC-фильтром с тем же значением q увеличивается в 3…4 раза.

Последовательный резонансный контур, включенный параллельно нагрузке выпрямителя, называется резонансным шунтом или режекторным фильтром. При настройке его в резонанс с частотой подавляемой гармоники его сопротивление для этой гармоники очень мало и равно только активному сопротивлению обмотки дросселя гдр. Ток, идущий с частотой пульсаций и значительно ослабленный дросселем Lдр, замыкается в основном по контуру LдрСк. В результате получается большой коэффициент сглаживания фильтра.

Эффективность работы резонансных сглаживающих фильтров зависит от точности настройки контуров в резонанс с частотой пульсаций, что возможно только при высокой стабильности частоты питающей сети.

Поэтому резонансные фильтры применяются для однофазных выпрямителей, в которых основная гармоника пульсаций преобладает в выпрямленном напряжении, а частота питающей сети стабильна.

Активные фильтры. Активные фильтры называют еще транзисторными, поскольку роль одного из фильтрующих элементов в них выполняет активный элемент - транзистор. Нагрузка может включаться последовательно в цепь коллектора транзистора, в этом случае фильтр называется фильтром ФК (рис. 4.6,а), в цепь эмиттера - фильтром ФЭ (рис. 4.6,б), если нагрузка включается параллельно переходу эмиттер-коллектор, - фильтром ФШ (рис. 4.6,в).

Принцип действия транзисторного сглаживающего фильтра основан на том, что ток коллектора Iк (или ток эмиттера Iэ) при постоянном значении тока базы очень мало зависит от значения напряжения на коллекторе. На рис. 4.7 видно, что сопротивление транзистора переменной составляющей тока в точке A Rд=Vк/Iк будет много больше его сопротивления постоянному току R0=Vк0/Iк0, т.е. RдRк. Поэтому переменная составляющая выпрямленного напряжения на входе фильтра Vвх.пер вызывает небольшие изменения тока коллектора Iк. Падение переменной составляющей напряжения на нагрузке Vвых=IкRн будет   значительно   ослаблено   по   сравнению   с    Vвх.пер.    Основная    часть    переменной

составляющей выпрямленного напряжения теряется на большом сопротивлении переменному току эмиттерно-коллекторного перехода транзистора, т.е. транзистор выполняет функции дросселя. Чтобы ток базы транзистора был постоянным, в цель базы включают конденсатор Сб и резистор Rб такого значения, при котором постоянная времени цепи б=RбСб будет много больше периода пульсаций Тп выпрямленного напряжения, т.е. RбСбТп. Чаще применяются фильтры ФЭ. Они имеют малое выходное сопротивление Zвых за счет малого дифференциального сопротивления цепи эмиттера rэ. Коэффициент полезного действия фильтра ФЭ больше, чем фильтра ФК, так как отсутствие резистора Rэ снижает потери мощности.

По сравнению с пассивными транзисторные сглаживающие фильтры имеют следующие преимущества:

высокие качественные показатели;

отсутствие сильных магнитных полей;

широкополосность по частотному диапазону;

малая зависимость коэффициента сглаживания от изменения нагрузки;

простота унификации;

малая вероятность возникновения перенапряжений при переходных процессах.

Недостаток: КПД транзисторных сглаживающих фильтров обычно несколько меньше, чем пассивных, поскольку на транзисторе, работающем в активном режиме, рассеивается значительная мощность.

Повышение качественных показателей транзисторных сглаживающих фильтров (ТСФ) достигается применением составных транзисторов, многозвенных RC-цепочек в цепи базы, а также токостабилизирующих двухполюсников. Усложняя схемы ТСФ, можно получить коэффициент фильтрации КФ в несколько тысяч при относительно небольших габаритах и массе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Назовите причины возникновения пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя.

Что называют пульсацией выпрямленного напряжения?

Как определяются напряжения пульсаций?

Какие устройства называются сглаживающими фильтрами?

Перечислите требования, предъявляемые к сглаживающий фильтрам.

Нарисуйте схему емкостного сглаживающего фильтра и поясните принцип его.

Нарисуйте схему индуктивного сглаживающего фильтра и поясните принцип его действия.

Нарисуйте схемы Г-образных сглаживающих фильтров и поясните их особенности.

  1.  Поясните особенности многозвенных сглаживающих фильтров.

В каких случаях применяют резонансные сглаживающие фильтры?

Что такое активные сглаживающие фильтры?

  1.  Поясните работу активного сглаживающего фильтра.

Рис. 4.1. График напряжения на выходе однотактного выпрямителя

Рис. 4.2. Схемы фильтров:

а - емкостного; б - индуктивного; в – индуктивно-емкостного, г – резистивно-емкостного; д - эквивалентная схема резистивно-емкостного фильтра

Рис. 4.3. График изменения напряжения на конденсаторе емкостного фильтра

Рис. 4.4. Схема двухзвенного фильтра LC (RC)

Рис 4.5. Схемы резонансного фильтра-пробки (а) и фильтра-режектора (б)

Рис. 4.6. Схемы транзисторных сглаживающих фильтров

Рис. 4.7. График зависимости тока коллектора от напряжения на переходе коллектор-эмиттер при различных значениях тока базы

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

Глава 4.doc

Глава 4.doc
Размер: 359.5 Кб

.

Пожаловаться на материал

Общие сведения. Причины возникновения пульсации. Сглаживающие фильтры. Сглаживающие Г-образные LC-фильтры

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Метод контурных токов

Практическое занятие. Основные теоретические сведения метода контурных токов (метод Максвелла). Алгоритмом метода контурных токов. Примеры решения задач. Универсальными законами, позволяющими рассчитать любую электрическую цепь, являются законы Кирхгофа

Английский язык. Экзаменационные билеты. Тексты и переводы

Examination Card. Read the text given below. For questions (1-4), choose the best answers

Теоретическая механика. Кинематика

Учебное пособие для студентов технических вузов

Гипопаратиреоздың

Гиперпаратиреоздың клиникалық көрінісі Жыныс. гормондарының секрециясының төмендеуі көрінеді. Гипертиреоз кезінде метаболиттік процестердің бұзылуы байланысты

Провести обработку пролежня. Практический навык

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok