Индуктивно-емкостной фильтр в источниках
с малым сопротивлением нагрузки
Дополнение к книге
"Силовая электроника для любителей и профессионалов"
М.СОЛОН-Р 2001 г.
Возникла необходимость разработать регулируемый источник питания от нулевого напряжения до заданного в ТЗ с достаточно низким уровнем пульсаций. Особенность источника в его большом выходом токе - до 50 Ампер, но низком напряжении - около 20 Вольт. В принципе, транзисторы MOSFET позволяют получить высокий КПД такого источника, более-менее ясно и со схемой управления. Возник вопрос со сглаживающим фильтром на выходе. Есть ли здесь какие-то особенности? Очень не хотелось бы, чтобы дорогущий по комплектующим элементам агрегат "накрылся" после первого включения в сеть.
Сергей Данилов, г.Новосибирск
 |
рис.1
Общая схема
фильтра сглаживания пульсаций |
Использование в сильноточных источниках с малыми сопротивлением нагрузки индуктивно-емкостных фильтров сопряжено с рядом особенностей, которые рассматриваются ниже. Расчетная схема фильтра приведена на рис.1. Нагрузкой фильтра является активное сопротивление Rн, омическое сопротивление обмотки дросселя, соединительных проводов и шин учитывается последовательно включенным сопротивлением R. Учитывая, что в сильноточных цепях значения Rн и R соразмеримы по величине, передаточную функцию фильтра можно записать в виде:
где:
затухание "дельта":
волновая частота фильтра "ро":
В результате преобразований, обозначив "омега":
назвав его "безразмерной частотой", получим амплитудно-частотную характеристику фильтра. Выражение для АЧХ запишется:
Фазочастотная характеристика фильтра (ФЧХ):
Обе характеристики зависят от значения затухания ("дельта"). При "дельта" меньше 1 корни характеристического уравнения
являются комплексными и переходный процесс в фильтре имеет колебательный характер. Если "дельта" окажется больше 1, корни уравнения будут вещественными, а процесс - апериодическим. На рис.2 приведены АЧХ и ФЧХ фильтра для различных значения затухания "дельта" в зависмости от безразмерной частоты "омега". Важно заметить, что АЧХ в значительной степени отличаются друг от друга только при небольших значениях частоты "омега", то есть в той области, где фильтрация напряжения практически не осуществляется. В рабочей области, то есть при "омега" больше 4…5 кривые практически сливаются и не зависят от значения "дельта". Следовательно, возможно выбрать любое значения затухания "дельта", если, конечно, к передаточной функции фильтра не предъявляется никаких других требований, кроме подавления пульсаций.
Выведенные соотношения позволяют в первом приближении рассчитать параметры фильтра L и С, задаваясь требуемой величиной подавления пульсаций основной гармоники. Например, если выбрать затухание фильтра "дельта" равным 1 и коэффициент передачи фильтра равным 0,05, можно по рис.2 найти значение "омега", которое в данном случае будет равно 5. Граничная частота фильтра:
Выбрав значение граничной частоты фильтра и затухание "дельта", мы можем получить следующие выражения для расчета L и С:
Особенностью фильтров для сильноточных низковольтных источников электропитания является малое значение индуктивности дросселя L, а емкости С - большое (обычно составляет тысячи мкФ. Существенно проявляется также влияние нагрузки R. Увеличение соотношения R/Rн приводит не только к ухудшению энергетических показателей фильтра (снижению его КПД), но и ухудшению его характеристик, а также увеличению индуктивности дросселя L (приводит к увеличению его габаритов). Если соотношение этих сопротивлений достаточно мало (дроссель намотан проводом достаточного сечения, связи между элементами минимизированы по длине), параметры фильтра можно рассчитать по упрощенным формулам:
 |
рис.2
АЧХ и ФЧХ фильтра
низковольтного
сильноточного преобразователя |
Приведенный расчет отражает традиционный подход к фильтру как к самостоятельному и независимому звену источника питания. Часто этого вполне достаточно для проектирования импульсного стабилизатора чопперного типа. Однако в ряде случаев (например, при работе фильтра в составе регулятора широкого диапазона напряжений), когда фильтр входит в замкнутую систему с обратной связью. Фильтр входит в состав контура и может влиять как на динамические свойства регулятора, так и на степень подавления пульсаций. В связи с этим не повредит построение (или моделирование) замкнутой системы с построением АЧХ регулятора и анализ устойчивости.
Литература
[1] В.И.Орехов и др. "Низковольтные сильноточные источники вторичного электропитания РЭА" М. "Радио и связь", 1986 г.
|
