Исследование активных сглаживающих фильтров

Цель работы

 

Экспериментально определить коэффициенты сглаживания и КПД различных схем активных фильтров с последовательным включением транзистора и нагрузки. Провести анализ переходных процессов на выходе фильтра при включении источника питания и работе на импульсную нагрузку.

 

Литература

1 Иванов–Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС: Учебник для вузов по специальности “Радиотехника”. – М.: Высш. шк., 1991. – 272 с., илл., ISBN.5–06–001896–2.

2 Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ А.А. Бокуняев, Б.М. Бушуев, А.С. Жерненко и др. Под ред. Ю.Д. Козляева. – М.: Радио и связь, 1998. – 328 с., ил.

3 Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ О.А. Доморацкий, А.С. Жерненко, А.Д. Кратиров и др. – М.: Радио и связь, 1981. – 320 с., ил.

Пояснения к работе

 

По сравнению с пассивными фильтрами, транзисторные (активные) сглаживающие фильтры имеют ряд преимуществ: выше качественные и удельные показатели; малая зависимость коэффициента сглаживания от изменения нагрузки;широкая полоса частот;малая вероятностьвозникновенияопасных режимов при переходных процессах; отсутствие

сильных магнитных полей; унификация. На транзисторах фильтра, работающем в активном режиме, рассеивается значительная мощность, поэтому КПД транзисторных сглаживающих фильтров меньше, чем пассивных фильтров.

Принцип действия активных фильтров основан на свойстве транзистора оказывать в определённых режимах работы 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 – ОК (рисунок 5.1).

 

Рисунок 5.1 – Схема активного фильтра ОК

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 5.2 приведены графики зависимости I_К = f (U_К) при I_б = const.

Рисунок 5.2 – График зависимости тока коллектора от напряжения на переходе коллектор – эмиттер при различных значениях тока базы.

 

Если провести на графике нагрузочную прямую через точки с координатами U_К = U_ВХ (при I_К = 0) и I_К = U_ВХ / R_Н (при U_К = 0) и выбрать на ней рабочую точку А { U_КP, I_КP }, то сопротивление транзистора переменной составляющей тока в точке А R_Д = D U_К / DI_К будет много больше его

сопротивления постоянному току R_С = U_КP / I_КP, т.е. R_Д >> R_С . Соответственно переменная составляющая выпрямленного напряжения U_ВХ.ПЕР. на входе фильтра вызывает небольшие изменения тока коллектора D I_К при условии, что ток базы I_б = const. Переменная составляющая напряжения на выходе фильтра ОК U_{ВЫХ.ПЕР.} = D I_К R_Н получается значительно ослабленной по сравнению с U_ВХ.ПЕР. 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 – ОБ (рисунок 5.3).

 

Режим работы транзистора по постоянному току определяется величиной Rб, а сглаживающее действие – постоянной времени цепочки R1C1. Эта цепь стабилизирует ток эмиттера, если R1C1 >> Tn, где Tn – период пульсаций. В этом режиме транзистор обладает большим дифференциальным сопротивлением и малым статическим, что эквивалентно дросселю в LC–фильтрах.

Модели активных фильтров

 

Модели активных фильтров в формате EWB приведены на рисунках 5.4 и 5.5.

Рисунок 5.4 – Активный фильтр ОК (файл SAF1фильтр)

 

Рисунок 5.5 – Активный фильтр ОБ (файл SAF2фильтр)

 

На этих схемах:

ключ К1 управляется клавишей «1»;

ключ К2 – клавишей «2»; ключ К3 – клавишей «3».

 

Нагрузочный реостат RH управляется клавишей «R» на 10 % при каждом нажатии (для движения в другую сторону используют комбинацию Shift+R).

Базовый резистор RB управляется клавишей «S» на 5 % при каждом нажатии.

Вольтметр U02 позволяет измерять постоянную составляющую выходного напряжения, вольтметр Um2 измеряет действующее значение напряжения пульсаций. Поэтому, при расчете коэффициента пульсаций необходимо учесть множитель . Переменную составляющую (амплитуду) можно измерять и посредством осциллографа (рисунок 5.6). Для этого установите удобную развертку: 2 mS/div; Y/T; Auto; 1…5 V/div (в канале A); 2…5 mV/div (в канале B) и начальное смещение уровня сигнала Yposition равное 0,00.

 

 

Рисунок 5.6 – Измерение уровня пульсации посредством осциллографа

 

Входы осциллографа должны быть закрыты (AC). Амплитудное значение входного напряжения Um1 соответствует 1 – ой визирной линии (показания в левом окне VA1), амплитудное значение напряжения на выходе – Um2 измеряется второй визирной линией (VB2).