Емкостной и индуктивный фильтры

Схема простого емкостного фильтра,которого приведена на рис. 4.6, а. Коэффициент сглаживания фильтра возрастает при увеличении выпрямляемой частоты, емкости фильтра и сопротивления нагрузки: Кс.ф.= wСфRн, где w - частота, Сф – емкость конденсатора, Rн - сопротивление нагрузки.

Рис. 4.6. Электрические схемы фильтров: а— емкостного; б— индуктивного; в — Г-образного LC; г —Г-образного RC

Емкостной фильтр эффективен при малой потребляемой мощности и больших сопротивлениях нагрузки.

Электрическая схема простого индуктивного фильтра приведена на рис. 4.6, б. В схеме индуктивность в виде катушки из медного провода включена последовательно с нагрузкой. Иногда используется катушка, намотанная на замкнутый железный или другой ферромагнитный сердечник, которая называется дросселем. Для постоянного тока сопротивление этой катушки мало, поэтому постоянный ток проходит через нее без потерь. Для получе­ния высокого коэффициента сглаживания фильтра Кс.фнеобходи­мо, чтобы сопротивление по переменной составля­ющей импеданс для первой гармоники было велико. Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра получим в виде

Ки.ф »wLф/Rн, где Lф - индуктивность катушки фильтра.

Согласно этому выражению индуктивный фильтр эффективен при больших частотах, большой индуктивности и малых сопротивлениях нагрузки. Чем больше частота w выпрямляемого напряжения, тем меньше требуемая индуктивность Lфкатушки или дросселя. Соответственно будут меньше их масса и габаритные размеры. Поэтому на самолетах, вертолетах и других летательных аппаратах используется сетевая частота 400 Гц. При такой сетевой частоте меньше также масса и габаритные размеры всех используемых трансформаторов и двигателей по сравнению с аналогичными устройствами эквивалентной мощности, работающими на стандартной частоте бытовой сети 50 Гц. Недостатком использования частоты 400 Гц является постоянный сильный звук, исходящий от дросселей и трансформаторов.

Г-образные, П-образные и активные сглаживающие фильтры.Электрическая схема Г-образного индуктивного фильтра с емкостью (LС-фильтра) приведена на рис. 4.6, в. Этот фильтр можно представить в виде последовательного соединения двух фильтров: индуктивного и емкостного. Удачное сочетание характеристик этих двух фильтров обеспечивает Г-образному LС-фильтру большой коэффициент сглаживания:

Кг.ф= Ки.фКе.ф,

где Ки.фи Ке.ф— коэффициенты сглаживания соответственно индуктивного и емкостного фильтров.

Подставив в эту формулу выражения для С и L-фильтров получим

Кг.ф= w2LфСф.

Из полученного выражения следует, что коэффициент сглаживания Г-образного фильтра не зависит от сопротивления нагрузки. Это важно для многих устройств (усилителей, генераторов и регуляторов), у которых мощность, а следовательно, и внутреннее сопротивление могут меняться в широких пределах.

Из последней формулы найдем выражение для параметров сглаживающей цепи: LфСф= Кг.ф/w2.

Г-образные фильтры используются при больших токах нагрузки, так как даже при большом постоянном токе потери в дросселе незначительны.

При малых токах нагрузки часто используют Г-образный RC-фильтр, схема которого приведена на рис. 4.6, г. По сравнению с Г-образными LС-фильтрами Г-образные RC-фильтры имеют меньшие габаритные размеры, массу и стоимость. Однако при больших токах такой фильтр даёт большие потери в резисторе.

Для повышения коэффициента сглаживания Г-образного RC-фильтра используют активные фильтры, включающие в себя активный элемент в виде операционного усилителя.

Схема RC-фильтра с операционным усилителем приведена на рис. 4.7, а. Такой фильтр эффективен при сглаживании низких частот. Коэффициент сглаживания этого фильтра повышается за счет повышения эффективной емкости интегрирующей цепи в К раз (здесь К —коэффициент усиления усилителя на ОУ). Так как К обыч­­но составляет от 10 до 100, эффективная емкость и коэффициент сглаживания КRCфвозрастают во столько же раз.

Рис. 4.7. Электрические схемы активного (а) и П-образного (б) фильтров

Для повышения коэффициента сглаживания используют также более простые П-образные (рис. 4.7, б) и многозвенные фильтры.