Активный фильтр для сглаживания пульсаций Советский патент 1992 года по МПК H02M1/14 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в выпрямительных устройствах, к качеству выходного напряжения которых предъявляются высокие требования.

Известен активный фильтр для сглаживания пульсаций, содержащий первый резистор, первый вывод которого подключен к источнику постоянного тока, а второй - к нагрузке, первый,и вторрй конденсаторы, первые выводы которых подключены к второму выводу первого резистора, а вторые соединены между собой через второй резистор, причем второй вывод первого конденсатора соединен с входом усилителя, стабилитрон, включенный между входом и выходом усилителя, и ограничитель напряжения, вход которого подключен к выходу усилителя, управляющий вход - к второму выводу первого резистора, а выход - к точке соединения второго резистора и второго конденсатора, и нагрузку, подключенную к второму выводу первого резистора.

В стационарном режиме пульсации выходного напряжения источника постоянного тока проникают через первый резистор и первый конденсатор на вход усилителя, выходной ток которого проходит через ограничитель напряжения и второй конденсатор и вызывает на первом резисторе падение напряжения, равное амплитуде и противоположное по знаку пульсациям выходного напряжения источника постоянного тока, благодаря чему пульсации напряжения на нагрузке отсутствуют.

При скачкообразном изменении выходного напряжения источника постоянного тока ограничитель напряжения переходит в режим ограничения, отрицательная обратная связь усилителя через первый и второй конденсаторы разрывается и второй конденсатор перезаряжается через первый резистор и выходное сопротивление ограничителя напряжения. Напряжение скачка, проходя через первый конденсатор и усилитель, ограничивается стабилитроном. Конденсаторы перезаряжаются до напряжения установившегося режима, стабилитрон закрывается, ограничитель напряжения перестает ограничивать и включается отрицательная обратная связь усилителя, восстанавливается работа активного фильтра,

Недостатком этого активного фильтра является то, что при скачкообразном изменении выходного напряжения источника постоянного тока фильтрация напряжения прекращается на время перезаряда конденсаторов, в течение которого на нагрузку поступают напряжение пульсаций и

напряжение скачка без изменений что может привести к сбою в нагрузке. Кроме того, первый резистор, включенный последовательно с нагрузкой, резко снижает коэффициент полезного действия активного фильтра.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является активный фильтр, содержащий входной, выходной и

0 общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, дроссель, включенный между входным и выходным выводами, транзисторный регулирующий элемент и датчик

5 тока, включенные последовательно между выходным и общим выводами, блок управления с двумя входами и одним выходом. первый вход которого подключен к нагрузке, а выход - к входу транзисторного регу0 лирующего элемента, и RC-фильтр низкой частоты, вход которого подключен к датчику тока, а выход - к второму входу блока управления.

В стационарном режиме пульсации на5 пряжения источника постоянного тока проникают через дроссель на первый вход блока управления, выходное напряжение которого поступает на вход транзисторного регулирующего элемента и задает гок тран0 зисторного регулирующего элемента таким, что, протекая через дроссель, он наводит на дросселе напряжение ЭДС, равное по амплитуде и противоположное по знаку пульсациям напряжения источника постоянного

5 тока, в результате чего пульсации напряжения на нагрузке отсутствуют. Выходное напряжение датчика тока, пропорциональное току транзисторного регулирующего элемента, поступает на вход фильтра низкой

0 частоты, выделяющего постоянную составляющую напряжения. Блок управления выделяет напряжение пульсаций, выбитая из полного напряжения на нагрузке, поступающего на первый вход блока управления,

5 опорное напряжение, в качестве которого используется выходное напряженно фильтра низкой частоты, поступающее на второй вход блока управления. Цепь датчика тока - фильтр низкой частоты также задает режим

0 транзисторного регулирующего элемента по постоянному току.

При скачкообразном изменении напряжения источника постоянного тока постоянная составляющая на выходе источника

5 постоянного тока также изменяется и проходит через дроссель на первый вход блока управления; выходное напряжение фильтра низкой частоты, используемое в качестве опорного, изменяется медленно, Р результате чего блок управления усиливает не

только напряжение пульсаций, но и постоянное напряжен е, транзисторный регулирующий элемент переходит в режим ограничения, фильтрация прекращается до окончания,переходных процессов в схеме фильтра низкой частоты. В течение этого промежутка времени на нагрузку поступают несглаженное напряжение и выброс, вызванный отключением активного фильтра, что может привести к сбою нагрузки.

При скачкообразном изменении тока нагрузки, превышающем диапазон регулирования транзисторного регулирующего элемента, на дросселе наводится напряжение ЭДС, вызванное этим изменением, транзисторный регулирующий элемент переходит в режим ограничения, фильтрация прекращается до окончания переходных процессов в схеме активного фильтра. В течение этого промежутка времени к нагрузке прикладываются выброс напряжения ЭДС дросселя и несглаженное напряжение источника постоянного тока.

Недостаток этого активного фильтра - прекращение фильтрации напряжения и выброс напряжения на нагрузке при скачкообразном изменении напряжения источника постоянного тока или тока нагрузки.

Цель изобретения - улучшение динамических характеристик активного фильтра, что позволяет использовать его в нестабилизированных источниках вторичного электропитания, у которых возможны скачкообразные изменения входного напряжения в результате нестабильности напряжения питающей сети.

Цель достигается тем, что в активный фильтр для сглаживания пульсаций, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного тока и нагрузки, дроссель, включенный между входным и выходным выводами, управляемый регулирующий элемент и датчик тока, включенные последовательно между выходным и общим выводами, блок управления с двумя входами и одним выходом, первый вход которого подключен к выходному выводу, а выход - к входу управляемого регулирующего элемента, и фильтр низкой частоты, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход - к второму входу блока управления, дополнительно введечм блок ускоренного перезаряда, вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход - с дополнительно введенным управляющим входом фильтра низкой частоты, и конденсатор, включенный между входным и общим выводами, причем блок ускоренного перезаряда включает амплитудный детектор-усилитель, вход которого образует вход указанного блока, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора-усилителя, и оптоэлектронный преобразователь, входная цепь которого подключена к выходу порогового элемента, а выходная образует выход блока ускоренного перезаряда, фильтр низкой частоты включает времяза- дающую RC-цепочку, включенную между

0 его входом и выходом, резистор и оптоэлектронный преобразователь, выходная цепь которого через указанный резистор включена между входом и выходом фильтра, а вход- ная цепь образует управляющий вход

5 фильтра.

Благодаря введению блока ускоренного перезаряда при скачкообразном изменении напряжения источника постоянного тока выходной ток управляемого регулирующего

0 элемента приближается к предельному значению, блок ускоренного перезаряда снижает постоянную времени фильтра низкой частоты, переходные процессы в схеме активного фильтра ускоряются, выходной ток

5 управляемого регулирующего элемента не достигает предельных значений, фильтрация не прекращается, на нагрузку поступает отфильтрованное напряжение скачка с малой скоростью изменения напряжения: при

0 скачкообразном изменении тока нагрузки на дросселе наводится напряжение ЭДС, конденсатор перезаряжается через дроссель, выходной ток управляемого регулирующего элемента приближается к

5 предельному значению, блок ускоренного перезаряда снижает постоянную времени фильтра низких частот, переходные процессы в схеме активного фильтра ускоряются, выходной ток управляемого регулирующего

0 элемента не достигнет предельны значений, фильтрация не прекращается, на нагрузку поступает медленно меняющееся напряжение.

На фиг.1 приведена структурная схема

5 активного фильтра; на фиг.2 - принципиальная схема активного фильтра.

Активный фильтр содержит источник постоянного тока 1, к первому выводу которого подключен вывод дросселя 2. Ксвобод0 ному выводу дросселя 2 подключен первый вход схемы управления 3. Второй еход схемы управления 3 подключен к выходу фильтра низкой частоты 4, вход которого подключен к входу блока ускоренного пере5 заряда 5. Управляющий вход фильтра низкой частоты 4 подключен к выходу блока ускоренного перезаряда 5. Упраиляемый регулирующий элемент 6 и датчик тока 7 включены последовательно между первым входом блока управления 3 и вторым выводом источника постоянного тока 1. Конденсатор 8 включен между первым входом блока управления 3 и вторым выводом источника постоянного тока 1. Нагрузка 9 включена параллельно конденсатору 8. Вход управляемого регулирующего элемента 6 подключен к выходу блока управления 3. Выход датчика тока 7 подключен к входу фильтра низкой частоты 4.

Блок управления 3 состоит из выходного резистора 3.1, корректирующей RC-це- почки 3.2, 3.3, охватывающей операционный усилитель 3.4, выполняющий функции сумматора и усилителя напряжения, входного резистора 3.5 и выходного резистора 3.6.

Фильтр низкой частоты 4 состоит из времязадающей Р С-цепочки4.1,4.2,4.3, ограничительного резистора 4.4 и выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 4.5.

Блок ускоренного перезаряда 5 состоит из входной цепи оптоэлектронного преобразователя 5.1, диода 5.2. выполняющего функции порогового элемента, транзистора

5.3,диода 5.4, токоограничивающего резистора 5.5, транзистора 5.6, диода 5.7, конденсатора 5.8, резисторов 5.9, 5.10, составляющих амплитудный детектор-усилитель.

Датчик тока 7 состоит из шунта 7.1, входных резисторов 7,2, 7.3, резистора 7.4, задающего напряжение смещения на резисторе 7.2, операционного усилителя 7.5, охваченного обратной связью на резисторе 7.6.

Нагрузка 9 является активной.

Активный фильтр работает следующим образом.

В статическом режиме выходное напряжение источника постоянного тока 1 поступает через дроссель 2 и резистор 3.1 на инвертирующий вход операционного усилителя 3.4, охваченного отрицательной обрат- ной связью через резистор 3.3. Одновременно через резистор 3.5 на неинвертирующий вход операционного усилителя 3.4 поступает опорное напряжение с конденсаторов 4.1 и 4.2, включенных параллельно. Операционный усилитель 3.4 усиливает разность напряжений на своих входах и через резистор 3.6 подает на базу транзистора 6.4. Диод 6.1 защищает эмиттерный переход транзистора 6.4 от пробоя обратным напряжением.

Транзистор 6.4 включен по схеме с общим коллектором и усиливает сигнал по току, резистор 6.3 является нагрузкой. Резистор 6.5 ограничивает ток транзистора

6.4.К эмиттеру транзистора 6.4 подключена

база транзистора 6.6, усиливающего сигнал по току. Выходной ток транзистора 6.6 вызывает падение напряжения на шунте 7.1, приложенное через резисторы 7.2 и 7.3 к

входам операционного усилителя 7.5. Резистор 7.4 задает напряжение смещения на резисторе 7.2, которое вычитается из падения напряжения на шунте 7.1. Разность этих напряжений усиливается операционным

0 усилителем 7.5, охваченным обратной связью через резистор 7.6. Выходное напряжение операционного усилителя 7.5 поступает на RC-цепочку 4.1, 4.2, 4.3, задающую опорное напряжение для опера5 ционного усилителя 3.4. Операционный усилитель 7.5 заводит с выхода транзистора 6.6 на вход операционного усилителя 3.4 отрицательную обратную связь потоку, в результате чего ток транзистора 6.6 задается

0 таким, что падение напряжения на шунте 7.1 равно напряжению смещения на резисторе 7.2 и выходное напряжение операционного усилителя 7.5 близко к нулю. Это напряжение через резисторы 5.9 и 5.10 при5 кладывается к базам транзисторов 5.3 и 5.6 соответственно, диоды 5.4 и 5.7 заперты. Напряжения на эмиттерах транзисторов равны, диод 5.2, выполняющий функции порогового элемента, закрыт,.ток через токо0 ограничивающий резистор 5.5 и входную цепь оптоэлектронного преобразователя 5.1 не течет, сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 4.5 велико, ток через последовательно соединен5 ные резистор 4.4 и выходную цепь оптоэлектронного преобразователя 4.5 не течет, блок ускоренного перезаряда 5 не влияет на работу активного фильтра.

В стационарном режиме пульсации вы0 ходного напряжения источника постоянного тока 1 проходят через дроссель 2 и резистор 3.1 на инвертирующий вход операционного усилителя 3.4. RC-цепочка 4.1, 4.2, 4.3 разрывает отрицательную обратную

5 связь на операционном усилителе 7.5 по переменному току, в результате чего напряжение пульсаций усиливается, инвертируется операционным усилителем 3.4 и транзистором 6.4 и поступает на балу тран0 зистора 6.6, выходной ток которого наводит в дросселе 2 напряжение ЭДС, равное по амплитуде и противоположное по знаку пульсациям выходного напряжения источника постоянного тока 1, вследстьие чего

5 напряжение пульсаций на нагрузку 9 не поступает. RC-цепочки 3.2, 3.3 и 3,6, 6.2 обеспечивают устойчивость активного фильтра на высоких частотах. Напряжение пульсаций с шунта 7.1 поступает на вход операци- онного усилителя 7.5, усиливается и

поступает на вход амплитудного детектора- усилителя, выг.лненного на транзисторах 5,3, 5.6 и диодах 5.4, 5.7. Во время положительных полупериодов конденсатор 5.8 заряжается через резистор 5.9 и диод 5.7, во время отрицательных полупериодов - через резистор 5.10 и диод 5.4. Напряжение на выводах конденсатора 5.8 поступает на базы транзисторов 5.3 и 5.6, включенных по схеме эмиттерных повторителей. Разнссть напряжений на эмиттерах транзисторов 5.3 и 5.6, равная напряжению на конденсаторе 5.8, недостаточна для отпирания порогового элемента 5.2, в результате чего ток через входную цепь оптоэлектронного преобразователя 5.1 не протекает, сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 4.5 велико, блок ускоренного перезаряда 5 не влияет на работу активного фильтра.

При скачкообразном изменении выходного напряжения источника постоянного тока 1 напряжение скачка проходит через дроссель 2 и резистор 3.1 на инвертирующий вход операционного усилителя 3.4. На неинвертирующий вход операционного усилителя 3.4 через резистор 3.5 поступает опорное напряжение с конденсаторов 4.1, 4,2. Так как при скачкообразном изменении напряжения постоянная составляющая напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя 3.4 также изменяется и становится отличной от опорного напряжения на неинвертирующем входе, операционный усилитель 3.4 усиливает постоянное напряжение и задает ток транзистора 6.6 таким, чтобы на дросселе 2 навести постоянное напряжение ЭДС, компенсирующее изменение постоянной составляющей на инвертирующем входе операционного усилителя 3.4. При этом ток транзистора 6.6 изменяется по экспоненциальному закону, приближаясь к предельному значению, напряжение на шунте 7.1 изменяется, усиливается операционным усилителем 7.5 и поступает через резисторы 5.9 и 5.10 на вход амплитудного детектора-усилителя на транзисторах 5.3, 5,6, где преобразуется в однополярное и прикладывается к пороговому элементу 5.2. который открывается, и через входную цепь оптоэлектронного преобразователя и резистор 5.5 протекает ток тем больший, чем больше отклонение тока транзистора 6.6 от номинального. Сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 4.5 падает, конденсаторы 4.1, 4.2 ускоренно перезаряжаются через резистор 4.4 и выходную цепь оптоэлектронного преобразователя 4.5 до нового значения опорного напряжения, равного

постоянной составляющей напряжения источника постоянного тока 1.операционный усилитель 3.4 перестает усиливать постоянное напряжение, токтранзистора б.бснижается до номинального значения, напряжение на выходе операционного усилителя 7.5 приближается к нулю, напряжение на выходе амплитудного детектора-усилителя на транзисторах 5.3,

5.6 снижается, пороговый элемент 5.2 закрывается, ток через входную цепь оптоэлектронногопреобразователяуменьшается, сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 4.5

растет, активный фильтр переходит в стационарный режим работы.

При скачкообразном изменении тока нагрузки на дросселе 2 наводится напряжение ЭДС, конденсатор 8 перезаряжается через дроссель 2. напряжение на нагрузке 9 плавно изменяется. Работа других блоков активного фильтра для сглаживания пульсаций аналогична предыдущему случаю.

Формула изобретения

1.Активный фильтр для сглаживания пульсаций, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного тока и нагрузки, дроссель, включенный между входным и выходным выводами, управляемый регулирующий элемент и датчик тока, включенные последовательно между выходным и общим выводами, блок управления с

двумя входами и одним выходом первый вход которого подключен к выходному выводу, выход - к входу управляемого регулирующего элемента, и фильтр низкой частоты, вход которого подключен к выходу датчика

тока, выход- к второму входу блока управления, от л и ч а ю щ и и с я тем.что с целью улучшения динамических характеристик дополнительно введены блок ускоренного перезаряда, вход которого соединен с выходом датчика тока, а выход-с дополнительно введенным управляющим входом фильтра низкой частоты, и конденсатор, включенный между выходным и общим выводами.

2.Фильтр поп.1.отличаю1цийсп тем,что блок ускоренного перезаряда включает амплитудный детектор-усилитель, вход которого образует вход указанного блока, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора-усилителя.иоптоэлектронный

преобразователь, входная цепь которого подключена к выходу порогового эпемента, а выходная образует выход блока ускоренного перезаряда.

3. Фильтр по п.1,отличающийся тем, что фильтр низкой частоты включает времязадающую RC-цепочку, включенную между его входом и выходом,

резистор и оптоэлектронный преобразова-

тель, выходная цепь которого через указанный резистор включена между входом и выходом фильтра, а выходная цепь образует управляющий вход филь

Изобретение может быть использовано в выпрямительных устройствах, к качеству выходного напряжения которых предъявляются высокие требования. Активный фильтр содержит источник постоянного тока 1. к выходу которого через дроссель 2 подключена нагрузка 9. Параллельно нагрузке 9 включен конденсатор 8 и управляемый регулирующих элемент 6. в цепь которого включен датчик тока 7. Выход датчика тока 7 соединен с входами фильтра низкой частоты 4 и блока ускоренного перезаряда 5, выход которого соединен с другим входом фильтра / - 1 низкой частоты 4. Блок управления 3 одним входом соединен с выходным выводом, другим - с выходом фильтра низкой частоты 4, а выходом - к входу управляемого регулирующего элемента 6. Устройство имеет повышенные динамические характеристики, что достигается введением блока ускоренного перезаряда 5 и конденсатора 8. При скачкообразном изменении выходного напряжения источника постоянного тока напряжение скачка поступает дроссель и блок управления на вход управляемого регулирующего элемента. Ток управляемого регулирующего элемента растет и протекает через датчик тока. Выходное напряжение датчика тока поступает на блок ускоренного перезаряда. Блок ускоренного перезаряда снижает постоянную времени фильтра низкой частоты. Благодаря этому фильтр низкой частоты устанавливает новое значение опорного напряжения на входе блока управления, ток управляемого pei утги- рующего элемента не достигает предельных значений, фильтрация не прекращается. Благодаря введению конденсатора активный фильтр устойчив к броскам TOK;I нагрузки. 2 з.п ,Ъ-лы, 2 ил. 3Р в СЛ С vj Х| О СЛ О 1

о

71

г г CD7.1

шНп

Ш: U

I 7

-1

цп.

5359

S.10

СЭ-1

i