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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в выпрямительных устройствах, к качеству выходного напряжения которых предъявляются повышенные требования.

Известен активный фильтр, содержащий источник постоянного тока, нагрузку, дроссель, блок управления, транзистор, два конденсатора и цепь смещения, причем дроссель, первый и второй конденсаторы подключены к нагрузке, свободный вывод первого конденсатора подключен к входу блока управления, свободный вывод дросселя подключен к источнику постоя иного тока, свободный вывод второго конденсатора соединен с силовой цепью транзистора и цепью смещения, свободные концы цепи смещения и силовой цепи транзистора

соединены с шиной кулевого потенциала, выход блока управления R 65,Т 5 соединен со входом транзистора.

В рабочем режиме пульсации выходного напряжения источника постоянного тока поступают через дроссель и первый конденсатор на вход блока управления, выходное напряжение которого вызывает в силовой

VI

V4 00 00 00

XI

цепи транзистора тока, проходящий через второй конденсатор и наводящий в дросселе напряжение ЭДС, равное по амплитуде и противоположное по знаку пульсациям выходного напряжения источника постоянного тока, благодаря чему пульсации напряжения на нагрузке снижаются,

Недостаток этого активного фильтра - низкий КПД, определяемый мощностью, потребляемой транзистором и цепью смещения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для ослабления пульсаций постоянного тока на выходе выпрямителя, содержащее входной вывод для подключения источника постоянного тока, выходной вывод для подключения нагрузки, дроссель, первывй и второй конденсаторы, первый и второй диоды, первый и второй управляемые ключевые элементы и блок управления, причем дроссель подключен к входному выводу, к свободному выводу дросселя подключены анод первого диода и первый управляемый ключевой элемент, к свободному выводу первого ключевого элемента подключены первый конденсатор и анод второго диода, к катоду первого диода подключен свободный вывод первого конденсатора и второй управляемый ключевой элемент, к выходному выводу подключены катод второго диода, свободный вывод второго управляемого ключевого элемента и второй конденсатор, свободный вывод которого подключен к общему выводу, выходы блока управления подключены к входам управляемых ключевых элементов.

В рабочем режиме блок управления замыкает управляемые ключевые элементы, подключая первый конденсатор встречно или согласно с нагрузкой или отключает его, между выводом дросселя и выходным выводом наводится ступенчатое напряжение, вычитающееся из пульсаций напряжения источника постоянного тока, в результате чего пассивный фильтр дроссель - второй конденсатор сглаживает пульсации пятикратно увеличенной частоты существенно меньшей амплитуды. Благодаря этому пульсации напряжения на нагрузке снижаются.

Недостатками этого устройства являются низкий КПД и плохое использование эле- мейтов по напряжению, обусловленные включением управляемых ключевых элементов, диодов и первого конденсатора последовательно с нагрузкой, в результате чего в низковольтных сильноточных устройствах потери на этих элементах будут сопо- ставимы с мощностью нагрузки,

коэффициент использования по напряжению составит единицы процента.

Цель изобретения - повышение КПД, улучшение использования элементов по напряжению, что позволяет применять в схеме фильтра менее мощные элементы.

Более высокий КПД активного фильтра позволяет применять его в автономных и бортовых источниках электропитания.

0 Цель достигается тем, что в активный фильтр, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения, соответственно, источника постоянного тока и нагрузки, дроссель, один вывод которого

5 соединен с входным выводом, первый и второй конденсаторы, два управляемых ключевых элемента, и блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами ключевых элементов, причем второй

0 конденсатор включен между выходным и общим выводами, дополнительно введен трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем первичная обмотка трансформатора включена между свободным

5 выводом дросселя и выходным выводом, вторичная обмотка трансформатора зашун- тирована цепочкой из последовательно соединенных указанных ключевых элементов и выполнена с отводом от середины витков,

0 подключенным через первый конденсатор к общей точке соединения ключевых элементов, а вход блока управления соединен с выводами для подключения указанного источника постоянного тока.

5Благодаря введению трансформатора

ток нагрузки протекает только через дроссель и первичную обмотку трансформатора, КПД увеличивается, подбором соотношения чисел витков обмоток трансформатора до0 стигается полное использование ключей и первого конденсатора по току и напряжению, что позволяет применять менее мощные элементы, ключевые элементы и первый конденсатор гальванически развя5 заны с силовой цепью, что повышает технологичность конструкции и упрощает блок управления.

На фиг.1 приведена структурная схема активного фильтра; на фиг. 2 - принципи0 альная схема активного фильтра; на фиг. 3 - диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу активного фильтра.

Активный фильтр состоит из источника 1 постоянного тока, к которому подключены

5 последовательно дроссель 2, первичная обмотка 3 трансформатора. Вторичная обмотка 4 трансформатора зашунтирована последовательно включенными первым и вторым ключевыми элементами 5 и 6. Конденсатор 7 включен между отводом от середины витков вторичной обмотки 4 и точкой соединения ключевых элементов 5 и 6. Конденсатор 8 и нагрузка 9 включены параллельно между свободным выводом первичной обмотки 3 трансформатора и свободным выводом источника постоянного тока 1. Вход блока управления 10 подключен к точке соединения выхода источника постоянного тока 1 и дросселя 2, первый и второй выходы - к управляющим входам ключевых элементов 5 и 6 соответственно.

Блок управления 10 состоит из входного резистора 10.1, делителя опорного напряжения на резисторах 10.2, 10.3, 10.4, двух компара горов на операционных усилителях 10.5 и 10.6, двух нагрузочных резисторов 10.7 и 10.8.

Активный фильтр работает следующим образом.

В статическом режиме выходной ток источника постоянного тока 1 через дроссель 2 и первичную обмотку 3 трансформатора поступает на нагрузку 9. Одновременно напряжение источника постоянного тока 1 через резистор 10.1 поступает на входы компараторов, выполненных на операционных усилителях 10.5 и 10.6, сравнивающих это напряжение с опорными напряжениями, формируемыми цепочкой резисторов

10.2,10.3, 10.4. В статическом режиме при отсутствии пульсаций на выходе источника постоянного тока 1 напряжение на выходе больше чем на резисторе 10.4, но меньше чем на резисторе 10.2 в результате чего на входах компараторов 10.5 и 10.6 присутствует отрицательное напряжение, поступающее через резисторы 10,7 и 10.8 на затворы транзисторов 6 и 5 соответственно, которые находятся в закрытом состоянии.

В установившемся режиме пульсирующее напряжение с выхода источника постоянного тока через дроссель 2 и первичную обмотку 3 трансформатора поступает на нагрузку 9 и одновременно через резистор 10.1 поступает на входы компараторов 10.5 и 10.6, сравнивающих это напряжение с опорными напряжениями с делителя 10.2,

10.3,10.4, формирующего напряжение Jol на инвертирующем входе компаратора 10.5,. напряжение U02 на неинвертирующем входе компаратора 10.6.

При положительной полуволне пульсаций, т.е. в моменты, когда мгновенное значение напряжения на выходе источника постоянного тока 1 больше опорных напряжений U01 и Uo2, выходное напряжение компаратора 10.5 становится положительным и через резистор 10,7 поступает на транзистор 6, напряжение UV6 на затворе транзистора 6 также становится положительным,

транзистор 6 открывается и подключает конденсатор 7 к правой полуобмотке вторичной обмотки 4. Одновременно выходное напряжение компаратора 10.6 становится

5 отрицательным и через резистор 10.8 поступает на транзистор 5, напряжение UV5 на затворе транзистора 5 также становится отрицательным, транзистор 5 закрыт. Ток кон0 денсатора 7 протекает через вторичную обмотку 4, наводя в первичной обмотке 3 напряжение ЭДС, компенсирующее поло5 жительную полуволну пульсаций напряжения источника 1 постоянного тока, Происходит заряд конденсатора 7.

При значении мгновенного напряжения, равного постоянной составляющей вы0 ходного напряжения источника постоянного тока 1, что равносильно отсутствию пульсаций, напряжения UV5 и UV6 отрицательны, транзисторы 5 и 6 закрыты, ток конденсатора 7 не протекает через вторич5 ную обмотку 4, напряжение ЭДС первичной обмотки 3 равно нулю, напряжение источника 1 постоянного тока без изменений прикладывается к нагрузке.

При отрицательной полуволне пульса0 ций, т.е. в моменты, когда мгновенное значение напряжения на выходе источника 1 постоянного тока меньше опорных напряжений Uoi и Uo2, напряжение UV5 становится положительным, транзистор 5

5 открывается и подключает конденсатор 7 к левой полуобмотке вторичной обмотки 4. Одновременно напряжение Uv6 становится отрицательным, транзистор 6 запирается. Ток конденсатора 7 постекает через вторич0 ную обмотку 4, наводя в первичной обмотке 3 напряжение ЭДС, компенсирующее отрицательную полуволну пульсаций напряжения источника постоянного тока 1. Происходит разряд конденсатора 7.

5 На фиг 3 изображены диаграммы, иллюстрирующие работу активного фильтра. Выходное напряжение источника 1 постоянного тока Ui сравнивается блоком управления 10 с опорными напряжениями Uoi и

0 Uo2, выдающим сигналы управления UV5 и Uv6 ключевыми элементами 5 и 6 соответственно, благодаря чему на обмотках 3 и 4 наводится компенсирующее напряжение, вычитающееся из пульсирующего напряже5 ния источника 1 постоянного тока. К дросселю 2 прикладывается напряжение 1)2, равное разности переменной составляющей напряжения источника 1 постоянного тока и компенсирующего напряжения, характеризующееся пятикрытным увеличением частоты основной гармоники пульсаций и существенным снижением амплитуды.

Благодаря этому пульсации тока дросселя 2 снижаются, амплитуда напряжения на нагрузке 9 также снижается.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я

Активный фильтр для сглаживания пульсаций, содержащий входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного тока и нагрузки, дроссель, один вывод которого соединен с входным выводом, первый и второй конденсаторы, два управляемых ключевых элемента и блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами ключевых элементов, причем второй конденсатор включен между выходным и общим выводами,отличающийся тем,

что, с целью повышения КПД и улучшения использования элементов по напряжению, дополнительно введен трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем первичная обмотка трансформатора включена между свободным выводом дросселя и выходным выводом, вторичная обмотка трансформатора зашунтиро- вана цепочкой из последовательно соединенных указанных ключевых элементов и выполнена с отводом от середины витков, подключенным через первый конденсатор к общей точке соединения ключевых элементов, а вход блока управления соединен с выводами для подключения указанного источника постоянного тока,

Использование: изобретение может быть использовано в выпрямительных устройствах, к качеству выходного напряжения которых предъявляются повышенные требования. Сущность изобретения: устройство состоит из источника постоянного тока, к которому через последовательно соединенные дроссель и первичную обмотку трансформатора подключена нагрузка, зашунтированная конденсатором. Вторичная обмотка трансформатора зашунтирова- на последовательной цепочкой из ключевых элементов. Между общей точкой соединения ключевых элементов и отводом от середины витков вторичной обмотки включен конденсатор. Блок управления соединен с управляющими входами ключевых элементов. Ключевые элементы отключают или подключают встречно или согласно конденсатора к вторичной обмотке трансформатора, на первичной обмотке которого наводится ЭДС, компенсирующая пульсации на выходе источника постоянного тока. Благодаря тому, что ток нагрузки протекает только через дроссель и первичную обмотку трансформатора, повышается КПД устройства. Благодаря подбору соотношения чисел витков обмоток трансформатора достигается полное использование ключевых элементов и конденсатора не только по току, но и по1 напряжению, что позволяет применять менее мощные элементы. 3 ил. (Л С

Ф(/.2

Фиг.3

V