5.5. Активные фильтры

Из-за ряда достоинств активные фильтры нашли широкое распространение при небольших выходных мощностях. К таким достоинствам относятся:

• высокие качественные и энергетические показатели;

• широкий диапазон частот;

• простота конструкции;

• малая зависимость коэффициента сглаживания от изменений тока нагрузки;

• малые магнитные поля из-за отсутствия индуктивности в схеме фильтра;

• отсутствие опасных режимов при возникновении переходного процесса, т.к. нет перенапряжения при “сбросе” тока нагрузки.

К недостаткам схемы можно отнести: снижение к.п.д. устройства при увеличении тока нагрузки из-за увеличения потерь на транзисторе; необходимость защиты транзистора в переходных режимах.

Принцип действия активных фильтров основан на свойстве транзистора создавать различные сопротивления для переменного и постоянного токов. Характерны два способа построения фильтров. Первый способ состоит в том, что транзистор включается по схеме с общим коллектором. На рисунке 5.7 представлена схема транзисторного активного фильтра. Ток коллектора I_К в схеме фильтра мало зависит от величины приложенного к переходу коллектор- эмиттер напряжения U_К при постоянном значении тока базы. На рисунке приведены графики зависимости I_К=f(U_К) при Iб=const.

Рис.5.7. Транзисторный активный фильтр

Если провести на графике нагрузочную прямую (U_К=U_ВХ при I_КО=0 и I_К=U_ВХ/R_Н при U_К=0) и выбрать на ней рабочую точку А {U_К0, I_КО}, то сопротивление транзистора переменой составляющей тока в точке А

R_Д=U_К/I_К будет много больше его сопротивления постоянному току R_С=U_К0/I_КО, т.е. R_Д>>R_С. Соответственно переменная составляющая выпрямленного напряжения U_В.ПЕР. на входе фильтра вызывает небольшие изменения тока коллектора I_К при условии, что ток базы Iб=const. Переменная составляющая напряжения на выходе фильтра U_{ВЫХ.ПЕР}=I_КR_Н получается значительно ослабленной по сравнению с U_В.ПЕР.

Таким образом, сглаживание пульсаций в транзисторном активном фильтре обеспечивается RC фильтром в базовой цепи, а транзистор VT предназначен для усиления сигнала по мощности. Резистор R задаёт режим работы транзистора по постоянному току, устанавливая ток базы.

Второй способ построения активного фильтра состоит в том, что транзистор включается по схеме с общей базой (Рис. 5.8).

Рис.5.8. Транзисторный активный фильтр с транзистором, включенным по схеме с ОБ

Режим работы транзистора по постоянному току определяется величиной Rб, а сглаживающее действие – постоянной времени цепочки R₁C₁. Эта цепь стабилизирует ток эмиттера, если R₁C₁>>Tn, где Tn – период пульсации. В этом режиме транзистор обладает большим дифференциальным сопротивлением и малым статическим, что эквивалентно дросселю в LC–фильтрах. Коэффициент сглаживания S схемы рассчитывается так же, как в RC пассивном фильтре:

(5.13)

6. Стабилизаторы постоянного тока

6.1. Стабилизаторы на стабилитронах

Стабилизатор напряжения - преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки. Во ВИП наибольшее распространение получили стабилизаторы напряжения, выполненные на полупроводниковых приборах, в частности, на стабилитронах.

Полупроводниковый стабилитрон имеет вольт-амперную характеристику (Рис.6.1,а) с достаточно протяженным участком а—б, на котором значительным приращениям тока соответствуют малые приращения напряжения. Этот участок получается при обратном смещении и характерен для режима так называемого электрического пробоя р-n-перехода.

Если мощность, рассеиваемая в стабилитроне, превышает предельную, температура р-n-перехода возрастает выше допустимой и возникает необратимый тепловой пробой, разрушающий р-n-переход. Возникает так называемый «электрический пробой», который является обратимым, и пологий участок характеристики стабилитрона повторяется от включения к включению с высокой точностью. Обычно ветвь обратного тока (рабочую ветвь) характеристики стабилитрона изображают в других координатных осях (Рис. 6.1,б). При этом рабочий участок характеристики получается более пологим.

Рис.6.1. ВАХ стабилитрона (а), ВАХ стабилитрона в других координатах (б)

По конструктивному выполнению (Рис. 6.2) кремниевые стабилитроны аналогичны выпрямительным полупроводниковым диодам. К относительно массивному медному кристаллодержателю (1) (основание) припаивается монокристалл кремния (2) с электропроводностью р-типа. Припой выбирается таким образом, чтобы с кремнием и медью он не создавал выпрямляющих контактов. С противоположной стороны кристалла создают путем вплавлення алюминиевого электрода (4) зону электропроводности n-типа, а сам электрод сваривают с токоотводом и выводом (6). В кристалле образуется p-n-переход (3). Всю конструкцию помещают в металлический корпус (5), привариваемый к основанию. Токоотвод пропускают через изолятор

.

Рис. 6.2. Конструкция кремниевого стабилитрона

Кремниевые стабилитроны имеют массу преимуществ. У них небольшие габариты и масса. У кремниевых стабилитронов характеристика не имеет точки перегиба. Это облегчает расчет, улучшает характеристики схемы. У полупроводниковых стабилитронов отсутствует и участок характеристики с отрицательным наклоном, что позволяет подключать параллельно ему конденсатор любой емкости.

Стабилитрон сохраняет напряжение стабилизации от одного включения к другому с очень высокой точностью. Отклонения напряжения не превышают 0,01 %. В заключение необходимо отметить, что на характеристику стабилитрона не влияет световое облучение, электрическое и магнитное поля.

Самым существенным недостатком кремниевых стабилитронов является изменение напряжения пробоя при изменении температуры. Однако теплового гистерезиса у стабилитронов не наблюдается, поэтому в схему стабилизации можно включать элементы температурной компенсации.