Электронные фильтры

В пассивных сглаживающих фильтрах (LC- и RC- фильтрах), используемых в линейных источниках питания, объем и масса дросселя и конденсатора становятся соизмеримыми с объемом и массой сетевого трансформатора. Дроссель приходится изготав­ливать с немагнитным зазором, что увеличивает магнитное рассе­яние и является источником помех. Кроме того, пассивные сгла­живающиефильтры дороже активных.

Активные — электронные — фильтры, строящиеся на транзи­сторе или операционном усилителе, могут обеспечивать малое выходное сопротивление.

Принцип действия активных фильтров основан на использо­вании особенностей выходной (коллекторной) характеристики транзистора, показанной на рис. 113.

Из рис. 113 видно, что статическое сопротивление постоянно­му току между коллектором и эмиттером R _ст = U_k0 / I _ко (где U_k0 и I_k0 — напряжение и ток покоя в рабочей точке А) меньше дина­мического сопротивления переменному току R _дин = ΔU_k/ΔI к. сле­довательно, транзистор можно использовать вместо дросселя в схе­ме сглаживающего фильтра.

По способу подключения нагрузки транзисторные фильтры подразделяются на последовательные и параллельные. Чаще ис­пользуется последовательная схема соединения с нагрузкой в цепи эмиттера (эмиттерный повторитель, изображенный на рис. 114, а) или коллектора (рис. 114, б).

Рис. 113. Семейство выходных характеристик транзистора: Ik и Uk — ток и напряжение коллектора

Постоянная времени цепи разряда R_H — С2 на рис. 114, б (т₀ = R_HC₂) значительно больше периода пульсаций выпрямленного напряжения, и рабочая точка транзистора при изменениях вход­ного напряжения будет перемещаться по пологому участку кол­лекторной характеристики. На этом участке коллекторный ток изменяется незначительно и пульсации напряжения на нагрузке меньше, чем на входе фильтра. В рассматриваемой схеме смеще­ние на базе транзистора обеспечивается фиксированным током базы от постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Рис. 114. Принципиальные схемы транзисторных СФ с нагрузкой в цепи эмиттера (a) и коллектора(б).

Данная схема способна работать только в узком диапазоне ко­лебаний внешней температуры, так как резистор R 1обеспечивает термостабилизацию схемы в небольших пределах. Эта схема при­меняется при R_H= const, поскольку выходное напряжение зависит от сопротивления нагрузки. Активные фильтры с нагрузкой в кол­лекторной цепи применяются при малых значениях R_H, т.е. когда R _н «R_вых фильтра.

В схеме СФ с нагрузкой в цепи эмиттера (см. рис. 114, а) на базу транзистора подается напряжение, отфильтрованное цепоч­кой R—C. Так как напряжение U_б-э мало, то выходное напряжение также будет незначительно отличаться от напряжения на базе.

Кроме того, резистор R 1определяет напряжение смешения, т. е. задает положение рабочей точки А — точки покоя (см. рис. 113).

Пульсации на выходе в этой схеме зависят от сглаживающего действия цепи R— С, и если при одной такой цепи пульсации все-таки велики, для их снижения последовательно включают не­сколько звеньев СФ, как показано на рис. 115.

На рис. 114, а и 115 транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который характеризуется малым выходным сопро­тивлением, и поэтому такой СФ менее чувствителен к изменени­ям нагрузки. Так как база транзистора соединена с коллектором через резистор, то обе схемы имеют автоматическое смешение, устойчиво работают при изменении температуры внешней среды и не требуют тщательной подгонки режима.

Рис. 115. Схема транзисторного многозвенного СФ

а б

Рис. 116. Два варианта (а, б) схем параллельного транзисторного фильтра

В рассмотренных схемах не включают параллельно нагрузке конденсатор, так как в цепи базы транзистора конденсатор ока­зывает фильтрующее действие при колебаниях тока нагрузки.

На рис. 116 приведены два варианта схемы транзисторного филь­тра с нагрузкой, подключенной параллельно.

Здесь управляющее напряжение на базу транзистора подается с входа схемы через резистор R1 и конденсатор С, и поэтому они называются схемами с управлением с входа. Смещение на базу транзистора VT подается через резистор R 2, а переменная состав­ляющая пульсаций — через цепь R 1 — С. Нагрузкой транзистора является резистор R З, на котором и выделяется усиленная пере­менная составляющая напряжения в противофазе с напряжением пульсаций на входе схемы. На резисторе R3 происходит также падение напряжения от тока нагрузки.

В транзисторном фильтре с параллельным включением нагруз­ки через VT протекает постоянный ток, который намного меньше тока нагрузки, т.е. меньше, чем в транзисторном фильтре с по­следовательным включением нагрузки, поэтому часто в таких схе­мах обходятся без теплоотвода.

Схемы транзисторных СФ с параллельным включением нагруз­ки не боятся короткою замыкания, но при отключении нагрузки транзистор может перегружаться.

В связи с тем, что на последовательно включенном транзисто­ре часть выпрямленного напряжения падает, а параллельно

VT2

Рис. 117. Схема сглаживающею фильтра на составном транзи­сторе

включенный транзистор для обеспечения своей работы потребляет часть выпрямленного тока, КПД транзисторных фильтров составляет порядка 0,4...0,6.

При больших токах нагрузки в транзисторных фильтрах с по­следовательным ее включением используют составной транзис­тор (рис. 117), увеличивающий коэффициент сглаживания пуль­саций.

У составного транзистора меньше базовый ток, что также по­зволяет увеличить сопротивление резистора R и уменьшить ем­кость конденсатора в цепи базы.