L c фильтр – LC-, ,

Содержание

1.3. Описание lc-фильтров

Фильтры более
высокого качества реализуются на основе
катушек индуктивности и конденсаторов.
В LC-фильтр
могут входить также и резисторы. Связь
входной и выходной цепей большинства
LC-фильтров
соответственно с источником сигнала и
с нагрузкой производится таким образом,
чтобы значения их реактивных или полных
сопротивлений были равны.

На рис. 4 приведена
схема и амплитудно-частотная характеристика
типового Г — образного LC-фильтра
нижних частот.

Рис. 4. Схема и АЧХ
Г — образного низкочастотного фильтра.

Расчет такого
фильтра производится по следующим
формулам:

Все LC-фильтры
обладают тем преимуществом, что на
переменном токе конденсаторы и катушки
индуктивности работают взаимообратно,
т.е. при увеличении частоты сигнала
индуктивное сопротивление возрастает,
а емкостное падает. Таким образом, в
LC-фильтре
нижних частот реактивное сопротивление
параллельного элемента при увеличении
частоты сигнала уменьшается и этот
элемент шунтирует высокочастотные
сигналы. На низких частотах реактивное
сопротивление параллельного элемента
достаточно высокое. Последовательный
элемент обеспечивает прохождение
низкочастотных сигналов, а для сигналов
высоких частот его реактивное сопротивление
велико.

Простой Г — образный
фильтр не обеспечивает достаточную
крутизну амплитудно-частотной
характеристики. Для увеличения крутизны
в основную Г-образную структуру вводят
дополнительную катушку индуктивности,
как показано на рис. 5. Такой фильтр
называется Т-образным.

Рис.
5. Т — образный НЧ LC-фильтр.

В Т — образном
фильтре значение конденсатора С такое
же, как и в исходной Г-образной структуре,
и все ее расчетные формулы сохраняются.
Суммарная индуктивность катушек L1
и L2
должна быть эквивалентна индуктивности
единственной катушки исходной Г-образной
структуры. Обычно требуемая общая
индуктивность распределяется между
двумя этими катушками поровну таким
образом, чтобы каждая из катушек в Т —
образном фильтре нижних частот имела
индуктивность в два раза меньше, чем
катушка в Г — образном фильтре.

Крутизну
амплитудно-частотной характеристики
можно увеличить также путем введения
в цепь дополнительного конденсатора.
Такой фильтр называется П-образным
(рис. 6.).

Рис. 6. П-образный
низкочастотный LC-фильтр.

В П — образном
фильтре значение индуктивности L
такое же, как и в исходной Г-образной
структуре, тогда как суммарная емкость
конденсаторов С1
и С2
должна быть эквивалентна емкости
конденсатора исходной Г — образной
структуры. Обычно требуемая общая
емкость распределяется между двумя
этими конденсаторами поровну таким
образом, чтобы каждый из конденсаторов
в П — образном фильтре имел емкость,
равную половине емкости конденсатора
в Г — образном фильтре.

На
рис. 7 приведена схема и амплитудно-частотная
характеристика типового Г — образногоLС-фильтра
верхних частот.

Рис. 7. Схема и АЧХ
высокочастотного Г-образного LC-фильтра.

Расчет Г — образного
LС-фильтра
верхних частот производится по следующим
формулам:

В этом фильтре при
увеличении частоты сопротивление
последовательного элемента уменьшается.
Он пропускает высокочастотные сигналы,
а для сигналов низких частот его
реактивное сопротивление велико.
Параллельный элемент оказывает
шунтирующее влияние на сигналы низких
частот, а для высокочастотных сигналов
его реактивное сопротивление велико.

Для увеличения
крутизны амплитудно-частотной
характеристики в Г — образную структуру
можно ввести дополнительный конденсатор,
как показано на рис. 8.

Рис. 8. Т — образный
высокочастотный LC-фильтр.

Такой фильтр имеет
Т — образную структуру. В Т — образном
фильтре значение индуктивности L
не отличается от ее значения в исходной
Г — образной структуре и все расчетные
формулы остаются такими же. Суммарная
емкость конденсаторов С1
и С2
должна быть эквивалентна емкости
одиночного конденсатора исходной
Г-образной структуры. Обычно эта требуемая
общая емкость распределяется поровну
между двумя конденсаторами так, что Т
— образном фильтре верхних частот каждый
конденсатор имеет емкость, равную
удвоенному значению емкости в Г — образной
структуре.

Крутизну
амплитудно-частотной характеристики
фильтра можно также повысить путем
введения в схему дополнительной катушки
индуктивности, как показано на рис. 9,
образуя П — образный фильтр.

Рис. 9. П-образный
высокочастотный LC-фильтр.

В П — образном
LC-фильтре
значение емкости конденсатора не
изменяется, а суммарная индуктивность
катушек L1
и L2
должна быть эквивалентна индуктивности
одиночной катушки исходной Г-образной
структуры. Обычно требуемая общая
индуктивность распределяется поровну
между двумя катушками так, что каждая
из них имеет индуктивность, равную
удвоенному значению индуктивности Г —
образной структуры.

Работа
полосно-заграждающего (режекторного)
фильтра основана на различии зависимостей
полных сопротивлений параллельной и
последовательной резонансных цепей от
частоты. Полное сопротивление параллельной
LC-цепи
на резонансной частоте максимально,
тогда как у последовательной цепи оно
минимально. Эти две LC-цепи,
соединенные определенным образом (рис.
10), образуют Г — образный режекторный
фильтр.

Рис. 10. Г — образный
режекторный LC-фильтр.

На центральной
частоте требуемого диапазона полное
сопротивление последовательной LC-цепи
(она включена параллельно нагрузке)
минимально, и она оказывает шунтирующее
воздействие и ослабляет сигналы. Полное
сопротивление параллельной LC-цепи
(которая включена последовательно с
нагрузкой) на центральной частоте
требуемого диапазона максимально, и
она препятствует прохождению сигналов.

Т-образные и
П-образные полосно-пропускающие фильтры
(рис. 11) обладают более высокой крутизной
амплитудно-частотной характеристики.

Расчет
полосно-пропускающих LC-фильтров
производится по следующим формулам:

Рис.11. Полосовые
П- и Т-образные LC
– фильтры.

studfiles.net

LC-фильтр для FPV | RCDetails Blog

LC-фильтр — это один из базовых фильтров в электронике, в простейшем виде он состоит из одной индуктивности и одного конденсатора. Эта схема очень часто используется в FOV хобби для снижения электрических шумов от регуляторов скорости и моторов.

Оригинал: LC Filter and FPV

Что такое LC-фильтр?

LC-фильтр состоит из катушки индуктивности (L) и конденсатора (C). Всё просто.

Индуктивность создает сопротивление изменению тока, проходящего через неё, а конденсатор сопротивляется изменению напряжения. Описание более серьезного фильтра смотрите тут (англ).

Обычно это фильтр нижних частот (ФНЧ), он пропускает сигналы с небольшими частотами, и создает сопротивление высокочастотным сигналам.

Где купить LC-фильтры?

Вот несколько фильтров подходящих для радиоуправляемых моделей.

Перед покупкой убедитесь, что выбранный фильтр подходит по напряжению и току.

Как LC-фильтр улучшает видеосигнал

В коптерах моторы и регуляторы скорости создают шум по линиям питания, он может влиять на качество видео.

Во время полета скорость вращения моторов постоянно меняется. При изменении скорости вращения меняется потребляемый ток и появляются скачки напряжения, что по сути и есть шум.

Чаще всего шум выражается в полосах на изображении.

LC-фильтр может подавить шум в линии питания вашего FPV оборудования (видеопередатчик, камера). Иногда такой фильтр нужен, иногда нет. Некоторые стабилизаторы (DC-DC преобразователи) уже имеют встроенные фильтры, но отдельный LC-фильтр может улучшить ситуацию.

LC-фильтры и конденсаторы с низким ESR

Меня часто спрашивают о том, что лучше использовать: LC-фильтр или Low ESR конденсатор? Должен заметить, что они нужны для разных целей.

LC-фильтр в основном используется для того, чтобы устранить шум в FPV оборудовании, он не устраняет шум, который есть в основной сети (до стабилизатора). С другой стороны, Low ESR конденсатор должен снизить шум доходящий до всех потребителей.

Дополнительная информация: что такое конденсаторы с низким ESR и как их использовать в миникоптерах (англ.)

У LC-фильтров есть максимально допустимый ток, который определяется параметрами катушки индуктивности (дросселя), следовательно, они используются в схемах с небольшим током. В полетных контроллерах очень часто можно увидеть LC-фильтры в цепях питания 5 и 12 вольт, также они бывают и на PDB (тоже для питания FPV оборудования). Обычно LC фильтры более эффективны, чем отдельный конденсатор.

При использовании только LowESR конденсатора нужно проверить только допустимое напряжение.

Делаем свой LC-фильтр

Значение емкости и индуктивности меняет частоту среза. Если вы знаете частоту шума, то сможете подавить его более эффективно. Однако, даже при использовании произвольной индуктивности и конденсатора, вы все равно получите какую-нибудь фильтрацию 🙂

Хорошо, если вы знаете какая вам нужна емкость конденсатора и индуктивность катушки! Если нет, то не парьтесь, не ракету же строим, всё будет нормально.

Вот схема соединения конденсатора и дросселя.

При выборе конденсатора, убедитесь, что он подходит по напряжению, т.е. если вы подключаете LC-фильтр напрямую к LiPo аккумулятору, то конденсатор должен быть на напряжение не ниже (а лучше на 5-10 вольт выше, прим. перев), чем напряжение аккума. Что касается ёмкости, то, чем больше, тем лучше, думаю подойдёт 100 — 2000 мкФ.

Дроссель можно купить или сделать самому, для этого нужно ферритовое кольцо (англ.) и немного провода. Важно правильно выбрать диаметр и длину провода. В идеале нужно сделать как минимум полдюжины витков. А диаметр проводов выбирается исходя из максимальной силы тока.

Если вы сами наматываете катушку, то наматывайте только плюсовой провод. При намотке на ферритовое кольцо НЕ ЗАКАНЧИВАЙТЕ намотку на той же стороне где начали, выход должен быть с другой стороны.

Конденсатор подойдет любой электролитический. Их легко можно найти в старой аппаратуре или в компах. Или купите какой-нибудь на eBay, они очень дешевые. Лучше всего использовать конденсатор lowESR.

Проверьте, что подключили конденсатор со стороны выхода, там, где подключается нагрузка в виде камеры или видеопередатчика.

Заключение

LC-фильтры великолепны, их просто сделать и легко купить (они очень дешевые). Если у вас есть помехи в виде линий на видеосигнале с коптера, фильтр может снизить шум или даже полностью его убрать. Использование только конденсатора не всегда может решить проблему, так что лучше ставить LC-фильтр.

История изменений

  • Февраль 2014 — первая версия статьи
  • Июнь 2018 — обновление статьи, добавлены разные LC-фильтры

blog.rcdetails.info

Расчёт LC — фильтров. Онлайн калькулятор ПФ, ФВЧ, ФНЧ.

LC — фильтры я оставил на десерт, подобно бутылке благородного вина, покрытой слоем вековой пыли.
Это антиквариат, который на Сотбисе не купишь!

Как ни крути, а не получил бы Александр Степаныч наш Попов звание почётного инженера-электрика, не направь он искровой разряд
напрямик в колебательный контур для обретения благословения свыше и резонанса с передающей антенной.

И заскучала бы братва копателей свободной энергии эфира, не изобрети Никола Тесла свой резонансный трансформатор и
электрический автомобиль с неведомой коробочкой. А то и вовсе, заширялась бы в подъездах, лишённая идей вселенского масштаба.

И начнём мы с расчёта самого простого LC-фильтра — колебательного контура.

Включённый по приведённой на рис.1 схеме, он представляет собой узкополосный полосовой фильтр, настроенный на частоту
fо= 1/2π√LС.

На резонансной частоте сопротивление контура равно:

Rо = pQ, где р — характеристическое сопротивление, равное реактивному сопротивлению катушки и конденсатора.

Оно в свою очередь рассчитывается по формуле р = √L/C.

Рис.1

На низких (звуковых) частотах конденсаторы практически не вносят потерь, поэтому добротность контура равна добротности катушки
индуктивности, величина которой напрямую зависит от активного сопротивления катушки. Чем ниже частота, тем больше витков и тоньше
провод, тем проще его измерить тестером. Если эта попытка удалась, то Q=2πfL/R, где R – активное сопротивление катушки индуктивности.


На радиочастотах значение активного сопротивления катушки может составлять доли ома, поэтому для расчёта добротности надо — либо
найти сопротивление в Омах по формуле R= 4ρ*L/(πd²), где ρ — удельное сопротивление меди, равное 0,017 Ом•мм²/м, L — длина в
метрах, d — диаметр провода в мм, либо вооружиться генератором сигналов, каким-либо измерителем уровня выходного сигнала с высоким
внутренним сопротивлением, и определить добротность экспериментально.

К тому же на высоких частотах возможно проявление влияния добротности конденсатора, особенно если он окажется варикапом, хотя
современные недорогие керамические изделия (например, фирмы Murata) имеют значение параметра добротности — не менее 800.

Нарисуем табличку с расчётом фильтра для низкочастотных приложений.

ТАБЛИЦА ДЛЯ LC- РЕЗОНАНСНОГО (ПОЛОСОВОГО) ФИЛЬТРА ДЛЯ НЧ.

Если параметр активного сопротивления катушки R опущен, его значение принимается равным 200 омам.

Необходимо отметить, что все полученные в таблице данные верны и для последовательного колебательного контура.
При этом, если мы хотим использовать свойства контура полностью, т. е. получить острую резонансную кривую, соответствующую
конструктивной добротности, то параллельный контур надо нагружать слабо, выбирая R1 и Rн намного больше Rо (на практике
десятки кОм), для последовательного же контура, сопротивление генератора R1 наоборот должно быть на порядок меньше
характеристического сопротивления ρ.

Теперь, нарисуем таблицу для расчёта высокочастотных резонансных контуров.

Тут на добротность влияет не только активное сопротивление катушек, но и другие факторы, такие как — потери в ферритах, наличие экрана,
эффект близости витков и т. д.
Поэтому вводить этот параметр в качестве входного я не
стану — будем считать, что добротность катушки вы измерили, или подсмотрели в документации на готовые катушки. Естественным образом
значение добротности катушки должно измеряться на резонансной частоте контура, ввиду прямой зависимости этой величины от рабочей
частоты (Q=2πfL/R).


К тому же я добавлю сюда
параметр добротности конденсатора, особенно актуальный в случае применения варикапов.

По умолчанию (для желающих оставить эти параметры без внимания), добротность катушки примем равной 100, конденсатора — 1000, а для
испытывающих стремление измерить эти параметры в радиолюбительских условиях, рекомендую посетить страницу  
ссылка на страницу .

ТАБЛИЦА ДЛЯ LC- РЕЗОНАНСНОГО (ПОЛОСОВОГО) ФИЛЬТРА ДЛЯ ВЧ.

Теперь плавно переходим к LC фильтрам верхних и нижних частот (ФВЧ и ФНЧ).


Рис.2

Крутизна спада АЧХ этих фильтров в полосе подавления — 12 дБ/октаву, коэффициент передачи в полосе пропускания К=1 при R1
Однако наилучшие параметры, с точки зрения равномерности АЧХ и передачи максимальной мощности в нагрузку, обеспечиваются
при R1=Rн=ρ. В этом случае фильтр является согласованным, правда коэффициент передачи в полосе пропускания становится равным К=0.5.

Ну да ладно, ближе к делу.


ТАБЛИЦА LC- ФИЛЬТРОВ ВЕРХНИХ и НИЖНИХ ЧАСТОТ.


А если надо рассчитать L и C при известных значениях Fср и ρ ?   Не вопрос,

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ LC- ФИЛЬТРОВ ВЕРХНИХ и НИЖНИХ ЧАСТОТ.

Данные ФВЧ и ФНЧ называются Г-образными.

Для получения более крутых скатов АЧХ используют два или более Г-образных звеньев, соединяя их последовательно,
чтобы образовать Т-образное звено (на Рис.3 сверху), или П-образное звено (на Рис.3 снизу).
При этом получаются ФНЧ третьего порядка. Обычно, ввиду меньшего количества катушек, предпочитают П-образные звенья.



Рис.3

ФВЧ конструируют подобным же образом, лишь катушки заменяются конденсаторами, а конденсаторы — катушками.

Широкополосные полосовые LC — фильтры получают каскадным соединением ФНЧ и ФВЧ.

Что касается многозвенных LC-фильтров высоких порядков, то более грамотным решением (по сравнению с последовательным
соединением фильтров низших порядков) будет построение подобных устройств с использованием полиномов товарищей Чебышева или Баттерворта.

Именно такие фильтры 3-го, 5-го и 7-го порядков мы и рассмотрим на следующей странице.












 

vpayaem.ru

Электрический LC-фильтр для FPV своими руками — Все о квадрокоптерах

LC-фильтры — это одни из самых популярных фильтров в электронике. Они состоят из индуктора и одного конденсатора, собранных по простой схеме. Фильтр используют пилоты по FPV, чтобы избавиться от шумов, которые создают регуляторы оборотов (ESC) и двигатели.

Оригинал: https://oscarliang.com

Что такое LC-фильтр

LC-фильтр (Электрический фильтр) — это четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот (определение с сайта http://bourabai.kz/toe/filters.htm).

LC-фильтр состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Это очень простая схема. Принцип работы такой: индуктор сопротивляется изменениям тока, протекающего через него, в то время как конденсатор сопротивляется изменению напряжения на нем.

Где купить LC-фильтры

Если вы хотите купить LC-фильтры, то мы собрали для вас несколько ссылок этих фильтров, которые подойдут для авиамоделей.

Убедитесь, что напряжение и номинальный ток соответствуют вашей сборке квадрокоптера.

Как фильтры LC улучшают работу FPV

Регуляторы оборотов и моторы генерируют много шумов, которые вы можете наблюдать на экране очков или шлема. Вы, наверное, замечали, что если даете большой газ, становится больше помех, так как двигатели начинают потреблять больше тока, а бОльший ток — это больше создаваемых помех (шумов).

Шум представляет из себя рябь и белые полосы на видео, вы это точно видели.

LC-фильтры подавляют такие шумы, за счет внедрения их в цепь питания квадрокоптера, например, на питание камеры или видеопередатчика.

Некоторые регуляторы оборотов уже продаются с встроенными фильтрами, но они бывают недостаточными, поэтому пилоты ставят еще и LC.

LC-фильтр против ESR конденсатора

Нас часто спрашивают, что лучше — LC-фильтры или ESR-конденсатор для фильтрации шумов. Хотим вам сказать, что они служат совсем другим целям.

Фильтры LC ставят для уменьшения шума в FPV (видео), но они не уменьшают шум в исходном напряжении, а ESR, наоборот, снижает шумы в исходном напряжении.

LC-фильтры имеют номинальный ток, обусловленный пределом тока индуктора, и поэтому они в основном используются в схемах с низким током. Эти фильтры также можно увидеть встроенными в цепь питания контроллеров полета, на 5V и 12V, также производители ставят их и в PDB (плата разводки питания). Эти фильтры более эффективны, чем использование одного конденсатора.

При использовании только low (низких) ESR-конденсаторов вам нужно убедиться, что номинальное напряжение достаточно высокое.

Как сделать фильтр LC

Значение конденсатора и индуктора изменяет резонансную частоту. Это позволяет более эффективно подавлять шум, если вы знаете частоту шума. Но если вы не знаете частоту шума, то можно использовать любой конденсатор с индуктором и все равно будет определенная степень фильтрации, так что не все так страшно.

Если вы знаете, какая необходима емкость конденсаторов и индуктивность катушки — то все ок, если же нет, то мы не строим ракету и не нужно слишком уж заморачиваться.

Схема подключения конденсатора и индуктора:

При выборе конденсатора убедитесь, что номинальное напряжение соответствует вашим требованиям, например, если вы подключаете LC-фильтр непосредственно к батарее LiPo, он должен поддерживать напряжение вашего LiPo аккумулятора. Что касается емкости, чем больше, тем лучше, мы рекомендуем хороший диапазон от 100uF до 2000uF.

Индуктор можно тоже купить или сделать самому. Делается он из ферритового кольца (тороида) и проводов в качестве обмотки. Толщину и длину провода выбирать следует тщательно, так как в идеале нужно будет сделать минимум 5 витков, и проводка должна быть достаточной толщины, чтобы поддерживать ток.

Наматывая проволоку на ферритовое кольцо, не выводите конец проволоки на ту же сторону, с какой начали, нужно выводить на противоположную сторону!

Конденсатор можно взять из старой техники или просто сходить в магазин. Лучше всего подходят low ESR конденсаторы (с низким ESR). Обязательно устанавливайте конденсаторы на выход видеопередатчика и камеры.

Выводы

LC-фильтр – это очень доступная и простая возможность убрать (возможно, полностью) помехи на видео, летая по FPV. Если использовать только конденсаторы, это, скорее всего, мало чем поможет.

profpv.ru

Особенности сглаживающих фильтров, их схемы и пример расчета — Help for engineer

Особенности сглаживающих фильтров, их схемы и пример расчета

Для чего нужны сглаживающие фильтры?

Способ получения постоянного тока из переменного синусоидального (идеализированный вид) при использовании одно или двух полупериодного выпрямителя имеет ряд недостатков, о которых мы и поговорим далее.

Главным недостатком такого выпрямителя является пульсирующее напряжение. Избавление от пульсаций напряжения, их сглаживание – необходимое условие для корректной работы многих электрических приборов, особенно это касается радиоаппаратуры, где такой вид напряжения вносит хорошо заметные помехи. Так называемые, сглаживающие фильтры применяют для устранения пульсаций выходного тока и напряжения.




Емкостной Индуктивный Г-образный П-образный

Так же используют различные комбинации выше перечисленных фильтров для достижения необходимого качества напряжения.

Как работает С-фильтр?

Принцип работы сглаживающих фильтров основывается на свойствах конденсатора и катушки индуктивности. Они выполняют роль резервуара энергии. Как известно, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, а на индуктивности ток не может мгновенно возрасти или исчезнуть. Эти свойства и положены в основу работы сглаживающих фильтров, рассмотрим это на примерах.

Схема С-фильтра (емкостной)

На рисунке выше, к первичной обмотке трансформатора подводиться переменное напряжение U, ко вторичной обмотке подсоединена нагрузка Rн, через которую должен протекать постоянный (выпрямленный) ток. Роль выпрямителя в представленной схеме играет диод, как работает полупроводниковый диод, Вы можете прочесть здесь. Конденсатор С – фильтрующий элемент.

Вид выходных тока и напряжения на С-фильтре

Действия диода во вторичной цепи трансформатора описывает серая, пульсирующая кривая. Если быть точным, диод обрезал отрицательную часть переменного напряжения, он пропускает только положительную волну, а при приложении отрицательного напряжения – запирается. Конденсатор С, как уже говорилось раннее – резервуар энергии. Когда диод открыт и ток протекает через нагрузку, то конденсатор (подсоединен параллельно) заряжается до величины напряжения в цепи. А когда диод закрыт (отрицательная волна синусоиды), благодаря наличию емкости, уровень напряжения не может резко снизиться. Конденсатор постепенно разряжается через нагрузку, таким образом, сглаживая огромные скачки уровня напряжения. Разряжается он до следующей положительной волны, а точнее, когда напряжение на катоде диода превысит напряжение на конденсаторе. И он вновь начнет заряжаться. Такая цикличность действий будет происходить постоянно. Красный цвет линии изображает работу такой смоделированной системы.

Если в качестве выпрямителя применять диодный мост, то выходные ток и напряжения приобретут следующий вид:

Благодаря тому, что диодный мост работает и при положительном, и при отрицательном напряжении — пульсность увеличилась в два раза.

Обратите внимание на вид тока (синий), из-за наличия конденсатора ток имеет резкий скачок, что в свою очередь не есть хорошо для любого электроприбора. На помощь в сложившейся ситуации приходит катушка индуктивности.

Роль индуктивности в сглаживании

Схема Г-образного фильтра (L+C)

От ранее описанной схемы L-фильтр отличается лишь тем, что вместо конденсатора, последовательно с нагрузкой подсоединена катушка индуктивности. На индуктивности ток не может измениться моментально. По этому, при положительной части полуволны (нарастание) ток с небольшой задержкой увеличивает свое значение, а когда происходит спадание – катушка наоборот не дает значению тока резко упасть, создается некоторое запаздывание. Результат действия катушки L можете наблюдать на представленном ниже изображении. Благодаря катушке, изменение значения тока происходит более плавно. Первую волну можете не принимать во внимание, при пуске происходят различные переходные процессы, которые и вызывают подобные вещи.

Разница в применении диодного моста и диода

1. Диодный мост работает постоянно (при положительной и отрицательной волне), что увеличивает пульсность выходного напряжения. Соответственно, для получения одного и того же значения напряжения, конденсатор в мостовой схеме нужен меньшей емкости, так как может себе «позволить» разряжаться быстрее.

2. При применении одного диода, имеет место момент времени, когда диод заперт и напряжение между его катодом и анодом равно двухкратному напряжению цепи (на катоде положительное значение благодаря конденсатору, а на аноде отрицательная полуволна, достигшая пика). По этому при выборе диода для выпрямителя, необходимо учесть, что его импульсное обратное напряжение должно превышать 2 значения рабочего напряжения. При работе диодного моста такого нюанса нет, так как диоды в этой схеме работают попарно при + и – волне.

3. Не нужно забывать про свойства полупроводниковых диодов. Ведь при прохождении p-n перехода существует падение напряжения, которое обязательно необходимо учитывать при подборе сглаживающего фильтра. Здесь выигрывает простой диод над диодным мостом. Потому что у него напряжение снижается лишь на одном элементе, а в мостовой схеме, ток в один момент времени протекает по двум полупроводникам. Этот эффект нагляден на рисунках ниже:

Влияние малой нагрузки на эффективность сглаживания

Активное сопротивление катушки индуктивности находится по формуле:


Для конденсатора:


Эффективность индуктивного и емкостного фильтров повышается при соблюдении следующих условий:


Исходя из этого, при очень малой нагрузке (сопротивления потребителя) невозможно будет использовать конденсаторный сглаживающий фильтр. Чем меньше нагрузка, тем большая емкость конденсатора требуется. При уменьшении сопротивления нагрузки, фильтр стает менее эффективным (недостаточный конденсатор для этого потребителя).

Вид выпрямленного напряжения при малой нагрузке (рисунок ниже):



— выпрямление диодом;
— мостовая схема.

Расчет конденсаторного фильтра

Пример. Допустим, у нас есть источник переменного напряжения U=12 B (действующее значение), в то время как его амплитуда будет равна 17 В. Подробнее о значениях переменного напряжения и их зависимостях читайте по ссылке. Сопротивление нагрузки Rн=300Ом. Выпрямление будем производить одним диодом, а С-фильтр — сглаживающий элемент цепи.

Первым делом, необходимо учесть падение напряжения на диоде, в модели выбран диод, у которого этот параметр равен 0,8 В (для мостовой схемы падение будет равно 0,8 В+0,8 В=1,6 В).

Выходное напряжение будет иметь амплитуду:


Таким образом, 16,2В – максимально возможное напряжение на выходе выпрямителя при бесконечной емкости, но в жизни значение будет, естественно, меньшим.

Емкость фильтра находим из условия:


Откуда следует, что


Для хорошей работы фильтра выбираем емкость конденсатора не менее чем в 10 раз больше расчетного значения. Для примера я выбрал 5,3*10-4Ф.

Рассчитанная ёмкость при заданных входных параметрах даст следующий результат на выходе:

Добавить комментарий

h4e.ru

Калькулятор расчёта полосно-заграждающих режекторных фильтров на LC цепях

Что такое режекторный фильтр (он же полосно-заграждающий, он же — фильтр-пробка) и с чем его едят, мы определились на
предыдущей странице, рассматривая пассивные и активные режекторные RC-фильтры.

Так же, как и в случаях с НЧ, ВЧ и полосовыми собратьями, LC режекторные фильтры обладают рядом достоинств, таких как: высокая
стабильность, низкий уровень собственных шумов, а также возможность работы с широким спектром сигналов, включая СВЧ диапазоны.

Простейший представитель режекторного LC-фильтра 2-го порядка представлен на Рис.1.



Рис.1 Рис.2

Логика работы такого фильтра предельно проста.

На резонансной частоте fо= 1/2π√LС сопротивление параллельного
колебательного контура, образованного катушкой индуктивности L и конденсатором C, принимает максимальное значение, соответственно
максимальное значение принимает и коэффициент подавления сигнала на этой частоте.

Глубина режекции (подавления частоты fo) этого фильтра при работе на согласованную нагрузку, равную характеристическому сопротивлению
колебательного контура ρ = √L/C , достигает 45 дБ.

На Рис.2 представлена схема Г-образного режекторного фильтра 4-го порядка.

Принцип работы этого фильтра основан на использовании резонансов напряжений и токов в последовательных и параллельных
колебательных контурах.
На частоте резонанса сопротивление параллельного плеча оказывается максимальным, а последовательного – минимальным, что и
соответствует наибольшему затуханию цепи.

Глубина режекции в данной схеме уже может составлять величину 90 дБ.

Приведём таблицу для расчёта элементов этих фильтров.

Не забываем, что характеристическое сопротивление фильтра ρ
должно равняться Rг =Rн.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ РЕЖЕКТОРНЫХ LC- ФИЛЬТРОВ 2-го и 4-го ПОРЯДКОВ

Для получения больших значений подавления центральной частоты (глубины режекции) используют два или более Г-образных звеньев,
соединяя их последовательно, чтобы образовать Т-образное звено, или П-образное звено.


На Рис.3 приведены схемы типовых полосно-заграждающих LC-фильтров 6-го порядка Т-образной (слева) и П-образной (справа) структур с
глубиной режекции — около 130 дБ.



Рис.3

Ничего не изменилось — последовательная ветвь обладает минимальным полным сопротивлением и оказывает шунтирующее воздействие на
центральной частоте диапазона.
Ее полное сопротивление начинает увеличиваться по обе стороны от частоты резонанса.


Параллельная же ветвь на центральной частоте имеет максимальное сопротивление, и оно уменьшается по обе стороны резонанса.

Центральная частота режекции равна fо= 1/2π√LС,
характеристическое сопротивление ρ = √L/C ,
а значения частотозадающих элементов рассчитываются исходя из следующих равенств:
L1 = L3 = L/2,  L2 = L,  C1 = C3 = C×2,  C2 = C
для Т-образного фильтра,
L1 = L3 = L×2,  L2 = L,  C1 = C3 = C/2,  C2 = C
для П-образного фильтра.

Приведём таблицу для расчёта элементов и этих фильтров.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ РЕЖЕКТОРНЫХ Т- и П-образных LC- ФИЛЬТРОВ

Ширина полосы задержания представленных режекторных LC-фильтров составляет величину, примерно равную 50% от значения центральной частоты fo.





 

vpayaem.ru

Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания. Схемы, онлайн расчёт



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.

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/(F2(Гц)×Кп)
для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F2×Кп)
для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн2(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/Rн2(Ом).

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×F2) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F2) — 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.

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.

Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора.
Чем выше h31 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет
обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h31

Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы
транзистора (Рис.2б).

Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление
резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).

Ещё эффективней будет работать транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора вместо R2 (Рис.1а), либо R3 (Рис.1б)
включить стабилитрон с напряжением пробоя, равным значению, рассчитанному для резистивного делителя.











 

vpayaem.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о