Частотные характеристики используемых на практике LC-фильтров

/ Главная / Каталог статей / Источники питания. / Частотные характеристики используемых на практике LC-фильтров

До настоящего времени исследование выпрямляющих свойств и фильтрации переменных составляющих в источниках питания ограничивалось анализом поведения схемы в области низких частот, однако, наступил момент, когда необходимо расширить исследование поведение схемы в диапазоне от постоянного тока до области более высоких частот. Для того, чтобы значительно ослабить низкие (порядка 100 Гц) частоты, необходим LC-фильтр, обладающий большой индуктивностью, однако он неизбежно будет обладать внутренней параллельной емкостью. С другой стороны, конденсатор обладает последовательно включенной паразитной индуктивностью. Наличие этих паразитные элементы схемы означает, что любой используемый на практике LC-фильтр имеет сложную частотную характеристику, которую можно подразделить на четыре основные области. Пример такой характеристики приведен на рис. 6.21. Несмотря на неплохую равномерность этой зависимости, характеристика была снята на реально существующем образце LC-фильтра.

Область 1

Эта область характеристики является единственной, которой возможно управлять непосредственно, по этой причине она заслуживает особенного внимания. Отвлекаясь от потерь, обязанных своим происхождением наличию сопротивления постоянной составляющей тока, следует помнить, что фильтр нижних частот, ФНЧ, не ослабляет сигнал на частотах, лежащих ниже частоты низкочастотного резонанса fres(LF):

Рис. 6.21 Экспериментально полученная частотная характеристика LC-фильтра (дроссель с индуктивностью 20 Гни номинальным током 50 мА, полипропиленовый конденсатор с емкостью 120 мкФ и рабочим напряжением 400 В)

Целью является задать частоту такого «дозвукового» (инфразвукового) резонанса как только возможно более низкой путем выбора значений емкости и индуктивности максимально большими, так как каждая октава акустического диапазона, в пределах которой можно снизить fres(LF) обеспечивает дополнительные 12 дБ фильтрации (ослабления). Если на частоте НЧ резонанса добротность фильтра Q > 0,707, то на частотной характеристике фильтра будет наблюдаться выброс, поэтому достаточно удобным приемом является контроль величины добротности Q:

в которой, L — индуктивность дросселя; RDC — резистивное сопротивление обмотки дросселя; С — емкость сглаживающего конденсатора.

В идеальном случае резонанс должен быть подавлен (Q = 0,5), что может быть достигнуто включением последовательно дросселю внешнего резистора. Если быть точным, то сопротивление нагрузки, включенное параллельно конденсатору, также подавляет резонанс, а это может быть представлено как бы в виде умозрительного последовательно включенного с дросселем дополнительного резистора rnoljonal , величину которого можно определить, используя соотношение:

Однако, подавляющий (демпфирующий) эффект, вызываемый резистором нагрузки, обычно бывает незначительным. Например, стабилизатор с последовательным регулированием, или последовательный стабилизатор, обеспечивает постоянное значение тока или является бесконечно большим сопротивлением по переменной составляющей для цепи сглаживания, по этой причине он вовсе не вносит вклада в подавление резонанса сглаживающего фильтра.

В качестве традиционного на практике часто используется следующий пример: в фильтре устанавливается дроссель, имеющий индуктивность 15 Гн и внутреннее сопротивление обмотки 220 Ом, подключенный к бумажному с масляной пропиткой конденсатору с емкостью 8 мкФ. Для этого фильтра частота НЧ резонанса fres(LF) = 14,5 Гц, а значение добротности Q = 5,27. Полученное значение Q является слишком большим, значение fres(LF) находится слишком близко к границе звукового диапазона, однако использование дополнительного последовательно включенного резистора с сопротивлением 2,48 кОм, необходимого по условию достижения критического демпфирования, привело бы к ненужным потерям высокого напряжения и значительно увеличило бы выходное сопротивление источника питания. Гораздо лучшим выходом было бы заменить конденсатор 8 мкФ на полипропиленовый конденсатор с емкостью 120 мкФ, так как это обеспечило бы значения частоты fres(LF) = 3,75 Гц, Q = 1,36, которое оказалось бы гораздо более подходящим. Использование дополнительного последовательно включенного резистора с сопротивлением 447 Ом позволило бы снизить значение добротности до величины Q = 0,5.

Область 2

Реактивное сопротивление дросселя удваивается при каждом увеличении частоты на одну октаву, тогда как реактивное сопротивление конденсатора уменьшается вдвое, что дает знакомый угол наклона АЧХ, равный 12 дБ/октаву.

Область 3

Здесь начинает оказывать влияние шунтирующая паразитная емкость дросселя. На той частоте, когда реактивное сопротивление шунтирующей емкости становится равным индуктивному сопротивлению дросселя, в контуре наступает резонанс. Поэтому эта частота может быть определена, как начало области высокочастотного резонанса fres(LF).

На частотах, превышающих эту частоту собственного резонанса (для обычных высоковольтных дросселей она колеблется от 3 до 15 кГц), параллельная емкость совместно со сглаживающим конденсатором образуют делитель напряжения, потери в котором остаются постоянными с изменением частоты:

Область 4

Последовательное индуктивное сопротивление накопительного конденсатора становится значительным по величине, что приводит совместно с параллельным сопротивлением дросселя к образованию паразитного фильтра верхних частот, ФВЧ, поэтому выходной фон используемого на практике фильтра возрастает на 12 дБ/октаву.

Эти общие представления о фильтрации могут быть рассмотрены в упрощенном виде для идеализированной частотной характеристики LC-фильтра, образованной из трех прямых линий, которые можно перемещать как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях (рис. 6.22).

• Спад линии А с увеличением частоты составляет 12 дБ/октаву, она смещается горизонтально влево при увеличении индуктивного сопротивления дросселя и величины емкости сглаживающего конденсатора.

Рис. 6.22 Общая модель универсального LC-фильтра

• Линия В снижается вертикально по мере снижения паразитной емкости дросселя. Емкость между соседними слоями обмотки дросселя может быть уменьшена за счет размещения между ними заземленных электростатических экранов.

• Подъем линии С с увеличением частоты составляет 12 дБ/октаву, линия смещается горизонтально вправо, когда последовательное индуктивное сопротивление сглаживающего конденсатора снижается. Необходимо обеспечить минимальную длину проводника от фольговых обкладок конденсатора до точек подключения к дросселю и нагрузке.

Для фильтра с оптимальными параметрами заштрихованная площадь должна быть максимальной. Существует точка, после которой дальнейшее снижение паразитной емкости дросселя невозможно, так как линия В доходит до точки пересечения прямой А и прямой С.