Проектировнаие Г-образного фильтра. Расчет дросселя

Задание на курсовую работу

Двухполупериодный однофазный выпрямитель работает на нагрузку, потребляющую 250мА при напряжении на ней 500 В. Двойная амплитуда (размах) пульсаций не должна превосходить 10 В. Определить параметры Г-образного фильтра, обеспечивающего требуемое значение пульсаций при минимальной стоимости, если частота сети 50 Гц. Рассчитать дроссель.

Введение

Электрические фильтры  — важнейший элемент практически  любой электронной схемы, их можно  встретить в радиоприемной и  передающей аппаратуре, источниках питания, вычислительной технике, устройствах автоматики и телемеханики, звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре. Электрические фильтры относятся к частотно-избирательным устройствам, в которых ослабление сигнала в некоторой области частот мало по сравнению с другими участками частотного диапазона.

Основные параметры  сглаживающих фильтров

Сглаживающий фильтр – электрическая цепь, позволяющая  уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Основной характеристикой фильтра является коэффициент сглаживания пульсаций S, представляющий собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра P_вх к коэффициенту пульсаций на выходе P_вых:

Качество сглаживающего  фильтра  характеризуется следующими величинами:

   

 

Коэффициент сглаживания:

 

Коэффициент сглаживания  учитывает подавление пульсаций  и передачу постоянной составляющей U.

Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что ).

При расчёте коэффициента сглаживания применяются различные определения коэффициента пульсаций. Интенсивность пульсации оценивают различными способами – вычисляют:

действующее значение U; амплитуду U_01m; значение  U_mоф;

По частотному составу  различают:

- низкочастотную пульсацию (<300Гц)

- высокочастотную пульсацию  (>300Гц).

Применяются разнообразные  фильтры:

1. по принципу действия:

а) пассивные

б) активные

2. по степени сложности:

а) простые (однозвенные)

б) сложные (многозвенные или резонансные);

3. по виду элементов:

а) LC-фильтры

б) RC-фильтры.

При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств  используются общесистемные критерии оптимальности: минимальная стоимость, минимальная масса, и минимальные  габариты 

Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.

Пассивные сглаживающие фильтры

Строятся на индуктивностях, емкостях, сочетаниях активных сопротивлений  и емкостей.

1) L-фильтры

Простейший пассивный  фильтр: L-фильтр.

Для него справедливы  следующие соотношения:

2) С-фильтры

Для него справедливы  следующие соотношения:

С-фильтр эффективен в  выпрямителях с малым количеством m импульсов за период выпрямленного напряжения и в устройствах с малым током нагрузки, т.о. область применения С-фильтра противоположна применению L-фильтра.

При необходимости достижения повышенного коэффициента сглаживания, применяют LC-фильтры.

Сглаживающие LC-фильтры

Для увеличения КПД и уменьшения потерь выпрямленного напряжения на элементах фильтра широко применяются индуктивно-емкостные (LC) фильтры. На рисунке изображен однозвенный Г-образный LC-фильтр, состоящий из дросселя Др1 и конденсатора Сф1

 

Этот фильтр отличается от однозвенного RС -фильтра тем, что резистор R1 заменен дросселем Др1. Дроссель обладает большим сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному току. В результате напряжение пульсаций, имеющихся на выходе выпрямителя, перераспределяется на делителе Др1Сф1 таким образом, что основная его часть падает на дросселе и несущественная — на конденсаторе Сф1. В то же время из-за малого сопротивления дросселя постоянному току напряжение на выходе фильтра будет мало отличаться от напряжения на выходе выпрямителя, т. е. КПД LC-фильтра оказывается выше, чем КПД RС -фильтра.

Для увеличения коэффициента сглаживания можно последовательно  с одним звеном LC-фильтра включить точно такое же второе звено.

Уменьшить напряжение пульсаций  на выходе однозвенного LC-фильтра можно также, если параллельно дросселю Др1 включить бумажный конденсатор С2, который вместе с индуктивностью дросселя Др1 образует параллельный колебательный контур. Сопротивление контура на резонансной частоте значительно выше сопротивления дросселя. Поэтому, если емкость конденсатора С2 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура С2Др1 равнялась частоте пульсаций (50 Гц при однополупериодном выпрямлении или 100 Гц при двухполупериодном выпрямлении), большая часть напряжения пульсаций выделится в этом контуре и незначительная пойдет в нагрузку.

LC-фильтры могут быть:

- однозвенные;

- Г-образные;

- П-образные;

- многозвенные.

Для Г-образных фильтров:

В данном случае, в о тличие от случая использования L- или C-фильтров по заданному коэффициенту сглаживания непосредственно рассчитать необходимые значения L и C, пользуясь формулой для не удаётся, но может быть определено следующее:

П-образные LC-фильтры можно рассматривать как последовательность включения простого С-фильтра и Г-образного LC-фильтра.

Для многозвенного LC-фильтра:

В теории фильтров показано, что если зафиксировано дозволенное  значение суммарной индуктивности  и суммарной емкости фильтра, то максимальное значение коэффициента сглаживания в многозвенном фильтре достигается при одинаковых индуктивностях и емкостях в каждом звене.

Количество звеньев  многозвенных фильтров выбирается исходя из критерия оптимальности. Фильтры  с минимальной стоимостью содержат иное количество звеньев, чем фильтры с минимальными массой и габаритами.

Коэффициент сглаживания  можно повысить, используя резонансное  явление и основанный на нем LC-фильтр.

Общий недостаток LC-фильтров является трудность получения больших коэффициентов сглаживания.

Значительный коэффициент сглаживания обеспечивают активные сглаживающие фильтры.

Выбор конденсаторов  для сглаживающих фильтров

Как уже отмечалось, чем  больше емкость конденсатора, тем  он лучше сглаживает пульсации выпрямленного  напряжения, поэтому в фильтрах применяют электролитические конденсаторы, обладающие при малых габаритах и весе большой емкостью. Емкость конденсатора фильтра может составлять десятки, сотни и даже тысячи микрофарад (мкФ). Чем больший ток потребляет нагрузка, тем большую емкость должны иметь конденсаторы фильтра. Для получения значительной емкости вместо одного конденсатора можно применять несколько параллельно включенных.

Другим важным параметром, по которому выбираются конденсаторы фильтра, является его рабочее напряжение, которое не должно быть меньше, чем выпрямленное напряжение. Если, например, выпрямленное напряжение составляет 30 В, а для его фильтрации используется электролитический конденсатор с рабочим напряжением 25 В, может произойти пробой конденсатора, в результате чего, его сопротивление упадет почти до нуля и последует короткое замыкание выходной цепи выпрямителя, которое вызовет резкое увеличение тока, протекающего через диоды и вторичную обмотку трансформатора.

При увеличении тока возможны выход из строя выпрямительных диодов или перегорание вторичной (или даже первичной) обмотки трансформатора.

 

Расчет сглаживающего LC-фильтра.

Выберем схему выпрямления  по таблице 1.

Схема выпрямления	Преимущества	Недостатки	Область применения
Двухполупериодная схема со средней  точкой	Минимальное число вентилей Низкое среднее значение тока вентилей. Простой сглаживающий фильтр.	Необходимость в трансформаторе. Усложненная конструкция трансформатора. Высокое обратное напряжение на вентилях. Большая вероятность появления  пульсаций с частотой сети из-за несимметрии плеч.	Выпрямленное напряжение U0 до 100В. Выпрямленный ток I0 до 500мА. Мощность на выходе P0 до 50 Вт.
Двухполупериодная мостовая	Низкое входное сопротивление. Низкое обратное напряжение на вентилях и низкое среднее значение тока. Простой сглаживающий фильтр. Хорошее использование трансформатора.	Необходимость в 4 вентилях. Повышенное в двое падение напряжения на вентилях.	Выпрямленное напряжение U0 до 400В. Выпрямленный ток I0 до 1 А. Мощность на выходе P0 до 300 Вт.

Таблица 1. Параметры двухполупериодных выпрямителей.

Потребляемая мощность нагрузки:

Из таблицы 1 более  подходит схема двухполупериодная  мостовая.

 

 

 

 

На рисунке 2 представлена принципиальная схема сглаживающего LC-фильтра:

 

U_пит - напряжение сети;

VD1, VD2, VD3, VD4 - выпрямительные диоды (диодный мост);

L₁ - катушка индуктивности (дроссель);

С₁ -  емкость;

R_н — сопротивление нагрузки.

 

Найдем сопротивление  нагрузки:

Действие конденсатора как элемента фильтра сводится к  тому, что шунтируя сопротивление  нагрузки (эквивалентное сопротивление питаемого устройства), он пропускает через себя наибольшую долю переменной составляющей выпрямленного тока. Поэтому необходимым условием, обеспечивающим сглаживающее действие фильтра, является соотношение:

где m — число фаз  выпрямителя.

Действие дросселя сводится к тому, что на нем теряется наибольшая доля переменной составляющей напряжения. Поэтому необходимо, чтобы

Расчет фильтров типа LC сводится к определению параметров индуктивных и емкостных элементов, обеспечивающих требуемое значение коэффициента сглаживания.

Найдем величину коэффициента сглаживания q. Коэффициент сглаживания  — это отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра К_вх к коэффициенту пульсаций на его выходе К_вых:

Коэффициент пульсаций  на входе фильтра задается в зависимости от назначения и типа питаемой схемы. Для однофазной двухполупериодной схемы выпрямления при частоте сети 50 Гц он равен 0,67.

Коэффициент пульсаций  на выходе фильтра — это соотношение  между постоянной и переменными  составляющими тока в нагрузке ( отношение амплитуды переменной составляющей, размаха колебаний переменной составляющей или эффективного значения переменной составляющей к среднему значению):

Вычислим коэффициент  пульсаций на выходе фильтра:

 

Вычислим коэффициент сглаживания фильтра:

Определим произведение LC одного звена Г-образного фильтра  по формуле:

где f_с — частота сети ( в нашем случае 50Гц);

C₁ — емкость конденсатора (в микрофарадах);

L₁ — индуктивность дросселя ( в Гн).

Подставив f_c =50Гц,  m=2, получим:

Определим индуктивность дросселя:

Далее определим емкость  сглаживающего конденсатора :

Найдем подходящий конденсатор . Допустимое напряжение на конденсаторе берем в 1,5 раза больше нагрузки U_max= 750 В.

Выберем конденсатор MKP-LE-Kond 68uF 750VDC 350VAC 75x59 T2. Пересчитаем индуктивность дросселя:

Расчет конструктивных параметров дросселя

Рассчитаем конструктивные параметры дросселей. Выходными  данными для расчета являются индуктивности дросселей L и значения выпрямленного тока.

Тип пластин	Марка пластин	Размеры в см
		a	z	y	lc
Броневой	Ш-30-V	3,0	1,4	4,5	18
Броневой	Ш-19-II	1,9	1,6	2,5	12