Активный фильтр для сглаживания пульсаций

 

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 утгирующего 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)s Н 02 М 1/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ! 1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4853470/07 (22) 19.07.90 (46) 23.10.92, Бюл. ¹ 39 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) О.А,Дерин, А.А,Мартынов и В.Ф,Шукалов (56) Авторское свидетельство СССР № 1223342, кл. Н 02 M 1/12, 1986.

Патент США

¹ 3670230, кл. Н 02 М 1/14, 1972. (54) АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ СГЛАЖИВАНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ (57) 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 ,2

Г

„„. Ы „„1771050 А1 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 постоянногс тока напряжение скачка поступает через 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 ре: улирующего элемента не достигает предельных значений, фильтрация не прекращается.

Благодаря введению конденсатора активный фильтр устойчив к броскам ток; нагрузки. 2 з.п ф-лы, 2 ил.

8, 1771050

15

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 второй 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 установи вшегося 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

55 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 общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, дроссель, включенный между входным и выходным выводами, транзисторный 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 нагрузке, а выход — к входу транзисторного регулирующего элемента, и RC-фильтр низкой частоты, вход которого подключен к датчику тока, а выход — к второму входу блока управления.

В стационарном режиме пульсации напряжения источника постоянного тока проникают через дроссель на первый вход блока управления, выходное напряжение которого поступает на вход транзисторного регулирующего элемента и задает гок транзисторного регулирующего элемента таким, что, протекая через дроссель, он наводит на дросселе напряжение ЭДС, равное по амплитуде и противоположное по знаку пульсациям напряжения источника постоянного тока, в результате чего пульсации напряжения на нагрузке отсутствуют. Выходное напряжение датчика тока, пропорциональное току транзисторного регулирующего элемента, поступает на вход фильтра низкой частоты, выделяющего постояннун составляющую напряжения, Блок управления выделяет напряжение пульсаций, вы.итая из полного напряжения на нагрузке, поступающего на первый вход блока управления, опорное напряжение, в качестве которого используется выходное напряжение фильтра низкой частоты, поступающее на второй вход блока управления. Цепь датчика тока— фильтр низкой частоты также задает оежим транзисторного регулирующего элемента по постоянному току, При скачкообразном изменении напряжения источника постоянного тока постоянная составляющая на выходе источника постоянного тока также изменяется и проходит через дроссель на первый вход блока управления; выходное напряжение фильтра низкой частоты, используемое в качестве опорного, изменяется медленно, в результате чего блок управления усилизает не

1771050 только напряжение пульсаций, но и постоянное напряже ".R, Tðàíçèñòopíûé 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 регулировачия транзисторного регулирующего элемента, на дроссепе 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 э ого 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 e нестабилизированных источниках вторичного электропитания, у которых возможны скачкообразчые 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 ре улирующего элемента. и фильтр низкой частоты, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход — к второму входу блока управления, 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 входным и общим выводами, причем блок ускоренного перезаряда включает амплитудный детектор-усилитель, вход которо5

55 го 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 времязадающую RC-цепочку, включенную между его входом и выходом, резистор и оптоэлектронный преобразователь, выходная цепь которого через указанный резистор включена между входом и выходом фильтра. а входная цепь образует управляющий вход фильтра.

Благодаря введению блока ускоренного перезаряда при скачкообразном изменении напряжения источника постоянного тока выходной ток управляемого регулирующего элемента приближается к предельному значению, блок ускоренного перезаряда снижает постоянную времени фильтра низкой частоты, переходные процессы в схеме активного фильтра ускоряются, выходной ток управляемого регулирующего элемента не достигает предельных значений. фильтрация не прекращается, на нагрузку псступает отфильтрованное напряжение скачка с малой скоростью изменения напряжения; при скачкообразном изменении тока нагрузки на дросселе наводится напряжение ЭДС, конденсатор перезаряжается через дроссель, выходной ток управляемого регулирующего элемента приближается к предельному значению, блок ускоренного перезаряда снижает постоянную времени фильтра низких частот, переходные процессы в схеме активного фильтра ускоряются, выходной ток управляемого регулирующего элемента не достигнет предельны.< значений, фильтрация не прекращается, на нагрузку поступает медленно меняющееся напряжение.

На фиг.1 приведена структурная схема активного фильтра; на фиг.2 — принципиальная схема активного фильтра.

Активный фильтр содержит источник постоянного тока 1, к первому выводу которого подключен вывод дросселя 2. Е свободному выводу дросселя 2 подключен первый вход схемы управления 3. Второй вход cveмы управления 3 подключен к выхоцу фильтра низкой частоты 4, вход которого подключен к входу блока ускоренного перезаряда 5. Управляющий вход фильгра низкой частоты 4 подключен к выход,у блока ускоренного перезаряда 5. Управляемый регулирующий элемент 6 и датчи тока 7 включены последовательно между первым входом блока управления 3 и вторым выво1771050 дом 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. t, корректирующей RC-цепочки 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 RC-цепочки 4,1. 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 обратной 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

55 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 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 операционного усилителя 3,4. Операционный усилитель 7.5 заводит с выхода транзистора 6.6 на вход операционного усилителя 3.4 отрицательную обратную связь по току, в резул ьтате чего ток транзистора 6.6 задается 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 прикладывается к базам транзисторов 6.3 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 токоограничивающий резистор 5,5 и входную цепь оптоэлектронного преобразователя

5,1 не течет, сопротивление выходной цепи оптоэлектронного преобразователя 4.5 велико, ток через последовательно соединенные 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 выходного 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 связь на операционном усилител» 7,5 по переменному току, в результате чего напряжение пульсаций усиливается, инвертируется операционным усилителем 3.4 и транзистором 6.4 и. поступает на ба:-у транзистора 6.6, выходной ток которого наводит в дросселе 2 напряжение ЗДС, равное по амплитуде и противоположное го знаку пульсациям выходного напряжения источника постоянного тока 1, вследствие чего напряжение пульсаций на нагрузку 9 не поступает. RC-цепочки 3.2, 3.3 и 3,6, г.2 обеспечивают устойчивость активного фильтра на высоких частотах, Напряжение пульсаций с шунта 7,1 поступает на вход операционного усилителя 7.5, усиливается и

1771050

5

20 поступает на вход амплитудного детектораусилителя, вы чненного 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, Разность 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 измечение 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, усили вается 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

55 постоянной составляющей напряжения источника постоянного тока 1. операционный усилитель 3.4 перестает усиливать постоянное напряжение, токтрэнзистора 6.6снижается 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 оптоэлектронного преобразователя уменьшается, 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, о т л и ч а ю LL; и и с я тем. что с целью улучшения динамических характеристик. дополнительно введены блок ускс ренного 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 по п.1, о т л и ч а ю щ и и с л 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. и оптоэлектронный преобразователь, входная цепь которого подключена к выходу порогового элемента, а выходная образует выход блока ускоренного перезаряда.

1771050

4Ъ8. 2

40

50

Составитель О, Дерин

Редактор Г. Бельская Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Т. Палий

Заказ 3747 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ C CCP

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

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