Лекции 5-6 - Конспекты, страница 9

На практикеприменяют и другие, более сложные фильтры.70Электропитание РЭАГлава 5LC-фильтраДлякоэффициентсглаживанияk-йгармоникиориентировочно может быть определён какSk  k 2п2 LC  1 ,(5.112)где ωп – основная гармоника частоты пульсации.Резонансная частота LC-фильтра ωф должна быть существенно меньшечастоты первой гармоники пульсации ωп. Её определяют какф 1.LC(5.113)а)б)б)в)Рисунок 5.38 – Основные типы сглаживающих фильтровГ-образный LC-фильтр (а), Г-образный RС-фильтр (б), П-образный LС-фильтр (в),П-образный RС-фильтр (г)В общем случае сглаживающий фильтр, содержащий дроссель иконденсатор,представляетсобойколебательныйконтур.Возлесвоихсобственных резонансных частот этот контур может иметь отрицательныйкоэффициент затухания, то есть может привести к усилению помех. Режимрезонансаможетвозникнутьвконтуре,образованномреактивнымикомпонентами нагрузки вместе с реактивными компонентами фильтра.

Дляустранения этого эффекта собственные резонансные частоты смещают в71Электропитание РЭАГлава 5сторону от резонансных колебаний (например, с помощью многоступенчатыхфильтров) либо ослабляют резонансные колебания. При наличии в схемереактивных компонентов наряду с результирующими частотами имеют местоиндивидуальные собственные частоты отдельных компонентов, вызванные ихпаразитными параметрами.Дросселисглаживающихфильтровявляютсяиндуктивнымикомпонентами при частотах ниже их собственной частоты, выше которой онишунтируются паразитной межвитковой ёмкостью.

Для повышения собственнойчастоты ёмкость обмотки дросселя должны быть как можно меньшей. МонтажLC-фильтров поэтому стараются делать короткими проводами.Кромепассивныхфильтровприменяютактивные(электронные)сглаживающие фильтры на транзисторах. Эти фильтры имеют ме́ ньшиегабариты и массу, бо́ льший коэффициент сглаживания.Принцип действия транзисторных фильтров основан на использованииособенностей выходной характеристики транзистора. При выборе рабочейточки транзистора после перегиба выходной характеристики сопротивлениеперехода эмиттер-коллектор постоянному току ( RКЭ 0 UК0) на 2-3 порядкаIК0меньше сопротивления перехода переменному току ( rК 1 U К), то естьh22 I КRКЭ 0  rК . Другими словами, его достоинства аналогичны достоинстваминдуктивного фильтра – и его включают в схему сглаживающего Г-образногофильтра или П-образного фильтра вместо дросселя (такие фильтры такженазывают "электронными дросселями" или "умножителями ёмкости").

Но дляэтого нужно поддерживать постоянным ток базы, то есть исключить егопульсации.По способу подключения нагрузки транзисторные фильтры подразделяютна последовательные и параллельные. Схемы простейших активных Г-72Электропитание РЭАГлава 5образных фильтров с последовательным соединением нагрузки в цепи эмиттераи коллектора приведены на рисунке 5.39.а)б)Рисунок 5.39 – Активные Г-образные фильтры с нагрузкой в цепи эмиттера (а)и коллектора (б)Для хорошей фильтрации в схеме на рисунке 5.39а должно выполнятьсяусловие:R 1mC(5.114)Тогда переменная составляющая входного напряжения выделится нарезисторе R.

Это эмиттерный повторитель, выходное сопротивление которогоочень мало, поэтому такой фильтр почти не чувствителен к изменениюсопротивления нагрузки. Так как напряжение Uбэ мало, то выходноенапряжение также будет незначительно отличаться от напряжения на базе.Также резистор R определяет напряжение смещения, то есть задаёт положениерабочей точки.Пульсации на выходе в этой схеме зависят от сглаживающего действияцепи RC, и если при одной такой цепи пульсации всё-таки велики, для ихснижения последовательно включают несколько RC-звеньев.Вывод формулы для коэффициента сглаживания S такого фильтрапроизводится путём анализа эквивалентной схемы транзистора, что даёт:73Электропитание РЭАГлава 5SU вх~1.2222U вых~2XC rБ   X C   X C r   r   R   R r К  К   НН К(5.115)Полагая, что rК  rБ , rК  X C и rК  RН , получимS  2 f c mСRН(5.116)Постоянная времени цепи разряда RН-С2 на рисунке 5.37б (  RН С 2 )значительно больше периода пульсации выпрямленного напряжения, и рабочаяточка транзистора при изменениях входного напряжения будет перемещатьсяпо пологому участку коллекторной характеристики.

На этом участкеколлекторный ток изменяется незначительно и пульсации напряжения нанагрузке меньше, чем на входе фильтра. В данной схеме смещение на базетранзистора обеспечивается фиксированным током базы от постояннойсоставляющей выпрямленного напряжения.Схема с нагрузкой в цепи коллектора способная работать только в узкомдиапазоне колебаний внешней температуры, так как резистор R1 обеспечиваеттермостабилизацию схемы в небольших пределах. Эту схему применяют приRН  const , поскольку выходное напряжение зависит от сопротивлениянагрузки. Такие фильтры предпочтительны при малых значениях RН, то естькогда RН  Rвых фильтра.Схема пригодного для практических целей транзисторного фильтраприведена на рисунке 5.40. В данной схеме стабилитрон защищает затворлогического MOSFET транзистора (с низким пороговым напряжением Uзи) отпробоя.

Логический низковольтный MOSFET транзистор использован дляминимизации потери напряжения на выходе фильтра.Для ещё бо́ льшего увеличения коэффициента сглаживания в активныхфильтрах применяют составные транзисторы. Также активные фильтры могутбыть выполнены на базе микросхем операционных усилителей. Коэффициентсглаживания активных фильтров может достигать нескольких тысяч.74Электропитание РЭАГлава 5Рисунок 5.40 – Активный фильтр с нагрузкой в цепи истока логическогоMOSFETВ связи с тем, что часть выпрямленного напряжения падает напоследовательнотранзисторвключенномпотребляеттранзисторе,постоянночастьапараллельновыпрямленноговключенныйтока,КПДтранзисторных фильтров составляет порядка 40-60% – это ниже чем упассивных фильтров.Отметим, что повышение частоты питающей сети (1000 Гц и выше)делаетиспользованиетранзисторныхфильтровнецелесообразнымпосравнению с пассивными фильтрами.5.3.8 Бестрансформаторные схемы выпрямления напряженияВ общем случае бестрансформаторные выпрямители не содержат насвоёмвходетрансформатора.Такиевыпрямителиприменяюткаквстабилизирующих (линейных и импульсных), так и в нестабилизирующихИЭП.ВслучаеимпульсныхИЭПбестрансформаторныевыпрямителиустанавливают, как правило, на входе источника – это так называемый AC-DCпреобразователь.

В нём происходит выпрямление напряжения переменноготока сети без понижения его амплитуды.ВслучаевыпрямителейлинейныхобусловленоИЭПлибоприменениебестрансформаторныхнеобходимостьюнепосредственноговыпрямления напряжения переменного сетевого тока (например, для получения75Электропитание РЭАГлава 5310 В постоянного тока из напряжения сети 220 В 50/400 Гц), либовозможностьюсниженияамплитудысетевогонапряжениязасчётконденсатора, включенного последовательно между выпрямителем и сетью.Рассмотрим последний случай более подробно.Бестрансформаторныевыпрямителис"гасящим"конденсаторомявляются простейшими неавтономными ИЭП. Их применяют обычно дляэлектропитания малогабаритной портативной аппаратуры с токами до 1530 мА.Ограниченноеприменениебестрансформаторныхвыпрямителейс"гасящим" конденсатором объясняется, в первую очередь, требованиямитехники безопасности, так как оба полюса выпрямленного напряжениягальванически связаны с сетью.

Второй недостаток таких выпрямителей –отсутствие гибкости при выборе выпрямленного напряжения.ДляРЭА можноиспользоватьвкачествебестрансформаторныхвыпрямители: однополупериодный, мостовой, удвоения напряжения. Основныехарактеристики такие же, как и в случае с трансформаторным электропитанием.Сетевое напряжение подключают к точкам подключения вторичных обмотоктрансформаторов (вместо трансформатора).В таких схемах конденсатор выполняет роль "безваттного" реактивногосопротивления, образующего с активным сопротивлением нагрузки делительнапряжения.Рассмотримработупростейшегонестабилизирующегобестрансформаторного ИЭП с чисто резистивной нагрузкой (рисунок 5.41).Рисунок 5.41 – Бестрансформаторный ИЭП с "гасящим" конденсатором76Электропитание РЭАГлава 5Полное сопротивление последовательно включенных конденсатора С ирезистора RН равно:Z  RН2  X C2 .где X C (5.117)1– ёмкостное сопротивление конденсатора С на частоте fс, а C –2 fсCего ёмкость.

Поэтому эффективный переменный ток в цепи составитI эфф U вх.Z(5.118)где Uвх – напряжение сети.Тогда можно записать:2I эфф  2 f сС U вх2  U вых.(5.119)В качестве примера проведём расчёт "гасящего" конденсатора длявключения в сеть 220 В 50 Гц паяльника на 127 В мощностью 40 Вт. В этомслучаеI эфф необходимоеэффективноеP40 0,315 А .U вых 127найдём как С значениеРасчётнуюI эфф22 f с U вх2  U выхёмкостьтоканагрузки"гасящего"0,3152  3,14  50   2202  127 2 составитконденсатора 5,6 мкФ .Рассмотрим далее стабилизирующий ИЭП, в котором "гасящий"конденсатор включен в сеть последовательно с диодным мостом, а нагрузка,зашунтированная другим конденсатором и стабилитроном, питается отвыходной диагонали диодного моста (рисунок 5.42). Такой ИЭП находитприменение в ряде РЭА вот уже несколько десятилетий.В этом случае цепь становится резко нелинейной и форма тока,протекающего через мост и "гасящий" конденсатор, будет отличаться отсинусоидальной.

Временны́ е диаграммы работы такого ИЭП приведены нарисунке 5.43.77Электропитание РЭАГлава 5Рисунок 5.42 – Бестрансформаторный ИЭП с "гасящим" конденсатором имостовым выпрямителемПусть в начальный момент времени напряжение сети максимально.Конденсатор С1 заряжен до амплитудного напряжения сети за вычетомнапряжения на диодном мосте. Ток через конденсатор С1 и закрытый мостравен нулю.