Транзисторні згладжують фільтри

В даний час в радіоелектронній апаратурі широко застосовують транзистори і мікросхеми, відкривають великі можливості для її мініатюризації. Однак комплексна мініатюризація неможлива без суттєвого зниження габаритів і маси вторинних джерел живлення і, зокрема, що згладжують фільтрів.
Зменшити масогабаритні показники згладжують фільтрів можна, використовуючи замість громіздких фільтруючих дроселів і конденсаторів транзисторні фільтри. Переваги транзисторних згладжуючих фільтрів у порівнянні з їх LC-прототипами проявляються особливо при роботі в умовах зниженої температури навколишнього середовища, коли ємність фільтруючих конденсаторів зменшується, а також при частоті живильної мережі 50 Гц.
Однак, маючи виграш перед LC-фільтрами за вказаними показниками (в 2 … 9 разів), транзисторні згладжують фільтри поступаються їм в коефіцієнті корисної дії (ККД). Якщо на дроселі індуктивно-ємнісного фільтра падає напруга 1 … 2 В, то в транзисторному фільтрі на регулюючому транзисторі – до 3 … 5 В.
Розглянемо кілька відомих варіантів транзисторних згладжуючих фільтрів.


Рис.1

На рис. 1 представлена схема найбільш простого транзисторного фільтра. Принцип його роботи полягає в наступному. На колектор транзистора VT1 надходить напруга з великою амплітудою пульсації, а ланцюг бази харчується через інтегруючу ланцюг R1C1, яка згладжує пульсації напруги на базі. Опір резистора R1 вибирають з умови достатності струму бази для забезпечення заданого струму в навантаженні. Чим більше постійна часу T = R1C1, тим менше пульсації напруги на базі. Оскільки пристрій являє собою емітерний повторювач, то на виході фільтра пульсації будуть настільки ж малими, як і на базі. Ємність конденсатора С1 може бути в кілька разів менше, ніж у конденсатора в LC-фільтрі, оскільки базовий струм набагато менше вихідного струму фільтра (колекторного струму транзистора) – Приблизно в h21е разів.


Рис. 2

Перевага цього фільтра – в простоті. До недоліків слід віднести, по-перше, суперечливі вимоги до значення опору резистора R1 (для зменшення пульсації на виході фільтра варто збільшувати опір, а для підвищення ККД фільтра-зменшувати), по-друге, сильна залежність параметрів фільтру від температури, часу, значення струму навантаження, статичного коефіцієнта передачі струму бази транзистора. У таких фільтрах зазвичай резистор R1 підбирають дослідним шляхом.

На рис. 2 представлена схема фільтра, у якого пульсації вихідної напруги менше, так як він дозволяє збільшити опір резистора R1. Така можливість обумовлена тим, що ланцюг бази тут живиться від окремого джерела живлення з напругою Uб, більшим, ніж у основного джерела (Uвх). Потужність, що виділяється на резисторі R1, незначна, оскільки струм бази малий.
Однак, поряд з позитивним ефектом зменшення пульсації, цьому фільтру притаманні ті ж недоліки, що і виконаному за схемою на рис.1. Крім того, в цьому фільтрі транзистор може увійти в режим насичення і тоді пульсації з входу будуть без якого б то не було обмеження передані на вихід фільтра. Насичення транзистора настане тоді, коли з яких-небудь причин напруга на базі перевищить напруга на колекторі.

На рис. 3 представлена схема фільтра, що дозволяє уникнути залежності вихідних параметрів від температури, часу, навантаження і коефіцієнта h21е транзистора. Струм через дільник R1R2 вибирають у 5 … 10 разів більшим, ніж струм, відгалужується в базу. Тому вихідна напруга фільтра буде визначатися розподілом вхідної напруги на дільнику.


Рис. 3

Недоліки фільтра: менший ККД у порівнянні з зібраними за схемами на рис.1 і 2, необхідність збільшення ємності конденсатора С1 для отримання того ж рівня пульсації на виході, що і у попередніх фільтрів. Для поліпшення його фільтруючих властивостей застосовують N-ланці RC-фільтри в ланцюзі бази транзистора.

На рис.4 показана схема пристрою з двузвенним RC-фільтром. Тут сума значень опору резисторів R1 і R2 дорівнює опору резистора R1 у попередньому пристрої, а опір резистора R3 дорівнює опору резистора R2 у фільтрі по рис.3.


Рис. 4

Недолік цього пристрою – порівняно невисокий ККД.
З розглянутих фільтрів практичне застосування одержали пристрої, виконані за схемами на рис.3 і 4.
З урахуванням цікавих якостей, закладених у фільтрі за схемою на рис.2, була проведена робота щодо вдосконалення цього пристрою. Її результатом стали два варіанти фільтра, по ККД та рівню пульсації близького до LC-фільтрам, а по масогабаритні показниками значно перевершує їх.


Рис. 5


Рис. 6

Схема одного з цих фільтрів показана на рис.5, а на рис.6 – дещо спрощені графіки, що ілюструють його роботу. На колектор транзистора VT2 надходить від випрямляча постійна напруга Uвх з великою амплітудою пульсації. На резистор R1 поступає напруга Uб з додаткового джерела (на рис.6 воно показано не містить пульсації для полегшення розуміння роботи фільтра; реально воно може мати пульсації). Завжди слід вибирати Uб> Uвх, що дозволить збільшити опір резистора R1, а значить, зменшити ємність конденсатора С1.
Конденсатор С1 буде заряджатися від джерела Uб через резистор R1. Поки напруга на конденсаторі менше вхідного (тобто напруги на базі транзистора VT1), транзистор закритий. Як тільки напруга на конденсаторі перевищить вхідний на величину UебVT1 транзистор VT1 відкриється і конденсатор С1 почне розряджатися (момент t1 на рис.6). Розрядка продовжується до тих пір, поки вхідна напруга не почне збільшуватися. У момент t2 транзистор VT1 закриється і конденсатор С1 знову почне заряджатися. Далі цей процес буде періодично повторюватися.


Рис. 7

Розмах пульсації на конденсаторі визначається постійною часу T = R1C1. Номінал резистора вибирають, виходячи з тих же міркувань, що і в розглянутих раніше фільтрах за схемою на рис.1 і 2. Необхідну ємність конденсатора розраховують з умови, що постійна часу T більше в 10 … 20 разів періоду коливань вхідної напруги Uвх. Взагалі ж, чим більше ємність конденсатора, тим менше розмах пульсації.
Напруга з конденсатора С1 надходить на базу транзистора VT2 через діоди VD1, VD2. Так як транзистор VT2 включений за схемою емітерного повторювача, то вихідна напруга фільтра по формі буде повторювати напруга на конденсаторі С1, тобто пульсації на виході фільтра будуть набагато менше вхідних.
Вихідна напруга жорстко пов'язано з мінімальним значенням вхідного напруги і не залежить від температури, часу, опору навантаження і статичного коефіцієнта передачі струму основного транзистора фільтра. Мінімальна напруга між колектором і емітером транзистора VT2 визначається числом діодів, включених між конденсатором і базою цього транзистора і службовців для зміщення рівня постійної складової вихідної напруги.
На рис.7 зображено схема другого варіанту фільтра. Умови працездатності для нього ті ж, що і для першого (див. рис.5). Зарядка конденсатора С1 продовжується до тих пір, поки напруга на ньому не перевищить вхідний на величину UпрVD1 (момент t1 на рис.8). З цього моменту конденсатор С1 розряджається через відкрився діод VD1, транзистор VT1 і навантаження, а також через джерело напруги Uвх. Розрядка буде тривати до тих пір, коли вхідна напруга Uвх почне знову зростати (момент t2). Цей процес буде повторюватися періодично.
Діоди VD2, VD3 служать для зміщення рівня постійної складової, як і в попередньому фільтрі. Крім цього, діод VD2 виконує функцію ключа в піковому детекторі VD2C2. Так як струм бази досить малий і конденсатор С2 розряджається тільки через ланцюг бази, то пульсації на ньому будуть менше, ніж на конденсаторі С1. Отже, на виході фільтра пульсації будуть незначні.


Рис. 8

Наявність конденсатора С2 і діода VD2 змінює характер кривої зарядки конденсатора С1 (рис.8). Поки напруга на конденсаторі С1 менше, ніж на С2, і діод VD2 закритий, нахил кривої Uс1 визначається постійної часу зарядки T1 = R1C1. Коли ж напруга UC1 перевищить напругу Uc2 настільки, що відкриється діод VD2 (момент t3), то конденсатори виявляться включеними паралельно. Швидкість їх зарядки зменшиться і буде визначатися постійної часу зарядки T2 = R1 (C1 + C2). Після того, як напруга на конденсаторі С1 досягне свого максимального значення і почне зменшуватися, діод VD2 закривається і конденсатор С2 повільно розряджається через ланцюг бази транзистора VT1.
Параметри цього фільтра так само, як і попереднього (див. рис.5), практично не залежать від дестабілізуючих факторів.
Згладжує фільтр, зібраний за схемою на рис.7, при мінімальному значенні вхідної напруги Uвх min = 14 В з розмахом пульсації dUвх = 2,5 В і Uб = 18 В забез