Lc фильтр для блока питания

Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций К_п в пределах 10 -5 . 10 -4 так и повис в воздухе – уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:
«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током определённой «чистоты»:
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) – транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) – усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) – предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра К_с = К_п-вх/К_п-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.

Рис.1 Ёмкостные и индуктивно-ёмкостные LC сглаживающие фильтры

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F :
С1 = I_н/(3,14×U_н×F×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = I_н/(6,28×U_н×F×К_п) – для двухполупериодных.
К_п – это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F – частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.

ВНИМАНИЕ. Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки X_L на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F 2 (Гц)×К_п) для однополупериодных выпрями- телей и
L1×С1 = 12500/(F 2 ×К_п) — для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/R_н 2 (Ом) .

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в. Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания – как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева.
Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице – (ссылка на страницу): С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/R_н 2 (Ом) .

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак: С3 = 1/(39,44×L1×F 2 ) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F 2 ) – для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов – такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн калькулятором.

Расчёт элементов сглаживающего фильтра блока питания

Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания

Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие
фильтры. Схемы, свойства, онлайн калькулятор

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций К_п в пределах 10 -5 . 10 -4 так и повис в воздухе – уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:
«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током определённой «чистоты»:
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) – транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) – усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) – предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра К_с = К_п-вх/К_п-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.

Рис.1 Ёмкостные и индуктивно-ёмкостные LC сглаживающие фильтры

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F :
С1 = I_н/(3,14×U_н×F×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = I_н/(6,28×U_н×F×К_п) – для двухполупериодных.
К_п – это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F – частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.

ВНИМАНИЕ. Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки X_L на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F 2 (Гц)×К_п) для однополупериодных выпрями- телей и
L1×С1 = 12500/(F 2 ×К_п) — для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/R_н 2 (Ом) .

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в. Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания – как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева.
Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице – (ссылка на страницу): С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/R_н 2 (Ом) .

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак: С3 = 1/(39,44×L1×F 2 ) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F 2 ) – для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов – такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн калькулятором.

Расчёт элементов сглаживающего фильтра блока питания

Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.

Рис.2 Активные транзисторные сглаживающие фильтры

На Рис.2а приведена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.

Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного повторителя, образованного Т1.
В это же время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1*C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.
При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
U_б = U_вх — U_{вх пульсаций} — (2,5. 3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
U_кэ = U_{вх пульсаций} + (3,1. 3,6В) .

Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.

Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора. Чем выше h21 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h21

Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы транзистора (Рис.2б).
Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).

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

Микро LC фильтр FlyMod для подавления пульсаций питания

Фильтр подавления пульсаций питания производства Flymod, который можно подключить в схему квадрокоптера и исключить помехи по питанию из видео сигнала. В комплектацию включен один фильтр и одна трубка термоусадки под размер фильтра для защиты фильтра после пайки.

Особенности

• При установке на FPV видеосистему обеспечивает чистый видеосигнал без помех в виде черных полос, особенно при использовании активного торможения регуляторами скорости
• Крошечный размер и вес не повлияют на полетные характеристики летательного средства
• Разработано и собрано в FlyMod

Характеристики

• Изготовитель: FlyMod
• Максимальный рабочий ток LC-фильтра: 0.6 А
• Пиковый кратковременный ток: 1.2 А
• Рабочее напряжение: 1-4S (до 20V)
• Конденсаторы: TDK 220uF керамические 25V (зависит от температурного режима)
• Размер: 14 х 9 х 6 мм
• Вес: 1.5г (без проводов и термоусадки)

Комплектация

• 1 х LC фильтр Flymod
• 1 x прозрачная трубка термоусадки

Пример работы LC фильтра на видео

Схема подключения LC-фильтра при питании FPV от батареи напрямую:

Схема подключения LC-фильтра при питании FPV от PDB:

Схема подключения LC-фильтра при питании высоковольтной FPV системы от контроллера/регулятора 4-в-1/PDB, когда есть только BEC 5V:

Фотографии

Отзывы и обсуждения

• 

amator 25 Июл 2017, 22:47

Вот это действительно настоящий классический LC-фильтр из пассивных элементов!

А вот этот дивайс — https://flymod.net/item/lc_power_filter_2a , который тоже обозвали LC-фильтром — не пойми что, поскольку там есть микросхема, и тогда это нечто большее, чем LC-фильтр.
Но поскольку вы не удосужились ответить на мой вопрос по нему, брать это «непойми что» соответственно не стал.

А этот настоящий LC-фильтр стоит взять, в хозяйстве всегда пригодится. Беру.

Заодно два вопроса:
1. Один из SMD-элементов, как следует из вашего описания, это конденсатор на 200 мкФ.
А второй это что?
2. Какое падение напряжения на фильтре при токе 0.6 А?

1

g40a 26 Июл 2017, 10:23

Второй конденсатор 1,0 мкФ, падение напряжение не большое, около 0,1 В.

На том старом фильтре тот элемент похож на ключ для защит от переполюсовки.

0

Олег Яковенко 27 Июл 2017, 16:39
видео стало без помех при газе, отличная штука!

3

armor 16 Авг 2017, 11:40

Вещь маленькая и нужная, есть ли возможнось через нее подключать 5 вольтовые передатчики, у меня она заработала только после врезки перед 5в бэком, схемка то не сложная, может есть ее вариации на 5в (с его габаритами можно прям так и оставить висеть на проводах в термоусадке между пдб и передатчиком).

0

g40a 16 Авг 2017, 11:48

armor, Этот фильтр работает от нуля вольт, просто максимальный ток который он фильтрует 0,6 А и этого тока какраз хватает на высоковольтную FPV систему, от 5В таже система будет потреблять ток в разы больше чем от 12-16 В. Меряете потребляемый ток в робочем состоянии, если в суме потребление не больше 0,6 А то ставте куда хотите, только входное напряжение должно быть не выше указаного в описании.

0

Вячеслав Мороз 9 Сен 2017, 12:39

Проработал минут 10 и закоротил, был подключен к 12 вольтовому выводу pdb. Минус pdb и сам фильтр, хорошо что передачик остался жив.

0

flewerty 10 Сен 2017, 22:21

Вячеслав Мороз, Отпишите в сервис, опишите при каких условиях это произошло, желательно с фотографией, на них есть гарантия, если это действительно было дело в фильтре — поменяем.

0

kiev 19 Окт 2017, 20:27
Поставил.На прогазовках в руках-отлично.В полете по прежнему полосы.Мозг уже кипит

0

g40a 19 Окт 2017, 21:05

kiev, Вероятней всего проблемы из-за неправильной разводки, пишите в сервис с подробными фотографиями что , куда и как подключали.

0

Александр РАдько 18 Ноя 2017, 17:01
Подключил на 5v бек всё работает просто шикарно !! не ожидал что будет такой хороший результат

2

vladz 17 Фев 2018, 01:27

Если vtx подключен к 4s батарее через понижающий преобразователь напряжения по какой схеме нужно подключать данный фильтр?

0

tushkan4ik 26 Мар 2018, 22:09

Может что то не так учтанавливаю но/ пробывал на прямую от батареи 4с шум есть, пробую через бэк 5в и 10 в тоже самое шум. По полосам горизонтальным полосам не скажу но вот когда армиш что с фильтром что без, одинаково. Полключаю по схеме( ну там промазать очень сложно) Может я дурак или лыжи не едут.

0

g40a 26 Мар 2018, 22:21

tushkan4ik, Ну так хоть на словах бы написали что, как и куда конкретно подключено каждый провод, вероятней всего где-то бока с землей.

0

tushkan4ik 27 Мар 2018, 08:05

На словах все как на схемах, минус общий, плюс через фильтр ( земля припаяна к фильтру от него идет уже на передатчик) . Стоит кондер на 1000 мкФ на общем питании ( может этот важно)

0

g40a 27 Мар 2018, 09:52

tushkan4ik, и все таки вы ничего не расказали полезного, кроме передатчика еще есть камера и осд, про минус ничего не сказано куда он припаян, плюсы можно брать откуда угодно а вот минус только с одного места)) На платах с осд не просто так отдельно выводят сигнальную землю. Ну и вообще нужно самостоятельно розделять земли даже если есть только камера и передатчик.

0

tushkan4ik 27 Мар 2018, 11:54

Контроллер Matek F405 со встроенным OSD, пдб Matek FCHUB-6S c датчиком тока 184A и двойным BEC на 5V и 10V подключены через шлейф, питание на камеру и видео передатчик с ПДБхи беру 10 в, фильт на передатчик между пдб и передатчиком, минус на пдб (G) . я так понимаю что нужно минус тянуть с полетника который VTX туда же цеплять и минус камеры?

0

g40a 27 Мар 2018, 12:58
tushkan4ik, Все минусы в фпв паяются на землю рядом с осд и никак иначе, плюсы куда угодно.

2

tushkan4ik 27 Мар 2018, 17:38
Спасибо, исправлю)

0

tushkan4ik 22 Апр 2018, 22:44

Проблему шума решил-
1. замена видео передатчика ( AKK FX3)
2. Фильтр впаял между выходом питания на камеру(+5) с AKK FX3 и земля от осд общая.
Побывал без фильтра, — при высоком газе проявляется шум и проскакивают полосы (но не так критично как на старом видео передатчике), после установки фильтра шум и полосы пропали
Итог — зачетный девайс!

1

adviser 5 Окт 2018, 13:14
чет как то дорого 3 бакса за 3 пасивных элемента

0

g40a 5 Окт 2018, 13:18
adviser, вы всегда можете сделать сами аналогичный девайс забесплатно 🙂

1

flewerty 5 Окт 2018, 13:23
adviser, Посмотрите стоимость пассивного элемента 220uF от TDK в таком размере,

0

tra4er 5 Ноя 2018, 09:56
Работает!
Делал по последней схеме.
https://prnt.sc/lei7dh

1

viktorfpv 10 Янв 2019, 18:27
Прикупил один на пробу. Мало взял )

1

Максим Дончик 31 Май 2019, 10:59
А на 5-6s есть фильтра такие!? или подобные.

0

Григорий Кузнецов 5 Июн 2019, 21:18
Здравствуйте, когда будет в наличии?

0

ataman_ua 7 Июн 2019, 19:01

Начал борьбу с помехами на видео картинке. Запитал камеру с передатчиком через такой фильтр добавил на выход фильтра еще электролитик 470мкфх25В Ситуация с чистотой видео заметно лучше стала но не доконца. До полгаза видео чистое от полгаза и дальше прут помехи. Я для понимания ситуации запитал камеру с передатчиком от лабораторного блока питания и ситуация не изменилась. Так же от пол газа и выше прут помехи. Тоесть источникпомех вовсе не батарея квадракоптера на которой есть шумы от моторов с регуляторами. Как быть ? Где искатть проблему ?

0

ataman_ua 10 Июн 2019, 10:46

Источник помех онаружен. Отсоеденил передатчик от корпуса квадракоптера и все заработало нормально.
Фильтр подключил двумя свитіми МГТФ проводами прямо на контакты на плате куда приходит батарея.
на плате фильтра общий контакт для входа и выхода ( земля) припаял два провода один пошел в скрутку с входным на батарею другой в скрутку с выходным к нагрузке. И добавил электролит на выход фильтра 470х25В с ниским ESR
Для платы передатчика прийдется делать изолятор от корпуса.

2

2904_vk 23 Июн 2019, 17:08

Александр РАдько, День добрый, Александр! У меня батарея 4S, есть только Бек на 5V., передатчик — 5V., камера 5-40V. Камера питается от видео передатчика — 5V. Есть «волны» на экране. Подскажите, плз., как Вы включили этот фильтр . Спасибо!

0

gogoshvili 10 Июл 2019, 18:32
Когда в наличии будет?

0

it_was 9 Апр 2021, 12:01
gogoshvili, будет новая партия в мае

0

Необходимо быть зарегистрированным или авторизованным пользователям чтобы оставлять сообщения.
Регистрация

Магазин

FLYMOD

Информация

• Доставка и оплата
• Возврат и гарантия
• Бонусы и акции
• Политика конфиденциальности

Социальное

© 2015-2024 FlyMod.net — Интернет магазин FPV оборудования с доставкой по Украине
FlyMod™ является зарегистрированной торговой маркой.

Lc фильтр для блока питания

Силовые фильтры — назначение и основные параметры

В силовой электронике фильтры предназначены для следующих целей:

— сглаживание пульсаций — подавления пульсаций напряжения на выходе или на входе источника питания обусловленных импульсным характером преобразования энергии или выпрямления переменного напряжения. Такие фильтры называют сглаживающими. Их основное предназначение – «буферизация» энергии, то есть накопление энергии и питание нагрузки в те промежутки времени, когда энергия от преобразователя (или выпрямителя) не поступает в нагрузку;

— помехоподавление — подавление ВЧ помех, обусловленных коммутационными процессами переключения ключевых элементов. Такие фильтры называют помехоподавляющими. Назначение этих фильтров – максимальное подавление высокочастотных помех путем обеспечения для них максимального последовательного и минимального параллельного (на землю) реактивного сопротивления;

Сглаживающие и помехоподавляющие фильтры, несмотря на схожие топологии и конструкции выполняют принципиально разные задачи. При этом любой сглаживающий фильтр частично выполняет функции помехоподавления, а любой помехоподавляющий фильтр немного сглаживает пульсации. Поэтому далее представлены методики расчета раздельно для различных типов фильтров.

Основные параметры фильтров:

— полоса пропускания – или точнее амплитудно-частотная характеристика — зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты входного напряжения. Определяет частоту, начиная с которой происходит эффективное уменьшение амплитуды пульсаций.

— коэффициент сглаживания K, который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе.

— максимальный ток, при котором фильтр сохраняет свои помехоподавляющие свойства. Это связано с фильтрами, в состав которых входят дроссели. Насыщение магнитопровода дросселя приводит к существенному ухудшению помехоподавляющих свойств.

— последовательное сопротивление на постоянном токе – активное последовательное сопротивление фильтра, измеряемое на постоянном токе.

Сглаживающие фильтры

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания K, который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра k_{p_IN} к коэффициенту пульсаций на выходе k_{p_OUT}:

Здесь коэффициенты пульсаций:

ΔV_IN – амплитуда пульсации на входе;

ΔV_OUT – амплитуда пульсации на выходе;

V_IN – входное напряжение;

V_OUT – выходное напряжение.

Как правило, напряжение на выходе фильтра практически равно входному напряжению:

Отсюда выражение для коэффициента сглаживания K можно упростить:

ΔV_IN – амплитуда пульсации на входе;

ΔV_OUT – амплитуда пульсации на выходе.

Сглаживающие фильтры в зависимости от месторасположения и назначения в структуре источника питания разделяются на входные и выходные. В источниках питания с трансформаторным входом сглаживающие фильтры ставят непосредственно после выпрямителя, выпрямляющего низкочастотное (50 Гц) сетевое напряжение. В импульсных преобразователях и стабилизаторах, как правило, используют сглаживающие фильтры как на входе источника, после сетевого выпрямителя, так и на его выходе, после высокочастотного выпрямителя.

Емкостной фильтр

В простейшем случае представляет собой конденсатор, подключенный к выходу выпрямителя или преобразователя. По отношению к нагрузке он подключен параллельно. Расчет емкостного фильтра зависит от типа и параметров питающего источника. В случае входного сетевого напряжения 50 Гц это будет одно. В случае выходного фильтра импульсного источника – другое.

Наиболее распространено использование емкостного фильтра в связке с двухполупериодным выпрямителем, поэтому этот случай будет рассмотрен отдельно.

Связка «Емкостной фильтр + двухполупериодный выпрямитель»

Электрическая схема связки мостового выпрямителя с конденсатором фильтра представлена на рисунке FLTR.1.

Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид следующих друг за другом синусоидальных полуволн (рисунок FLTR.2). Амплитуда напряжения — V_A . При работе на емкостной фильтр можно выделить два характерных интервала времени: первый — интервал разряда (временные промежутки II и IV на рисунке FLTR.2), при котором происходит передача энергии от конденсатора в нагрузку. При этом напряжение снижается на величину ΔV_C равную амплитуде пульсаций. И второй интервал — интервал заряда (временные промежутки I и III на рисунке FLTR.2), на котором происходит подзаряд конденсатора до максимального значения V_{C_max}. Величина V_{C_max} меньше амплитудного напряжения V_A на величину падения напряжения на выпрямителе V_rect.

В разделе «Выпрямители» представлен вывод соотношения для расчета емкостного фильтра, работающего в связке с двухполупериодным выпрямителем. Методика расчета емкостного фильтра работающего в связке с двухполупериодным выпрямителем включает в себя следующие действия:

— определяем мощность потребляемую нагрузкой P и КПД η;

— определяем максимальное напряжение на конденсаторе V_{С_max} согласно заданным значениям амплитуды входного напряжения — V_A и падения напряжения на выпрямителе V_rect :

— задаем допустимую амплитуду пульсаций напряжения на нагрузке ΔV_С;

— рассчитываем емкость фильтра C_f по соотношению [Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. М.: Радио и Связь, 1987. 160 с.] :

Данная методика может быть использована для расчета выходных фильтров источников питания с трансформаторным входом, для расчета входных сглаживающих фильтров импульсных источников питания с безтрансформаторым входом. В данных фильтрах используются электролитические конденсаторы, как обладающие более высокой удельной емкостью по сравнению с другими типами конденсаторов.

Необходимо отметить, что на практике беспредельным увеличением емкости фильтра уменьшить до нуля пульсации не получится. Причиной является то, что с ростом емкости фильтра сокращается время, за которое ёмкость должна зарядиться до амплитудного значения, это в свою очередь вызывает рост амплитуды импульсов зарядного тока. В результате с одной стороны за счет падения напряжения на паразитном последовательном сопротивлении источника питания снижается амплитуда напряжения питания V_A. С другой стороны с ростом зарядного тока увеличиваются пульсации напряжения на фильтре, обусловленные падением напряжения на ESR — паразитном последовательном сопротивлении конденсаторов. Кардинальным способом уменьшения амплитуды пульсаций является использование многоступенчатых фильтров, включающих Г-, П- и Т- образные звенья LC-цепочек.

Резистивно-емкостной фильтр (RC-фильтр)

Силовые RC-фильтры при построении источников питания практически не используются. Дело в том, что введение резистора в классическую связку «емкостной фильтр + двухполупериодный выпрямитель» приводит лишь к затягиванию интервала заряда конденсатора за счет ограничения резистором максимального тока. При этом пропорционально снижается амплитуда импульсов тока через диоды выпрямителя, что в принципе неплохо. Но значительно возрастают потери, поскольку ток через резистор в любом случае носит характер сравнительно коротких импульсов и его среднеквадратичное значение уходит в облака. Тем не менее, для ограничения импульсного тока диода применение RC-фильтров допускается для маломощных источников (менее 100 Вт), особенно в случаях, когда не предъявляются жесткие требования к КПД [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с.].

Электрическая схема резистивно-емкостного фильтра представлена на рисунке FLTR.3.

Согласно определению коэффициент сглаживания K фильтра определяется по формуле:

ΔV_IN – амплитуда пульсации на входе;

ΔV_OUT – амплитуда пульсации на выходе;

V_IN – входное напряжение;

V_OUT – выходное напряжение.

Если на вход фильтра поступает напряжение с выпрямителя, то амплитуда пульсации на входе ΔV_IN равна уровню входного напряжения V_IN:

Отсюда соотношение для коэффициента сглаживания K приводится к виду:

Выходное напряжение RC-фильтра V_OUT меньше входного за счет падения напряжения на сопротивлении фильтра. Его среднее значение определяется выражением:

R_f – сопротивление фильтра;

Отсюда следует требование к величине сопротивления фильтра:

Последовательность расчета резистивно-емкостного сглаживающего фильтра представлена ниже [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с.]:

— определяем величину сопротивления фильтра:

(V_IN-V_OUT) – разность между средними значениями входного V_IN и выходного напряженийV_OUT. Рекомендуемое значение падения напряжения на резисторе (V_IN-V_OUT) не должно превышать 1-5% от величины напряжения питания;

— определяем минимальное эффективное сопротивление нагрузки как отношение минимального выходного напряжения V_{OUT_min} к максимальному току нагрузки I_{load_max} :

— задаемся требуемым значением амплитуды пульсаций ΔV_OUT и рассчитываем коэффициент сглаживания K:

ΔV_OUT – амплитуда пульсации на выходе;

V_OUT – выходное напряжение.

— рассчитываем величину емкости конденсатора фильтра по соотношению:

K – коэффициент сглаживания;

m – фазность схемы (или число фаз выпрямления — количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: m=1 для однофазного однополупериодного выпрямителя, m=2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей, m=6 для трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова);

f – частота пульсаций входного напряжения;

R_f – сопротивление фильтра;

R_load – эффективное сопротивление нагрузки.

КПД фильтра определяется из соотношения:

RC-фильтры могут быть использованы как маломощные сглаживающие и помехоподавляющие фильтры. Использование RC-фильтров в мощных цепях ограничено высокой рассеиваемой мощностью и значительным снижением выходного напряжения. Поэтому в мощных цепях используют LC фильтры различных топологий.

Преимуществом использования RC-фильтров является низкий уровень электромагнитных помех, что улучает ЕМС-совместимость. А также более низкая стоимость и габариты. Недостатками – снижение выходного напряжения, значительное уменьшение КПД, проблемы нагрева и необходимости отвода значительной мощности, выделяющейся на резисторе.

Индуктивно-емкостной фильтр (LC-фильтр)

LC-фильтры являются более эффективным типом фильтров по сравнению с RC-фильтрами. При этом простейший LC-фильтр содержит два реактивных элемента и точный расчет данных фильтров является более сложным. Кроме того объединение L и C всегда образует гремучую смесь в виде опасности резонанса и выбросов перенапряжений.

Электрическая схема индуктивно-емкостного фильтра представлена на рисунке FLTR.4.

Первым и базовым условием эффективного подавления пульсаций на частоте f является малое емкостное сопротивление конденсатора фильтра Z_Cf (на данной частоте) по сравнению с эффективным сопротивления нагрузки и наоборот большое индуктивное сопротивление дросселя Z_Lf (на данной частоте) по отношению к нагрузке [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с.]:

Таким образом, реактивные сопротивления индуктивности и емкости, по отношению к пульсации образуют делитель напряжения, резко уменьшающий её амплитуду на выходе (на нагрузке).

Вторым условием оптимального сглаживания является обеспечение индуктивной реакции фильтра в диапазоне частоты подавления пульсаций на частоте f. Физически это означает непрерывность тока через дроссель и выравнивание тока протекающего через фильтр за счет его затягивания индуктивностью. Это приводит к устранению импульсного характера тока, заряжающего конденсатор фильтра и соответственно к снижению потерь на ключевых элементах, диодах, паразитных сопротивлениях. Кроме снижения потерь уменьшаются пульсации обусловленные падением напряжения на ESR — последовательном паразитном сопротивлении конденсатора фильтра. Условием индуктивной реакции является [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с. ; А.А. Ровдо. Полупроводниковые диоды и схемы с диодами. Лайт Лтд. 2000. 286 с.]:

L_{inuct_min} – минимальное значение индуктивности фильтра обеспечивающей индуктивную реакцию фильтра;

m – фазность схемы (количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: выражение справедливо для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей — m=2 и для трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) — m=6);

f – частота пульсаций входного напряжения;

R_load – эффективное сопротивление нагрузки;

V_{out_rms} – среднеквадратичное значение напряжения на нагрузке;

I_{load_rms} – среднеквадратичное значение тока нагрузки.

Коэффициент сглаживания LC-фильтра K (без учета активного сопротивления дросселя) рассчитывается по соотношению:

m – фазность схемы (количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: m=1 для однофазного однополупериодного выпрямителя, m=2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей);

f – частота пульсаций входного напряжения;

L_f – индуктивность дросселя фильтра;

C_f – ёмкость конденсатора фильтра.

Поскольку LC-фильтр представляет собой соединение двух реактивных элементов, то существуют подводные камни, способные стать причиной выхода фильтра из строя:

— перенапряжения на конденсаторе при сбросе нагрузки;

— перенапряжения на конденсаторе при включении;

— броски тока при включении.

— Для устранения возможных резонансных явлений необходимо выполнение условия:

— Для устранения недопустимых перенапряжений на конденсаторе при сбросе нагрузки емкость должна быть достаточно большой, чтобы поглотить избыточную энергию. Так, выброс напряжения на выходе фильтра, обусловленный резким изменением тока нагрузки (сбросом или обрывом тока нагрузки) ∆V_{load_OFF} равен [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов; Под ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь 1993. — 232с.]:

ΔI_load – величина изменения тока нагрузки (принимается равной току нагрузки как крайнему случаю – обрыву нагрузки фильтра);

L_f – индуктивность дросселя фильтра;

C_f – ёмкость конденсатора фильтра.

Это соотношение можно привести к виду:

имеет смысл волнового сопротивления фильтра.

Отсюда следует требование к величине емкости фильтра:

Здесь ΔV_{load_max} – максимально допустимая величина выбросов на нагрузке.

— Для расчета перенапряжения на конденсаторе, обусловленного коммутацией фильтра к сети ΔV_{f_comm} используют следующее соотношение [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов; Под ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь 1993. — 232с.]:

r – активное сопротивление первичного источника (источника до фильтра) включающее внутренне сопротивление источника, сопротивление проводов, коммутационных и выпрямительных элементов и т.д.

V_IN – амплитуда входного напряжения фильтра;

L_f – индуктивность дросселя фильтра;

C_f – ёмкость конденсатора фильтра.

— Для расчета броска тока через фильтр, обусловленного зарядом конденсатора при коммутации фильтра к сети I_{f_comm} используют следующее соотношение [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов; Под ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь 1993. — 232с.]:

r – активное сопротивление первичного источника (источника до фильтра) включающее внутренне сопротивление источника, сопротивление проводов, коммутационных и выпрямительных элементов и т.д. ;

V_IN – амплитуда входного напряжения фильтра;

I_load – ток нагрузки;

L_f – индуктивность дросселя фильтра;

C_f – ёмкость конденсатора фильтра.

Последовательность расчета индуктивно — емкостного сглаживающего LC фильтра представлена ниже [Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 448 с.]:

— определяем максимальное эффективное сопротивление нагрузки R_load как отношение максимального выходного напряжения V_{OUT_max} к минимальному току нагрузки I_{load_min}(наихудший случай):

— рассчитываем индуктивность фильтра исходя из условия обеспечения индуктивной реакции фильтра:

L_{inuct_min} – минимальное значение индуктивности фильтра обеспечивающей индуктивную реакцию фильтра;

m – фазность схемы (количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: выражение справедливо для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей — m=2 и для трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) — m=6);

f – частота пульсаций входного напряжения;

R_load – эффективное сопротивление нагрузки.

Рекомендуется выбирать значение L_f превышающее в 2-4 раза минимальное рассчитанное значение L_{inuct_min}.

— задаем коэффициент сглаживания Г-образного LC-фильтра K. Для выполнения условия отсутствия возникновения резонанса — K > 3;

— рассчитываем величину емкости конденсатора фильтра по соотношению:

m – фазность схемы (количество полуволн на период, m зависит от схемы выпрямителя: m=1 для однофазного однополупериодного выпрямителя, m=2 для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей);

f – частота пульсаций входного напряжения;

L_f – индуктивность дросселя фильтра;

C_f – ёмкость конденсатора фильтра.

— вычисляем величину перенапряжений на конденсаторе ΔV_{load_OFF} при условии полного обрыва нагрузки:

где величина изменения тока ΔI_load равна номинальному току нагрузки I_load:

L_f – индуктивность дросселя фильтра;

C_f – ёмкость конденсатора фильтра.

— вычисляем величину перенапряжения на конденсаторе обусловленного коммутацией фильтра к сети ΔV_{f_comm} по соотношению [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов; Под ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь 1993. — 232с.]:

r – активное сопротивление первичного источника (источника до фильтра) включающее внутренне сопротивление источника, сопротивление проводов, коммутационных и выпрямительных элементов и т.д. ;

V_IN – амплитуда входного напряжения фильтра;

L_f – индуктивность дросселя фильтра;

C_f – ёмкость конденсатора фильтра.

— выбираем максимальное из полученных величин перенапряжений и сравниваем сопоставляем его с максимальным входным напряжением фильтра V_IN . Если максимальное напряжение превышает это значение более чем на 30% то рекомендуется увеличение номинала емкости. При выборе конденсатора его максимальное рабочее напряжение должно быть превышать наибольшее из полученных значений ΔV_{load_OFF} и ΔV_{f_comm}.

— оцениваем величину выбросов напряжения на нагрузке ΔV_{f_comm} относительно максимально допустимой величины. Если наблюдается превышение максимального порога, то выбирается большая емкость конденсатора фильтра и расчет повторяют снова.

— дополнительно рассчитываем бросок тока через фильтр обусловленный зарядом конденсатора по следующему соотношению [В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов; Под ред. А.А. Бокуняева. Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь 1993. — 232с.]:

r – активное сопротивление первичного источника (источника до фильтра) включающее внутренне сопротивление источника, сопротивление проводов, коммутационных и выпрямительных элементов и т.д. ;

V_IN – амплитуда входного напряжения фильтра;

I_load – ток нагрузки;

L_f – индуктивность дросселя фильтра;

C_f – ёмкость конденсатора фильтра.

— сравниваем полученное значение тока с максимально допустимым значением однократного импульсного тока через элементы до фильтра (диоды выпрямителя и т.д.). Если полученная величина превышает данное значение, то необходимо увеличить индуктивность дросселя и произвести перерасчет фильтра.

Помехоподавляющие фильтры

Помехоподавляющие фильтры предназначены для подавления высокочастотных составляющих напряжения сети питания. Как правило, силовые помехоподавляющие фильтры стоят на входе источников питания и предназначены как для подавления ВЧ-пульсаций как исходящих из сети, так и пульсаций, поступающих в сеть от блока питания.

Что такое ВЧ-помехи? Как они образуются и передаются? Зачем с ними нужно бороться?

Подавление ВЧ помех необходимо по ряду причин:

— обеспечение нормального электромагнитного фона внутри изделия, поскольку дополнительные высокочастотные помехи, проходящие из сети по цепи питания или же генерируемые самой схемой способны вызвать наводки в цепях управления способные стать причиной выхода устройства из строя. Кроме этого минимизация электромагнитного фона крайне важна для обеспечения нормальной работы измерительной техники, акустических устройств Hi-Fi и Hi-End класса и др.

— обеспечение существующих норм и стандартов по излучаемым в питающую сеть ВЧ-колебаний. Это особенно актуально для устройств с импульсными источниками питания на входе.

— обеспечение совместимости и нормальной работы различных устройств подключенных к одной сети, например мощного источника питания и аудиоусилителя;

— сглаживание высоковольтных выбросов напряжения в питающей сети.

Организация мер по подавлению ВЧ помех зависит от того какая из вышеприведенных причин является приоритетной. Об этом подробнее ниже.

Источниками помех внутри устройства являются:

— коммутация активных элементов (транзисторы, тиристоры, электромагнитные реле, закрывающиеся диоды и др.);

— скачкообразные изменения нагрузки;

— резонансные явления из-за паразитных элементов (звон паразитных LC-контуров и т.д.) [Векслер Г.С., Недочетов В.С. и др. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Киев: Тэхника. 1990. 167 с.].

Источниками помех вне устройства являются:

— соседние устройства, в особенности работающий рядом инверторный сварочный аппарат J;

— питающая сеть (пресловутые 50 Гц);

— беспроводные сети (Wi-Fi и т.д.);

— мобильная техника и т.д.

Источники распространяют помехи по одному из нижеперечисленных путей или по обоим одновременно.

Существуют два пути распространения помех :

— кондуктивные помехи – помехи, распространяющиеся в проводящей среде. Иными словами помехи, распространяющиеся по проводникам внутри схемы;

— распространение помех за счет электромагнитных волн в пространстве. Этот вид путей распространения помех включает существующие емкостные (между площадками и «антенками») и магнитные связи (между контурами). Иными словами распространение помех осуществляется через пространство или, кому как удобнее, эфир являющийся проводником для распространения электромагнитных возмущений.

Различают два вида кондуктивных помех:

— дифференциальные помехи – пульсации напряжения, возникающие между двумя шинами питания. То есть контур протекания тока помехи ограничен контуром токопроводящих шин внутри устройства. С этими помехами бороться проще.

— синфазные помехи — пульсации напряжения, возникающие между любой из шин питания и общим проводом (землей). Иными словами потенциал всех шин питания одновременно «осциллирует» относительно уровня земли. В этом случае контур протекания тока помехи замыкается на корпус устройства за счет емкостной связи, и контур, охватываемый током, получается «объемным». С этими помехами бороться несколько сложнее.

Для подавления кондуктивных помех используют помехоподавляющие фильтры. Для подавления помех распространяющихся за счет электромагнитных волн используют электромагнитное экранирование.

Характерные параметры помехоподавляющих фильтров:

Основные типы входных помехоподавляющих пассивных фильтров

Пассивные помехоподавляющие фильтры широко применяются в различных источниках питания [Векслер Г.С., Недочетов В.С. и др. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Киев: Тэхника. 1990. 167 с.] благодаря своей простоте и надежности.

Помехоподавляющие фильтры должны пропускать постоянный ток или ток низкой частоты (50 Гц) и блокировать высокочастотные помехи. В зависимости от назначения и используют:

На рисунке FLTR.5 представлены электрические схемы емкостных фильтров, предназначенные для подавления только несимметричных (FLTR.5а), только симметричных (FLTR.5б) и обоих типов помех одновременно (FLTR.5в).

а – подавление несимметричных помех (конденсаторы C_y);

б — подавление симметричных помех (конденсаторы C_x);

в – комбинированное включение — подавление симметричных и несимметричных помех.

На рисунке FLTR.6 представлены электрические схемы индуктивных помехоподавляющих фильтров. Развязанные дроссели на прямом и обратном пути тока подавляют как симметричные, так и несимметричные помехи (рисунок FLTR.6а).

Сдвоенный дроссель с синфазным включением обмоток (рисунок FLTR.6б) эффективно подавляет помехи, ток которых проходит через обмотки в одном направлении (несимметричные, но одинаковые по амплитуде тока); Для симметричных помех – эта схема представляет собой только индуктивность рассеяния (связи между обмотками). Преимущество схемы – в сетях переменного тока исключается подмагничивание рабочим током.

Сдвоенный дроссель с противофазным включением обмоток (рисунок FLTR.6в) эффективно подавляет помехи, ток которых проходит через обмотки в противоположных направлениях (симметричные, но одинаковые по амплитуде тока). Для данной схемы общая индуктивность дросселя для симметричных помех в четыре раза превышает индуктивность отдельно взятой обмотки [Векслер Г.С., Недочетов В.С. и др. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Киев: Тэхника. 1990. 167 с.]. Таким образом, резко уменьшаются массогабаритные параметры фильтра. Недостатком является значительное падение напряжения на фильтре, вследствие чего эта схема фильтра используется крайне редко.

Индуктивно-связанные дроссели (рисунок FLTR.6 б, в) позволяют снизить падение напряжения на фильтре и уменьшить потери.

а – развязанные дроссели на прямом и обратном пути тока;

б – сдвоенный дроссель с синфазным включением обмоток;

в – сдвоенный дроссель с противофазным включением обмоток.

На основе представленных схем емкостных и индуктивных фильтров строят индуктивно-емкостные фильтры или просто LC-фильтры. Однозвенные LC-фильтры делятся на:

На рисунке FLTR.7 показаны примеры всех трех топологий однозвенных LC фильтров с использованием конденсаторов подавления несимметричных помех и сдвоенных дросселей с синфазным включением обмоток.

а – Г-образный LC-фильтр;

б – Т-образный LC-фильтр;

в – П-образный LC-фильтр.

Многозвенные фильтры

Для улучшения помехоподавления используют комбинацию различных типов фильтров. Пример эволюции построения фильтров представлен на рисунке FLTR.8.

а – Г-образный LC-фильтр с конденсатором подавления несимметричных помех;

б – Т-образный LC-фильтр с конденсаторами подавления несимметричных и несимметричных помех;

в – Т-образный LC-фильтр с конденсаторами подавления несимметричных и несимметричных помех;

г – Т-образный LC-фильтр с конденсаторами подавления несимметричных и несимметричных помех.

Та или иная последовательность и комбинация отдельных простых фильтров в многозвенном составном фильтре выбирается в соответствии с решаемыми задачами. Однако в любом случае важно, чтобы фильтр содержал как емкостные, так и индуктивные элементы. И был симметричным по отношению к прохождению помех (туда и обратно).

Необходимо отметить, что если сеть не предусматривает «земляного» провода, то подавление несимметричных помех с помощью емкостных звеньев фильтра неэффективно.

Расчет вносимого затухания

Расчет вносимого фильтром затухания проводится отдельно для симметричных и отдельно для несимметричных помех.

Таблица FLTR.1 — Затухание различных типов фильтров

Тип, Схема, Вносимое затухание (в Дб)

Здесь R – внутреннее сопротивление источника помехи; сопротивление приемника помехи принято равным сопротивлению источника (то есть R)

Расчет полного сопротивления элементов электромагнитных фильтров

Таблица FLTR.2 — Полное сопротивление элементов электромагнитных фильтров

Тип элемента, Эквивалентная схема, Полное сопротивление

LC-фильтры

Купить LC-фильтры в компании Олниса можно оптом или в розницу. Доставим LC-фильтры в любой регион России. Можем предложить точный аналог. Работаем напрямую с производителем, не используя посредников.

Что такое LC-фильтр

LC-фильтр — это фильтр нижних частот, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора. Он предназначен для предотвращения прохождения некоторых высокочастотных компонентов переменного тока через цепь.

LC-фильтр объединяет катушки индуктивности (L) и конденсаторы (C) для формирования низкочастотной, высокочастотной, мультиплексорной, полосовой или полосовой фильтрации в радиочастотах (RF) и во многих других приложениях. Пассивные электронные LC-фильтры блокируют или уменьшают шум (EMI) от цепей и систем, и разделяют или кондиционируют полезные сигналы.

В то время как идеальные фильтры будут пропускать нужные частоты сигнала без вносимых потерь или искажений, и полностью блокировать все сигналы в полосе задерживания, реальные фильтры имеют сопротивления постоянного и переменного тока, которые вносят вклад в вносимые потери, что требует тщательного выбора компонентов. Выбор точных значений деталей для конкретного применения требует компонентов высокого качества, а также полных технических характеристик и моделей производительности. Самыми простыми в разработке и реализации являются низкочастотный и высокочастотный типы.

Высокодобротные индукторы для ВЧ-микросхем и индукторы с воздушным сердечником Coilcraft для поверхностного монтажа с жесткими допусками помогают достичь максимальной производительности во всех этих категориях ЖК-фильтров.

Принципиальная схема LC фильтра нижних частот

На более высоких частотах индуктор действует как дроссель, который блокирует прохождение компонентов переменного тока. Между тем, импеданс конденсатора уменьшается и образует путь для прохождения высокочастотных компонентов. Идея LC-фильтра состоит в том, чтобы предотвратить попадание высокочастотных компонентов переменного тока в нагрузку.

В идеальном мире напряжение на выходе источника постоянного тока представляет собой идеальную горизонтальную линию при наблюдении на осциллографе. Однако мир далек от совершенства, и напряжение никогда не бывает идеальным.

Источник питания постоянного тока чувствителен к колебаниям переменного тока и шуму, и тем более для импульсного регулятора мощности. Частота переключения и перехода вызывает пульсации выше 500 кГц, которые часто связаны с выходным напряжением. Даже если придерживаться линейного регулятора, также будут компоненты переменного тока от частоты сети или цифровых помех.

Точно так же, как нефильтрованная вода может испортить чашку кофе, пульсации переменного тока, которые просачиваются на выход регулятора, могут повлиять на функциональность системы. Такие модули, как АЦП, ЦАП и операционные усилители, особенно чувствительны к помехам переменного тока в источнике питания. Точность этих модулей может быть снижена, а в некоторых случаях компоненты могут работать неправильно.

Шум источника питания влияет не только на аналоговые компоненты. В одном исследовании было обнаружено, что шум источника питания снижает тактовую частоту высокоскоростного микропроцессора на 6,7%. Даже если схема может выдерживать шум переменного тока, он все равно может излучаться как электромагнитные помехи и влиять на другие электронные продукты.

Советы по проектированию LC-фильтра источника питания

Нельзя предсказать, когда появится шум блока питания и как это повлияет на схему. В отличие от плохо приготовленной чашки кофе, влияние систем, нарушающих шум источника питания, в полевых условиях намного больше. Следовательно, нужно убедиться, что источник питания разработан с LC-фильтром нижних частот. Вот несколько советов по правильной реализации:

• Позиционирование

Естественно, можно подумать о размещении LC-фильтра между выходом регулятора и нагрузкой. Хотя в таком размещении нет ничего плохого, добиться лучшего снижения шума получится, разместив LC-фильтр на входе, если используется понижающий стабилизатор. Для понижающих стабилизаторов большая часть шума возникает из-за переключения на входе. Добавление LC-фильтра на входе приводит к большему подавлению.

• Конденсаторы с низким ESR и ESL

Чтобы эффективно подавить высокочастотный шум, нужно выбрать конденсатор с низким значением ESR и ESL. Если этого трудно добиться, стоит подумать об использовании двух конденсаторов параллельно для более низкого суммарного значения ESR и ESL.

• Использовать электролитические конденсаторы с низким ESR/ESL.

Значения LC

Выбор номинала индуктора и конденсатора кажется простым процессом: достаточно использовать формулу:

Однако, есть гораздо больше, чем просто собрать вместе два пассивных компонента для блокировки высокочастотного шума. Для начала нужно выбрать катушку индуктивности со значительно более высоким значением, чем индуктивность, подключенная последовательно к источнику питания. Сопоставить его с соответствующим значением конденсатора, чтобы получить резонансную частоту.

Следует опасаться слабозатухающего отклика LC-фильтра, поскольку это может привести к пиковому значению амплитуды на частоте. Чтобы предотвратить образование пиков, к LC-фильтру добавлен параллельный демпфирующий RC-элемент.

Помогает, если изначально смоделировать LC-фильтр с помощью ведущего в отрасли программного обеспечения для проектирования и анализа печатных плат. OrCAD PCB Designer предоставляет макет, необходимый для создания ваших схем, и хорошо сочетается с PSpice, чтобы гарантировать критическое затухание отклика LC-фильтра и ослабление нужных частот.

Купить LC-фильтры

Компания Олниса – мультибрендовый поставщик электроники и промышленных узлов от производителей со всего мира. На сайте представлены LC-фильтры и сопутствующие электрокомпоненты с полной заводской гарантией. Доставка осуществляется в страны СНГ и по территории РФ.

Моментальный запрос по ценам и срокам

Ответим на ваш запрос в течение 15 минут