Ликбез КО. Лекция №4 Сглаживающие фильтры питания.

Всем доброго времени суток. Сегодня продолжение темы про выпрямители и поговорим мы о сглаживающих фильтрах выпрямителей

. Сглаживающие фильтры включаются между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения переменных составляющих (пульсаций) выпрямленного напряжения. Эти фильтры выполняются из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов. Простейший сглаживающий фильтр может состоять только из одного элемента, например дросселя или конденсатора. В малогабаритной аппаратуре сравнительно малой мощности индуктивные элементы фильтра могут быть заменены активными (резисторами).

Сглаживающие фильтры, прежде всего, характеризуются коэффициентом сглаживания q, представляющим собой отношение коэффициентов пульсаций на входе S0 и выходе S0H фильтра:

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Индуктивный сглаживающий фильтр

Применяется в маломощных выпрямителях, но может входить в состав сложных многозвенных фильтров. Параметры дросселя следует выбирать так, чтобы активное сопротивление обмотки rдр было много меньше сопротивления нагрузки (rдр << Rн), а индуктивное сопротивление Xдр = 2πfпLф на частоте пульсаций fп – много больше, чем Rн(Xдр >> Rн). В этом случае почти вся постоянная составляющая напряжения будет приложена к нагрузке, а переменная составляющая – к дросселю.

По заданному коэффициенту сглаживания q можно рассчитать необходимую индуктивность сглаживающего фильтра

Индуктивный фильтр прост, дешев, имеет малые потери мощности; коэффициент сглаживания фильтра растёт с увеличением индуктивности дросселя, числа фаз питающего напряжения и с уменьшением сопротивления нагрузки. Поэтому индуктивные фильтры обычно применяются совместно с многофазными мощными выпрямителями. При отключении нагрузки или скачкообразном изменении ее сопротивления возможно возникновение перенапряжений; в этом случае параллельно обмотке дросселя необходимо включать защитные устройства, например разрядники. В маломощных однофазных выпрямителях индуктивный фильтр может являться звеном более сложного фильтра.

Как выбрать и купить фильтр

Помочь определиться с выбором типа прибора непосредственно в магазине должна вся перечисленная выше информация.

Однако обратите внимание еще на два вопроса:

1. суммарную мощность потребления подключённой нагрузки;
2. наличие розеток в корпусе, которые не обеспечивают фильтрацию напряжения, а работают как простой удлинитель (встречается и такой прибор).

Рекомендуем дополнительно посмотреть видеоролик владельца CompsMaster “Выбираем сетевой фильтр”.

Сейчас вам удобно задать вопросы по теме и поделиться этим материалом с друзьями в соц сетях.

Полезные товары

• Ручка с исчезающими чернилами
• Спальный мешок
• Электровал с пультом для рулонной шторы

Eмкостной сглаживающий фильтр

Емкостной сглаживающий фильтр

состоит из конденсатора Сф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки Rн. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку. Заряд и разряд конденсатора фильтра происходит с частотой пульсаций fп выпрямленного напряжения.

Для расчёта ёмкости конденсатора сглаживающего фильтра

можно воспользоваться следующей формулой

, где

результируещее значение ёмкости выражено в микрофарадах, SOH – коэффициент пульсаций в процентах, %; RH – сопротивление нагрузки в омах, Ом; fc – частота сети в герцах, Гц; m – число используемых при выпрямлении полупериодов за период напряжения сети,m = 1 – для однополупериодных, m = 2 – для двухполупериодных.

Емкостной фильтр целесообразней всего применять совместно с однофазными и маломощными схемами выпрямления.

Меры предосторожности

Если говорить о мерах предосторожности, то для начала следует вспомнить о том, что самодельный сетевой фильтр, который вам хочется собрать из доступных деталей – это довольно-таки сложный технический прибор. И без знаний в области электроники, причем довольно обширных, правильно сделать его попросту невозможно. Кроме того, все работы по созданию или доработке уже существующего устройства должны вестись исключительно с соблюдением всех мер безопасности. Иначе высок риск поражения электрическим током, что может быть не только опасно, но и смертельно.

Тут следует помнить, что конденсаторы, применяющиеся для создания сетевых фильтров, рассчитаны на довольно высокое напряжение.

Это позволяет им производить накопление остаточного заряда. По этой причине получить удар током человек может даже после того, как устройство было полностью отключено от электрической сети. Поэтому при работе обязательно должно присутствовать параллельно включенное сопротивление. Еще одним важным моментом будет то, что перед работой с паяльником следует удостовериться в том, что все элементы сетевого фильтра находятся в исправном состоянии. Для этого следует использовать тестер, которым необходимо замерить основные характеристики и сравнить их с теми значениями, которые заявлены.

Последний важный момент, о котором не будет лишним сказать, состоит в том, что не следует допускать пересечения кабелей, особенно в местах, где потенциальный нагрев может быть очень большим. Например, речь идет об оголенных контактах, а также резисторах сетевого фильтра. Да и не будет лишним убедиться перед тем, как включать устройство в сеть, что не будет никаких замыканий. Это можно осуществить при помощи прозвонки тестером. Как можно убедиться, сделать сетевой фильтр своими руками возможно. Но для этого следует четко знать, какие действия вы осуществляете и иметь определенные знания в области электроники.

Сглаживающие RC фильтры

В схемах выпрямления малой мощности дроссель фильтра может быть заменён резистором RФ. Такие типы фильтров называют RC фильтрами

Расчёт сглаживающего RC фильтра должен вестись с учётом следующих условий

Коэффициент сглаживания фильтра

Сопротивление резистора RФ обычно задаются в пределах RФ = (0,15…0,5)RH; КПД резистивно-емкостного фильтра сравнительно мал и обычно составляет 0,6…0,8, причем при ηф = 0,8 RФ = 0,25RH. Емкость Cф (в микрофарадах), обеспечивает требуемый коэффициент сглаживания q при частоте сети fC = 50 Гц, находят из выражения

Преимущества резистивно-емкостных фильтров: малые габариты, масса и стоимость; недостаток – низкий КПД.

Пути улучшения схемы фильтра

Существует множество вариантов улучшения схемы сетевого фильтра. Один из них отличается остроумием и позволяет существенно экономить потребляемую электроэнергию. Суть метода заключается в следующем:

1. Вскрывают корпус многоразъёмного СФ удлинителя.
2. Одну из токоведущих шин разрезают.
3. Отрезки соединяют с 5 вольтовым реле, рассчитанным на коммутацию тока 3А, 250 в.
4. Два других контакта реле соединяют проводами с USB разъёмом на конце.
5. Разъём подключают к USB входу телевизора.

В результате получается управляемая система питания, состоящая из ТВ, цифровой приставки и блока питания спутниковой антенны. Если ранее при выключении телевизора все части системы оставались в режиме ожидания, то с модернизированным фильтром они полностью отключаются. Стоит с пульта включить телеприёмник, как все коммутированные приборы тоже приводятся в действие и наоборот.

В другом случае идут по пути добавления в СФ LC-фильтра, который, помимо гашения помех от сети, понижает взаимно возникающие электрические помехи от подключённых потребителей.

Штатный варистор (470 в) часто не вызывает срабатывание автоматического предохранителя. Его меняют на аналогичное устройство, рассчитанное на напряжение 620 в. Это позволяет подавлять помехи от работающей стиральной машины, пылесоса и другой мощной электротехники.

Домашние мастера оснащают сетевые фильтры-удлинители звуковой сигнализацией. При превышении в сети уровня напряжения 280 в фильтр оповещает об этом сигналом.

Многозвенные сглаживающие фильтры

Если с помощью индуктивно-емкостного фильтра необходимо обеспечить коэффициент сглаживания пульсаций более 40…50, то вместо однозвенного фильтра целесообразнее использовать двухзвенный сглаживающий фильтр

.

Фильтры с тремя и более звеньями

на практике применяются редко. В общем случае коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев: q = q’q’’q’’’ …

Сглаживающие индуктивно-емкостные фильтры достаточно просты и эффективны в выпрямительных устройствах средней и большой мощностей. Однако масса и габариты таких фильтров весьма значительны, коэффициент сглаживания снижается с ростом тока нагрузки, фильтры малоэффективны при появлении медленных изменений сетевого напряжения. Индуктивные элементы фильтра являются источниками магнитных полей рассеяния, а совместно с паразитными емкостными элементами создают колебательные контуры, способствующие появлению переходных процессов.

Как сделать фильтр дома

Сделать сетевой фильтр с выключателем своими руками не очень сложно, по своей эффективности это устройство не будет уступать Sven Optima Base 5 м Black, Power Cube, Belkin (Белкин), APC PF8VNT3-RS.

Рассмотрим пошаговую инструкцию:

Удлинитель состоит из двух фусек, одна выступает в качестве выключателя ( на фото подсоединены разные ). А другая – размыкателя, варистора, контактных соединений. Именно варистор – это основная защита всех стабилизаторов. Отдельно нужно заметить, что большинство схем основано на принципе соединения простого удлинителя и фильтра; (цифра 14 ничего не значит, скорее всего это просто номер партии)

С2 – это конденсатор, у него должны быть длинные провода, т.к. в противном случаев, Вы не сможете поставить контактные пластины. Но учтите, что слишком длинные шнуры понижают эффективность удлинителя; Если Вы ставите сетевые самодельные фильтры для холодильника, аудиоаппаратуры (магнитофонов, домашних кинотеатров), телевизоров и прочей оргтехники, то необходимо смонтировать возле сетевого провода шайбу из феррита, она помешает помехам; Далее нужно выбрать варисторы. Считается, что оптимальный размер – это 471 с диаметром от 6 до 10 миллиметров; После идут электрические резисторы на схеме R1, R2. Чтобы бытовые приборы не передавали помехи, нужно подобрать мощные резисторы с максимально допустимым сопротивлением. Для расчета этих данных, нужно вычислить отношение мощности, которую потребляют все приспособления, включенные в фильтр. Для ноутбуков резистор в среднем должен быть 5 Ом, для более мощных приборов берутся двухватные; Теперь монтируем дроссели, на чертеже L1, L2. Основные выдвигаемые требования: сердечник из феррита (у импульсных фильтров без него плохая индуктивность), якорь незамкнутого класса либо имеет воздушный зазор

Очень важно, чтобы у дросселя был наибольший ток равняться току катушки; Потребитель постоянного тока должен быть оснащен конденсаторами (С1, С2), в зависимости от размеров блока можно установить один или оба конденсатора. И последним монтируется резистор R3. Его подбираем в зависимости от нужных кВт или Вт

Нужно отметить, что эти блоки серьезно нагружаются со стороны системы питания, поэтому должны быть достаточно большими и мощными; При необходимости установите прибор на стойку. По окончанию работы проведите тест на пропускную способность.

Разные радиолюбительские схемы для сбора сетевого фильтра для техники:

При помощи этой информации Вы сможете своими руками сделать линейный автомат. Источники питания в таком случае могут иметь любую мощность и показания частоты, главное просчитать пропускную способность отдельных деталей.

Транзисторный сглаживающий фильтр

Транзисторные фильтры

по сравнению с индуктивно-емкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций.

Фильтры могут быть выполнены по схемам с последовательным или параллельным включением силового транзистора по отношению к сопротивлению нагрузки, а также с включением нагрузки RH в цепь коллектора или эмиттера транзистора. Недостатком фильтров с нагрузкой в цепи коллектора является большое изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Поэтому чаще используют фильтры, в которых сопротивление нагрузки включено в цепь эмиттера силового транзистора.

Фильтр с последовательным транзистором

Транзисторный сглаживающий фильтр с последовательным включением транзистора и нагрузкой в цепи эмиттера

эквивалентен П-образному LC фильтру. Принцип действия его основан на том, что коллекторный и эмиттерный токи транзистора в режиме усиления практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Если выбрать рабочую точку транзистора на горизонтальном участке выходной вольт-амперной характеристики, то его сопротивление для переменного тока будет значительно большим, чем для постоянного тока.

Транзисторный фильтр

В схеме базовый ток транзистора VT задается резистором Rб. Конденсатор Сб достаточно большой емкости устраняет напряжение пульсаций на переходе эмиттер-база. Поэтому переменная составляющая напряжения пульсаций прикладывается к переходу база-коллектор и выделяется на транзисторе VT. В коллекторном и эмиттерном токе переменная составляющая практически отсутствует, поэтому пульсации в нагрузке RH также очень малы.

Коэффициент сглаживания транзисторного фильтра тем больше, чем больше коэффициент передачи тока транзистора VT и чем больше значение отношений

то есть чем меньше напряжение пульсаций на переходе эмиттер-база силового транзистора.

Составной транзистор

Для более успешного выполнения этих соотношений конденсатор Сб может быть заменён одно- или двухзвенным RC сглаживающим фильтром, а для увеличения коэффициента передачи тока транзистор VT можно выполнить составным

Транзисторный фильтр со стабилитроном

Еще эффективней работает транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора включен стабилитрон

Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Однако амплитуда переменной составляющей напряжения на транзисторе не должна превышать значение постоянного напряжения на нём, иначе фильтр потеряет свою работоспособность.

Фильтр с параллельным транзистором

относительно нагрузки, в отличие от
схем с последовательным включением
, применяется при сравнительно небольшом выпрямленном напряжении (десятки вольт). Режим работы транзистора VT – минимальное значение тока IK.min – устанавливается соответствующим выбором сопротивлений R1 и R2. Переменная составляющая напряжения в этой схеме прикладывается к переходу эмиттер-база транзистора VT, усиливается и выделяется на балластном резисторе Rбл. Эта составляющая оказывается в противофазе с переменной составляющей напряжения, выделяющейся на Rбл при непосредственном протекании тока нагрузки. Выбором Rбл и IK.min можно добиться их полной компенсации. Амплитуда переменной составляющей тока транзистора VT должна быть меньше протекающего постоянного тока IK.min, иначе схема будет неработоспособна. Ток IK.min, не должен быть очень малым, так как иначе потребуется увеличение сопротивления Rбл, что приведёт к снижению КПД фильтра. Слишком большой ток также нецелесообразен, так как увеличивается мощность потерь на транзисторе и снижается КПД.

Коэффициент сглаживания параллельного транзисторного фильтра будет тем больше, чем больше сопротивление Rбл, емкость конденсаторов С1 и С2, крутизна вольт-амперной характеристики транзистора. Недостатком транзисторного фильтра с параллельным включением транзистора является значительное изменение среднего значения коллекторного тока транзистора, при изменении среднего значения выпрямленного напряжения, поступающего на вход фильтра. Это приводит к снижению КПД фильтра.

Следует помнить, что транзисторные фильтры не обеспечивают стабилизацию постоянной составляющей выпрямленного напряжения, а при изменении тока нагрузки, температуры окружающей среды и воздействия других дестабилизирующих факторов вносят дополнительную нестабильность выпрямленного напряжения.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

В сетевых фильтрах часто используют хитрые конденсаторы с непонятными многим надписями — X1, Y2 итп. Это — помехоподавляющие конденсаторы. Разобраться в том, зачем они нужны и чем отличаются от «просто конденсаторов» поможет эта статья.

Для того, чтобы уменьшить помехи, применяют фильтры. Тип фильтра и даже его расположение зависит от конкретного случая. К примеру, если помехи создаются одним источником (двигателем, например), то лучше всего поместить фильтр поближе к этому источнику – замкнуть ток помехи (как на рисунке выше).

Если помехи создаются распределенной схемой в металлическом корпусе (компьютерный блок питания), то фильтр лучше поместить как можно ближе к сетевому шнуру – замкнуть ток помехи внутри корпуса и соединить корпус с самым “чистым” местом схемы, чтобы он сам не излучал.

На рисунке – типичная схема фильтра компьютерного блока питания. Красным показан путь излучаемой помехи, а зеленым – помехи, передающейся по проводам.

Помеха имеет две составляющих – синфазную и противофазную.

Противофазная составляющая помехи — это напряжение помехи между фазой и нейтралью. Для ее подавления используются конденсаторы типа X. Само название X происходит от английского “across-the-line”, буква X похожа на крест (“cross”). На рисунке выше, это конденсатор – C1.

К этим конденсаторам предъявляются такие требования – они должны выдерживать максимально допустимые в сети всплески, не загораться при выходе из строя и не поддерживать горение.

Сейчас используются два основных подкласса X-конденсаторов – X1 и X2.

• X1 – используются в промышленных устройствах, подключаемых к трехфазной сети. Эти конденсаторы гарантированно выдерживают всплеск напряжения в 4кВ.
• X2 – самый распространенный класс конденсаторов. Используется в бытовых приборах с номинальным напряжением сети до 250В, выдерживают всплеск до 2.5кВ.

Емкость X конденсаторов варьируется от 0.1мкФ до 1мкФ. Какую емкость нужно выбрать для данного конкретного прибора можно выяснить только с осциллографом.

Синфазная составляющая помехи — это напряжение помехи между обоими сетевыми проводами и корпусом устройства. Понять, что это такое и зачем нужно немного сложнее.

Рассмотрим типичный импульсный источник питания. Между первичной и вторичной обмоткой трансформатора T1 всегда есть паразитная емкость (нарисована зелененьким). Представим, что конденсатора C7 пока нет. Высокочастотные пульсации беспрепятственно проникают со стока транзистора (самое шумное место схемы!) на вторичную обмотку через зелененькую емкость. Таким образом, на всей выходной части блока питания присутствуют пульсации (с частотой блока питания) относительно заземления и обоих сетевых проводов. Напряжение эти пульсаций может доходить до тысяч вольт. Наш мега-чувствительный прибор будет излучать эти пульсации в эфир, а излучать помехи – это тоже самое, что ловить помехи только с обратным знаком. Прибору будет плохо.

Теперь добавим конденсатор C7. Ток помехи, который просочился через зеленый конденсатор теперь может вернуться туда, откуда взялся по более короткому и менее сложному пути, чем в предыдущем случае и в наш мега-чувствительный прибор ему больше течь не хочется!

Заметьте, что конденсатор C7 теперь связывает сеть с выходом блока питания! Но ведь это-же опасно! Человек, который дотронется одновременно к выходу такого блока питания (к корпусу устройства) и к заземлению (к батареи отопления, к примеру), получит заметный, но не страшный удар. А что будет, если конденсатор C7 сломается? Правильно, выход блока питания станет “электрическим стулом”. Именно поэтому и сделали конденсаторы типа Y – они предназначены для работы в тех местах, где выход их из строя угрожает жизни людей.

Конденсаторы Y – типа делятся на 2 основных класса

• Y1 – Работают при номинальном сетевом напряжении до 250В и выдерживают импульсное напряжение до 8кВ
• Y2 – Самый популярный тип, может быть использован при сетевом напряжении до 250В и выдерживает импульсы в 5кВ

Теперь немного фактов.

• Конденсаторы Y типа можно использовать вместо конденсаторов X типа, но нельзя использовать конденсаторы X типа вместо конденсаторов Y типа.
• Конденсаторы Y типа имеют обычно намного меньшую емкость, чем конденсаторы X типа.
• Если для конденсаторов X типа чем больше емкости, тем лучше, то емкость конденсаторов Y типа нужно выбирать как можно меньшей. Типичное значение 2.2нФ уже прилично бьется, если хватануться за выход БП и за батарею.
• Несмотря на все меры безопасности, производители рекомендуют вынимать вилку из розетки, когда вы на долго покидаете дом.

Рекомендую также почитать документ

CAPACITORS FOR RFI SUPPRESSION OF THE AC LINE: BASIC FACTS

rfi_fact.pdf

Что такое электрический фильтр

Электрический фильтр — это устройство для выделения желательных компонентов спектра (частот) электрического сигнала и/или для подавления нежелательных. Для остальных частот, которые не входят в полосу пропускания, фильтр создает большое затухание, вплоть до полного их исчезновения.
Характеристика идеального фильтра должна вырезать строго определенную полосу частота и «давить» другие частоты до полного их затухания. Ниже пример идеального фильтра, который пропускает частоты до какого-то определенного значения частоты среза.

На практике такой фильтр реализовать нереально. При проектировании фильтров стараются как можно ближе приблизиться к идеальной характеристике. Чем ближе характеристика АЧХ к идеальному фильтру, тем лучше он будет исполнять свою функцию фильтрации сигналов.

Фильтры, которые собираются только на пассивных радиоэлементах, таких как катушка индуктивности, конденсатор, резистор, называют пассивными фильтрами. Фильтры, которые в своем составе имеют один или несколько активных радиоэлементов, типа транзистора или , называют активными фильтрами.

В нашей статье мы будем рассматривать пассивные фильтры и начнем с самых простых фильтров, состоящих из одного радиоэлемента.

Промышленные и самодельные фильтры для трехпроводной системы питания

Среди серийно выпускаемых изделий имеются довольно полезные технические решения, на которые домашнему мастеру стоит обратить внимание.

Краткий обзор полезных функций заводских моделей

Одной из популярных разработок, широко представленной в торговле, считается серия фильтров Pilot разных конструкций.

Принципиальная электрическая схема сетевого фильтра Пилот показана на картинке для облегчения понимания его возможностей.

Остановлюсь на задачах, которые призван решать Pilot XPro, специально созданный для комфортной работы, продления ресурса подключенных потребителей и снижения расхода электричества. Это:

• защита варисторами от импульсных перенапряжений;
• предотвращение действия высокочастотных помех индуктивно-емкостными сопротивлениями;
• управление электропитанием за счет введения функции Master Control;
• защита от перенапряжений, связанных с обрывом нуля;
• плавное отключение и включение оборудования под нагрузку функцией Zero Start за счет исключения бросков тока встроенной схемой;
• автоматика включения потребителей после устранения аварийного пропадания питания;
• два уровня защиты от токовых перегрузок или коротких замыканий за счет плавкого предохранителя и биметаллического расцепителя;
• индикация подключения к сети и уровня напряжения питания;
• контроль температуры и автоматическое отключение при перегреве.

Функция Master Control определяет одну розетку основной (как master-розетка). На нее подключают основной потребитель мощностью более 50ватт, например, системный блок компьютера.

При его включении автоматика одновременно запитывает три других розетки с периферийным оборудованием. Она же отключает их при снятии питания с основного блока.

На корпусе имеются розетки, не управляемые микропроцессорной автоматикой. Их используют для освещения, телефона, другого оборудования

Более подробные сведения об этом оборудовании можете узнать в коротком видеоролике владельца ZIS Company.

Устройство простого сетевого фильтра

СФ бывают двух видов:

1. Встроенные.
2. Стационарные – многоканальные.

Встроенные

Компактные платы СФ являются частью внутреннего устройства различного электронного оборудования. Ими оснащается компьютерная и другая сложная техника.

На фото видно устройство СФ. На плате установлены следующие детали:

• VHF – конденсатор;
• тороидальный дроссель;
• добавочные конденсаторы;
• варистор;
• индукционные катушки;
• термический предохранитель.

Варистором называют резистор с переменным сопротивлением. При превышении нормативного порога напряжения (280 в) его сопротивление может уменьшиться в десятки раз. Варистор выполняет функцию защиты от импульсного перенапряжения.

Стационарные – многоканальные

Корпус прибора имеет несколько розеток. Благодаря этому, есть возможность подключить через фильтр всю имеющуюся электротехнику в одном помещении к одной розетке. Для очистки от радиопомех высокой частоты применяется простой LC-фильтр. Несгораемые термопредохранители предотвращают скачки напряжения. В некоторых моделях применяются одноразовые плавкие предохранители.