Критерии качества сглаживающих свойств фильтров

В телефонии чаще всего качество питающего напряжения оценивают совокупным действием гармоник пульсации в полосе частот слухового восприятия. Для этой цели введено понятие псофометрического напряжения, т.е. напряжения, учитывающего чувствительность микрофона телефона и уха человека:

(7.1)

Сравнение требований аппаратуры и возможностей выпрямителей показывает, что без применения специальных устройств подавления пульсаций ни одна из схем выпрямителей не обеспечивает необходимого качества питающих напряжений. Для уменьшения переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения, т.е. для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром. Он относится к классу низкочастотных фильтров. Критерием качества сглаживающих свойств фильтров является коэффициент сглаживания q:

(7.2)

Как правило, низшая гармоника пульсаций выпрямленного напряжения имеет наибольшую амплитуду, а сглаживающее действие фильтра на этой частоте наименьшее, поэтому качество фильтра оценивается по первой гармонике.

Также работа фильтра оценивается коэффициентом полезного действия:

(7.3)

Для удовлетворения фильтрующих свойств необходимо выполнение условий: U_m2<<U_m1, U₀₂ @ U₀₁. Представим сглаживающий фильтр в виде Г- образной схемы замещения

Рисунок 7.1 Слаживающий фильтр в виде Г-образной

схемы замещения

Выразим коэффициент сглаживания через параметры схемы замещения:

(7.4)

К параметрам схемы замещения предъявляются следующие требования:

Для получения высокого значения коэффициента сглаживания Z₁ и Z₂ должны быть представлены реактивными элементами. В качестве Z₁ выбирается дроссель. Так как дроссель установлен в цепи постоянного тока, то для исключения намагничивания сердечника ему предъявляется ряд требований: следует выбирать материалы, обладающие как можно меньшей остаточной индукцией, как можно большей индукцией насыщения и минимальной напряженностью магнитного поля, при которой достигается насыщения ферромагнетика. На высокой частоте используют альсифер, т.к. этот материал имеет достаточный запас по намагничиванию сердечника.

К сожалению, характеристики реальных материалов таковы, что даже у самых лучших представителей класса ферромагнетиков остаточная индукция примерно равна половине индукции насыщения. Поэтому необходимо пользоваться другими методами снижения остаточной индукции. Воздушный зазор, созданный в сердечнике, имеет мощный размагничивающий эффект, приводящий к сдвигу петли гистерезиса и заметному понижению проницаемости высокопроницаемых материалов. Величина эффекта воздушного зазора зависит от длины средней магнитной линии и характеристик сердечника. Введение воздушного зазора увеличивает эффективную длину средней линии, уменьшает остаточную индукцию Br и таким образом увеличивает полезный размах индукции. Эквивалентная проницаемость сердечника становится приблизительно равной отношению длин средней линии и зазора (проницаемость сердечника должна быть высокой). Однако размеры оптимальных зазоров составляют сотые доли миллиметра, что вызывает значительные трудности при их изготовлении, а температурная стабильность невысока. Нагреваясь, сердечник расширяется, и зазор начинает «плыть». В реальных индуктивных элементах зазор снижает проницаемость сердечника. Принято считать, что во сколько раз снизилась проницаемость из-за введения зазора, во столько же раз упала и величина остаточной индукции.

На рисунке 7.2 показаны эскизы магнитопроводов дросселей фильтров(пунктиром показан путь магнитного потока):

Рисунок 7.2 Схема эскизов магнитопроводов дросселей фильтров

Разработаны и более эффективные методы снижения остаточной индукции без потери магнитопроводом проницаемости, например, введение дополнительной размагничивающей обмотки, называемой рекуперационной. Но этот метод широко не используется.

В качестве Z₂ используют электролитический конденсатор, так как он удовлетворяет требованию:

Электролитическому конденсатору присущи следующие особенности:

- униполярность (при неверном подключении – взрывоопасен);

- необходима постоянная тренировка напряжением, т.к. он имеет свойство высыхать, при этом все параметры изменяются;

- чувствительность к пульсациям тока, напряжения и превышению максимально допустимого уровня напряжения.

Таким образом, расчет и выбор параметров сглаживающего фильтра источника электропитания проводится не только из условия получения необходимого коэффициента сглаживания пульсаций, но и с учетом ряда дополнительных требований (допустимого перенапряжения или сверхтока при переходных процессах, допустимых частотных искажений, вносимым в питаемое устройство, высокая надежность работы, малые габариты, масса и стоимость).