Экзамен эпу. экзамен эпу. 1 Гальванические элементы. Классификация. Назначение. Основные характеристики. Принцип работы

• Название: 1 Гальванические элементы. Классификация. Назначение. Основные характеристики. Принцип работы
• Анкор: Экзамен эпу
• Дата: 12.10.2022
• Размер: 3.47 Mb.
• Имя файла: экзамен эпу.docx
• Тип: Документы; #729564
• страница: 4 из 9

15.Сглаживающие фильтры. Назначение. Классификация. Основные параметры.

На выходе любой схемы выпрямления имеет место пульсация напряжения. Амплитуда и характер пульсации зависят от схемы выпрямления, характера нагрузки, формы входного переменного напряжения и других факторов. Напряжение пульсации создает помехи в питаемой аппаратуре и может нарушить нормальный режим ее работы. Для снижения амплитуды пульсации до до­пустимого значения выпрямительные устройства снабжают фильтрами. Если считать, что выпрямитель нагружен на чисто активную нагрузку и входное напряжение синусоидально, то вы­прямленное напряжение может быть представлено в виде сле­дующего ряда Фурье



где U_m - максимальное значение выпрямленного напряжения;

m - число фаз выпрямления

f - частота входного напряжения.

Слагаемое перед скобками- постоянная составляющая сиганала, а члены ряда характеризуют гармонику. С ростом номера гармоники напряжение уменьшается.

Оценка мешающего действия пульсации напряжения

Если в выпрямленном напряжении имеются гармоники с часто­тами f₁, f₂, …f_n. амплитудные напряжения которых соответственно U₁, U₂, … U_n, то полное эффективное напряжение помех определяется как среднее квадратичное из выражения



Напряжение помех с учетом чувствительности органов слуха человека к колебаниям различных частот называют псофометрическим напряжением. Полное эффективное псофометрическое на­пряжение помех, содержащих ряд гармоник,



где а_х, а₂,.. . , а_n - псофометрические коэффициенты для соответствующих гармоник.

Полное эффективное (среднее квадратичное) напряжение пуль­сации измеряется вольтметром с квадратичной характеристикой детектирования и частотным диапазоном от 20 до 20000 Гц.

Амплитуда пульсации напряжения на выходе схемы выпрямле­ния в большинстве случаев превышает допустимое значение. Для снижения амплитуды пульсации применяют сглаживающие фильтры.



Рисунок 4.1 – Сглаживающие фильтры

Схемы и конструкция фильтров могут быть самыми разнооб­разными. Простейшие фильтры (рисунок 4.1, а и б) обычно состоят из одного элемента (индуктивности или емкости). Одно- и многозвен­ные фильтры (рисунок 4.1, в, г и д) состоят из различных комбинаций L, Си R.. В резонансных фильтрах (рисунок 4.1, е и ж) имеются резо­нансные контуры, настроенные на одну из гармоник (обычно первую) выпрямленного напряжения. Электронные фильтры (рисунок 4.1, з), в которых в качестве управляемого сопротивления, подавляющего переменную составляющую, используются схемы с транзисторами. В фильтрах с аккумуляторной батареей (рисунок 4.1, и) аккумуляторная батарея, кроме основного своего назначения - резервирования питания, выполняет вторую задачу - обеспечивает уменьшение пульсации. Для питания стационарной аппаратуры автоматики и связи на железнодорожном транспорте наиболее широкое распространение получили схемы фильтров (см. рисунок 4.1, а, г, д и и).

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэф­фициент фильтрации, который показывает, во сколько раз фильтр уменьшает амплитуду напряжения соответствующей гармоники ,где U_nвх и U_nвых- амплитудные значения напряже­ния n-й гармоники соответственно на входе и выходе фильтра.

16. Сглаживающие фильтры из индуктивности и емкости.

Фильтр, состоящий из одного дросселя обычно применяется для неизменной нагрузки ( на большой ток и малое напряжение), так как его коэффициент фильтрации в значительной степени зависит от тока нагрузки. Если коэффициент фильтрации должен быть большим, то фильтр индуктивный применять нецелесообразно, так как в это случае он получается дорогой и громоздкий.

Расчет элементов фильтра из одного дросселя (см. рисунок 4.2, а). Применительно к этой схеме можно записать два равенства для n-й гармоники

и ,

где i_n - переменный ток, возникающий в цепи под влиянием гармоники

с напряжением U_n;

r -активное сопротивление дросселя;

ω_n - угловая частота n-й гармоники;

R_H - сопротивление нагрузки;

L - индуктивность дросселя.

Коэффициент фильтрации будет определяться соотношением

(4.4)

Обычно активное сопротивление дросселя г и активное сопро­тивление R_н много меньше индуктивного, поэтому ими можно пренебречь. При этих условиях равенство (4.4) принимает вид (4.5). Индуктивность дросселя на основании (4.5) . Фильтр, состоящий из одного дросселя, обычно применяется при неизменной нагрузке, гак как его коэф­фициент фильтрации в значительной степени зависит от тока нагрузки. Когда k_n должен быть большим, фильтр из одного дросселя не применяют, так как в этом случае дроссель получается громоздким и дорогим.


Рисунок 4.2 – Сглаживающий фильтр, состоящий из одного дросселя L (а), и однозвенный фильтр (б)

Расчет коэффициента фильтрации однозвенного фильтра (рисунок. 4.2, б). Необходимый коэффициент фильтрации, отнесенный к первой гармонике, при котором обеспечивается снижение суммарной пуль­сации допустимого значения.


Расчет элементов однозвенного фильтра (см. рисунок 4.2, б). Данный фильтр тем лучше сглаживает пульсацию, чем больше индуктив­ность дросселя и емкость конденсатора. Сопротивление конденса­тора С для переменного тока должно быть гораздо меньше, чем сопротивление нагрузки. Поэтому при расчетах фильтра можно сопротивление R_н не учитывать. Тогда применительно к данной схеме будут справедливы следующие два равенства для n-й гармо­ники:

; ,

где - индуктивное сопротивление дросселя;

- емкостное сопротивление конденсатора.

Коэффициент фильтрации для данной схемы



Сопротивлением г² можно пренебречь. Тогда

.

Из этого выражения

.

Затем по рабочему напряжению и емкости выбирают конденса­торы, после чего определяют требуемую индуктивность дросселя. В Г-образном фильтре на дроссель приходится наибольшее падение напряжения переменной составляющей выпрямленного напряже­ния, так как только в этом случае на конденсаторе и нагрузке, присоединенной параллельно к нему, напряжение пульсации будет мало. В связи с этим должно выполняться неравенство x_L<< x_C, тогда Г-образный фильтр будет иметь индуктивную реакцию. Для предотвращения резонансных явлений в фильтре необходимо, чтобы собственная частота фильтра была бы меньше частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения. Опыт пока­зывает, что собственная частота фильтра, определяемая из соотно­шения , должна быть по крайней мере в 2 раза меньше частоты гармоники, на которую рассчитывается фильтр.

17. Сглаживающие фильтры с аккумуляторной батареей.

Аккумуляторная батарея, применяемая в буферных электропитающих установках, используется как резервный источник тока. Одновременно совместно с элементами фильтра она обеспечивает сглаживание выпрямленного тока. Переменная и постоянная составляющие выпрямленного тока проходят по двумя путям - че­рез батарею и через нагрузку (рисунок 4.3).

Каждая из этих цепей имеет различное сопротивление для переменного и постоянного токов. Постоянная составляющая выпрямленного тока в основном протекает через нагрузку и только небольшая часть (в режиме непрерывного подзаряда) ответвляется через батарею. Это происходит потому, что батарея аккумуляторов включена таким образом, что ее э. д. с. направлена навстречу э. д. с. выпрямителя и препятствует прохождению постоянного тока. Переменная составляющая выпрямленного тока ответвляется через аккумуляторную батарею и только незначительная часть - через нагрузку.

Для эффективного сглаживания пульсации при буферной систе­ме электропитания необходимо, чтобы сопротивление цепи батареи для переменной составляющей выпрямленного тока было гораздо меньше, чем сопротивление нагрузки. Сопротивление существенно зависит от способа подключения аккумуляторной батареи. Сущест­вует несколько способов подключения батареи.

В двухпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (рисунок 4.4, а) сопротивление цепи батареи (между точками а и б)



где R_пр- сопротивление элементов защиты;

R_п- сопротивление элементов коммутации;

R_ш1и R_т2 - сопротивление соединительных шин;

R₆ - сопротивление аккумуляторной батареи.

В некоторых случаях, особенно для электропитающих установок, рассчитанных на низкие напряжения и большие токи, может оказаться, что сумма сопротивлений, включенных в цепь батареи, значительно превосходит ее собственное сопротивление, что резко снижает фильтрующее свойство батареи.



Рисунок 4.3 – Схема распределения постоянной и переменной составляющих выпрямленного тока на выходе выпрямителя

Рисунок 4.4 – Схемы подключения аккумуляторной батареи к выпрямителю и нагрузке:

а – двухпроводная; б – четырехпроходная; в- упрощенная двухпроводная

В четырехпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (рисунок 4.4, б) все дополнительные элементы исключены из цепи батареи и перенесены в главную цепь питания. Сопротивление цепи батареи для этой схемы R_цб = R₆. Схема обеспечивает эффективное сглаживание, но мало экономична, так как в аккумуляторную необходимо проложить две пары шин.

В упрощенной двухпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (рисунок 4.4, в) часть элементов, повышающих сопротивление цепи батареи, перенесена в главную цепь питания. Сопротивление цепи батареи для этой схемы . Если в этой схеме шины выбрать с такой площадью поперечного сечения, что сопротивление их не будет превышать 10% от сопротивления батареи, то схема по своим качествам будет мало отличаться от четырехпроводной. Схема имеет широкое распространение.

18. Транзисторные сглаживающие фильтры

Транзисторные сглаживающие фильтры могут быть построены по примеру LC-фильтров так, что транзистор заменяет дроссель или конденсатор фильтра. Практически транзисторные сглажи­вающие фильтры целесообразно применять лишь с последователь­ным включением транзистора, заменяя при этом дроссель. В та­ком случае транзисторный сглаживающий фильтр может быть рассчитан на большие токи нагрузки и сравнительно низкие на­пряжения.

Рисунок 4.5 - Схема П-образного транзисторного сглаживающего фильтра (а), выходные характеристики транзистора (б) и эквивалентная схема фильтра (в)

Транзистором называют полупроводниковый, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор.

На рисунке 4.5 показана схема П-образного сглаживающего фильтра, в котором действие транзистора эквивалентно действию дросселя. Подобно дросселю транзистор обладает сравнительно большим сопротивлением переменному току и небольшим сопротивлением постоянному току. Эти сопротивления определяются в виде: и ,

где I_K, U_КЭ и соответствующие приращения этих величин показаны на рисунке 4.5 а, б.

О величинах сопротивлений R_п и R₀ можно судить по следующе­му примеру. По выходным характеристикам транзистора (рисунок 4.5б) для рабочей точки А имеем: I_к—200 мА, U_КЭ=16 В, ΔU_КЭ= 12 В, R_п=R_к=3000 Ом, R_о=80 Jм.

В простейших схемах транзисторных фильтров для поддержа­ния постоянства тока I_э используется цепочка R₁C₂(рисунок 4.5 а) с большой постоянной времени. В результате ток за время одного периода пульсации практически не меняется и в схеме создается необходимое напряжение между эмиттером и базой транзистора. При отсутствии R₁C₂ цепочки пришлось бы включать отдельную батарею. Таким образом, цепочки R₁C₂играют в схеме фильтра вспомогательную роль, С_ф1 — является емкостным филь­тром, а действие Г-образной части схемы рисунка 4.5, а сводится к тому, что часть переменной составляющей входного напряжения на фильтре усиливается транзистором (усиливается лишь та часть напряжения, которая непосредственно приложена ко входу тран­зистора), причем усиленное напряжение сдвинуто по фазе отно­сительно входного напряжения на 180°. В результате этого осу­ществляется частичная компенсация переменной составляющей и пульсация напряжения на нагрузке уменьшается.

Характеристики:

- реактивное сопротивление конденсатора C₂.
Как видно из схемы, сопротивление фильтра постоянному току

,

При этом падение напряжения постоянного тока на фильтре

.

Емкость конденсатора , так как требуется большая постоянная времени R₁C₂которую целесообразнее создавать за счет большой емкости С₂. Здесь f_п — наиболее низкая частота пульсации. Конденсатор С₂должен быть рассчитан на рабочее на­пряжение , где U₀— постоянное напряжение на на­грузке.

Сопротивление

,

где α_i — статический коэффициент усиления транзистора по тюку; I_К0 — ток коллектора при I_Э=0; R_H— сопротивление нагрузки; U₀ — напряжение на нагрузке.

Коэффициент сглаживания П-образного фильтра (т. е. включая конденсаторы С_ф1 и С_ф2) по схеме рисунка 4.6, а можно определить в виде

,


Рисунок 4.6 - Схемы Г-образных транзисторных сглаживающих фильтров: а —с выходной емкостью С_ф2, б—бет внешней выходной емкости
Примером простейшей схемы транзисторного сглаживающего фильтра с автоматическим смещением служит схема, показанная на рисунке 4.6, а. Здесь показана Г-образная часть фильтра, причем транзистор действует как дроссель. Максимальный коэффициент сглаживания такого фильтра может быть определен на основания его эквивалентной схемы, подобной схеме рисунке 4.5в. После соответствующего упрощения можно найти

.

Получаемые при этом коэффициенты сглаживания подобных филь­тров намного меньше, чем фильтров с фиксированным смещением. Этим можно объяснить, что фильтры по схеме рисунка 4.6, а применяются редко.

На рисунке 4.6б показана схема транзисторного сглаживающего фильтра, у которого нагрузка включена в цепь эмиттера, т.е. схе­ма в целом представляет эмиттерный повторитель. В этой схеме отсутствует конденсатор С_ф2.

Не исключена возможность подключения конденсатора С_ф2 большой емкости на выходе фильтра, как показано пунктиром на рисунке 4.6,б. Однако это целесообразно лишь в том случае, если Сф₂=2—3 тыс. мкФ. В противном случае действие С_ф2 не эффек­тивно.

В транзисторных сглаживающих фильтрах целесообразно при­менять составные транзисторы вследствие того, что коэффициенты усиления таких транзисторов резко увеличиваются по сравнению с одиночными транзисторами. Например, для двойного составно­го транзистора ,а для тройного — .С другой сто­роны, увеличение значения β приводит к лучшему сглаживанию пульсаций и уменьшению выходного сопротивления фильтра.

В качестве примера на рисунке 4.7 приведены две схемы фильт­ров с составными транзисторами. Их особенности и методика ра­счета иллюстрируются примером расчета.



Рисунок 4.7 - Схемы сглаживающих фильтров с составными транзисторами
Применение многозвенных транзисторных фильтров практиче­ски отпадает по ряду причин, в том числе и вследствие резкого уменьшения кпд., усложнения схем, снижения надежности дейст­вия и т. п.