Активный сглаживающий фильтр

Из-за выше перечисленных недостатков пассивных сглаживающих фильтров нашли широкое распространение при небольших выходных мощностях активные фильтры. К их достоинствам относят:

- 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.

В активных фильтрах последовательно или параллельно включается регулирующий транзистор, выполняющий роль дросселя или резистора в раннее рассматриваемых фильтрах. 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.

Ток коллектора I_К в схеме фильтра ОК 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 I_б = const.

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.

Рисунок 7.11 Схема фильтра ОК, графики зависимости

I_К = f (U_К ) при I_б = const.

А R_Д = D U_К / DI_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 DI_К при условии, что ток базы I_б = const. Переменная составляющая напряжения на выходе фильтра ОК U_{ВЫХ.ПЕР.} = DI_К R_Н получается значительно ослабленной по сравнению с U_В.ПЕР. Чтобы обеспечить постоянство тока базы транзистора, в цепь базы включают конденсатор, и резистор такой величины при которой постоянная времени цепи была бы много больше периода пульсаций выпрямленного напряжения.

Таким образом, сглаживание пульсаций в фильтре ОК обеспечивается RC фильтром в базовой цепи, а транзистор VT предназначен для усиления сигнала по мощности (эмиттерный повторитель!). 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:

Рисунок 7.12 Схема активный фильтр с общей базой

Фильтры этого типа применяются лишь в тех случаях, когда ток нагрузки остается постоянным. Режим работы транзистора по постоянному току определяется величиной R_б, а сглаживающее действие – постоянной времени цепочки R₁C₁. Эта цепь стабилизирует ток эмиттера, если R₁C₁ >> T_n, где T_n – период пульсации. В этом режиме транзистор обладает большим дифференциальным сопротивлением и малым статическим, что эквивалентно дросселю в LC–фильтрах. В связи с тем, что у данной схемы выходное сопротивление имеет большую величину, для его снижения на выходе фильтра ставится конденсатор С_н.

Принцип действия этого фильтра основан на компенсации переменной составляющей входного напряжения за счет падения напряжения на резисторе R при протекании по нему тока эммитера транзистора.

Для повышения показателей качества активных фильтров в них применяются составные транзисторы, многозвенные RC-цепочки в цепи базы, а также токостабилизирующие двухполюсники.

Коэффициент сглаживания q схемы рассчитывается так же, как в RC пассивном фильтре:

(7.15)

Контрольные вопросы и задания

1Какова роль сглаживающих фильтров?

2Каковы основные требования, предъявляемые к сглаживающим фильтрам?

3Как классифицируются сглаживающие фильтры?

4Чему равен и что характеризует коэффициент сглаживания фильтра?

5Чему будет равен коэффициент сглаживания эквивалентного фильтра полученного путем последовательного соединения нескольких однотипных фильтров?

6Задание: Требуемый коэффициент пульсации на выходе источника питания равен S₂=0,001, определить коэффициент сглаживания для фильтра, установленного на выходе:

-однополупериодного выпрямителя (Si =1,57);

-двухполупериодного выпрямителя (S₁=0,67).

7Пояснить принцип работы емкостного фильтра.

8Как влияет на параметры емкостного фильтра величина сопротивления нагрузки и почему?

9Как влияет на параметры емкостного фильтра величина емкости фильтра и почему?

10Пояснить принцип работы индуктивного фильтра.

11Как влияет на параметры индуктивного фильтра величина сопротивления нагрузки и почему?

12Как влияет на параметры индуктивного фильтра величина индуктивности фильтра и почему?

13 Пояснить принцип работы Г - образного фильтра LC- типа и RC- типа.

14 Когда следует применять Г - образные фильтры LC- типа, а когда Г - образные фильтры RC- типа?

15Пояснить принцип работы П - образного фильтра LC- типа и RC- типа.

16 Когда следует применять П - образные фильтры LC- типа, а когда П - образные фильтры RC- типа

17.Каковы преимущества активных фильтров по сравнению с пассивными и каковы их недостатки?

18 Каков принцип работы активного фильтра?

19 Какие существую, схемы активных фильтров, и каким пассивным фильтрам они соответствуют?

20 Какие существуют методы повышения эффективности активных фильтров и в чем их суть?