Меню

Расчет входного фильтра питания

Расчет фильтров выпрямителя

Русская версия программы «LC-filter 5.0.0.0», позволяющая рассчитывать Г-образные сглаживающие фильтры на реактивных элементах, предназначенные для подавления пульсаций в источниках питания. Программа «LC-фильтр 5.0.0.0» распространяется свободно и оплата не обязательна.

Автор программы — Москатов Евгений Анатольевич из города Таганрога Ростовской области.
Сглаживающий фильтр (смотрите рис. 1) включается между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения переменной составляющей (пульсации) выпрямленного напряжения.

Реактивные фильтры представляют собой соединённые определённым образом дроссели и конденсаторы. На входе фильтра помимо постоянной составляющей присутствует ещё и переменная составляющая, называемая пульсацией напряжения. Эта пульсация велика относительно допустимой для питаемой нагрузки, и непосредственное питание нагрузки от источника питания бывает невозможно. При питании аппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу устройств, внося искажения и помехи. Это относится к пульсации напряжения, вызванной работой системы зажигания в автомобилях; пульсации, вызванной работой источника питания компьютера и приводящей к помехам телевизорам, радиоприёмникам и прочим бытовым электроприборам. Для уменьшения пульсаций напряжения используют сглаживающие фильтры.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания q. Если предположить, что падение напряжения на омическом сопротивлении дросселя отсутствует, то коэффициент сглаживания можно определить как отношение амплитуды пульсации напряжения на входе фильтра U

вх к амплитуде пульсации напряжения на выходе фильтра U

вых. Таким образом, коэффициент сглаживания показывает степень ослабления фильтром переменной составляющей напряжения. Программа «LC-filter» позволяет рассчитывать различные сглаживающие Г-образные индуктивно-ёмкостные фильтры: однозвенные (рис.1), двухзвенные (рис. 2) и фильтры с большим числом звеньев (рис. 3). Количество звеньев фильтра определяется из условия наименьшей стоимости или из условия минимума его суммарной индуктивности и его суммарной ёмкости. Исходя из условия наименьшей стоимости, двухзвенный LC-фильтр целесообразно применять при q > 40. 50, а трёхзвенный LC-фильтр целесообразно применять при q >1500 . 1700. Исходя из второго условия, двухзвенный LC-фильтр целесообразно применять при q > 20, а трёхзвенный LC-фильтр целесообразно применять при q > 160.
Относительно исходных данных программы.
Частота пульсации после мостового выпрямителя увеличивается в два раза. Значит, если частота сети была 50 Гц, то после мостового выпрямителя на фильтр подаётся напряжение с частотой пульсации 100 Гц. Для однополупериодного выпрямителя число фаз равно 1; для двухполупериодного выпрямителя, в том числе мостового, равно 2; для трёхфазного выпрямителя — 3; для трёхфазного мостового выпрямителя — 6. Для выпрямителя, образованного включением двух трёхфазных мостовых выпрямителей последовательно (причём в одном выпрямителе вторичные обмотки трансформатора включены в звезду, а во втором — в треугольник), число фаз равно 12.
Относительно результатов расчёта в программе.
По найденной из расчёта ёмкости требуется выбрать конденсатор. Конденсатор следует выбрать на напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети, увеличенное на 15 . 20 %. Это необходимо для обеспечения надёжной работы конденсаторов при перенапряжениях, возникающих при включении выпрямителя. Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе не превышала предельно допустимого значения. Важным параметром конденсатора является предельно допустимая величина переменной составляющей выпрямленного напряжения, выраженная в процентах его номинального рабочего напряжения. Этот параметр конденсатора в значительной мере зависит от частоты основной гармоники выпрямленного напряжения. В каталогах на конденсаторы обычно приводится допустимая величина амплитуды переменной составляющей для частоты 50 Гц и дополнительно указывается, как изменяется допустимая амплитуда в зависимости от частоты. Емкость электролитических конденсаторов существенно зависит от температуры окружающей среды. Она резко уменьшается при отрицательных температурах, что следует обязательно учитывать при проектировании. Если допустимое для данных частоты и температуры значение амплитуды переменной составляющей превышает расчётное, то следует, либо выбрать конденсатор на большее номинальное рабочее напряжение (не меняя принятой ранее ёмкости конденсатора), либо увеличить ёмкость конденсатора (не меняя принятого ранее номинального рабочего напряжения конденсатора). Дроссель фильтра обычно выбирают стандартным, хотя не исключена ручная намотка по рассчитанным индуктивности обмотки и диаметру провода. Магнитопровод дросселя выбирается исходя из частоты пульсации. Так, для частоты 100 Гц лучше использовать сердечник из пермаллоя или трансформаторного железа. Для частоты 100кГц следует использовать магнитопровод из феррита.
Постоянный ток нагрузки, протекая по обмотке дросселя, создаёт постоянное подмагничивание его сердечника, что смещает рабочую точку на кривой намагничивания на пологий участок, соответствующий магнитному насыщению. Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости и индуктивности дросселя. Для снижения влияния подмагничивания на индуктивность дросселя его сердечник выполняется с немагнитным зазором. При этом следует понимать, что у дросселя с немагнитным зазором в сердечнике велико поле рассеяния, которое может явиться причиной наводок на элементы питаемого устройства. При расчёте фильтра необходимо обеспечить такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора, при котором не могли бы возникнуть резонансные явления на частоте пульсации выпрямленного напряжения и частоте изменения тока нагрузки. Для этого необходимо, чтобы собственная круговая частота фильтра была хотя бы в два раза меньше круговой частоты пульсации. Это условие всегда выполняется при q > 3.

Читайте также:  Маркировка продуктов питания для китая


Скачать программу.

Источник



Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания.

Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры.
Схемы, свойства, онлайн калькулятор.

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций Кп в пределах 10 -5 . 10 -4 так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Кп является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра Кс = Кп-вхп-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Читайте также:  Питание освещения от разделительного трансформатора

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.

Рис.1

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИБП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F :
С1 = Iн/(3,14×Uн×F×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = Iн/(6,28×Uн×F×Кп) — для двухполупериодных.
Кп — это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F — частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ.
Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИБП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки XL на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F 2 (Гц)×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F 2 ×Кп) — для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн 2 (Ом) .

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в. Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице ссылка на страницу:
С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/Rн 2 (Ом) .

Читайте также:  Самый лучший рацион питания для здоровья

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак: С3 = 1/(39,44×L1×F 2 ) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F 2 ) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.

Выбор схемы фильтра &nbsp

Тип выпрямителя &nbsp

Частота напряжения с обмотки трансформатора (Гц)

Выходное постоянное напряжение Uн (В)

Максимальный ток нагрузки Iн (А)

Пульсации выходного напряжения (%)

Минимальное сопротивление нагрузки Rн (Ом) Ёмкость конденсатора С1 (МкФ) Индуктивность дросселя L1 (мГн) Ёмкость конденсатора С3 (МкФ)

Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.

Рис.2

На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.

Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.
При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
Uб = Uвх — Uвх пульсаций — (2,5. 3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
Uкэ = Uвх пульсаций + (3,1. 3,6В) .
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.

Источник

Все о питании © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.