Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Электротехника и электроника для специальностей 1-36 01 01 Технология машиностроения; 1-36 01 03 Технологическое оборудование машиностроительного производства

Основным параметром, характеризующим эффективность сглаживающего фильтра (СФ), является коэффициент сглаживания q = pвх/pвых , где pвх – коэффициент пульсаций на входе фильтра (т.е. для схемы выпрямителя без фильтра), а pвых - коэффициент пульсаций на выходе фильтра (т.е. для схемы выпрямителя с фильтром).

Сглаживающие фильтры различаются по следующим признакам:

1)в зависимости от типа фильтрующего элемента:

a)емкостные;

b)индуктивные;

c)электронные фильтры.

2)по количеству фильтрующих звеньев:

a)однозвенные;

b)многозвенные.

Емкостные фильтры

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, который включают параллельно нагрузочному резистору Rн. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром показана на рисунке 6.5.

Рисунок 6.5. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром

Рисунок 6.6. Временные диаграммы выпрямителя с емкостным фильтром

На временных диаграммах (рисунок 6.6) видно, что в интервале t1-t2, конденсатор через открытый диод заряжается до амплитудного значения U2, так как в этот период U2 > Uc. Когда U2 < Uc, конденсатор разряжается на

121

нагрузочный резистор Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iн, которая имеется в однополупериодном выпрямителе без фильтра.

После этого диод вновь открывается, СФ заряжается и процессы зарядки и разрядки СФ повторяются. Подобные СФ применяются с высокоомным сопротивлением Rн.

Коэффициент сглаживания емкостного фильтра qC 2f1mRнCф ,

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения

Индуктивные фильтры.

Они состоят из дросселя Lф, который включают последовательно с нагрузкой Rн (рисунок 6.8). Так как ток в цепи с дросселем во время переходного процесса при положительной полуволне U2, зависит от постоянной

времени Lф / Rн , то длительность импульса увеличивается с ростом τ, что видно на временных диаграммах (рисунок 6.9).

Рисунок 6.8. Схема включения индуктивного фильтра

Рисунок 6.9. Временные диаграммы выпрямителя с индуктивным фильтром

Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра qL 2 f1mLф ,

Rн

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения

Емкостные и индуктивные фильтры являются однозвенными фильтрами.

122

К многозвенным фильтрам относятся LC или RC – фильтры, которые обеспечивают больший коэффициент сглаживания пульсаций p и включены Г-образно или П-образно (рисунок 6.10 и 6.11).

Рисунок 6.10 Г-образные а) LC- фильтр, б) RC – фильтр

Коэффициент сглаживания LC- фильтра: qГ осн2 LфСф .

В маломощных усилителях, где сопротивление Rн составляет единицы кОм, вместо катушки включают резистор Rф, что уменьшает массу, габариты и стоимость фильтра, однако при этом коэффициент сглаживания, определяемый как q (0,5 0,9) осн RфСф , будет меньше, чем у LC- фильтра.

В П – образных фильтрах коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов составных звеньев (qП=qС qГ ).

Рисунок 6.11. П-образные LC- фильтр и RC – фильтр

Электронные фильтры.

Электронные фильтры (ЭФ) – это фильтры, в которых вместо индуктивных катушек включают транзисторы, что позволяет избавиться от переходных процессов и уменьшить габариты и массу выпрямителей.

Применение транзисторов в фильтрах основано на различии сопротивлений для постоянной и переменной составляющих коллекторного тока [3, 4].

Из выходной характеристики транзистора (рис. 6.12) видно, что сопротивление Rкэ постоянному току (статическое сопротивление) Rст=Uко/Iko на 2-3 порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление) Rдин=∆Uk/∆Ik. Электронные фильтры снижают пульсации в 3-5 раз.

123

4) по способу соединения каскадов между собой в многокаскадном усилителе:

-усилители с непосредственной (гальванической) или резистивной связью (используется в УПТ),

-усилители с резистивно-емкостной связью (используется в усилителях переменного напряжения: УНЧ, УВЧ, ШПУ),

-усилители с трансформаторной связью (используется в усилителях мощности).

Основные параметры усилителя:

коэффициент усиления по напряжению: KU = Uвых / Uвх ; коэффициент усиления по току: KI = Iвых / Iвх ;

коэффициент усиления по мощности: KP = Pвых / Pвх = КU КI; входное сопротивление Rвх ;

выходное сопротивление Rвых ;

полоса пропускания усилителя f = fв – fн, где fв и fн верхняя и нижняя граничные частоты, которые определяются на уровне 0,707 от KUср (т.е.

коэффициент усиления на fв и fн уменьшается в 2 раз). Основные характеристики усилителя:

1) амплитудная характеристика (АХ), выражает зависимость выходного напряжения от входного Uвых.m = f(Uвх.m ) (рис. 6.15, а);

2)амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) KU = f(f), отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты (рис. 6.15, б);

3)фазо-частотная характеристика (ФЧХ) φ = f(f), отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала

(рис. 6.15, в).

Рисунок 6.15 Характеристики усилителя: а – амплитудная; б – амплитудно-частотная; в – фазо-частотная

Амплитудная характеристика имеет линейный участок, где наблюдается пропорциональная зависимость между Uвх.m и Uвых.m. Шумы в усилителе и другие помехи приводят к тому, что при Uвх = 0 на выходе усилителя имеется некоторое напряжение. При Uвх > Uвх.mах пропорциональность между входным и

126

выходным напряжениями нарушается из-за нелинейности ВАХ транзистора, что приводит к ограничению амплитуды выходного сигнала и искажению его формы. Такие искажения называются нелинейными.

Таким образом, АХ условно можно разделить на два участка:

-линейный, где наблюдается пропорциональная зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного сигнала;

-нелинейный, где пропорциональная зависимость нарушается.

Такие искажения выходного сигнала, которые возникают ввиду

Принцип построения усилительных каскадов

Рассмотрим структурную схему [3, 5] (рис. 6.16).

Рисунок 6.16 Структурная схема усилителя

Основными элементами каскада являются усилительный элемент УЭ, которым является биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник питания Е [2].

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, который задается входным сигналом.

Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов является каскад с общим эмиттером ОЭ (рис. 6.17).

Рисунок 6.17 - Схема усилительного каскада с ОЭ

127

Основные элементы схемы:

-источник питания ЕК («+» ЕК для n-p-n, «-» EК для p-n-p);

-биполярный транзистор n-p-n -типа (VT);

-сопротивление в цепи коллектора RК, с помощью которого создается выходное напряжение.

Квспомогательным элементам каскада относятся:

-разделительный конденсатор СР1 , который не пропускает постоянную составляющую тока, т.е. исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника питания по постоянному току;

-разделительный конденсатор СР2, не пропускает постоянной составляющей напряжения в нагрузку или в следующий каскад;

-делитель напряжения R1/R2, включенный в цепь базы. Обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала.

Особенности многокаскадных усилителей

В многокаскадных усилителях число каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления KU, КI , КP. Чем больше необходимо получить коэффициент усиления, тем больше количество каскадов, последовательно соединенных между собой. Структурная схема многокаскадного усилителя приведена на рис. 6.18.

Рисунок 6.18 Структурная схема многокаскадного усилителя

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления, входящих в него каскадов:

KU = Uн = Uвых1 Uвых2 ...UвыхN KU1 KU1...KUN

Eг Eг Uвх2 UвхN

Следует отметить, что с увеличением числа каскадов коэффициент частотных искажений увеличивается: M = M1 M2 M3…. Mn и, как следствие,

f усилителя уменьшается.

Угол фазового сдвига в многокаскадном усилителе равен сумме углов

фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами в схеме:

н нр1 нр2 ... нрn

128

Принцип действия каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером

Основными элементами каскада являются управляемый элемент - биполярный транзистор VT, включение которого по схеме с общим эмиттером (ОЭ) обеспечивает наибольший коэффициент усиления по току, напряжению, мощности.

В выходную цепь каскада включается источник Ек, за счет которого происходит усиление мощности выходного сигнала. Разделительные конденсаторы С1 и С2 на рабочей частоте имеют сопротивления XС1 и XС2 близкие к нулю. Источник усиливаемого сигнала подключается к входной цепи каскада (между базой и эмиттером) через конденсатор С1, а нагрузочное устройство с сопротивлением Rн - к выходу каскада через конденсатор С2. Конденсаторы С1 и С2 разделяют эти цепи по постоянному току и связывают их по переменному. Резистор RK оказывает влияние на коэффициент усиления каскада по напряжению, включается в коллекторную цепь транзистора Звено RЭ - СЭ обеспечивает температурную стабилизацию работы каскада.

б)

iб

uбэ

uR2

Рисунок 6.19 Усилительный каскад на биполярном транзисторе: а) схема каскада, б) временные диаграммы

Напряжение покоя между базой и эмиттером Uбп определяется делителем напряжения R1 – R2 и резистором Rэ, в результате возникают токи базы Iбп и коллектора Iкп. Режим работы усилителя при uвх = 0 называют режимом покоя.

При подаче входного сигнала uвх на постоянную составляющую тока Iбп накладывается переменная составляющая iб , и ток базы становится пульсирующим iб (рис. 6.19, б). Он вызывает пульсацию тока коллектора iк = iб и коллекторного напряжения uк. Переменная составляющая напряжения uк через конденсатор С2 передается в нагрузку: uн = uвых.

По второму закону Кирхгофа для выходной цепи

129

Ек = uк + Rк iк = (Uкп + uк ) + Rк (Iкп + iк ).

Так как Ек = const и режим по постоянному току не меняется, то видно, что с увеличением тока iк напряжение uк уменьшается, оно сдвинуто по фазе относительно входного напряжения на 180 (рис. 6.19, б).

Температурная стабилизация каскада

Недостатком полупроводниковых усилителей является зависимость их параметров от температуры. Для уменьшения влияния температуры в рассмотренном усилительном каскаде с ОЭ применена эмиттерная температурная стабилизация: в цепь эмиттера включен резистор Rэ, шунтированный конденсатором Сэ. С увеличением температуры возрастают токи транзистора Iкп, Iэп, но возникающее падение напряжения на резисторе Rэ

уменьшает напряжение Uбэп = UR2 – Rэ Iэп (при UR2 = const), что повлечет уменьшение токов Iбп, Iэп, Iкп. Стабилизация тем эффективнее, чем больше Rэ, но

падение напряжения на Rэ уменьшает Uбэ и снижает коэффициент усиления, что нежелательно. Это явление называют отрицательной обратной связью (ООС). Для ослабления ООС по переменному напряжению резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого Хсэ Rэ для всех частот uвх. Тогда падение напряжения на участке Rэ – Сэ от переменной составляющей iэ незначительно, и усиливаемое напряжение практически не меняется: uбэ uвх.

Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют дифференциальный усилитель постоянного тока, обладающий большим коэффициентом усиления КUОУ = 103 – 106. ОУ предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами: усиление и ослабление, сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, сравнение и т.д. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости, индуктивности и др.

ОУ имеет дифференциальный вход реализованный через два вывода инвертирующий (И) и неинвертирующий (Н), один общий выход, питание обеспечивается двухполярным источником Еп. (рис. 6.20).

Идеальный ОУ обладает следующими свойствами:

-коэффициент передачи ОУ без обратной связи равен бесконечности;

-входной ток равен нулю;

-напряжение смещения и ток смещения нуля на входе ОУ равны нулю;

-входное сопротивление ОУ равно бесконечности;

-выходное сопротивление ОУ равно нулю

130