13269

Изучение различных схем сглаживающих фильтров

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: Изучение различных схем сглаживающих фильтров определение основных характеристик. Изучение параметрического стабилизатора на стабилитроне. Приборы:1. Универсальный стенд. Амперметр. Вольтметр. Осциллограф. 10.1Теоретическое введени...

Русский

2013-05-11

335 KB

126 чел.

Цель работы: Изучение различных схем сглаживающих фильтров, определение  основных характеристик. Изучение параметрического стабилизатора на стабилитроне.

Приборы: 1. Универсальный стенд.

  1.   Амперметр.
  2.   Вольтметр.
  3.  Осциллограф.

10.1Теоретическое введение.

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Выпрямленное напряжение является пульсирующим, в котором можно выделить постоянные и переменные составляющие. Коэффициенты пульсаций выпрямленных напряжений имеют следующие значения:

-   для однополупериодного однофазного выпрямителя    1,57

- двухполупериодного однофазного выпрямителя        0,67

-  трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом     0, 25

- трехфазного мостового выпрямителя                      0,057

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухудшается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т.д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т.д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определенных значений. Так, для основных каскадов автоматических систем он не должен превышать , для выходных усилительных каскадов , для автогенераторов , а для выходных каскадов электронных измерительных устройств . Сглаживающие фильтры включают между вентильной группой ВГ и стабилизатором постоянного напряжения с нагрузочным устройством Рн /см.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы индуктивные катушки и транзисторы сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Для постоянного и переменного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на два - три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным  параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

                                                         (10.1)

Рис.10.1 Схемы емкостных фильтров с однополупериодным  (а) и мостовым (в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с емкостным фильтром.

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падание постоянного напряжения на элементах минимальные габариты, массу и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные  и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делится на однозвенные и многозвенные.

Емкостные фильтры. Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору Rн (рис.10.1.а). Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на (рис.10.1.б). В интервал времени   конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения , так как в этот период напряжение . В это время как . В интервал времени , когда напряжение  становится меньше напряжения на конденсаторе , конденсатор разряжается на нагрузочный резистор , заполняя разрядным током паузу в нагрузочном тоне , которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напряжение на резисторе   снижается до некоторого значения, соответствующего времени , при котором напряжение  в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе . После этого диод вновь открывается, конденсатор  начинает заряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

Временные диаграммы тока и напряжений двухлолупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром (рис.10.1.в) приведены на рис.10.1.г. Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора  или  сопротивления нагрузочного резистора  будет изменяться значение   коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом  чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе . Разряд конденсатора  определяется постоянной времени разрядки . При  постоянной времени Т коэффициент пульсаций, определяемый по формуле

                                                         (10.2)

где - частота основной гармоники, не превышает 10-2.Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от изменения нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока , что происходит при уменьшении сопротивления , постоянная времени  уменьшается. Уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения , а пульсации возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максимальное значение тока  диода    определяется лишь сопротивлениями диода     и вторичной обмотки трансформатора, поэтому оно может достигать значения, больших . Такой  большой ток может  вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо  включать добавочный резистор. Кроме того, следует учитывать, что напряжение , прикладываемое к диоду, в два раза превышает , так как в  момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складывается.

Емкостный  фильтр  целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором   при мощности   не более нескольких десятков ватт.

Индуктивные фильтры. Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя , включают последовательно с нагрузочным резистором   (рис.10.2.а.). Он, так же как емкостной фильтр, относятся к типу однозвенный  фильтров. Работу индуктивного фильтра удобно рассмотреть с помощью временных диаграмм,  изображенных на рис.10.2.б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток  нагрузочного резистора , получается сглаженным. Действительно, вследствие того, что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямленного напряжения  зависят от постоянной времени  ,

Рис.10.2. Схема индуктивного фильтра с однополупериодным  выпрямителем  (а), временные диаграммы напряжения и токов (б), длительность импульса тока увеличивается с ростом . Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением

    (10.3)

Анализ выражения (3) позволяет сделать вывод, что фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше  или меньше . Обычно  .

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, т.е. в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами. В выпрямителях малой мощности использование индуктивного фильтра  нецелесообразно, поскольку они работают на высокоомные нагрузочные устройства. При этом выполнение условия  , приводит к необходимости включения дросселя с большими массой и габаритами, что является существенным недостатком индуктивного фильтра по сравнению с емкостным.

Рис.10.3. Схемы Г - образных L С - фильтра (а) и RC- фильтра (б).

Г – образные фильтры. Г - образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Этот фильтр может быть LC - типа (рис.10.3. а) и RС - типа (10.3.б.). Их применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания. Эти фильтры,  являясь более сложными по сравнению с однозвенными, обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций.

Снижение пульсаций LC -фильтром объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора. Снижение переменных составляющих выпрямленного напряжения обусловлена как сглаживающим действием конденсатора , так и значительным падением переменных составляющих напряжения на дросселе . В то же время постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе не уменьшается, так как отсутствует какое – ни будь значительное падение напряжения этой составляющей на очень малом активном сопротивлении дросселя. С учетом рекомендация по выбору значений  и  , изложенных ранее, выражение для коэффициента сглаживания LC - фильтра можно записать в виде

                                                    (10.4)

Оно позволяет рассчитать параметры этого фильтра по заданному значению коэффициента сглаживания:

                                                    (10.4,а)

В расчетах по формулам (10.4) одним из параметров (индуктивностью или емкостью) элементов фильтра задаются, исходя из габаритов, массы и стоимости элементов.

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько килоом, вместо дросселя  включают резистор  (рис.10.3.б), что существенно уменьшает массу, габарита и стоимость фильтра. При выборе     на резисторе  создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих выпрямленного тока, чем на резисторе . Если выбрать значение  из соотношения , то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе будет минимальным. В итоге, доля переменной составляющей в выпрямленном  напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе  значительно уменьшается. Коэффициент сглаживания для Г - образного RС - фильтра определяется из выражения

                                                (10.5)

Следует отметить, что коэффициент сглаживания RС - фильтра меньше, чем у LС - фильтра.

П - образные фильтры. П - образный фильтр относится к многозвенным фильтрам, так как состоит из емкостного фильтра (СФ1) и Г –образного LС – фильтра   или RС - фильтра  (рис.10. 4.а,б). Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров равен (при соблюдении определенных условий)  произведению коэффициентов составных звеньев (фильтров). Поэтому коэффициент сглаживания П - образного фильтра

                                                     (10.6)

где  - коэффициенты сглаживания С - фильтра и Г – образного фильтра. 

При сопротивлениях нагрузочного устройства в несколько килоом применяют П - образные C RC - фильтры, а при малых сопротивлениях (несколько Ом) – C LC - фильтры. Наибольший коэффициент сглаживания П- образного фильтра достигается при условии  . П - образные фильтры целесообразно применять, если коэффициент сглаживания должен быть равен 100 - 1000 и более. Большой коэффициент сглаживания П - образного фильтра по сравнению с Г - образным достигается за счет ухудшения таких параметров выпрямителя, как габариты, масса и стоимость.

Рис.10.4. Схемы П- образных LC- фильтра (а) и RC- фильтра б.

Электронные Фильтры. В последнее время все чаще начали применять электронные фильтры, в которых вместо индуктивных катушек включают транзисторы. Такая замена позволяет избавиться от переходных процессов, отрицательно влияющих на работу нагрузочного устройства и самого выпрямителя, при этом снижаются габариты, масса и стоимость выпрямителей.

Применение транзисторов в фильтрах основано на различие  сопротивлений для постоянной и переменной составляющих коллекторного тока. При выборе рабочей точки на пологом участке выходной характеристики (рис.10.5) сопротивление промежутка коллектор - эмиттер постоянному току (статическое сопротивление)  на два - три порядка меньше сопротивления этого промежутка переменному току  (динамическому сопротивлению), определяемого величиной . Электронные фильтры снижают пульсации примерно в 3 - 5 раз.

Рио.10.5. К пояснению сопротивления транзистора для постоянной и переменной составляющих выпрямленного тока.

 Рис.6. Схема последовательного электронного фильтра с включением нагрузочного резистора  в коллекторную цепь транзистора.

Различают два способа включения транзисторов в электронные фильтры: последовательно и параллельно нагрузочным устройствам. Последовательное включение транзисторов характерно для выпрямителей, имеющих высокое выходное напряжение (300 - 400 В). Параллельное включение осуществляется при низких выходных напряжениях, не превышающих нескольких десятков вольт.

На рис.10.6. изображена схема простейшего электронного фильтра, в котором транзистор включен последовательно с нагрузочным резистором . В этом фильтре для обеспечения фиксированного положения рабочей точки на пологом (рабочем) участке выходной характеристики в базовую цепь включается RС - цепь, постоянная времени которой  должна быть много больше периода пульсация основной гармоники выпрямленного напряжения


Рис.10.7.Схема последовательного электронного фильтра с включением нагрузочного резистора  в эмиттерную цепь транзистора.

Резистор Kg обеспечивает термостабилизацию режима работы транзистора, если в данном фильтре нагрузочный  резистор включен в коллекторную цепь транзистора, то в транзисторном фильтре, схема которого изображена на рис.10.7, резистор   включен в эмиттерную цепь, что позволяет получить низкое выходное  сопротивление выпрямителя с фильтром; следовательно такой фильтр мало чувствителен к изменениям тона . По этой причине электронный фильтр рис10.7.. представляющий собой эмиттерный  повторитель, получил наиболее широкое распространение. В нем рабочую точку транзистора определяет  -цепь, которая обеспечивает ее устойчивое положение при изменениях температуры и коэффициента усиления транзистора h21.

10.1.2 Стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.Напряжение (ток) нагрузочного устройства может сильно изменятся не только при изменениях нагрузочного тока , но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжения промышленных сетей переменного тока. Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей  среды, колебание частоты тока и т.д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1 – 3% а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть меньше.

Основным параметром, характеризующим качество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось, определяющими дестабилизирующими факторами, из-за который изменяются выходные величины стабилизатора являются выходное напряжение стабилизатора  и  нагрузочный ток-.

Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации по напряжению

                                                     (10.7)

где приращения значения входного и выходного напряжений, а   номинальные  значения входного и выходного напряжений. Для стабилизатора тока коэффициент стабилизации тока 

                                                      (10.8)

где - соответственно приращение и номинальное значение нагрузочного тока.

Помимо коэффициента стабилизации стабилизаторы характеризуются такими параметрами, как внутреннее сопротивление   и коэффициент полезного действия . Значение внутреннего  сопротивления стабилизатора  позволяет определить падение напряжения на стабилизаторе, а следовательно, и напряжения  на нагрузочном устройстве   при изменениях нагрузочного тока.

Коэффициент полезного действия стабилизатора характеризуется мощность потерь в нем и является основным энергетическим показателем стабилизатора:

где - полезная мощность в нагрузочном устройстве, - мощность потерь.

В ряде случаев необходимо учитывать массу, габариты и срок службы используемых стабилизаторов.

Параметрический стабилизатор напряжения. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения изображена на рис. 10.7.а. С помощью такого стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилизатор Д, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер.

Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор . Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного напряжения удобно объяснить с помощью рис.10.8, на котором изображены вольтамперная  характеристика полупроводникового стабилитрона и “опрокинутая”  вольтамперная характеристика резистора . Такое построение вольтамперных характеристик позволяет графически решить уравнение электрического состояния стабилизатора напряжение: . При увеличении напряжения (положение 1) на , например, из-за повышения напряжения сети, вольтамперная  характеристика резистора  переместиться параллельно самой себе и займет положение 2. Из рис.10.8.б видно, что напряжение  мало отличается от напряжения , т.е. практически напряжение  на стабилитроне и на нагрузочном резисторе  останется неизменным. Напряжение на нагрузочном устройстве останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока .

Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивления резистора  должно быть таким, чтобы его вольтамперная характеристика пересекла вольтамперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току стабилитрона , значение которого указанно в паспортных данных стабилитрона.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковым стабилитроне может достигать  30- 50.

 

Рис10.8. Схема параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне (а) и пояснение принципа действия параметрического стабилизатора (б).

10.2. Электрические схемы.

10.3. Выполнение работы

Задание 1.  Исследование сглаживающих фильтров. Снять внешние характеристики выпрямителей с различными видами фильтров. По получению данных определить входные сопротивления и коэффициенты сглаживания.

Задание 2. Изучение параметрического стабилизатора напряжений. Изменяя величину входного напряжения стабилизатора, определить  зависимость   при 3-х-5-и  различных значениях , По полученным данным построить графики  и  определить коэффициент стабилизации.

10.4. Вопросы для подготовки к семинару.

1. Назначение сглаживающих фильтров. Коэффициент сглаживания.

2. Емкостной фильтр. Схема, временные диаграммы, принцип сглаживания.

3. Индуктивный фильтр. Схема, временные диаграммы, принцип сглаживания.

4. Г - образный LC- - фильтр.

5. Г - образный RC- фильтр.

6. П – образный фильтр.

7. Электронные фильтры.

8.Назначение стабилизаторов тока и напряжения, их основные характеристики.

9. Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10985. ДВУХФАКТОРНЫЙ АНАЛИЗ В СИСТЕМЕ Statistica 6.0 216.58 KB
  Двухфакторный анализ продолжение ПримерДВУХФАКТОРНЫЙ АНАЛИЗ Исследуем зависимость частоты самопроизвольного дрожания мышц рук тремора от тяжести специального браслета одеваемого на запястье. Полученные результаты приведены в табл.1 причем каждое значение – ср
10986. Кластерный анализ 44.7 KB
  Кластерный анализ Если процедура факторного анализа сжимает в малое число количественных переменных данные описанные количественными переменными то кластерный анализ сжимает данные в классификацию объектов. Синонимами термина кластерный анализ являются автомати...
10987. Кластерный анализ. Анализ временных рядов 79.16 KB
  КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ПРОДОЛЖЕНИЕ Монотонность Для графического представления процесса объединения все индивиды группы размещаются в соответствующем порядке на оси абсцисс. Последовательность объединений иерархия или дендрограмма требует чтобы каждое объединени
10988. Сглаживание временного ряда (выделение неслучайной компоненты) 98.62 KB
  Сглаживание временного ряда выделение неслучайной компоненты Одной из важнейших задач исследования временного ряда является выявление основной тенденции изучаемого процесса выраженной неслучайной составляющей тренда либо тренда с циклической или/и сезонной ком...
10989. Newton Interpolating Polynomial 76.5 KB
  Newton Interpolating Polynomial Case 1: Constant Polynomial Only one xvalue is given in the table X x1 Y y1 Let P0x be the interpolating polynomial function. Hence P0x1 = y1. It passes through the one point x1y1 given in the table. Hence choose 6.1 Case 2: Linear Polynomial Two xvalues are given in the table ...
10990. Spline Interpolation 87.5 KB
  Spline Interpolation In the previous sections n – 1th – order polynomials were used to interpolate between n date points. For example for eight points we can derive a perfect seventh – order polynomial. This curve would capture all the meanderings at least up to and including seventh derivatives suggested by the points. However there are cases where these functions can lead to erroneous results because of roundoff error and overshoot. An alternative approach is to apply low...
10991. Numerical Integration 156.5 KB
  2. Numerical Integration 2.1. Introduction Numerical integration which is also called quadrature has a history extending back to the invention of calculus and before. The fact that integrals of elementary functions could not in general be computed analytically while derivatives could be served to give the field a certain panache and to set it a cut above the arithmetic drudgery of numerical analysis during the whole of the 18th and 19th centuries. With the invention of automa...
10992. Extended Formulas (Closed) 145 KB
  Extended Formulas Closed If we use equation 2.5 N – 1 times to do the integration in the intervals x1; x2; x2; x3; xN 1; xN and then add the results we obtain an extendedr or compositer formula for the integral from x1 to xN. Extended trapezoidal rule: In this method the area under the curve is approximated by sums of trapezoids areas under the curve see Fig. 2.3.. Figure 2.3. Extended trapezoidal rule. Trapezoid formul...
10993. Solution of Linear Algebraic Equations 132.5 KB
  Lesson 6 3. Solution of Linear Algebraic Equations 3.1. Introduction A set of linear algebraic equations looks like this: 3.1 Here the n unknowns xj j = 1 2 n are related by m equations. The coefficients aij with i = 1 2 m and j = 1 2 n are known numbers as are the righthand side quantities bi i = 1 2 m. If n = m then there are as many equations as unknowns and there is a good chance of solving for a unique solution...