Фильтры частот для постоянного напряжения

Ликбез КО. Лекция №4 Сглаживающие фильтры питания.

Сглаживающие фильтры питания.
Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.
Основные схемы сглаживающих фильтров питания.

Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:
1 / (ωС) << Rн
Во время действия синусоидального сигнала, когда напряжение на диоде выпрямителя прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. Когда напряжение на выходе диодного выпрямителя оказывается меньше напряжения заряда конденсатора, конденсатор разряжается через нагрузку и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается по мере разряда конденсатора через нагрузку. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Чем больше емкость С и сопротивление нагрузки , тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе среднее значение выходного напряжения Uср к максимальному значению синусоиды Umax. Если нагрузку вообще отключить, то в режиме холостого хода на конденсаторе получится постоянное напряжение равное Umax, без всяких пульсаций.

Работа простейшего сглаживающего фильтра на конденсаторе в цепи однополупериодного выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающего конденсатора, а синим – при его наличии.

Если пульсации должны быть малыми, или сопротивление нагрузки мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится использовать более сложный сглаживающий фильтр.

Работа сглаживающего Г-образного фильтра на конденсаторе и дросселе в цепи двухполупериодного мостового выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Как и в примере с однополупериодным выпрямителем, красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающих элементов (конденсатора и дросселя), а синим – при их наличии.

Логично следует, что чем больше ёмкости и индуктивности фильтров, и чем больше в нём реактивных элементов (сложнее фильтр), тем меньше коэффициент пульсаций такого выпрямителя.

В качестве сглаживающих конденсаторов используются электролитические конденсаторы. Чем больше ёмкость, тем лучше. Кроме того, для надёжности, конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в полтора-два раза превышающее выходное напряжение диодного моста.
Определение выходного напряжения выпрямителя и выбор сглаживающего фильтра для блока вторичного питания
К описанному в статье, следует добавить важную информацию, используемую для конструирования источников (блоков) питания постоянного тока:

1. Любой p-n переход, любого полупроводникового прибора, в том числе диода имеет характеристику – падение напряжения на переходе. Это напряжение обычно указывают в справочниках. Для германиевых диодов оно может быть от 0,3 вольт до 0,5 вольт, а для кремниевых диодов – от 0,6 вольт до 1,5 вольт.

Это значит, что если мы возьмём трансформатор с выходным напряжением 6,3 вольта, выпрямим его однофазным двухполярным мостовым выпрямителем (диодным мостом) у которого на каждом диоде по справочнику падает по 1 вольту (Uпр.= 1 В), то на выходе выпрямителя мы получим всего лишь 4,3 вольта. Напряжение в 2 вольта «потеряется» на 2-х диодах по пути прохождения тока. Начинающие радиолюбители обычно этого не учитывают, потому и недоумевают, почему на выходе маленькое напряжение.

2. Переменный электрический ток измеряется приборами, которые, как правило, показывают его среднее значение, а не максимальное. Максимальное значение переменного напряжения это – значение электрического напряжения соответствующее его максимальному значению синусоиды.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 * Umax

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2 Umax / π = 0,636 * Umax

Значение среднего напряжения — 0,636 за счёт особенностей конструкции измерительных приборов округляется и принимается равной 0,7.

3. Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, который справедлив в том случае, когда нагрузка на блок питания маленькая. Обратите внимание на рисунки ниже.
Выходное напряжение выпрямителей с фильтром питания:
а) с большой нагрузкой :
б) с маленькой нагрузкой :
Эти рисунки поясняют, что при малой нагрузке выходное напряжение выпрямителя с фильтром питания равно максимальной амплитуде синусоиды поступающей на выпрямитель, за вычетом падения напряжения на диодах.
Пример определения выходного напряжения, и подбора сглаживающего конденсатора для источника вторичного питания
Рассмотрим случай со средним переменным напряжением на выходе трансформатора, измеренным мультиметром равным 6,3 вольта, и нагрузкой (сопротивлением нагрузки) равной 200 Ом.

Выходное напряжение c мостового выпрямителя будет определено следующим образом:

— максимальное напряжение на выходе трансформатора:

Umax = Uизм / 0,7 = 6,3в / 0,7 = 9 вольт

— максимальное выходное напряжение на выходе выпрямителя:

Uвых. = Umax – UVD1 – UVD2 = 9 – 1 – 1 = 7 вольт

— емкость сглаживающего конденсатора выбираем из условия:

1 / (2*π*f*С) << Rн , откуда 1 / (2*π*f *Rн) << С

1/(2*3,14*50*200) = 1,59*10-5 (Фарад) = 15,9 мкФ

— учитывая условие, при котором емкость конденсатора должна быть намного больше полученному по приведенному условию, выбираем конденсатор ёмкостью более чем в пять раз больше расчётного значения — 100 мкФ*16 вольт.
Схема, состоящая из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра является источником нестабилизированного питания. От таких источников можно питать любые устройства, потребляющие слабый ток, не критичные к наличию пульсаций и нестабильности питающего напряжения. Для максимального подавления пульсаций и стабилизации питающего напряжения применяют Стабилизаторы напряжения.

Источник

Фильтры частот для постоянного напряжения

В различных электронных устройствах, в источниках питания, устанавливают специальные приспособления, свободно пропускающие полезные сигналы и препятствующие проникновению паразитных. Такие приспособления, состоящие из катушек индуктивности и конденсаторов, были названы фильтрами.
Электрический фильтр — своеобразное «сито» для тока. Сравнение это не случайное. Судите сами: если в обычное сито насыпать песок, то просеются лишь те песчинки, размеры которых меньше диаметра отверстий в сетке. Похоже действие и электрического фильтра. Он «просеивает» электрические сигналы, свободно пропуская одни и задерживая другие. Только частота сигнала, беспрепятственно проходящего через фильтр, определяется, конечно, не размерами отверстий в сетке, а параметрами его элементов.
Итак, в радиоэлектронике фильтры применяют для выделения полезного сигнала из всего спектра частот, попадающих в электронное устройство. Участок спектра, где сигнал проходит через фильтр практически без потерь, называют полосой пропускания, а область, в которой сигнал подавляется почти полностью, — полосой задерживания. Провести, однако, четкую границу между полосами пропускания и задерживания на самом деле невозможно. Поэтому решили считать лежащими в полосе пропускания только сигналы, имеющие на выходе фильтра амплитуду не менее 0,7 от максимального значения, а все остальные, с амплитудой меньше этого уровня, относить к полосе задерживания.

Читайте также:  Воздушный фильтр главное заблуждение всех почти водителей

В зависимости от частотных свойств фильтры подразделяют на четыре группы: нижних (НЧ) и верхних (ВЧ) частот, полосовые и заграждающие. Что означают чти термины? Расскажем об этом поподробнее. А чтобы наши рассуждения были наглядными, проиллюстрируем их с помощью графиков, представленных на рисунке 1.
Они показывают зависимость амплитуды электрического сигнала на выходе фильтра от частоты. Такие графики получили название амплитудно — частотных характеристик (сокращенно АЧХ). О свойствах того или иного фильтра в первую очередь и судят по ним. Фильтр НЧ свободно пропускает ток с частотой от 0 Гц до какого-то определенного значения f. График, характеризующий такое «поведение» фильтра выглядит как прямая линия, которая по мере приближения к границе полосы пропускания загибается в сторону оси координат (рис. 1а).
Фильтр ВЧ, наоборот, пропускает сигналы только с частотой выше установленного значения f. На графике такая характеристика выглядит как кривая, «вырастающая» из оси координат (рис. 1б).
Полосовой фильтр пропускает электрический ток с частотой от f1 до f2. Его АЧХ напоминает высокий холм на равнине (рис. 1в).
И, наконец, заграждающий фильтр задерживает все сигналы с частотой от f1 до f2, а его амплитудно — частотная характеристика напоминает перевернутую АЧХ полосового фильтра (рис.1г).

Как же устроены фильтры? В состав простейших из них входят три типа пассивных радиоэлементов: резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности или дроссели.
Чаще всего такие устройства собирают из конденсаторов и индуктивных элементов. Они получили название LC — фильтров. Если же в состав устройства входят только резисторы и конденсаторы, то его называют RC — фильтром.
По принципам схемотехнического построения такие фильтры подразделяют на три основные группы: Т-образные, П-образные и Г-образные.
Что это означает? Поясним на конкретных примерах.
На рисунке 2а показаны электрические схемы простейших Т-образных LС — фильтров. Два элемента в них включены последовательно с нагрузкой, а один — параллельно. Их схематическое изображение напоминает букву Т — отсюда и название.
В П-образных LС — фильтрах, наоборот, последовательно с нагрузкой включен один элемент, а параллельно ей — два (рис. 2б). Такие схемы внешне напоминают букву П.
И, наконец, третья группа: Г-образные RC — фильтры. Они состоят всего из двух элементов, один из которых включен последовательно с нагрузкой, а второй — параллельно ей (рис. 2 в).
Теперь выясним, за счет чего электрический фильтр обладает избирательными свойствами — пропускает одни сигналы и подавляет другие.
Если в цепь постоянного тока поставить индуктивный элемент, то он будет вести себя как обычный проводник. Поставим конденсатор — ток прекратится, так как между его обкладками находится диэлектрическая среда.
А что будет, если эти элементы включить в цепь переменного тока? Оба прибора начнут поглощать часть электроэнергии, то есть поведут себя как сопротивления. Это объясняется тем, что катушка индуктивности и конденсатор обладают так называемым реактивным сопротивлением, появление которого обусловлено не свойствами проводящего материала, как, например, у резисторов, а магнитными и электрическими характеристиками этих элементов. Реактивное сопротивление выражается в омах и обозначается буквой Х. Для катушки индуктивности его определяют по формуле:
ХL = 6,28 f·L,
где f — частота тока в герцах, а L — индуктивность данной катушки в генри.
Для конденсатора реактивное сопротивление равно:
ХС = 1/6,28·f·C,
где С — емкость данного конденсатора в фарадах.
По сути дела, эти формулы выражают закон Ома для цепи переменного тока с индуктивным или емкостным элементом.
Вероятно, вы уже обратили внимание, что в обеих формулах одна из переменных — частота тока в цепи. Оказывается, она существенно влияет на реактивное сопротивление конденсатора и катушки индуктивности. Чем выше частота переменного тока, тем больше индуктивное сопротивление и меньше емкостное, и наоборот. Справедливость наших выводов легко проверить, обратившись к формулам.
Как видно из них, индуктивный элемент хорошо пропускает сигнал НЧ, почти не оказывая ему сопротивления, и в то же время сильно ослабляет ВЧ составляющую.
Действие конденсатора в цепи переменного тока приводит к обратному результату — он свободно пропускает ВЧ сигнал и подавляет низкочастотный.

Именно эти свойства конденсаторов и катушек индуктивности положены в основу фильтрации. Соединяя в определенном порядке элементы с реактивным сопротивлением, получают фильтры с различными свойствами и пропускающей способностью. И их используют в самых разнообразных устройствах.
Например, колебательный контур в радиоприемнике — он выделяет из всех электромагнитных волн, принимаемых антенной, только волну определенной частоты.
Другой вариант фильтра — регулятор тембра в магнитофоне или телевизоре. Вращая движки регуляторов, вы тем самым освобождаете или, наоборот, загораживаете «дорогу» сигналам различной частоты.
Еще один пример устройства, в котором нашли применение фильтры — установка для цветового сопровождения музыкальных программ (сокращенно ЦМУ — цветомузыкальная установка). Они пропускают определенную звуковую частоту на различные цветовые каналы.
А в блоках питания постоянного тока ставят заградительные фильтры на частоту 50 Гц для отсечки паразитного напряжения сети.

Читайте также:  Запчасти для инсталляций Cersanit

Источник



8. Фильтры нижних и верхних частот

После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать частоту отсечки резистивно-емкостных фильтров нижних и верхних частот, а также познакомитесь с влиянием изменений частоты на выходное напряжение.

Необходимые принадлежности

* Цифровой мультиметр

один дисковый конденсатор 0.01 мкФ, один резистор 15 кОм.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Фильтр — это частотночувствительная схема, выходная амплитуда которой варьирует в зависимости от частоты на входе.

Фильтр нижних частот — это такой фильтр, который пропускает частоты меньше некоторой определенной частоты отсечки (fco), но подавляет те частоты, которые больше частоты отсечки. Фильтр верхних частот — это такой фильтр, который пропускает частоты, которые больше некоторой определенной частоты отсечки, но подавляет

те частоты, которые меньше частоты отсечки. На рисунке 23-1 представлены выходные характеристики фильтра нижних частот и фильтра верхних частит.

2-81.jpg

Фильтры нижних и верхних частот могут быть реализованы различными способами. Простейший фильтр — это резистор и конденсатор, соединенные между собой, как показано на рисунке 23-2.

2-82.jpg

Характеристики фильтров

Ключевой характеристикой фильтра нижних частот или фильтра верхних частот является его частота отсечки (fco). Как Вы можете видеть на основании рисунка 23-1, частота отсечки — это такая частота, где выходное напряжение фильтра падает до 70,7% от его максимально возможного выходного напряжения. В фильтре нижних частот выходное напряжение остается относительно постоянным по мере того, как возрастает входная частота. С приближением к частоте отсечки выходное напряжение начинает уменьшаться. Когда достигается частота отсечки,’выходное напряжение понижается до 70,7% от его максимально возможного значения. Выходное напряжение продолжает убывать по мере возрастания частоты.

В фильтре верхних частот выходное напряжение имеет максимальное значение, когда входная частота с запасом превышает частоту отсечки. Когда входная частота постепенно уменьшается, выходное напряжение понижается по мере приближения к частоте отсечки. Когда достигается частота отсечки, выходное напряжение понижается до 70,7% рт его максимально возможного-значения. Выходное напряжение продолжает убывать по мере дальнейшего уменьшения входной частоты.

В фильтре нижних частот сигналы с частотой

ниже fco пропускаются без ослабления или лишь с незначительным ослаблением; сигналы с,частотой выше fco быстро ослабляются. В фильтре верхних частот сигналы с частотой ниже fco значительно подавляются, тогда как сигналы с частотой

выше fco, пропускаются с минимальным противодействием. Снова обратитесь к рисунку 23-1.

Частота отсечки простого резистивно-емкостного фильтра, подобного показанному-на рисунке 23-2, вычисляется при помощи следующей формулы:

Пример: Если R = 3,3 кОм и С = 0,15 мкф, частота отсечки равна:

fco = 1/6,28(3300)(0,15 х 10^-6)

Краткое содержание

В данном эксперименте Вы познакомитесь с действием резистивно-емкостных фильтров верхних и нижних частот. Поскольку в настоящий момент у Вас нет средств для точного измерения частоты, может быть получено лишь общее представление о работе фильтра. Тем не менее, Вы сможете четко показать, что указанные фильтры действительно пропускают некоторые частоты с минимальным ослаблением, тогда как другие частоты ими сильно подавляются.

2-83.jpg

1. Вычислите частоту отсечки фильтра нижних частот, показанного на рисунке 23-3.

fco______Гц

2. Соберите схему, показанную на рисунке 23-3,

при помощи Вашей макетной панели. Подключите резистивно-емкостной фильтр ко входу генератора функций.

3. Установите регулятор частоты генератора функций на частоту 10 Гц. После этого поворачивайте регулятор амплитуды, чтобы подать напряжение с размахом 4 В к схеме.

4. Далее измерьте выходное напряжение фильтра на конденсаторе. Запишите полученное значение.

Выходное напряжение фильтра = ___ В

5. Подключите осциллограф к конденсатору фильтра. При наблюдении за выходным напряжением поворачивайте ручку регулятора частоты, чтобы увеличить частоту до 1000 Гц. Увеличивается или уменьшается выходное напряжение?

________ увеличивается

_________ уменьшается

6. Основываясь на входном значении в шаге 3, вычислите значение выходного напряжения при частоте отсечки.

Напряжение на частоте

отсечки = ________ В

7. Подавайте при помощи генератора функций синусоидальный сигнал в схему на каждой из частот, указанных в приведенной ниже таблице Установите размах напряжения на входе схемы равным 4 В. В процессе изменения частот

снова проконтролируйте входное напряжение, чтобы убедиться, что оно все еще имеет размах 4 В. Измеряйте выходное напряжение фильтра на каждой частоте и записывайте Ваши результаты в следующую таблицу.

Источник

Фильтры НЧ и ВЧ.

В различных электронных устройствах, в источниках питания, устанавливают специальные приспособления, свободно пропускающие полезные сигналы и препятствующие проникновению паразитных. Такие приспособления, состоящие из катушек индуктивности и конденсаторов, были названы фильтрами.
Электрический фильтр — своеобразное «сито» для тока. Сравнение это не случайное. Судите сами: если в обычное сито насыпать песок, то просеются лишь те песчинки, размеры которых меньше диаметра отверстий в сетке. Похоже действие и электрического фильтра. Он «просеивает» электрические сигналы, свободно пропуская одни и задерживая другие. Только частота сигнала, беспрепятственно проходящего через фильтр, определяется, конечно, не размерами отверстий в сетке, а параметрами его элементов.
Итак, в радиоэлектронике фильтры применяют для выделения полезного сигнала из всего спектра частот, попадающих в электронное устройство. Участок спектра, где сигнал проходит через фильтр практически без потерь, называют полосой пропускания, а область, в которой сигнал подавляется почти полностью, — полосой задерживания. Провести, однако, четкую границу между полосами пропускания и задерживания на самом деле невозможно. Поэтому решили считать лежащими в полосе пропускания только сигналы, имеющие на выходе фильтра амплитуду не менее 0,7 от максимального значения, а все остальные, с амплитудой меньше этого уровня, относить к полосе задерживания.

Читайте также:  Фильтр комбинированный а2в2е2к2р3d изод

В зависимости от частотных свойств фильтры подразделяют на четыре группы: нижних (НЧ) и верхних (ВЧ) частот, полосовые и заграждающие. Что означают чти термины? Расскажем об этом поподробнее. А чтобы наши рассуждения были наглядными, проиллюстрируем их с помощью графиков, представленных на рисунке 1.
Они показывают зависимость амплитуды электрического сигнала на выходе фильтра от частоты. Такие графики получили название амплитудно — частотных характеристик (сокращенно АЧХ). О свойствах того или иного фильтра в первую очередь и судят по ним. Фильтр НЧ свободно пропускает ток с частотой от 0 Гц до какого-то определенного значения f. График, характеризующий такое «поведение» фильтра выглядит как прямая линия, которая по мере приближения к границе полосы пропускания загибается в сторону оси координат (рис. 1а).
Фильтр ВЧ, наоборот, пропускает сигналы только с частотой выше установленного значения f. На графике такая характеристика выглядит как кривая, «вырастающая» из оси координат (рис. 1б).
Полосовой фильтр пропускает электрический ток с частотой от f1 до f2. Его АЧХ напоминает высокий холм на равнине (рис. 1в).
И, наконец, заграждающий фильтр задерживает все сигналы с частотой от f1 до f2, а его амплитудно — частотная характеристика напоминает перевернутую АЧХ полосового фильтра (рис.1г).

Как же устроены фильтры? В состав простейших из них входят три типа пассивных радиоэлементов: резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности или дроссели.
Чаще всего такие устройства собирают из конденсаторов и индуктивных элементов. Они получили название LC — фильтров. Если же в состав устройства входят только резисторы и конденсаторы, то его называют RC — фильтром.
По принципам схемотехнического построения такие фильтры подразделяют на три основные группы: Т-образные, П-образные и Г-образные.
Что это означает? Поясним на конкретных примерах.
На рисунке 2а показаны электрические схемы простейших Т-образных LС — фильтров. Два элемента в них включены последовательно с нагрузкой, а один — параллельно. Их схематическое изображение напоминает букву Т — отсюда и название.
В П-образных LС — фильтрах, наоборот, последовательно с нагрузкой включен один элемент, а параллельно ей — два (рис. 2б). Такие схемы внешне напоминают букву П.
И, наконец, третья группа: Г-образные RC — фильтры. Они состоят всего из двух элементов, один из которых включен последовательно с нагрузкой, а второй — параллельно ей (рис. 2 в).
Теперь выясним, за счет чего электрический фильтр обладает избирательными свойствами — пропускает одни сигналы и подавляет другие.
Если в цепь постоянного тока поставить индуктивный элемент, то он будет вести себя как обычный проводник. Поставим конденсатор — ток прекратится, так как между его обкладками находится диэлектрическая среда.
А что будет, если эти элементы включить в цепь переменного тока? Оба прибора начнут поглощать часть электроэнергии, то есть поведут себя как сопротивления. Это объясняется тем, что катушка индуктивности и конденсатор обладают так называемым реактивным сопротивлением, появление которого обусловлено не свойствами проводящего материала, как, например, у резисторов, а магнитными и электрическими характеристиками этих элементов. Реактивное сопротивление выражается в омах и обозначается буквой Х. Для катушки индуктивности его определяют по формуле:
ХL = 6,28 f·L,
где f — частота тока в герцах, а L — индуктивность данной катушки в генри.
Для конденсатора реактивное сопротивление равно:
ХС = 1/6,28·f·C,
где С — емкость данного конденсатора в фарадах.
По сути дела, эти формулы выражают закон Ома для цепи переменного тока с индуктивным или емкостным элементом.
Вероятно, вы уже обратили внимание, что в обеих формулах одна из переменных — частота тока в цепи. Оказывается, она существенно влияет на реактивное сопротивление конденсатора и катушки индуктивности. Чем выше частота переменного тока, тем больше индуктивное сопротивление и меньше емкостное, и наоборот. Справедливость наших выводов легко проверить, обратившись к формулам.
Как видно из них, индуктивный элемент хорошо пропускает сигнал НЧ, почти не оказывая ему сопротивления, и в то же время сильно ослабляет ВЧ составляющую.
Действие конденсатора в цепи переменного тока приводит к обратному результату — он свободно пропускает ВЧ сигнал и подавляет низкочастотный.

Именно эти свойства конденсаторов и катушек индуктивности положены в основу фильтрации. Соединяя в определенном порядке элементы с реактивным сопротивлением, получают фильтры с различными свойствами и пропускающей способностью. И их используют в самых разнообразных устройствах.
Например, колебательный контур в радиоприемнике — он выделяет из всех электромагнитных волн, принимаемых антенной, только волну определенной частоты.
Другой вариант фильтра — регулятор тембра в магнитофоне или телевизоре. Вращая движки регуляторов, вы тем самым освобождаете или, наоборот, загораживаете «дорогу» сигналам различной частоты.
Еще один пример устройства, в котором нашли применение фильтры — установка для цветового сопровождения музыкальных программ (сокращенно ЦМУ — цветомузыкальная установка). Они пропускают определенную звуковую частоту на различные цветовые каналы.
А в блоках питания постоянного тока ставят заградительные фильтры на частоту 50 Гц для отсечки паразитного напряжения сети.

Источник