книги / Электротехнические устройства радиосистем
..pdfфазного трансформатора, кривая выпрямленного напря жения соответствует шестифазной схеме. Пульсация на пряжения и ее частота равны:
б1 — ,„2 ^ - = б Г ~ Т — 0’057 ИЛИ 5'7°1о И f‘ —6fc-
Так как к нагрузке приложено линейное напряжение вторичной обмотки, то среднее значение выпрямленного напряжения (при соединении обмоток звездой) составит:
U0 = ^ U m„ s i n ^ = ^ C J m a ± |
и t/fM = -5-t/e= l,0 5 t/„ |
|||
откуда |
и„ |
1,05 |
||
U, |
||||
К з - У 2 |
I' 3 |
Uo = 0A3Ua. |
||
|
- V 2 |
|||
Закрытый вентиль находится под обратным напряже нием, равным линейному напряжению вторичной обмот ки. Поэтому амплитуда обратного напряжения равна амплитуде линейной э. д. с. вторичной обмотки, т. с.
UoGv= '^шл = 1,05UQ.
Ток через вентиль протекает в течение 1/3 части пе риода, и по токовым нагрузкам вентилей эта схема эк вивалента трехфазной однотактной, т. е. среднее значение и действующее значение тока вентиля соответственно
равны / Ср = /о/3; / а = / 0/ J/3.
В фазе вторичной обмотки трансформатора ток про текает в течение 1/3 части периода в одном направлении и после паузы (1/6 часть периода) в другом направлении также в течение 1/3 части периода. Поэтому действую
щее значение тока в фазе вторичной обмотки в / 2 раз больше, чем в вентиле (два импульса тока за период), т. е.
7s = / a/ 2 = ^ | / 0.
Напряжение и ток в фазе первичной обмотки опреде ляются из выражений
U , = n U 2 и / , = - i - / 2.
Габаритные мощности |
обмоток и |
трансформатора равны |
и составляют: |
|
|
Рт = Л = Ра = щ а д = |
3.0,43и 0 |
/ 0 = 1,05Ро, ва. |
Достоинствами схемы Ларионова являются малое обратное напряжение на вентиле (l,Q5t/0), хорошее ис пользование трансформатора (Рт='1,05Р0), небольшая амплитуда пульсации (5,7%) при относительно высокой ее частоте (6fc), возможность применения трансформа тора с любыми схемами соединения обмоток. К недо статкам схемы следует отнести (большое число вентилей (шесть) и при использовании вентилей с накальными катодами необходимость не менее чем в четырех раз дельных источниках питания накала.
Г л а в а с е д ь м а я
СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
7-1. ТИПЫ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ
В любом .выпрямителе выходное напряжение, помимо постоянной -составляющей, содержит переменную составляющую, называемую пульсацией 'напряжения.
Эта пульсация может быть столь значительна, что не посредственное питание нагрузки от выпрямителя .возмож но только в редких случаях, когда приемник энергии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленно го напряжения (при зарядке аккумуляторных батарей, питании цепей сигнализации, электродвигателей и т. д.). При питании радиоаппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу пи таемых устройств, .внося дополнительные искажения в преобразуемые сигналы.
Для уменьшения переменной составляющей в вы прямленном напряжении, т. е. для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается спе циальное устройство, называемое сглаживающим фильт ром. Работа таких фультров основана на селективных свойствах используемых в них LC- и RC-звеньев.
Относительное значение переменной составляющей (пульсации) напряжения характеризуется коэффициен-
232
тами пульсации /епр на выходе выпрямителя (перед фильтром) и 1ги.ц на нагрузке (после фильтра), которые в относительных единицах равны:
У |
_ |
И~ 0 И А |
_ |
“ ~н |
^ п р — |
-ту- и ^п .н — |
-77“ * |
||
где и_о и t/^н — амплитуда первой |
гармоники перемен |
|||
ной составляющей |
напряжения |
на |
выходе выпрямителя |
|
(на входе фильтра) и на нагрузке (на выходе фильтра) соответственно; Щ и Un— постоянная составляющая напряжения на -выходе выпрямителя и на нагрузке со ответственно.
Коэффициент пульсации определяют по первой гар монике переменной составляющей выпрямленного на пряжения, так как все высшие гармонические по своей абсолютной величине значительно меньше первой и ос лабляются фильтром в большей степени.
Сглаживающий фильтр представляет собой устрой ство, предназначенное для уменьшения переменной со ставляющей выпрямленного напряжения (пульсации) до
.величины, при которой обеспечивается нормальная ра бота питаемой аппаратуры. -Наряду с ослаблением пе ременной составляющей напряжения сглаживающий фильтр несколько уменьшает его постоянную составля ющую {Uu< U o ) . Чем меньше степень уменьшения постоянной составляющей, т. е. чем ближе к единице от-
и* |
1 |
* |
ношение напряжений {7_ = "Х |
П'РИ неизменном ослаб |
|
лении переменной составляющей, тем качественнее фильтр. Для фильтров выпрямителей малой мощности отношение напряжения обычно составляет ]UQ/UU= = 1,05-г-1,1 а для выпрямителей большой мощности — UolUu= 1,005- 1,01.
Таким образом, в практических расчетах можно при нять UQt t U „ и коэффициент сглаживания (или фильт рации), показывающий степень ослабления переменной составляющей напряжения фильтром, равен:
Пульсация напряжения на нагрузке задается требо ваниями приемника энергии к питающему напряжению,
.а пульсация напряжения на выходе выпрямителя из вестна после выбора схемы выпрямления и определения
ее параметров. Отношение этих величин определит необ ходимый коэффициент сглаживания фильтра.
Наиболее широко используют Г-образный индуктив но-емкостный фильтр (рис. 7-1,а).
L
L
if) |
И) |
Рис. 7-1. Схемы сглаживающих фильтров.
а — Г-образного из |
индуктивности и емкости; б — из |
индуктивности |
и аккумуляторной |
батареи; ^ — активно-емкостного; |
г — П-образно* |
ного индуктивно-емкостного. |
|
|
Для сглаживания пульсации таким фильтром необходимо, чтобы емкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты пульсации было много меньше сопротивления на
грузки |
^ Гн) ’ а также много меньше индук |
тивного сопротивления дросселя для первой гармоники
При выполнении этих условий, пренебрегая активным сопротивлением дросселя, коэффициент сглаживания Г-образного фильтра можно определить из следующего выражения:
<7 = |
|
= |
^ - 1 |
1. (7-1) |
|
|
1 |
- * с |
Л С |
|
|
Так как |
m0 — собственная частота фильтра, то |
||||
|
|||||
VLC
Коэффициент сглаживания q определяется отношени ем известных или задаваемых пульсаций на входе и вы ходе фильтра. Из выражения (7-1) можно получить
Зависимость необходимого произведения величин эле ментов LC-фильтра от требуемых значении коэффици ента сглаживания q и основной гармоники частоты Пульсаций т*о в таком виде:
LC = |
<7+ 1 |
(7-3) |
|
т 2(о2 |
|
Выражая |
L в генри, С — в микрофарадах и учитывая, |
||||
•*го (о = 2лд • |
50 = 314а, где a = f/50, |
получим выражение: |
|||
|
LC = |
(^+1)10° _ |
\ |
0 (д + \) |
(7-4) |
|
.т 2а 2-3142 |
|
т2а 2 |
||
|
|
|
|
||
В зависимости от условий работы приемника энергии вы бор соотношения величин L и С фильтра производится либо с учетом максимально допустимого волнового сопротивления
либо по заданному коэффициенту частотных
искажений, вносимых исхочником питания. При работе фильтра должны отсутствовать резонансные явления. При ориентировочных расчетах принимают сопротивле ние нагрузки фильтра (г„) равным его волновому сопро тивлению р, т. е.
|
г„ = Р = / 5 |
- |
|
|
|
||
Из этого выражения, |
с |
учетом того, что у |
Г-образного |
||||
однозвенного |
фильтра |
резонансная |
частота |
ш0 |
равна ш0 = |
||
= 1/|/LC, можно получить следующее соотношение: |
|||||||
|
|
С |
= " . |
|
|
|
(7-5) |
|
|
|
'и |
|
(7-4), |
получим: |
|
Подставляя в (7-5) значение LC из |
|||||||
|
|
с = |
У 7 + т |
|
|
|
|
|
|
|
/лсог,, |
|
|
|
|
Так как |
г„= £/„//„, |
где |
/„ — ток |
нагрузки, |
то преды |
||
дущее выражение может быть переписано в следующем виде:
Q ___ V '7 ~t~ 1 |
J J I |
(7-6) |
|
ты |
Ul{ |
||
|
Из выражения (7-6) определяется значение емкости конденсатора фильтра. По рассчитанным из (7-4) величине произведения Lc и из (7-6) емкости конденсатора фильт ра находится величина индуктивности дросселя фильт ра L. Если приемник энергии не предъявляет к источни ку питания требований в отношении перенапряжений,
бросков тока и искажений, то L и С выбираются так, чтобы их стоимости были одинаковы, что соответствует минимальной суммарной стоимости.
При получении приведенных выше выражений пред
полагается, |
что |
переменные |
составляющие |
в кривой |
выпрямленного |
напряжения |
имеют частоты, |
кратные |
|
числу фаз, |
т. е. |
/тг»со, 2пт и т. |
д. В действительности за |
|
счет асимметрии напряжений и сопротивлений отдельных фаз выпрямителя возникает переменная составляющая с частотой со, которая ослабляется фильтром незначи тельно и вызывает большую пульсацию напряжения на его выходе. Поэтому значения величин элементов
фильтра выбирают |
в несколько |
раз |
(2—5) большими, |
|||
чем полученные |
из |
расчета |
по формулам (7-4) |
и (7-6). |
||
В случае, когда источник питания имеет резервную |
||||||
аккумуляторную |
батарею, |
готовую |
в любой |
момент |
||
принять на себя |
нагрузку |
при |
прекращении |
подачи |
||
электроэнергии извне, эта батарея помимо своего основ ного назначения (резерв) является также элементом сглаживающего фильтра. Такой фильтр состоит из дрос селя с индуктивностью L и сопротивления аккумулятор ной батареи го, включенного параллельно нагрузке (рис. 7-Л,б).
Пренебрегая активным сопротивлением дросселя и имея в виду, что сопротивление |батареи много меньше сопротивления дросселя для переменной составляющей (r'Q^mwL), коэффициент сглаживания можем опреде лить следующим выражением:
Я — |
]/ (mcoL)2 + |
г\ |
tmuL |
г~б |
|
||
|
|
~ rZ |
Зная коэффициент сглаживания q и сопротивление батареи го, можем определить индуктивность дросселя
Т _ ? гб |
(7-7) |
|
ты |
||
|
'В выпрямительных устройствах малой мощности, предназначенных для питания усилителей, радиоприем ников и пр., в некоторых случаях применяются фильтры, состоящие из резисторов и конденсаторов (рис. 7-1, в). При таком фильтре создается относительно большое па дение напряжения и значительные потери энергии на ре зисторе Гф, но габариты и стоимость такого фильтра меньше, чем индуктивно-емкостного.
Так как коэффициент сглаживания определяется отношением амплитуд первых гармонических переменных составляющих напряжения на входе и выходе фильтра, т. е.
^ПО ^0 9 = т г — = ^п.и
то учитывая, что U0 = [/ц-|- / 0гф, получим:
Учитывая, что емкостное сопротивление конденсатора для Переменной составляющей тока много меньше сопротивления
Нагрузки и резистора гф |
< г„ и ^ т - < гфj , коэффи |
циент сглаживания равен: |
|
|
и о |
+ ( ^ с ) |
|
|
|
|
|
п т С |
= |
|
|
|
|
|
= |
|/ |
г\ (Ш(1)С)2 —[- 1 ^ /*ф//2о)С, |
(7-8) |
|
откуда |
|
|
|
|
|
|
гф с |
, |
(7-9) |
|
|
ф |
Л1Ш* |
|
где q известно |
из |
(7-7). |
|
|
В этих выражениях сопротивление гф включает также сопротивление выпрямителя (диодов и обмоток транс форматора).
При включении на выходе выпрямителя П-образного
индуктивно-емкостного фильтра (рис. 7-1,г) эквивалент |
||||
ный фильтр |
можно |
рассматривать |
как |
двухзвенный |
Г-образный |
фильтр, |
первое звено |
которого |
состоит из |
внутреннего сопротивления выпрямителя и емкости кон
денсатора Си а второе звено — из |
индуктивности L и |
|
емкости конденсатора |
С2. |
|
При необходимости обеспечения большого коэффи |
||
циента сглаживания |
целесообразно |
применение много- |
звенного фильтра (рис. 7-2). Коэффициент сглаживания такого фильтра
|
'•-о |
|
|
^2 |
|
1= <7,<7* •••?«. |
(7-Ю) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
так как |
отношение |
|
амплитуд переменных |
составляющих |
||||
на входе и выходе^каждого звена |
определяет коффициент |
|||||||
фильтрации этого |
звена, т. е. |
|
|
|
|
|||
|
и ~ о __ в |
и ~ \ |
|
U~ п —I |
Чп- |
|
||
|
11~\ |
^1* |
|
и~2 |
|
~н = |
|
|
0— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U~0 |
|
С, |
|
|
|
|
0— |
|
* |
|
Н |
I I |
|
|
|
Рис. 7-2. Схема |
многозвенного |
индуктивно-емко |
|
|||||
стного фильтра. |
|
|
|
|
|
|||
Если все звенья фильтра состоят из одинаковых |
||||||||
элементов, то q\ = qz = |
= q n |
и q = qna, где q3— коэффи |
||||||
циент сглаживания |
каждого |
звена; п — число |
звеньев. |
|||||
Выбор |
числа звеньев фильтра |
производят из условия |
||||||
наименьшей его стоимости, для чего сопоставляют стои мости фильтров, состоящих из различного числа звеньев.
Дроссели фильтров в некоторых случаях снабжают компенсационной обмоткой, включаемой встречно основ ной (рис. 7-3). Компенсационная обмотка дает возмож ность уменьшить пульсацию и снизить подмагничивание сердечника постоянной составляющей тока, что увеличи вает магнитную проницаемость материала сердечника и индуктивность дросселя.
Ослабить в сильной степени пульсацию напряжения определенной частоты позволяют резонансные фильтры (рис. 7-4). В таких фильтрах контур LCU настраивают в резонанс на частоту первой гармоники переменной со ставляющей выпрямленного напряжения тсо. На резо
нансной частоте контур |
LCI{ |
обладает |
максимальным |
|
идеально активным сопротивлением |
|
|||
_ _ (mcaL)2 |
_ |
|
(7-11) |
|
•и--- |
I |
--- |
СкГш |
|
|
|
|
|
|
где гд — активное сопротивление дросселя.
238
Таким образом, Г-образиое звено фильтра, состоящее из контура LCK и конденсатора С>, при резонансной частоте обеспечивает такой же коэффициент сглажива
ния, |
как и |
резисторно-ем |
|
|
L |
|
|
|||||
костный |
фильтр с сопро |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
||||||||
тивлением |
Гф = |
Гр. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
При |
этом |
падение |
на |
|
В |
|
|
|
||||
пряжения |
и «потери энер |
|
|
|
|
|
||||||
гии |
в дросселе L |
малы, |
|
|
|
|
|
|||||
так |
как |
его |
активное |
со |
Рис. 7-3. Схема сглаживающего |
|||||||
противление |
гд |
незначи |
||||||||||
тельно. |
|
|
|
|
|
|
фильтра, дроссель |
которого снаб |
||||
|
|
|
|
резо |
жен компенсационной |
обмоткой. |
||||||
Недостатком |
|
|
|
|
|
|
||||||
нансных фильтров являет |
|
|
|
|
|
|||||||
ся |
их |
|
эффективность |
0 — |
|
|
|
|
||||
только |
для |
одной |
резо |
н С |
, |
i £ |
h * T , |
|||||
нансной |
|
частоты. |
|
Для |
л, |
В |
|
|
|
|||
других |
частот, |
отличных |
0 - |
Л |
- |
i |
l |
|||||
от |
резонансной, |
контур |
|
|
|
|
|
|||||
LCK обладает |
значитель |
|
Рис. 7-4. Схема резонансного |
|||||||||
но |
меньшим сопротивле |
|
фильтра. |
|
|
|
||||||
нием |
и |
|
фильтрующие |
|
|
|
|
|
||||
свойства значительно ухудшаются. Помимо относи тельной сложности настройки контура LCK в резо нанс, недостатком фильтра является неизбежная расстройка его при изменениях тока нагрузки, так как при этом изменяется индуктивность дросселя. Таким об разом, коэффициент сглаживания резонансного фильтра зависит от тока нагрузки выпрямителя.
7-2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ВЫПРЯМИТЕЛЕ С ФИЛЬТРОМ
При |
включении |
и |
отключении |
выпрямителя, |
а также при |
изменении |
его |
нагрузки |
в сглаживаю |
щем фильтре возникают переходные .процессы, которые могут вызвать значительные повышения напряжения и большие броски тока, опасные для элементов выпрями тельного устройства.
Эквивалентная схема выпрямителя с Г-образным ин дуктивно-емкостным фильтром изображена на рис. 7-5,а. При включении выпрямителя, что соответствует замыка нию ключа К, возникают токи и напряжения, для
которых можно написать следующие уравнения:
|
Uo = i*rB+ |
L (± ± + ± - ^ i cdt, |
(7-12) |
где /в /ц ] |
И ис |
^ ic dt /дГн. |
|
Рис. 7-5. Эквивалентная схема (а) и изменение во времени напряже ния и тока (б) при включении вы прямителя с Г-образным индук тивно-емкостным фильтром.
|
Имея в виду, |
что собственная частота фильтра |
|
|||
|
|
“о - \ / ш 0 + |
|
~ т т ' |
|
|
решение уравнений (7-12) получим: |
|
|
||||
ив = |
Uа(1 — e~at cos со^) и /в = / н |
у - e~at sin ш0^, |
(7-13) |
|||
где а « |
; UU--=U0 — /„гв; |
р = |
— волновое |
сопро- |
||
тивление фильтра. |
|
что максимальны й бро- |
||||
Из выражений (7-13) видно, |
||||||
сок |
тока |
при |
включении |
выпрямителя (sin |
= 1 и |
|
240