2. Активные сглаживающие фильтры

Описанные выше сглаживающие LC- и RC- фильтры обладают рядом преимуществ и недостатков. Основными недостатками LC-фильтров являются громоздкость и дороговизна дросселя фильтра, зависимость сглаживания от тока нагрузки, возникновение переходных процессов, создание дросселем электромагнитных полей помех, а также и то, что медленные изменения и колебания напряжения на входе фильтра беспрепятственно передаются в нагрузку. Не менее существенны и недостатки RC-фильтров: относительно малая сглаживающая способность, большое падение напряжения и др. От многих перечисленных недостатков свободны активные сглаживающие фильтры.

1. Транзисторные сглаживающие фильтры.

Простые схемы транзисторных сглаживающих фильтров можно подразделить на следующие типы схем:

• С последовательным включением нагрузки

- по схеме с общим коллектором и включением нагрузки в цепь коллектора (коллекторные фильтры),

- по схеме с общим эмиттером и включением нагрузки в цепь эмиттера (эмиттерные фильтры).

В свою очередь, эти схемы могут быть с фиксированным смещением, с автоматическим смещением.

• С последовательным включением нагрузки.

Транзистор обладает резко различными величинами сопротивления постоянному и переменному току. Как видно из характеристик транзистора, приведенных на рис.13. , сопротивления постоянному и переменному току будут: и , причем R_К>R₀ (при одном и том же значении напряжения U_К.Э ток I_К велик, а приращение этого тока мало).

рис.13. статические характеристики транзистора.

Таким образом, транзистор выгодно включать в схему фильтра взамен дросселя.

Простейшая схема коллекторного транзисторного сглаживающего фильтра с включением нагрузки в цепь коллектора приведена на рис.14. Такой фильтр имеет фиксированное базовое смещение. Для подавления усилительного действия в цепь база – эмиттер включается дополнительный RC фильтр, значительно уменьшающий переменную составляющую тока I_Э.

рис.14. схема транзисторного сглаживающего фильтра.

Действие транзисторного сглаживающего фильтра можно объяснить усилительными свойствами подобных схем при питании их от общей батареи. Как известно, ток коллектора плоскостного транзистора I_к почти не зависит от потенциала коллектора и в основном определяется током эмиттера I_Э, о чем можно судить по статическим характеристикам транзистора, идущим почти полого. При условии поддержания тока эмиттера I_э постоянным любое изменение напряжения на входе и выходе схемы транзистора приведет лишь к перемещению рабочей точки А по характеристике вправо или влево, почти не вызывая изменения тока I_К. Таким образом, если на входе транзисторного фильтра имеется пульсирующее напряжение, то хотя рабочая точка А и будет перемещаться по характеристике, напряжение на нагрузке U₀ =I_КR_Н останется почти неизменным. Поскольку характеристики транзистора идут не точно параллельно оси абсцисс (не строго полого), то на выходе транзисторного фильтра будет ощущаться пульсация напряжения на нагрузке, но значительно меньшая, чем на входе фильтра. Получаемая же пульсация на выходе транзисторной схемы будет дополнительно сглаживаться конденсатором С₂.

Из сказанного следует, что наилучшими транзисторами для сглаживающих фильтров являются те транзисторы, у которых α_i имеет максимальное значение, т.е. с наиболее пологими выходными характеристиками.

Для поддержания постоянства тока I_э в схеме рис.14 использована цепочка С₂ R₁ с большой постоянной времени. Как видно из рис.15, при учете того, что сопротивление p-n – перехода эмиттер-база невелико, ток эмиттера равен .

рис.15. транзистор в схеме фильтра.

Причем, благодаря большой постоянной времени С₂R₁, напряжение на конденсаторе С₂ за время одного периода пульсации не может измениться намного. Поэтому ток I_Э практически остается неизменным, обеспечивая указанное выше малое изменение тока I_К.

Сопротивление R₂ обычно служит для установки заданного режима работы транзистора по постоянному току и величина этого сопротивления выбирается в зависимости от тока нагрузки I_0.

рис.16. Эквивалентная схема фильтра.

Более строгое объяснение действия транзистора в схеме сглаживающего фильтра и расчет схемы можно выполнить на основании /5/ эквивалентной схемы (рис.16). Однако ввиду сложности выводов расчетных формул ниже приводятся приближенные расчетные соотношения, обеспечивающие достаточную точность определения параметров транзисторного фильтра /5/.

На основании упрощенных расчетных методов можно определить следующие основные параметры схемы фильтра.

Сопротивление фильтра постоянному току

(20)

где U_К.Э. – напряжение на участке коллектор-эмиттер выбирается в зависимости от типа транзистора; R₁ – выбирается в зависимости от тока нагрузки I₀ в пределах 40-100 ом. Падение напряжения на фильтре . Емкость конденсатора

с рабочим напряжением В.

Сопротивление , (21)

где α_i – статический коэффициент усиления транзистора по току; R_К – сопротивление коллекторного p-n – перехода; I_К0 – ток коллектора при I_э =0.

Коэффициент сглаживания фильтра

(22)

Индуктивность, эквивалентная действию транзистора в фильтре,

(23)

Пример эмиттерного фильтра с двухзвенным фильтром во входной цепи и составным транзистором приведен на рисунке 17. В этом случае транзистор работает в режиме эмиттерного повторителя, определяя тем самым эксплуатационные свойства всего фильтра.

Рис.17. Схема эмиттерного сглаживающего фильтра.

Транзисторные сглаживающие фильтры целесообразно применять при больших токах нагрузки и низком выпрямленном напряжении. Коэффициент сглаживания таких фильтров снижается с увеличением тока нагрузки.

Существенными недостатками транзисторных сглаживающих фильтров, даже построенных по сложным схемам, являются температурные зависимости режима работы транзисторов, необходимость сложной защиты транзисторов от перегрузки по току и напряжению.