Фильтры напряжения: Сглаживающие фильтры: устройство, описание, схемы, диаграммы

Сглаживающие фильтры: устройство, описание, схемы, диаграммы

Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры − устройства, уменьшающие эти пульсации. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S. По определению S = ε₁ / ε₂, причем ε₁ и ε₂ определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фактически совпадают, под ε₁ понимают коэффициент пульсаций до подключения фильтра, а под ε₂ — коэффициент пульсаций после его подключения. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации. На выходе фильтра напряжение оказывается хорошо сглаженным, а коэффициент пульсаций может иметь значения в диапазоне 0,001 …. 0,00003.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.78). Емкостной фильтр подключают параллельно нагрузке (рис. 2.78, а).

На отрезке времени t₁ … t₂диод открыт и конденсатор заряжается (рис. 2.78, б).
На отрезке t₂ … t₃диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной времени t = R_hC. ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t₁ … t₂). Чем короче отрезок t₁ … t₂, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если емкость С очень велика, то отрезок t1 … t2 оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может выйти из строя. Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел.

В качестве фильтра можно использовать и индуктивность. Легко доказать, что индуктивный фильтр (L-фильтр) практически не дает полезного эффекта в однофазном однополупериодном выпрямителе. Рассмотрим работу индуктивного фильтра на примере однофазного мостового выпрямителя. Индуктивный фильтр включают последовательно с нагрузкой (рис. 2.79, а). Часто используют катушку индуктивности (реактор) на магнитном сердечнике с зазором.
Предположим, что постоянная времени T, определяемая выражением T= L/R_h, достаточно велика (как это обычно бывает на практике). Тогда ток нагрузки оказывается практически постоянным (рис. 2.79, б).

Такой фильтр широко используется в выпрямителях, особенно мощных. Режим работы диодов (и соответствующих электрических цепей) не является тяжелым.

Н а практике используют также следующие типы фильтров (рис. 2.80): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RС-фильтр (б), П-образный LС-фильтр (в), П-образный RС-фильтр (г).
Обычно Г- и П-образные RC-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике применяют и другие, более сложные фильтры.

Внешние характеристики выпрямителей с фильтрами.

Внешняя характеристика— это зависимость среднего значения выходного напряжения (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). При увеличении выходного тока выходное напряжение уменьшается из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Рассмотрим типичные внешние характеристики (рис. 2.81), которые получают, изменяя сопротивление нагрузки, подключенное к выходу фильтра.
Наклон внешней характеристики при том или ином токе 1ср характеризуют выходным сопротивлением R_выx, которое определяется выражением R_выx = | dU_ср/dI_ср|_{Iср − заданный}

Чем меньше величина R_выx, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, что обычно и требуется.

Как следует из рис. 2.81, выпрямитель с RC-фильтром характеризуется повышенным выходным сопротивлением. Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.

Выпрямители: Основные виды сглаживающих фильтров и особенности их применения в выпрямителях

 

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие емкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности — Г-образные \(LC\), \(RC\) и П-образные \(CLC\) и \(CRC\) фильтры.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания \((q)\), который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (на нагрузке).

Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Анализ работы данного фильтра проведен при описании однофазного однополупериодного выпрямителя. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с емкостным фильтром может быть найден по формуле:

\( K_п \approx \cfrac{1}{2 \cdot m \cdot f \cdot R_н \cdot C}\),

где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:

\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей),

\(f\) — частота входного переменного напряжения.

 

Из приведенной формулы видно, что коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя с емкостным фильтром обратно пропорционален емкости применяемого конденсатора и величине сопротивления нагрузки. Поэтому применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии изготовления конденсаторов большой емкости рассматриваемый тип фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все большее применение.

 

Индуктивно-емкостные фильтры (Г-образные \(LC\) и П-образные \(CLC\)) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. Коэффициент полезного действия у таких фильтров достаточно высокий. К недостаткам индуктивно-емкостных фильтров относятся: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (рис. 3.4‑13).

 

Рис. 3.4-13. Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра

 

Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий: \(X_C = \cfrac{1}{\omega C} \ll R_н\), \(X_L = \omega L \gg X_C\).2 – 1) m \omega} \) 

 

П-образный \(CLC\) фильтр отличается от описанного Г-образного \(LC\) фильтра наличием еще одной емкости, включаемой на входе фильтра (на рис. 3.4-13 конденсатор \(C_0\), показан пунктиром). Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают емкость конденсатора \(C_0\), исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при \(C_0 = C_1\).

При выборе конденсаторов фильтра необходимо следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение на 15…20% превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.

 

Резистивно-емкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10…15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток — сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

Простейший Г-образный \(RC\) фильтр (рис. 3.4-14) состоит из балластного резистора (\(R_ф\)) и конденсатора (C_1). Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

\( q = m \omega C \cfrac{R_н R_ф}{R_н + R_ф}\),

где m зависит от схемы выпрямителя:

(\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).

 

Рис. 3.4-14. Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра

 

Сопротивление фильтра (\(R_ф\)) выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД (\(h\)) по формуле \(R_ф = R_н (1 – h)/h \). Оптимальным считается КПД порядка 0,6…0,8.

Расчет П-образного резистивно-емкостного фильтра (его схема включает дополнительный конденсатор \(C_0\), показанный на рис. 3.4-14 пунктиром) производится, как и в случае П-образного \(CLC\) фильтра, в два этапа после разделения этого фильтра на емкостный (\(C_0\)) и Г-образный \(LC_1\) фильтр.

 

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При этом могут использоваться как однотипные, так и разнотипные звенья. При каскадном включении \(LC\) фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания (\(q_\Sigma\)) равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев: \(q_\Sigma = q_1 \cdot q_2 \cdot q_3 … \) . Для нахождения оптимального числа звеньев (\(n_{опт}\)) такого фильтра при заданном \(q_\Sigma\) можно воспользоваться формулой:

\(n_{опт} = \cfrac{\large | \normalsize \ln{1/q_\Sigma} \large | \normalsize}{2} \).

 

Высокий коэффициент сглаживания и хороший КПД могут также обеспечить разнообразные фильтры на транзисторах.

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Сетевой фильтр или стабилизатор — что выбрать: 6 основных параметров

Несмотря на то, что техника для дома достаточно дорога, трудно представить жилье, в которой нет основных бытовых электроустройств. Производители стараются уделять особое внимание надежности электронной начинки домашней электротехники, ведь выход из строя любого прибора серьезно бьет по бюджету семьи. 

Тем не менее, узлы питания, микросхемы, чувствительные полупроводники этих приборов работают на пределе возможностей во время скачков напряжения или незапланированного отключения электросетей. А если такие неполадки в электроснабжении достаточно часты, то появляется большой риск остаться с перегоревшей техникой и, в лучшем случае, с затратным ремонтом.

Защитить свою технику можно. Именно для таких непредвиденных воздействий разработаны стабилизирующие приспособления — сетевые фильтры и стабилизаторы напряжения. Важно помнить, что, несмотря на одинаковое предназначение, принцип работы этих стабилизирующих устройств разный. И здесь нужно разобраться — что больше подойдет для защиты того или иного электроприбора. Поэтому прежде, чем подойти к выбору стабилизатора напряжения или сетевого фильтра, следует понять, как они работают, какие функции выполняют и от каких помех защищают.

Что такое перепады напряжения и как обезопасить от них свою технику

Все электрические девайсы рассчитаны на стабильные параметры сети с небольшими колебаниями — большинство из них выдерживают изменения вольтажа в диапазоне от 198 до 242 В. Если цифры выходят за рамки этих значений, электронные модули аппаратуры функционируют с максимальным усилием. Причем, для современных электроустройств одинаково опасно как снижение, так и повышение напряжения.

При низком напряжении на рабочие узлы и компоненты электрооборудования приходится повышенная нагрузка, что провоцирует снижение рабочего ресурса и поломку агрегата. А вот при продолжительном сетевом повышении вольтажа микросхемы, блоки питания начинают греться и, в конечном счете, перегорают. Ремонту такие поломки часто вообще не подлежат.

Скачки напряжений в электросетях могут происходить в любом месте, но особенно им подвержены линии в сельской местности. Причин для подобных неполадок может быть несколько:

• Удар молнии рядом с опорами электросетей;
• Аварийные ситуации на подстанции;
• Износ и обрыв проводов;
• Резкое увеличение количества потребителей.

Самое обидное, что вышедшая из строя или перегоревшая электротехника не подлежит обмену и не покрывается гарантией производителя, поэтому подключение сетевого фильтра или стабилизатора — абсолютно оправданное решение для предохранения дорогих девайсов от поломки.

Интересно прочитать: В чем разница между сетевым фильтром и удлинителем — сравниваем устройства по 4 критериям

Виды устройств предохранения от сетевых скачков

С помощью чего можно обезопасить домашнюю технику:

• Квартирная проводка обычно защищается выключателями-автоматами. При одновременном включении нескольких мощных бытовых приспособлений или нарушенной изоляции модуль отключает поступление энергии, предотвращая поражение электротоком или возникновение пожара. Автомат срабатывает при превышении номинального значения силы тока.
• Обезопасить компьютерную технику можно с помощью источников бесперебойного питания. ИБП позволяет компьютеру работать некоторое время после аварийного отключения тока и сохранить текущие данные.
• Механизм сетевого фильтра рассчитан на погашение неожиданных сбоев сетевого напряжения. При любых превышениях расчетных возможностей фильтра питание отсекается и подключенные электроустройства оказываются обесточенными. Так, например, работает Legrand 6xSchuko.
• Поддерживать постоянное напряжение в 220В помогает стабилизатор напряжения. Он выравнивает сетевые скачки, защищая домашние приборы от перегрузки.

Выключатели-автоматы и бесперебойники (за исключением линейно-интерактивных типов) не могут нивелировать перепады напряжения, поэтому для защиты домашнего электрооборудования или компьютера стоит рассматривать именно последние два варианта.

Любопытно: Украинцы сэкономили пять миллионов гривен на «черной пятнице»

Как устроен сетевой фильтр

Чтобы разобраться, для чего нужен сетевой фильтр, следует познакомиться с механизмом его действия. Это не просто удлинитель на несколько розеток. Каждая модель такого фильтра рассчитывается на конкретную нагрузку, здесь важно соблюсти совместимость предохранительного устройства и подключенной к нему аппаратуры по мощностным показателям. Поэтому превышать расчетную мощность фильтра, подсоединяя к нему несколько высокопроизводительных электроприборов, не стоит.

Основными рабочими механизмами в агрегате являются варисторы. Во время перепадов напряжения сети эти небольшие полупроводниковые модули направляют усилия на трансформацию тепловой энергии из импульсной.

Сглаживая энергетические помехи, такой сетевой агрегат, как НАМА “6 + 1”, защищает электроприборы от скачков напряжения. На рынке представлены эти предохранительные девайсы в трех вариациях:

• Essential — наиболее простой агрегат с базисным уровнем;
• Home/Office — сетевики универсального назначения, наиболее подходящие для домашних электроустройств, например, СolorWay на 3 розетки;
• Performance — изделия профессионального назначения для предохранения высокопроизводительных и мощных электроприборов.

Выбирая фильтр, нужно обращать внимание на основные параметры:

1. Величину компенсирующего импульса.
2. Количество розеток.
3. Наличие защиты от перегрева.
4. Индикатор выключателя.
5. Функцию микроконтроллера.
6. Номинальный ток.

Для сравнения можно изучить несколько распространенных, по отзывам потребителей, фильтров:

Характеристики	НАМА “6 + 1”	ColorWay на 3 розетки	Legrand 6xSchuko
Количество розеток	6	3	6
Наличие USB порта	нет	4	нет
Максимальная мощность, Ватт	3500	2500	3500
Длина провода, м	1,4	2	1,5

Стоит ознакомиться: Выгодные условия Trade-in только для участников MOYO Club

Конструктивные особенности и принцип работы стабилизатора

При постоянно неустойчивых параметрах сети стоит присмотреться к стабилизатору напряжения. Такая модель, как APC Line-R 1500VA, гарантирует выровненные показатели вольтажа на выходе. Коррелируя сетевое напряжение, можно наиболее полно защитить компьютеры и любую бытовую технику от помех и скачков напряжения.

Стабилизаторы постоянного напряжения делятся на два типа:

1. Линейные — поддерживают неизменный вольтаж, трансформируя внутреннее напряжение. 
2. Импульсные — в своей конструкции имеют накопители и выдают на подключенное электроустройство запасенную энергию нужных значений.

Стабилизирующие устройства переменного напряжения могут быть накопительными и корректирующими. Первый тип работает по аналогии с импульсным — он запасает электричество. Затем генерирует его потребителю с уже требуемыми значениями. Второй тип изменяет величину напряжения, используя добавочный потенциал и делая ее пригодной для электроприборов. Накопительные агрегаты, такие, как Inform Digital 15kVA, имеют большие размеры и чаще используются на производстве. Корректирующие же, в основном, предназначены для бытовых целей.

Подбирая стабилизатор, обращайте внимание на:

1. Производительность.
2. Размеры.
3. Показатель мощности.
4. Реакция на КЗ.
5. Значения входного и выходного напряжения.
6. Количество фаз сети.

Несколько вариантов популярных стабилизаторов:

Характеристики	НАМА “6 + 1”	ColorWay на 3 розетки	Legrand 6xSchuko
Количество розеток	6	3	6
Наличие USB порта	нет	4	нет
Максимальная мощность, Ватт	3500	2500	3500
Длина провода, м	1,4	2	1,5

Прочитайте: Классы энергосбережения бытовой техники: 7 видов

Что выбрать — сетевой фильтр или стабилизатор?

Выбор защитного агрегата для недешевых домашних электроустройств должен определяться целесообразностью. Принципиальное отличие между всеми предохраняющими агрегатами заключается в следующем. Сетевой фильтр, подобный APC Essential SurgeArrest, может только сгладить помехи и удалить импульсы высокого напряжения, не влияя на сам вольтаж на выходе. Если в проводке ток имеет 200 В, то фильтр никак не сможет поднять напряжение до необходимых 220. 

В это же время стабилизатор, к примеру, APC Line-R 1000VA, выравнивает значения, предотвращает скачки и выдает нужные параметры на выходе.

Таким образом, если в доме хорошая проводка, свет не мигает, не увеличивается яркость лампочек, нет частых отключений, то для компьютера или рядовой техники вполне подойдет сетевой фильтр. А вот дорогостоящую «плазму» или мощный котел лучше обезопасить применением стабилизатора. Особенно его использование актуально для сельской местности или в регионах со старыми линиями электропередач.

Обратите внимание: MOYO открыл первый круглосуточный склад-магазин техники и электроники

Выводы и рекомендации

Подобрав подходящий тип защитного механизма, перед покупкой стоит ознакомиться с его ключевыми параметрами:

• Для стабилизаторов: тип (одно- или трехфазный), мощность, активные и реактивные нагрузки, точность стабилизации, значения пусковых токов.
• Для сетевых фильтров: максимальная импульсная нагрузка, виды используемых предохранителей, наличие индикатора включения, качество и число гнезд.

Советы специалистов: к сетевым фильтрам не рекомендуется подключать электроустройства с повышенным пусковым током, наподобие теплового котла или высокомощной морозилки. Не стоит вестись на дешевизну и приобретать фильтр непонятного происхождения — капремонт домашней техники, пострадавшей от неполадок в проводке, выльется в крупные затраты.

 

Сглаживающие фильтры питания

В данной статье расскажем про сглаживающие фильтры питания, покажем пример определения выходного напряжения, и подбора сглаживающего конденсатора для источника вторичного питания.

Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.

---

 

 

Основные схемы сглаживающих фильтров питания

 

Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

1 / (ωС) << Rн

Во время действия синусоидального сигнала, когда напряжение на диоде выпрямителя прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. Когда напряжение на выходе диодного выпрямителя оказывается меньше напряжения заряда конденсатора, конденсатор разряжается через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается по мере разряда конденсатора через нагрузку. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Чем больше емкость С и сопротивление нагрузки R_н, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе среднее значение выходного напряжения U_ср к максимальному значению синусоиды U_max. Если нагрузку вообще отключить, то в режиме холостого хода на конденсаторе получится постоянное напряжение равное U_max, без всяких пульсаций.

Работа простейшего сглаживающего фильтра на конденсаторе в цепи однополупериодного выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающего конденсатора, а синим – при его наличии.

Если пульсации должны быть малыми, или сопротивление нагрузки R_н мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится использовать более сложный сглаживающий фильтр.

Работа сглаживающего Г-образного фильтра на конденсаторе и дросселе в цепи двухполупериодного мостового выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Как и в примере с однополупериодным выпрямителем, красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающих элементов (конденсатора и дросселя), а синим – при их наличии.

Логично следует, что чем больше ёмкости и индуктивности фильтров, и чем больше в нём реактивных элементов (сложнее фильтр), тем меньше коэффициент пульсаций такого выпрямителя.

В качестве сглаживающих конденсаторов используются электролитические конденсаторы. Чем больше ёмкость, тем лучше. Кроме того, для надёжности, конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в полтора-два раза превышающее выходное напряжение диодного моста.

---

 

 

Определение выходного напряжения выпрямителя и выбор сглаживающего фильтра для блока вторичного питания

 

К описанному в статье, следует добавить важную информацию, используемую для конструирования источников (блоков) питания постоянного тока:

1. Любой p-n переход, любого полупроводникового прибора, в том числе диода имеет характеристику – падение напряжения на переходе. Это напряжение обычно указывают в справочниках. Для германиевых диодов оно может быть от 0,3 вольт до 0,5 вольт, а для кремниевых диодов – от 0,6 вольт до 1,5 вольт.

Это значит, что если мы возьмём трансформатор с выходным напряжением 6,3 вольта, выпрямим его однофазным двухполярным мостовым выпрямителем (диодным мостом) у которого на каждом диоде по справочнику падает по 1 вольту (U_пр.= 1 В), то на выходе выпрямителя мы получим всего лишь 4,3 вольта. Напряжение в 2 вольта «потеряется» на 2-х диодах по пути прохождения тока. Начинающие радиолюбители обычно этого не учитывают, потому и недоумевают, почему на выходе маленькое напряжение.

2. Переменный электрический ток измеряется приборами, которые, как правило, показывают его среднее значение, а не максимальное. Максимальное значение переменного напряжения это – значение электрического напряжения соответствующее его максимальному значению синусоиды.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = U_max / π = 0,318 * U_max

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = 2 U_max / π = 0,636 * U_max

Значение среднего напряжения — 0,636 за счёт особенностей конструкции измерительных приборов округляется и принимается равной 0,7.

3. Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, который справедлив в том случае, когда нагрузка на блок питания маленькая. Обратите внимание на рисунки ниже.

Выходное напряжение выпрямителей с фильтром питания:

а) с большой нагрузкой :

б) с маленькой нагрузкой :

Эти рисунки поясняют, что при малой нагрузке выходное напряжение выпрямителя с фильтром питания равно максимальной амплитуде синусоиды поступающей на выпрямитель, за вычетом падения напряжения на диодах.

 

---

 

 

Пример определения выходного напряжения, и подбора сглаживающего конденсатора для источника вторичного питания

 

Рассмотрим случай со средним переменным напряжением на выходе трансформатора, измеренным мультиметром равным 6,3 вольта, и нагрузкой (сопротивлением нагрузки) равной 200 Ом.

Выходное напряжение c мостового выпрямителя будет определено следующим образом:

— максимальное напряжение на выходе трансформатора:

U_max = U_изм / 0,7 = 6,3в / 0,7 = 9 вольт

— максимальное выходное напряжение на выходе выпрямителя:

U_вых. = U_max – U_VD1 – U_VD2 = 9 – 1 – 1 = 7 вольт

— емкость сглаживающего конденсатора выбираем из условия:

1 / (2*π*f*С) << R_н , откуда 1 / (2*π*f *R_н) << С

— подставим данные:

1/(2*3,14*50*200) = 1,59*10^-5 (Фарад) = 15,9 мкФ

— учитывая условие, при котором емкость конденсатора должна быть намного больше полученному по приведенному условию, выбираем конденсатор ёмкостью более чем в пять раз больше расчётного значения — 100 мкФ*16 вольт.

---

Схема, состоящая из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра является источником нестабилизированного питания. От таких источников можно питать любые устройства, потребляющие слабый ток, не критичные к наличию пульсаций и нестабильности питающего напряжения. Для максимального подавления пульсаций и стабилизации питающего напряжения применяют Стабилизаторы напряжения.

Сглаживающие фильтры | HomeElectronics

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 S_0H 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 (r_др << R_н), а индуктивное сопротивление X_др = 2πf_пL_ф на частоте пульсаций f_п – много больше, чем R_н(X_др >> R_н). 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.

Eмкостной сглаживающий фильтр

Емкостной сглаживающий фильтр состоит из конденсатора С_ф, подключённого параллельно сопротивлению нагрузки R_н. 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 f_п выпрямленного напряжения.

 

Для расчёта ёмкости конденсатора сглаживающего фильтра можно воспользоваться следующей формулой

, где

результируещее значение ёмкости выражено в микрофарадах,
S_OH – коэффициент пульсаций в процентах, %;
R_H – сопротивление нагрузки в омах, Ом;
f_c – 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.

Сглаживающий LC фильтр

Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения будет более эффективным, если в совместить два предыдущих фильтра: индуктивный и емкостной фильтры. Данные типы сглаживающих фильтров называют LC фильтрами

Простейший Г-образный индуктивно-емкостный фильтр рассчитывают такким образом, чтобы параметры элементов подходили под следующие условия

Коэффициент сглаживания Г-образного фильтра связан с произведением индуктивности и емкости следующим образом:

Сглаживающие RC фильтры

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

Расчёт сглаживающего RC фильтра должен вестись с учётом следующих условий

Коэффициент сглаживания фильтра

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

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

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.

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 R_H 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 R_б. Конденсатор С_б 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 R_H 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 С_б 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

Фильтр с балластным резистором и параллельным включением транзистора 

Фильтр с балластным резистором и последовательным включением транзистора

Транзисторные фильтры с балластным резистором R_бл и параллельным включением транзистора относительно нагрузки, в отличие от схем с последовательным включением, применяется при сравнительно небольшом выпрямленном напряжении (десятки вольт). Режим работы транзистора VT – минимальное значение тока I_K.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 R_бл. Эта составляющая оказывается в противофазе с переменной составляющей напряжения, выделяющейся на R_бл при непосредственном протекании тока нагрузки. Выбором R_бл и I_K.min можно добиться их полной компенсации. Амплитуда переменной составляющей тока транзистора VT должна быть меньше протекающего постоянного тока I_K.min, иначе схема будет неработоспособна. Ток I_K.min, не должен быть очень малым, так как иначе потребуется увеличение сопротивления R_бл, 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 без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Сетевой фильтр или стабилизатор напряжения

В электрических сетях для нормального функционирования различных электрических устройств монтируются специальные устройства защиты. Однако в распредщитах жилых зданий они отсутствуют. Жилищные и коммунальные организации не заботятся о возможных неисправностях электроприборов из-за некачественной работы электросети.

Вследствие этого, если в квартире имеется сложная бытовая техника, то необходима установка защиты от перепадов напряжения. Для таких целей используют сетевой фильтр, либо стабилизатор напряжения. Какой именно прибор применять, это дело каждого, но для выбора необходимо иметь элементарные знания об этих устройствах.

Виды помех

Внешние факторы помех разделяют на импульсные и высокочастотные. Первый вид помех делится на два вида:

• Природные – удар молнии возле линии сети.
• Техногенные – авария на трансформаторе, процесс переключения при установке большого количества потребителей, износ сетей.

Импульсные помехи имеются в промышленности и в районах города. Они появляются в разных сетях и могут доходить до 6000 В в 10^-6 с. Устройства защищаются от перепадов напряжения путем установки стабилизаторов напряжения, либо сетевых фильтров.

Причины помех высокой частоты те же самые, только добавляются бытовые приборы и электроинструмент. Удалить их невозможно, они передаются по сети. Разберемся, что лучше выбрать, стабилизатор напряжения, либо сетевой фильтр. Покупатели перед выбором всегда обращают внимание на стоимость. Чаще всего они приобретают совсем не те устройства, которые им нужны.

Сетевой фильтр

Уже невозможно представить, как работать на компьютере без сетевого фильтра. Он сглаживает импульсы, также являясь стабилизирующим блоком, имеющим несколько розеточных гнезд. Сетевой фильтр состоит из 2-х элементов: фильтра и ограничитeля напряжения. Варисторы входят в ограничитель напряжения. Они изменяют его свойства от значения напряжения. Фильтр подключается в основном между фазой и нулем. Чувствительные приборы защищаются при помощи специального фильтра, в который могут входить обмотки индуктивности.

Сетевой фильтр действует по 1-фазной схеме. В ней обязательно должно быть заземление. При его отсутствии фильтр будет работать хуже. Импульсы должны поступать в землю. Варистор является переменным полупроводниковым резистором, которое нелинейно меняет свойства вместе с напряжением. Его монтируют на входе для погашения импульсов.

Сетевые фильтры также могут отключить нагрузку при коротком замыкании, либо излишней нагрузке. Необходимо разобраться, какое устройство защиты выбирать, и что лучше установить. Дешевые варианты приборов не дают должного эффекта, но их можно применять, если доработать самостоятельно.

В торговой сети имеется множество устройств плохого качества, не имеющих защитной функции и фильтра. В этом случае сетевые фильтры являются простыми удлинителями, либо предохраняют технику от повышенного напряжения, а стабилизации не происходит.

Стабилизатор напряжения

Это устройство служит для поддержки напряжения на уровне 220 вольт. При увеличении этого значения, происходит выравнивание, при уменьшении – его повышение. При некачественной работе сети люди больше берут во внимание стабилизатор напряжения. При аварии осуществляется выключение питания потребителя, импульсы тока не проходят к нагрузке.

Регулировка напряжения в стабилизаторах осуществляется по-разному. Одним из методов является коммутация вторичных обмоток.

Напряжение меняется с помощью электронных ключей, которые управляются процессором. Информация поступает с датчика, и напряжение регулируется электронным тиристорным переключателем.

Конденсаторы выступают в качестве фильтров высокой частоты. Стабилизатор является сложным прибором, состоящим из деталей, в которые также входит и сетевой фильтр. Сопротивление на входе дает возможность поддерживать транзистор в открытом виде, также удерживает стабилитрон в активном состоянии.

Стабилизатор выбирают исходя из мощности нагрузки. В настоящее время используется электроника, поэтому стабилизатор нужен не только для компьютерной техники, но и для приборов освещения. При использовании его в электромоторах, нужно знать, что ток запуска выше номинального в несколько раз. Стабилизаторы могут допускать короткие перегрузки, резерв мощности берут больше.

Источник питания

В специализированных торговых точках предлагают приобрести различные приборы защиты. Но сразу трудно решить при большом разнообразии моделей. Многие покупают ИБП для защиты от внезапного отключения электроэнергии, чтобы можно было на компьютере сохранить документы и выключить оборудование. Существуют такие источники питания с опциями стабилизатора для защиты от помех и электромагнитных искажений.

При отсутствии или уменьшении питания, подключаются аккумуляторы. Время их работы зависит от модели и стоимости устройства, и достигает многих часов. Модель выбирается в зависимости от мощности нагрузки. Важным свойством такого источника питания является форма выходного напряжения. У недорогих моделей она в виде прямоугольника, а по амплитуде и частоте подобна синусоидальному значению.

Какое отличие между фильтром и стабилизатором?

Разница очень большая. Стабилизатор выполняет свою функцию. В нем имеется трансформатор, схема повышения и понижения напряжения. В застойные времена через стабилизаторы подключали телевизоры.

В настоящее время они уже практически не используются, так как в новой технике установлены блоки питания импульсного типа, которые обеспечивают нормальную работу при 100-240 вольтах.

Сетевой фильтр только удаляет помехи, возникающие в электросети при подключении или функционировании разных устройств. Помехи обычно образуются от импульсных блоков, моторами разных устройств, электросваркой.

Фильтр может удалять помехи высокой частоты от 100 герц до 100 мегагерц и импульсы повышенного напряжения, однако не может никак изменить его значение. Например, если в электрической сети напряжение равно 190 В, то это значение не изменится, и останется малым и после фильтра, всего лишь очистится от наводок повышенной частоты и импульсов.

Стабилизатор напряжения приемлемого качества выполняет задачи фильтра и выравнивает величину напряжения на необходимом уровне, при значительных скачках напряжения. Наиболее важным свойством стабилизатора является тот фактор, что он не искажает напряжение на выходе.

Если в сети отклонение очень большое, выше стандартного, то стабилизатор является лучше, чем сетевой фильтр. И будет оптимальным выбором приобретение стабилизатора на все здание сразу, чем отдельно для каждых устройств.

мир электроники – Расчет фильтров напряжения

Электроника, электротехника, самостоятельные расчеты

 материалы в категории

Программа для расчета LC-фильтров

Сглаживающий фильтр (смотрите рис. 1) включается между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения переменной составляющей (пульсации) выпрямленного напряжения.

Для уменьшения пульсаций напряжения используют сглаживающие фильтры.

Реактивные фильтры представляют собой соединённые определённым образом дроссели и конденсаторы. На входе фильтра помимо постоянной составляющей присутствует ещё и переменная составляющая, называемая пульсацией напряжения. Эта пульсация велика относительно допустимой для питаемой нагрузки, и непосредственное питание нагрузки от источника питания бывает невозможно. При питании аппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу устройств, внося искажения и помехи. Это относится к пульсации напряжения, вызванной работой системы зажигания в автомобилях; пульсации, вызванной работой источника питания компьютера и приводящей к помехам телевизорам, радиоприёмникам и прочим бытовым электроприборам.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания q. Если предположить, что падение напряжения на омическом сопротивлении дросселя отсутствует, то коэффициент сглаживания можно определить как отношение амплитуды пульсации напряжения на входе фильтра U~вх к амплитуде пульсации напряжения на выходе фильтра U~вых. q = U~вх / U~вых. Таким образом, коэффициент сглаживания показывает степень ослабления фильтром переменной составляющей напряжения.

.Для расчета LC-фильтров существует русская версия программы «LC-filter 5.0.0.0», позволяющая рассчитывать Г-образные сглаживающие фильтры на реактивных элементах, предназначенные для подавления пульсаций в источниках питания.

Автор программы — Москатов Евгений Анатольевич из города Таганрога Ростовской области

Программа «LC-filter» позволяет рассчитывать различные сглаживающие Г-образные индуктивно-ёмкостные фильтры: однозвенные (рис.1), двухзвенные (рис. 2) и фильтры с большим числом звеньев (рис. 3). Количество звеньев фильтра определяется из условия наименьшей стоимости или из условия минимума его суммарной индуктивности и его суммарной ёмкости. Исходя из условия наименьшей стоимости, двухзвенный LC-фильтр целесообразно применять при q > 40…50, а трёхзвенный LC-фильтр целесообразно применять при q >1500 …1700. Исходя из второго условия, двухзвенный LC-фильтр целесообразно применять при q > 20, а трёхзвенный LC-фильтр целесообразно применять при q > 160.

Программа бесплатная и скачать Вы её можете прямо на этой странице (ссылка ниже)

Относительно исходных данных программы.
     Частота пульсации после мостового выпрямителя увеличивается в два раза. Значит, если частота сети была 50 Гц, то после мостового выпрямителя на фильтр подаётся напряжение с частотой пульсации 100 Гц. Для однополупериодного выпрямителя число фаз равно 1; для двухполупериодного выпрямителя, в том числе мостового, равно 2; для трёхфазного выпрямителя — 3; для трёхфазного мостового выпрямителя — 6. Для выпрямителя, образованного включением двух трёхфазных мостовых выпрямителей последовательно (причём в одном выпрямителе вторичные обмотки трансформатора включены в звезду, а во втором — в треугольник), число фаз равно 12.
Относительно результатов расчёта в программе.
      По найденной из расчёта ёмкости требуется выбрать конденсатор. Конденсатор следует выбрать на напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети, увеличенное на 15 … 20 %. Это необходимо для обеспечения надёжной работы конденсаторов при перенапряжениях, возникающих при включении выпрямителя. Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе не превышала предельно допустимого значения. Важным параметром конденсатора является предельно допустимая величина переменной составляющей выпрямленного напряжения, выраженная в процентах его номинального рабочего напряжения. Этот параметр конденсатора в значительной мере зависит от частоты основной гармоники выпрямленного напряжения. В каталогах на конденсаторы обычно приводится допустимая величина амплитуды переменной составляющей для частоты 50 Гц и дополнительно указывается, как изменяется допустимая амплитуда в зависимости от частоты. Емкость электролитических конденсаторов существенно зависит от температуры окружающей среды. Она резко уменьшается при отрицательных температурах, что следует обязательно учитывать при проектировании. Если допустимое для данных частоты и температуры значение амплитуды переменной составляющей превышает расчётное, то следует, либо выбрать конденсатор на большее номинальное рабочее напряжение (не меняя принятой ранее ёмкости конденсатора), либо увеличить ёмкость конденсатора (не меняя принятого ранее номинального рабочего напряжения конденсатора). Дроссель фильтра обычно выбирают стандартным, хотя не исключена ручная намотка по рассчитанным индуктивности обмотки и диаметру провода. Магнитопровод дросселя выбирается исходя из частоты пульсации. Так, для частоты 100 Гц лучше использовать сердечник из пермаллоя или трансформаторного железа. Для частоты 100кГц следует использовать магнитопровод из феррита.
      Постоянный ток нагрузки, протекая по обмотке дросселя, создаёт постоянное подмагничивание его сердечника, что смещает рабочую точку на кривой намагничивания на пологий участок, соответствующий магнитному насыщению. Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости и индуктивности дросселя. Для снижения влияния подмагничивания на индуктивность дросселя его сердечник выполняется с немагнитным зазором. При этом следует понимать, что у дросселя с немагнитным зазором в сердечнике велико поле рассеяния, которое может явиться причиной наводок на элементы питаемого устройства. При расчёте фильтра необходимо обеспечить такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора, при котором не могли бы возникнуть резонансные явления на частоте пульсации выпрямленного напряжения и частоте изменения тока нагрузки. Для этого необходимо, чтобы собственная круговая частота фильтра была хотя бы в два раза меньше круговой частоты пульсации. Это условие всегда выполняется при q > 3.

Пояснения и скрины:

 

Скачать программу LC-filtr по прямой ссылке (проверено антивирус Касперский)

 

Фильтр, управляемый напряжением (VCF) | Академия синтезаторов

Фильтр, управляемый напряжением, является основной частью субтрактивного синтеза. Есть много разных способов создать фильтр, и хотя они в основном делают одно и то же, все они звучат немного по-разному. Фильтр – это часть синтезатора, которая в наибольшей степени отвечает за формирование тонов, которые вы получаете от него, и придает каждому синтезатору свой характер и уникальный звук.

Как правило, фильтры блокируют одни объекты, а другие пропускают.Фильтр в синтезаторе ничем не отличается; он блокирует одни частоты, пропуская другие. Есть несколько различных типов фильтров, которые вы можете выбрать в зависимости от того, какие частоты вам нужно заблокировать / пропустить для достижения желаемого звука.

Типы фильтров (режимы)

Фильтр нижних частот пропускает (разрешает) частоты ниже определенной точки, известной как частота среза. Частоты выше частоты среза блокируются. Этот фильтр позволяет вырезать высокие частоты из вашего сигнала или избавиться от гармоник.

развертка фильтра нижних частот

Полосовой фильтр пропускает частоты вокруг частоты среза, но блокирует частоты выше и ниже нее. Он пропускает только узкую полосу частот. Это полезно, если вы пытаетесь выделить определенную частоту.

Полосовой фильтр развертки

Фильтр верхних частот пропускает частоты выше частот среза и блокирует частоты ниже них.Он позволяет вырезать низкие частоты из вашего сигнала или пропускать только гармоники.

Развертка фильтра верхних частот

Режекторный фильтр блокирует частоты около частоты среза и пропускает все остальные. Это может пригодиться, если у вас есть одна конкретная частота, которую вы хотите заблокировать (возможно, это вызывает обратную связь или просто плохо звучит).

Различные синтезаторы или модули фильтров могут иметь один или несколько типов фильтров.Иногда они все доступны одновременно с разных разъемов, а иногда вы можете переключаться между ними с помощью переключателя или ручки.

Частота среза

Приведенные выше описания являются лишь обобщениями; сигналы обычно не проходят полностью или не блокируются по обе стороны от частоты среза. Фактически, коэффициент усиления начинает постепенно уменьшаться, а затем постепенно снижается. Давайте в качестве примера рассмотрим фильтр нижних частот:

Обратите внимание, что частота среза – это не точка, в которой фильтр начинает влиять на усиление.Это точка, в которой усиление составляет -3 дБ (половина).

Частоту среза можно регулировать почти на всех VCF с помощью ручки или управляющего напряжения. Здесь вы можете начать использовать свой фильтр для создания более динамичных звуков. Возможно, вы вставите фильтр низких частот так, чтобы срез был довольно высоким, когда вы впервые играете ноту, а затем он снижается, когда нота удерживается. Это дает вам ноту, которая становится яркой при первом ударе и со временем становится более тусклой, как и многие акустические инструменты, когда на них играют.

Наклон

Скорость, с которой падает усиление после перегиба на частоте среза, известна как крутизна фильтра. Когда вы покупаете фильтр, вы увидите характеристики наклона, например, 12 дБ / октаву или 24 дБ / октаву. Это означает, что каждый раз, когда частота удваивается (увеличивается на октаву), усиление падает на 12 дБ или 24 дБ соответственно. Иногда наклон описывают в «полюсах», каждый полюс которых равен 6 дБ. 2-полюсный фильтр будет иметь наклон 12 дБ / октаву, 4-полюсный фильтр – 24 дБ / октаву и т. Д.

6 дБ – не очень крутая крутизна для фильтра. Вы можете использовать его, чтобы сделать звук ярче или мутнее, но на самом деле он не обрезает частоты до такой степени, что вы их не слышите. Регуляторы тембра на вашей старой стереосистеме, вероятно, имеют наклон 6 дБ.

12 дБ отфильтрует большую часть звука, но вы все равно сможете его услышать.

24 дБ – это довольно круто. Вы можете использовать 4-полюсный фильтр, чтобы вырезать нежелательные частоты до такой степени, чтобы вы их не заметили.

Резонанс

Поворачивая регулятор резонанса (или увеличивая управляющее напряжение) на вашем фильтре, вы увеличиваете частоты прямо около частоты среза.Он также имеет тенденцию ослаблять низкие частоты (некоторые фильтры компенсируют это, поэтому вы не теряете низкие частоты при увеличении резонанса). Ширина пика, на котором повышаются частоты, называется «Q».

По мере того, как вы продолжаете увеличивать резонанс, звук начинает немного звучать около резонансной частоты. Если вы увеличите резонанс еще больше (если ваш фильтр позволит вам; некоторые нет), тогда фильтр начнет автоколебаться, и вы обнаружите синусоидальную волну на выходе.Пик такой высокий и узкий, что через него будет проходить очень мало входного сигнала. Если ваш фильтр откалиброван так, что он отслеживает с вашей клавиатурой, вы можете использовать его как синусоидальный ГУН.

Примечание. Хотя их можно использовать таким образом, VCF не могут быть хорошей заменой для VCO. Генераторы очень чувствительны к изменениям температуры, и настоящий ГУН имеет дополнительную схему, чтобы компенсировать это и сделать его более стабильным. VCF этого не делают, поэтому они не очень хорошо умеют оставаться в гармонии.На некоторых из них вы можете кардинально изменить высоту звука, просто дуя на их печатные платы.

Давайте посмотрим на реальный VCF. Это Filtare SEIII Дивизиона 6. Это фильтр Eurorack, который по звучанию напоминает микросхему фильтра SSM2040, которая больше не производится. Это 4-полюсный фильтр, поэтому его крутизна составляет 24 дБ / октаву.

Он имеет 4 различных типа фильтров, каждый из которых имеет собственное отдельное выходное гнездо.

Режекторный выход немного уникален тем, что имеет регулятор «баланса», который позволяет переключаться между всеми нижними и верхними частотами.Когда он установлен посередине, он передает как низкие, так и высокие частоты с провалом (выемкой) посередине.

Все элементы управления этого фильтра могут управляться либо ручкой, либо внешним управляющим напряжением.

Есть два входа CV для частоты среза. У одного есть ручка уровня, чтобы вы могли регулировать, насколько входящее напряжение влияет на частоту. Другой – фиксированный 1 вольт на октаву, что позволяет легко использовать этот фильтр в качестве генератора синусоидальной волны, если вы хотите (на задней панели также есть регулятор подстройки, чтобы вы могли его настраивать).

Введение в электрические фильтры [Analog Devices Wiki]

Введение в электрические фильтры

Введение

Большинство электрических фильтров представляют собой схемы, которые выбирают определенные полосы частот для передачи или приема, а также другие полосы частот для остановки или отклонения. Частота, при которой происходит переход между прохождением и отклонением входных сигналов, называется «частотой среза», часто сокращенно f _C .Полоса пропускаемых частот называется «полосой пропускания» фильтра, также называемой «полосой пропускания». Нас будут интересовать фильтры, которые работают с сигнальными напряжениями. Существуют и другие типы фильтров, которые управляют фазами проходящих через них сигналов, но мы не собираемся рассматривать их в этой лабораторной работе. Простейшие фильтры состоят из двух пассивных элементов – резистора и конденсатора (RC) или резистора и катушки индуктивности (RL). Каждый из этих двухэлементных фильтров может быть выполнен с возможностью пропускания низких частот и подавления высоких частот или пропускания высоких частот и подавления низких частот, в зависимости от того, на каком элементе принимается выходное напряжение.Неудивительно, что фильтры, пропускающие низкие частоты, называются фильтрами «lowpass», а фильтры, которые пропускают высокие частоты, называются фильтрами «highpass».

Часто встречающееся расположение фильтров нижних и верхних частот можно найти в кроссоверных сетях в системах двусторонних громкоговорителей, состоящих из низкочастотного драйвера, называемого вуфером, и высокочастотного драйвера, называемого твитером. Фильтр нижних частот передает низкие частоты на низкочастотный динамик, который предназначен для воспроизведения этих частот, и отклоняет высокие частоты, которые низкочастотный динамик не может воспроизвести.Точно так же фильтр верхних частот передает высокие частоты на высокочастотный динамик, который он предназначен для воспроизведения, и блокирует низкие частоты, которые высокочастотный динамик не может воспроизвести или даже может повредить высокочастотный динамик. В идеале общий аудиовыход из акустической системы должен охватывать весь аудиодиапазон, разделенный между вуфером и твитером.

В этом эксперименте мы спроектировали и построили RC-фильтр нижних частот и RC-фильтр верхних частот, используя компоненты, доступные в комплекте аналоговых деталей ADALP2000.Частота среза фильтра нижних частот составляет примерно 100 Гц, а частота среза фильтра верхних частот составляет примерно 200 Гц. Важно отметить, что фильтр низких частот пропускает постоянный ток – основной низкочастотный сигнал, а фильтр высоких частот – нет.

После создания и тестирования двух фильтров мы построим две очень простые схемы, которые обнаруживают, когда сигналы находятся примерно в полосе пропускания каждого фильтра, и запускают светодиод, чтобы указать это.Затем мы можем соединить два фильтра вместе и развернуть частоту входного сигнала от очень низкой частоты, которая находится в полосе пропускания фильтра нижних частот, но не в полосе пропускания фильтра верхних частот, до высокой частоты, которая не находится в полосе пропускания фильтра нижних частот, но является в полосе пропускания фильтра верхних частот. Затем мы можем наблюдать, как светодиоды включаются и выключаются в зависимости от входной частоты.

Цель

Изучить RC-фильтры нижних и верхних частот и разработать простую схему для определения приблизительной амплитуды сигнала и включения светодиода, когда амплитуда превышает заданный порог.По завершении этой лабораторной работы вы сможете описать базовую работу RC-фильтров нижних и верхних частот, описать работу простого пикового детектора с низкой точностью, объяснить, что такое компаратор напряжения, и объяснить, как выход компаратора может управлять светодиодом. .

Материалы и оборудование

• Раздаточный лист технических данных компаратора напряжения AD8561

• Компьютер с программным обеспечением PixelPulse

• Аналоговые устройства ADALM1000 (M1K)

• Макетная плата без пайки и перемычки из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (2) AD8561 из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (2) диод 1N914 из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (1) Красный светодиод из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (1) Зеленый светодиод из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (2) резистор 68 Ом из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (2) резистор 100 Ом из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (2) резистор 200 кОм из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (2) потенциометр 10 кОм из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (2) конденсатор 10 мкФ из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (1) Конденсатор 22 мкФ из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

• (1) Конденсатор 47 мкФ из комплекта аналоговых деталей ADALP2000

Процедура

1. Постройте следующую схему фильтра нижних частот на беспаечной макетной плате.
2. На рисунке ниже показан один из способов установки компонентов в беспаечной макетной плате.
3. Запустите PixelPulse на компьютере и подключите M1K с помощью прилагаемого USB-кабеля

4. При необходимости обновить прошивку M1K

5. Подключите M1K к цепи, как показано на схеме

6. Настройте PixelPulse на источник напряжения / измерение тока на канале A и измерение напряжения на канале B

7. Настройте канал A для генерации синусоидальной волны 10 Гц, которая колеблется между 0 В и 5 В , и убедитесь, что напряжение, наблюдаемое на канале B, аналогично источнику на канале A.

8. Постепенно увеличивайте частоту синусоидальной волны, исходящей от канала A, до 1000 Гц и наблюдайте за уменьшением амплитуды измеренного сигнала на канале B

9. Отрегулируйте частоту, генерируемую каналом A, до тех пор, пока размах сигнала, измеренный на канале B, не будет приблизительно равен 3.5 В и запишите эту частоту
10. Измените схему на беспаечной макетной плате согласно следующей схеме.
11. На рисунке ниже показан один из способов установки компонентов в беспаечной макетной плате.
12. Настройте канал A для генерации синусоидальной волны 10 Гц, которая колеблется между 0 В и 5 В , и запишите уровень постоянного тока, измеренный на канале B.
13. Запишите уровни постоянного тока, измеренные на канале B для следующих входных частот (колебание от 0 В до 5 В ): 18 Гц, 32 Гц, 56 Гц, 100 Гц, 180 Гц, 320 Гц, 560 Гц и 1000 Гц
14. Добавьте следующую схему фильтра верхних частот к беспаечной макетной плате.
15. На рисунке ниже показан один из способов установки компонентов в беспаечной макетной плате.
16. Настройте канал A для генерации синусоидальной волны 10 Гц, которая колеблется между 0 В и 5 В , и убедитесь, что напряжение, наблюдаемое на канале B, намного меньше, чем на канале A.

17. Постепенно увеличивайте частоту синусоидальной волны, исходящей от канала A, до 1000 Гц и наблюдайте за увеличением амплитуды измеренного сигнала на канале B

18. Отрегулируйте частоту, генерируемую каналом A, до тех пор, пока размах сигнала, измеренный на канале B, не будет приблизительно равен 3.5 В и запишите эту частоту
19. Измените схему на беспаечной макетной плате согласно следующей схеме.
20. На рисунке ниже показан один из способов установки компонентов в беспаечной макетной плате.
21. Настройте канал A для генерации синусоидальной волны 10 Гц, которая колеблется между 0 В и 5 В , и запишите уровень постоянного тока, измеренный на канале B.
22. Запишите уровни постоянного тока, измеренные на канале B для следующих входных частот (колебания от 0 В от до 5 В ): 18 Гц, 32 Гц, 56 Гц, 100 Гц, 200 Гц, 320 Гц, 560 Гц и 1000 Гц
23. Постройте две схемы компаратора на беспаечной макетной плате – по одной для каждого из двух фильтров – в соответствии со следующей схемой (используйте КРАСНЫЙ светодиод для фильтра нижних частот и ЗЕЛЕНЫЙ светодиод для фильтра верхних частот).

24. Подключите два входа фильтра вместе и к каналу A M1K

    .
25. На рисунке ниже показан один из способов добавления схемы компаратора к существующим фильтрам, построенным на беспаечной макетной плате.

26. Отрегулируйте потенциометр в цепи компаратора фильтра нижних частот, чтобы получить напряжение на стеклоочистителе, равное уровню, измеренному ранее для входной частоты 100 Гц

27. Отрегулируйте потенциометр в цепи компаратора фильтра верхних частотŗ, чтобы получить напряжение на стеклоочистителе, равное уровню, измеренному ранее для входной частоты 200 Гц

28. Настройте канал A на источник синусоидальной волны 10 Гц, которая колеблется между 0 В и 5 В

29. Постепенно увеличивайте частоту синусоидальной волны, исходящей от канала A, до 1000 Гц

30. Убедитесь, что КРАСНЫЙ светодиод горит для частот от 10 Гц до приблизительно 100 Гц и гаснет для более высоких частот, указывая на характеристику фильтра нижних частот

31. Убедитесь, что ЗЕЛЕНЫЙ светодиод горит для частот примерно от 200 Гц до 1000 Гц и гаснет для низких частот, указывая на отклик фильтра верхних частот

Теория

В последовательных RC-цепях могут быть реализованы простейшие фильтры нижних и верхних частот, которые работают от напряжения, хотя возможна работа в токовом режиме.Фильтр является фильтром нижних частот, когда выходное напряжение снимается с конденсатора, и фильтром верхних частот, когда выходное напряжение снимается с резистора. Фильтр работает как двухэлементный делитель напряжения между сопротивлением резистора R и реактивным сопротивлением конденсатора 1 / 2πfC. Поскольку емкостное реактивное сопротивление изменяется обратно пропорционально частоте, напряжение на конденсаторе уменьшается с частотой, создавая частотную характеристику фильтра нижних частот. По закону Кирхгофа напряжение на резисторе увеличивается с частотой, дополняя напряжение конденсатора, создавая высокочастотный отклик.Частота среза f _C определяется как частота, при которой емкостное реактивное сопротивление равно сопротивлению. Установка R = 1 / 2πf _C C и решение для f _C дает следующий результат.

На частоте среза амплитуда синусоидального выходного напряжения в ответ на синусоидальное входное напряжение равна обратной величине квадратного корня из двукратной амплитуды входного напряжения, или примерно 70,7% от амплитуды входного напряжения.

Фильтр нижних частот в лаборатории состоит из резистора 68 Ом и конденсатора 22 мкФ и поэтому имеет частоту среза приблизительно 106 Гц. Из-за допусков резистора и конденсатора фактическая частота среза будет отклоняться от этого значения. Частота, при которой размах выходного сигнала, измеренная для падения с примерно 5 В до (0,707) * 5 В ≈ 3,5 В в части с фильтром нижних частот в лаборатории, должна была быть близкой к 106. Гц.

Фильтр верхних частот в лаборатории состоит из резистора 68 Ом и конденсатора 10 мкФ и поэтому имеет частоту среза примерно 234 Гц. Как и в случае с фильтром нижних частот, допуски компонентов вносят небольшую ошибку частоты среза. Частота, при которой размах выходного сигнала, измеренная для падения с примерно 5 В до (0,707) * 5 В ≈ 3,5 В в части лаборатории с фильтром верхних частот, должна была быть близкой к 234 Гц.

Важно отметить, что резистор в фильтре верхних частот относится к +2.5 В вместо заземления. Фильтр верхних частот не может пропускать постоянный ток, поэтому его можно рассматривать как схему, которая удаляет уровень постоянного тока из входного сигнала. Уровень постоянного тока на другой стороне резистора устанавливает уровень постоянного тока на выходной стороне высокочастотного фильтра, если на выходе нет значительной нагрузки постоянного тока. Это верно, потому что постоянный ток не может протекать обратно через конденсатор и нет значительного тока нагрузки, поэтому падение постоянного напряжения на резисторе в фильтре верхних частот фактически равно нулю.При установке уровня выходного постоянного тока 2,5 В размах выходного сигнала помещается в центр входного диапазона M1K. Если бы резистор был привязан к земле, выход фильтра верхних частот качался бы над и под землей, и отрицательные отклонения не были бы видны на M1K.

После определения основных характеристик фильтров к выходам фильтров добавляются простые, довольно неточные пиковые детекторы, состоящие из последовательно соединенных диодов и шунтирующих конденсаторов, чтобы дать приблизительное представление об уровне выходного сигнала фильтра.Пиковый детектор позволяет конденсатору заряжаться, когда напряжение на выходе из фильтра превышает напряжение конденсатора плюс прямое падение на диоде. Диод – это нелинейный элемент с изменяющимся прямым падением напряжения, поэтому конденсатор не сможет заряжаться до фактического пикового напряжения на выходе из фильтра. Как только сигнал из фильтра проходит свой пик, диод становится смещенным в обратном направлении и проводит очень небольшой ток, позволяя конденсатору удерживать грубую оценку пикового уровня, которая включает ошибку из-за падения диода.Напряжение конденсатора не остается совершенно постоянным, пока диод смещен в обратном направлении, потому что диод пропускает ток при обратном смещении, а ток утекает в M1K, когда измеряется напряжение конденсатора. Утечки тока вызывают падение напряжения конденсатора во время частей цикла с обратным смещением. Провисание более заметно для низкочастотных входов, когда время обратного смещения велико. Это поднимает важную дилемму, которая встречается во всех пиковых детекторах. Небольшой конденсатор желателен для быстрой зарядки, необходимой для обнаружения пиков высокочастотных сигналов, но большой конденсатор требуется для достижения длительного времени удержания для низкочастотных сигналов.В конечном итоге необходимо найти компромисс при выборе емкости конденсатора для конкретного приложения. Гораздо более точные пиковые детекторы могут быть построены с использованием цепей отрицательной обратной связи, которые устраняют ошибку падения диода из результатов измерения.

Поскольку эти пиковые детекторы содержат ошибки, лучше всего измерять их выходные сигналы для различных уровней выходных сигналов фильтров. В лаборатории для характеристики пиковых детекторов используются частоты с интервалом примерно в четверть десятилетия. Одна из этих частот выбрана примерно равной частоте среза соответствующего фильтра – 100 Гц для фильтра нижних частот и 200 Гц для фильтра верхних частот.Эти выходные уровни пикового детектора используются для установки пороговых уровней компараторов, которые определяют, когда сигналы находятся в полосах пропускания фильтра, и управляют соответствующими светодиодами.

Компаратор – это усилитель с высоким коэффициентом усиления с дифференциальным входом и двоичным выходом, который используется для обнаружения, когда входные сигналы выше или ниже заданного порогового напряжения. Компаратор аналогичен операционному усилителю, который настроен в конфигурации с разомкнутым контуром, хотя операционные усилители не должны использоваться в качестве компараторов по ряду причин.На рынке есть много компараторов, которые специально разработаны для работы в разомкнутом контуре и обеспечивают определенный тип цифрового логического выхода. Компараторы также могут работать в замкнутой конфигурации с положительной обратной связью для создания гистерезиса. Гистерезис – это характеристика, при которой работа компаратора зависит от его истории. Он обеспечивает два порога – более высокий для увеличения входных данных и более низкий для уменьшения входных данных. Одним из основных преимуществ гистерезиса является то, что он предотвращает «дребезг» на выходе компаратора, когда входной сигнал изменяется очень медленно около порогового значения.Гистерезис был бы хорошей функцией в этом приложении, если бы входные частоты зависали рядом с частотами среза фильтра, но он не был включен для простоты. Он представлен и объяснен в лабораторной работе «Простой датчик приближения».

Компараторы настроены с пороговыми напряжениями на их инвертирующих входах. Логика выхода переходит на «высокий» уровень, когда напряжение на неинвертирующем входе превышает пороговое напряжение на небольшую величину. Мы хотим включить светодиод, когда пороговое значение превышено, что указывает на то, что входной сигнал находится в полосе пропускания фильтра, и лучше всего включать светодиод, когда выход компаратора находится в «низком» логическом состоянии.AD8561 имеет настоящие и дополнительные выходы. Истинный выход становится высоким, когда входное напряжение превышает пороговое напряжение, и низким, когда входное напряжение ниже порогового напряжения. Дополнительный выходной сигнал работает наоборот. Поскольку дополнительный выход становится «низким», когда входное напряжение превышает пороговое напряжение, он используется для управления светодиодом. Если бы у компаратора был только истинный выход, того же результата можно было бы достичь, поменяв местами входные сигналы, i.е. , подавая пороговое напряжение на неинвертирующий вход и входной сигнал на инвертирующий вход.

Наблюдения и выводы

• Электрический фильтр – это цепь, которая пропускает одни частоты и отклоняет другие частоты

• Простейшие фильтры состоят из двух элементов, RC и RL

• Фильтр нижних частот пропускает низкие частоты и отклоняет высокие частоты

• Фильтр высоких частот пропускает высокие частоты и отклоняет низкие частоты

• Фильтр верхних частот не проходит DC

• RC- и RL-цепи могут быть выполнены как простые фильтры нижних или верхних частот

• Полоса пропускания фильтра обычно определяется как полоса частот, для которой амплитуда выходного сигнала находится в диапазоне от 100% до 70.7% от входной амплитуды

• Конец полосы пропускания называется частотой среза, f _C

• Простой пиковый детектор с низкой точностью может быть построен с использованием диода и конденсатора

• Диодное падение вносит ошибки в простой пиковый детектор

• При выборе конденсатора для пикового детектора необходимо идти на компромисс – чем меньше, тем лучше для высоких частот, а больше – лучше для низких частот

• Компаратор – это усилитель с высоким коэффициентом усиления, который часто используется для обеспечения двоичного выхода, указывающего, находится ли входной сигнал выше или ниже заранее определенного порога

• Операционные усилители не должны использоваться в качестве компараторов

Вернуться в Индекс технических открытий

Сильноточные / высоковольтные фильтры с полимерным уплотнением

Сильноточные / высоковольтные фильтры с полимерным уплотнением | APITech

Фильтры нижних частот

Сильноточные фильтры идеально подходят для использования в сильноточной 5-вольтовой логической шине, но также могут использоваться в телефонной стойке с напряжением ± 48 В постоянного тока, сильноточных импульсных источниках питания и системах зарядки постоянного тока.Эти фильтры высокого напряжения идеально подходят для использования в источниках питания высокого напряжения и в приложениях, требующих U.L. HiPot.

• Номинальный ток до 100 А
• Номинальное постоянное напряжение до 1250 В постоянного тока / 240 В переменного тока (400 Гц)
• U.Доступны версии, признанные L. 1459 и утвержденные CSA C22.2
• Прочная конструкция с болтовым креплением для легкой установки
• Доступны в схемах C и Pi
• Экономичные решения
• Гибкость дизайна

• Источники питания
• Сигнальные линии
• Ракетные воспламенители
• Аэрокосмическая промышленность
• Двигатели постоянного тока
• Телекоммуникационная и военная безопасная связь

• Медицинское оборудование
• Горное и нефтяное бурение
• Приемопередатчики
• СВЧ-фильтры
• Промышленные системы управления
• Фильтры многоконтурные в сборе

Многофункциональные фильтры режима напряжения / тока с усилителями с обратной связью по току и заземленными конденсаторами

Одна конфигурация для реализации многофункциональных фильтров режима напряжения и другая представлена ​​конфигурация для реализации многофункциональных фильтров токового режима, каждый из которых использует два усилителя с обратной связью по току (CFA).Предлагаемая схема с режимом напряжения имеет одновременно фильтры нижних, полосовых и верхних частот. Предлагаемый В схеме с токовым режимом одновременно используются фильтры нижних, полосовых и верхних частот. Предлагаемые схемы обладают следующими характеристиками: отсутствие требований к условиям согласования компонентов, низкая активная и пассивная чувствительность, использование только заземленные конденсаторы и возможность получения многофункциональных фильтров из той же конфигурации схемы.

1. Введение

Приложения и преимущества в реализации передаточных функций активного фильтра с использованием усилителей с обратной связью по току (CFA) привлекли большое внимание.Этот усилитель может обеспечивать постоянную полосу пропускания (независимо от коэффициента усиления с обратной связью) и высокую скорость нарастания напряжения. Таким образом, выгодно использовать CFA в качестве основного строительного блока для реализации различных схем обработки аналоговых сигналов.

В 1992 г. [1] Фабр предложил схему полосовых фильтров и фильтров верхних частот в режиме напряжения, используя два CFA, один заземленный конденсатор, один плавающий конденсатор и три резистора. В 1993 году [2] Фабр предложил другой биквадрат с режимом напряжения или током. В бикваде режима напряжения одновременно используются полосовой и высокочастотный фильтры за счет использования одного CFA, одного заземленного конденсатора, одного плавающего конденсатора и двух резисторов.Биквадрат токового режима имеет одновременно полосовой и высокочастотный фильтры за счет использования одного CFA, двух заземленных конденсаторов и двух резисторов. В 1995 г. [3] Лю предложил четыре биквада режима напряжения с высоким входным сопротивлением для реализации фильтров нижних, полосовых или верхних частот с использованием двух CFA, двух (или трех) конденсаторов и трех (или двух) резисторов. Однако в каждой реализации может быть получена только одна фильтрующая функция. Кроме того, в двух топологиях схем Лю использовались плавающие конденсаторы.

В 1996 году [4] Солиман предложил множество схем биквадратичных фильтров в режиме напряжения.Четыре биквада с двумя CFA в [4] реализуют фильтр нижних частот и полосовой фильтр одновременно и с использованием только заземленных конденсаторов. Два биквада с тремя CFA в [4] реализуют фильтры нижних, полосовых и верхних частот одновременно и с использованием только заземленных конденсаторов. В 1997 году [5] Хорнг и Ли предложили биквад в режиме напряжения для одновременной реализации фильтров нижних, полосовых и верхних частот с использованием трех CFA, трех заземленных конденсаторов и четырех резисторов. В 1998 году [6] Сенани предложил другой биквад в режиме напряжения для одновременной реализации фильтров нижних, полосовых и верхних частот с использованием трех CFA, двух заземленных конденсаторов и четырех резисторов.

В этой статье предлагается новая конфигурация для одновременной реализации фильтров нижних, полосовых и верхних частот в режиме напряжения с использованием двух CFA, двух заземленных конденсаторов и пяти резисторов. Один (или два) больше фильтрующего сигнала может быть получен по сравнению с предыдущими биквадами с двумя CFA в [1, 3, 4]. Что касается биквадов нижних, полосовых и верхних частот с тремя CFA в режиме напряжения, описанными в [4–6], в предлагаемой схеме используется на один активный компонент меньше.

Предлагается новая конфигурация для одновременной реализации фильтров нижних, полосовых и верхних частот токового режима.Еще один сигнал фильтрации может быть получен по сравнению с предыдущим биквадом токового режима в [2]. Критические условия согласования компонентов не требуются при проектировании всех предлагаемых схем.

2. Фильтры режима напряжения

Используя стандартные обозначения, отношения портов CFA можно охарактеризовать следующим образом. Предлагаемая схема режима напряжения показана на рисунке 1. Передаточные функции выходного сигнала на рисунке 1 могут быть выражены как

Таким образом, схема реализует инвертирующий сигнал фильтра нижних частот в, инвертирующий сигнал полосы пропускания и неинвертирующий сигнал фильтра верхних частот одновременно.В схеме используются два заземленных конденсатора, пять резисторов и только два CFA. Условия согласования критических компонентов не требуются. Выходные клеммы и могут быть напрямую подключены к следующему каскаду соответственно. Различные значения параметров на Рисунке 1 даны как

Константы усиления равны

Одно из возможных расчетных уравнений для указанного и может быть получено с помощью

Согласно проекту (4), константы усиления на Рисунке 1 становятся

Все конденсаторы заземлены на рисунке 1.Использование заземленных конденсаторов особенно привлекательно для реализации интегральных схем [7]. Более того, два конденсатора на Рисунке 1 подключены к клеммам CFA, эта конструкция предлагает другие особенности: (i) прямое включение паразитной компенсационной емкости () как часть основной емкости и (ii) работа конденсатора. предложенная схема на рис. 1 как биквад с активным сопротивлением без внешних конденсаторов за счет исключения внешних конденсаторов и учета только паразитных компенсирующих конденсаторов () в конструкции [6].Обратите внимание, что при каскадировании высокочастотного сигнала, показанного на рисунке 1, на следующий этап необходимо другое устройство буферизации, поскольку выходное сопротивление на рисунке 1 не является маленьким.

Принимая во внимание ошибки отслеживания CFA, а именно, где и представляют собой передачи частоты внутренних повторителей тока и напряжения CFA, соответственно, и представляет собой передачу частоты повторителя выходного напряжения CFA. Их можно аппроксимировать функциями нижних частот первого порядка [2].Предположим, что схемы работают на частотах, намного меньших, чем угловые частоты, и, то есть, и является ошибкой отслеживания входного напряжения, и является ошибкой отслеживания выходного напряжения, и является ошибкой отслеживания тока CFA. Резонансная угловая частота, полоса пропускания и коэффициент качества на Рисунке 1 становятся

Активная и пассивная чувствительности на Рисунке 1 могут быть рассчитаны из (6) и оказываются меньше единицы.

3. Фильтры токового режима

Предлагаемая схема токового режима показана на рисунке 2.Выходные передаточные функции на рисунке 2 могут быть выражены как

Таким образом, схема реализует инвертирующий сигнал lowpass в, инвертирующий полосовой сигнал в, неинвертирующий сигнал highpass и инвертирующий сигнал highpass одновременно. Резонансная угловая частота, полоса пропускания и добротность имеют те же значения, что и в (6). Коэффициент усиления на Рисунке 2 равен

Поскольку выходные токи протекают в заземленных элементах, требуются дополнительные повторители тока для измерения и снятия выходных токов.Активная и пассивная чувствительности на Рисунке 2 могут быть рассчитаны как для схемы в режиме напряжения, и оказалось, что они меньше единицы.

4. Неидеальная эквивалентная схема CFA

Модель неидеальной эквивалентной схемы CFA показана на рисунке 3, где – входное сопротивление клеммы, представляет паразитный входной импеданс клеммы и представляет паразитный импеданс на клемме компенсации [2 ]. Типичные значения различных паразитных параметров для биполярных CFA (таких как AD844) в технических данных составляют = 50, = 5.5 пФ, = 3 M, R _y = 2 M и = 2 пФ. Когда модель неидеальной эквивалентной схемы CFA используется вместо идеальных и предполагается, что схемы работают на частотах, намного меньших, чем угловые частоты, и, а именно, передаточные функции напряжения на Рисунке 1 становятся

где

От (9) до (11) нежелательные факторы возникают в результате воздействия паразитных импедансов CFA. Установлено, что такими факторами можно пренебречь, если использовать фильтры на высоких частотах.Но если фильтры используются для более низких частот, паразитными сопротивлениями нельзя пренебречь. Таким образом, характеристики будут отклоняться от теоретических значений, особенно для сигналов высокочастотного и полосового фильтров на рисунке 1.

Обратите внимание, что влияние паразитных элементов на частотные характеристики фильтров токового режима на рисунке 2 можно изучить с помощью аналогичная процедура, как указано выше.

5. Экспериментальные результаты

Были проведены эксперименты, чтобы продемонстрировать выполнимость предложенной схемы.CFA были реализованы с использованием AD844. На рисунках 4 (a), 4 (b) и 4 (c) представлены частотные характеристики для фильтров нижних, полосовых и верхних частот, показанных на рисунке 1, соответственно, разработанных с использованием экспериментальных результатов, подтверждающих теоретический анализ.

6. Выводы

В этой статье представлены конфигурация для реализации многофункциональных фильтров в режиме напряжения и другая конфигурация для реализации многофункциональных фильтров в режиме тока с использованием CFA. В предлагаемой схеме с режимом напряжения одновременно используются фильтры нижних, полосовых и верхних частот за счет использования двух CFA, двух заземленных конденсаторов и пяти резисторов.В предлагаемой схеме с токовым режимом одновременно используются фильтры нижних, полосовых и верхних частот за счет использования двух CFA, двух заземленных конденсаторов и шести резисторов. В предлагаемых схемах отсутствуют требования к условиям согласования компонентов. Активная и пассивная чувствительность низкие.

Благодарность

Авторы хотели бы поблагодарить анонимных рецензентов за их конструктивную критику по улучшению рукописи.

Стабилизатор напряжения | Enerdoor | Фильтры электромагнитных помех и фильтры радиопомех

Стабилизатор напряжения – это электрическое устройство, которое подает постоянное напряжение на нагрузку на своих выходных клеммах, независимо от изменений входного или входящего напряжения питания.Он защищает оборудование или механизмы от перенапряжения, пониженного напряжения и других скачков напряжения. Они часто используются для дорогостоящего и дорогого электрического оборудования, чтобы защитить его от вредных колебаний высокого / низкого напряжения и идеально подходят для промышленного и автоматизированного оборудования.

Электрооборудование рассчитано на широкий диапазон входных напряжений. В зависимости от чувствительности рабочий диапазон оборудования ограничен определенным значением, например, одно оборудование может выдерживать ± 10 процентов номинального напряжения, а другое – только ± 5 процентов или меньше.

Enerdoor специализируется на одно- и трехфазных стабилизаторах напряжения, которые регулируют напряжение через серию трансформаторов. Схема статического управления приводит в действие регулируемый автотрансформатор, который подает необходимое напряжение на последовательный трансформатор, чтобы довести напряжение сети до номинального значения.

Трехфазные стабилизаторы доступны в двух версиях:
Модели FINSTT и FINSTC обеспечивают регулирование напряжения в среднем по трем фазам и подходят для линий со сбалансированным напряжением и для несимметрии между фазами до 50%.Эти модели оснащены одной схемой стабилизации для обеспечения общего регулирования трехфазного тока и могут быть подключены к входной сети без нейтрали.

Модели FINSTTY и FINSTCY оснащены одной схемой стабилизации для каждой фазы и подходят для несимметричных сетей с максимальным дисбалансом между фазами до 100%. Для правильной работы входная линия должна быть трехфазной + нейтраль. Стабилизаторы напряжения не преобразуют напряжение и поэтому имеют то же выходное напряжение, что и входное.Если входное и выходное напряжения различаются, требуется дополнительный изолирующий трансформатор или автотрансформатор.

Преимущества стабилизаторов напряжения Enerdoor:

• Защищает электрооборудование от вредных колебаний высокого / низкого напряжения
• При полной нагрузке диапазон КПД составляет от 96% для небольших моделей до 98% для более крупных устройств
• Усовершенствованная электронная схема управления обеспечивает быстрый отклик от 11 до 50 мс / вольт
• Обеспечивает истинное среднеквадратичное значение напряжения даже при сильных гармонических искажениях.
• Правильно работает при максимальной температуре окружающей среды 40 ° C
• При установке в уже существующие системы не требует новых расчетов по защите

Чтобы загрузить каталог стабилизаторов напряжения, щелкните здесь.

Фильтры для защиты от перенапряжения

Скачать PDF-версию этой страницы Скачать PDF-версию этой страницы

Определение дополнительных преимуществ dV Sentry ™ по сравнению с щеткой заземления вала.

Что такое щетка для заземления вала?

Обычным методом в различных отраслях промышленности является использование щетки или кольца заземления вала для защиты подшипников двигателя от синфазного перенапряжения. Щетка заземления вала не является фильтром, поэтому она не помогает уменьшить или защитить оборудование от реальной проблемы.Ток обнаруживается вокруг подшипника двигателя по альтернативному маршруту, поэтому ток все еще существует и может вызвать обширные повреждения во многих других частях системы.

Влияние использования щетки заземления вала

Из-за своей конструкции и размещения на двигателях щетки заземления вала имеют долгосрочные затраты. Расположение и контакт этих изделий с валом делают их более подверженными износу и более коротким сроком службы, и их не всегда легко заменить. Щетка заземления вала также подвергается сильному окислению, что приводит к снижению способности продукта отводить токи от частотно-регулируемых приводов.Все это приводит к более высоким затратам на техническое обслуживание.

Одна из наиболее проблемных проблем при использовании щетки заземления вала заключается в том, что она не снижает эффектов, связанных с синфазным перенапряжением, быстрым временем нарастания и пиковыми напряжениями. Эта проблема может вызвать отказы окружающего оборудования, такие как: неустойчивое поведение частотно-регулируемых приводов и ПЛК, нарушение изоляции, приводящее к перегреву двигателя, и нежелательные замыкания на землю.

Разрушающие формы волны

Перенапряжение в синфазном режиме
Частотно-регулируемые приводы выдают мощность в виде непрерывной генерации импульсов, которые в среднем достигают синусоиды.Однако сумма в любой точке не всегда равна нулю, что приводит к повреждению синфазного перенапряжения. Это может со временем привести к поломке двигателей.

Пиковое напряжение
Импульс частотно-регулируемых приводов не является четким прямоугольным импульсом. Каждое нарастание и спад импульса имеет перегрузку или переходное перенапряжение. Это явление также известно как «отраженная волна». Эти скачки напряжения, особенно в длинных кабелях, могут достигать опасного уровня и повредить приводы и двигатели.

Время нарастания
Современные частотно-регулируемые приводы используют системы IGBT, которые создают чрезвычайно быстрое время нарастания, что может повысить производительность двигателя.Однако это также может привести к повышенному нагреву изоляции двигателя, что в конечном итоге может сократить срок его службы.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Нерешенные проблемы, связанные с щеткой заземления вала:

• Неожиданные срабатывания замыкания на землю
• Неустойчивое поведение ЧРП и ПЛК
• Преждевременное нарушение изоляции двигателя
• Повреждение кабеля

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Лучшее решение для защиты двигателя – это dV Sentry ™
dV Sentry ™ – единственный фильтр на рынке, в котором используется единственный в своем роде запатентованный сердечник Triple Defense, который, как было доказано, снижает ток синфазного сигнала на 50%.Кроме того, ядро ​​Triple Defense помогает снизить пиковое напряжение и время нарастания. Ни один другой фильтр на рынке не может сделать то же самое.

dV Sentry ™ – единственный проверенный фильтр, обеспечивающий снижение синфазного сигнала, защиту от пикового напряжения и уменьшение времени нарастания – все в одном устройстве.

Уникальное запатентованное ядро ​​Triple Defense компании DV Sentry

Запатентованная конструкция dV Sentry ™ и его ядро ​​Triple Defense не похожи ни на что из того, что вы видели раньше.

• Уменьшение синфазного сигнала: фильтрует мощность через внешний сердечник и снижает синфазный ток.
• Защита от пикового напряжения и защита от времени нарастания: мощность фильтруется через внутренний сердечник, уменьшает время нарастания и обеспечивает защиту от пикового напряжения.

Фильтрация	Фильтр синфазного демпфирования	Изменение синфазного тока	Примечание
Стандартный фильтр du / dt	НЕТ	-5%	Пренебрежимо низкая фильтрация синфазных помех
Синфазный дроссель	Нет	18%	Ненадежная фильтрация синфазных помех
Щетка заземления вала	НЕТ	0%	Может защитить подшипники
MTE dV Сторожевой фильтр	Оптимальный	-47%	Надежная фильтрация синфазных помех

dV Sentry vs.Остальное

DV Sentry превосходит конкурентов с проверенными результатами. Из трех протестированных фильтров, типичного фильтра du / dt, синфазного дросселя и фильтра DV Sentry, dV Sentry показал, что он выделяется среди конкурентов. Каждый фильтр был протестирован с использованием системы привода 480 В, 50 л.с., 1000 футов кабеля, частоты переключения 8 кГц и полной нагрузки. Хотя многие конкуренты заявляют о снижении синфазного напряжения, им не удается его поддержать.

Хотите узнать больше?

Знаете ли вы: в вашей системе могут наблюдаться пиковые напряжения и время нарастания, превышающие стандарт NEMA MG-1, часть 31, для двигателей с инверторным режимом работы.

Активный фильтр, управляемый напряжением, обеспечивает качество электроэнергии от резервного генератора

В настоящее время почти все потребители, подключенные к электросети, представляют собой нелинейные нагрузки. Их несинусоидальный ток искажает напряжение питающей сети и, таким образом, генерирует гармоники. Это приводит к перегрузке подключенных устройств и установок, что может нарушить работу инфраструктуры компании даже до такой степени, что поставит под угрозу надежность работы.Пассивные или активные системы фильтрации обеспечивают выход из этой ситуации.

Возникают трудности с жизненно важными системами инфраструктуры, в которых всегда должна быть обеспечена стабильность сети, не только при работе от обычного источника питания, но и при питании от резервных генераторов. Такие объекты критически важной инфраструктуры имеют большое значение для общества и заслуживают особых мер безопасности. Примеры включают ИТ и телекоммуникационные системы, электрические распределительные сети и системы водоснабжения, медицинские и аварийные службы, а также финансовые системы, и это лишь некоторые из них.

Общественная вещательная компания установила новые передатчики при переходе с DVB-T на стандарт DVB-T2 HD, который обещал предоставить больше программ с гораздо улучшенным качеством изображения. Поскольку общественное вещание также считается жизненно важной инфраструктурой, передающее оборудование должно иметь возможность осуществлять вещание в любое время без перебоев. Помимо работы от обычного источника питания, система также должна правильно работать, когда аварийный генератор обеспечивает питание.FRAKO было поручено проанализировать измерения качества электроэнергии, сделанные во время работы как от внешнего источника питания, так и от резервного генератора, чтобы выявить любые проблемы с гармониками или резонансными диапазонами.

Результаты: Новая система передатчика с общей мощностью 150 кВт не является особо мощным потребителем. Его коэффициент мощности (cos phi, индуктивный) лучше 0,95, поэтому коррекция коэффициента мощности не требуется. Все гармонические напряжения до 50-й и их геометрическая сумма THDv находились в пределах, требуемых классом 2 стандарта EN 61000-2-4, когда установка работала от внешнего источника питания.Однако, когда он работал с питанием от резервного генератора, были выявлены высокие уровни гармоник выше 25-й, то есть намного выше 1 кГц.