Транзисторные сглаживающие фильтры

Транзисторные сглаживающие фильтры могут быть построены по примеру LC-фильтров так, что транзистор заменяет дроссель или конденсатор фильтра. Практически транзисторные сглажи­вающие фильтры целесообразно применять лишь с последователь­ным включением транзистора, заменяя при этом дроссель. В та­ком случае транзисторный сглаживающий фильтр может быть рассчитан на большие токи нагрузки и сравнительно низкие на­пряжения.

Рисунок 4.5 - Схема П-образного транзисторного сглаживающего фильтра (а), выходные характеристики транзистора (б) и эквивалентная схема фильтра (в)

На рисунке 4.5 показана схема П-образного сглаживающего ф-ильтра, в котором действие транзистора эквивалентно действию дросселя. Подобно дросселю транзистор обладает сравнительно большим сопротивлением переменному току и небольшим сопротивлением постоянному току. Эти сопротивления определяются в виде: R _П = R _K = Δ U _КЭ/Δ I _K и R ₀ = U _КЭ/ I _K, где I_K, U_КЭ и соответствующие приращения этих величин показаны на рисунке 4.5 а, б.

В простейших схемах транзисторных фильтров для поддержа­ния постоянства тока I_э используется цепочка R₁C₂ (рисунок 4.5 а) с большой постоянной времени τ. В результате ток I _Э = U _C2/ R ₁ за время одного периода пульсации практически не меняется и в схеме создается необходимое напряжение между эмиттером и базой транзистора. При отсутствии R₁C₂ цепочки пришлось бы включать отдельную батарею. Таким образом, цепочки R₁C₂ играют в схеме фильтра вспомогательную роль, С_ф1 — является емкостным филь­тром, а действие Г-образной части схемы рисунка 4.5, а сводится к тому, что часть переменной составляющей входного напряжения на фильтре усиливается транзистором (усиливается лишь та часть напряжения, которая непосредственно приложена ко входу тран­зистора), причем усиленное напряжение сдвинуто по фазе отно­сительно входного напряжения на 180°. В результате этого осу­ ществляется частичная компенсация переменной составляющей и пульсация напряжения на нагрузке уменьшается.

Коэффициент сглаживания П-образного фильтра (т. е. включая конденсаторы С_Ф1 и С_Ф2) по схеме рисунка 4.5, а можно определить в виде

,

Так как транзистор действует в ка­честве дросселя фильтра, то эквивалентная индуктивность в схеме равна Lэкв = R_K/[2π·m·f_c].

Описанные сглаживающие фильтры, подобные фильтрам по схеме рисунка 4.5а, обладают существенными недостатками, заключающимися в том, что с изменением тока нагрузки или температуры окружающей среды, а также при смене транзисторов, меняется напряжение на нагрузке. Эти факторы значительно слабее ска­зываются на режиме работы стабилизаторов с автоматическим смещением.

Рисунок 4.6 - Схемы Г-образных транзисторных сглаживающих фильтров: а — с выходной емкостью С_ф2, б — без внешней выходной емкости

Примером простейшей схемы транзисторного сглаживающего фильтра с автоматическим смещением служит схема, показанная на рисунке 4.6, а. Здесь показана Г-образная часть фильтра, причем транзистор действует как дроссель.

Получаемые при этом коэффициенты сглаживания подобных филь­тров намного меньше, чем фильтров с фиксированным смещением. Этим можно объяснить, что фильтры по схеме рисунка 4.6, а применяются редко.

На рисунке 4.6 б показана схема транзисторного сглаживающего фильтра, у которого нагрузка включена в цепь эмиттера, т. е. схе­ма в целом представляет эмиттерный повторитель. В этой схеме отсутствует конденсатор С_ф2.

В транзисторных сглаживающих фильтрах целесообразно при­менять составные транзисторы вследствие того, что коэффициенты усиления таких транзисторов резко увеличиваются по сравнению с одиночными транзисторами

Рисунок 4.7 - Схемы сглаживающих фильтров с составными транзисторами

Применение многозвенных транзисторных фильтров практиче­ски отпадает по ряду причин, в том числе и вследствие резкого уменьшения кпд., усложнения схем, снижения надежности дейст­вия и т. п.

Преобразователи частоты

При конструировании устройств электропитания для аппарату­ры автоматики и связи возникает необходимость преобразования тока одной частоты в ток другой частоты, с высокими энергети­ческими показателями.

Для питания рельсовых цепей, на участках электрифицирован­ных железных дорог с электротягой переменного тока промышлен­ной частоты (50 Гц), а также с электротягой постоянного тока, используют параметрические преобразователи частоты. Принцип параметрического преобразования частоты основан на том, что принудительное изменение какого-либо параметра колебательного контура (L.или С) вызывает в нем колебания с частотой, в опреде­ленное число раз отличающейся от той, с которой изменяется параметр. Если потери в контуре будут компенсироваться за счет внешнего источника энергии, то эти колебания будут незатухающи­ми. Схема контура (рисунок 6.9,а) состоит из дросселя L, конденсатора С, резистора Rи источника тока Е. Если емкость конденсатора С периодически изменять по косинусоидальному закону, то ток в контуре будет изменяться по синусоидальному закону частотой, в 2 раза меньшей. Проще изменять индуктивность дросселя, изменяя подмагничивание его сердечника.

Преобразователи частоты (рисунок 6.10, а) выполнены на двух П-образных сердечниках. На крайних стержнях размещены обмотки подмагничивания Ф_п1 и Ф_п2, которые соединены так, чтобы созда­ваемые в средних стержнях потоки Ф_п1 и Ф_п2 были направлены встречно. На средних стержнях сердечников размещена контурная обмотка w_K, индуктивность которой совместно с емкостью конден­сатора С образует колебательный контур с резонансной частотой 25 Гц. Обмотки w_П1 и w_П2, подключены к сети переменного тока через диод VD, который обеспечивает однополупериодное выпрям­ление. Если бы обмотки обладали только активным сопротивлением, то кривая выпрямленного тока повторяла бы форму выпрям­ленного напряжения (рисунок 6.10,6). Наличие индуктивности искажает форму тока. Ток подмагничивания i_п проходит через обмотки в течение большего времени, чем длительность одного полупериода напряжения в сети. Ток подмагничивания i_П (рисунок 6.10,в) содержит только первую гармонику с амплитудой I _т и постоянную состав­ляющую I₀. Эта же кривая в соответствующем масштабе характе­ризует изменение магнитных потоков Ф_п1 и Ф_п2 и магнитной индукции В_п1, В_п2 в сердечниках. При увеличении магнитной индук­ции увеличивается степень насыщения сердечников и уменьшается их магнитная проницаемость μ (рисунок 6.10, г). Следовательно, индук­тивность контурной обмотки будет изменяться по тому же закону с частотой сети f_с = 1 /Т_с. Правую и левую половины преобразователя невозможно выполнить совершенно одинаковыми. Поэтому один из магнитных потоков Ф_п1 или Ф_п2 будет преобладать. В контурную обмотку из сети поступит энергия.

Рисунок 6.9 – Схема контура (а) и зависимости емкости конденсатора и тока в контуре от времени (б)

Рисунок 6.10 – Схема параметрического преобразователя частоты (а)

и зависимости напряжений и токов от времени (б-д)

Как только в обмотке w_K, начнет проходить ток, в сердечниках появятся потоки Ф_K1 и Ф_K2, которые будут направлены в одном стержне согласно с потоком подмагничивания, в другом - встречно. При этом симметрия состояния насыщения сердечников наруша­ется, и в контурную обмотку из сети начнут поступать импульсы энергии. Для того чтобы в контуре могли существовать неза­тухающие колебания, необходимо, чтобы энергия, запасаемая за счет индуктивности обмотки w_K и емкости конденсатора С_К, была бы равна энергии, расходуемой на питание G_R и на потери в элементах преобразователя G, т.е. L_K·I²/2 + C·U_C/2 = G_R + G.

При уменьшении индуктивности контурной обмотки L_K напряже­ние на конденсаторе С будет возрастать (рисунок 6.10,д). Период изменения напряжения в контуре Т_к в 2 раза больше, чем в сети переменного тока Т_с. Следовательно, частота тока в нагрузке будет в 2 раза ниже частоты в сети.

Отличительной особенностью преобразователей этого типа яв­ляются их хорошие стабилизирующие свойства. Они устойчиво работают при значительных изменениях напряжения на входе, сохраняя неизменным напряжение переменного тока с частотой 25 Гц на выходе. Они не нуждаются в защите от коротких замыка­ний или перегрузок. Если ток нагрузки преобразователя превышает значение, определяемое его расчетной мощностью, то преобразова­тель перестает работать, а ток, потребляемый им из сети, не превышает тока нормальной работы. После устранения перегрузки работа преобразователя автоматически восстанавливается.

При эксплуатации часто используют целую группу преобразова­телей частоты, питающих отдельные нагрузки. В этом случае за счет асимметричной нагрузки, создаваемой преобразователями (ис­пользуется только один полупериод тока частоты 50 Гц), возможно искажение формы напряжения питающей сети. Кроме того, если преобразователи питаются через общий разделительный трансфор­матор, то возможно увеличение потерь в этом трансформаторе за счет вынужденного намагничивания сердечника. Для предотвраще­ния этих явлений преобразователи разбивают на две группы и включают таким образом, чтобы использовались оба полупериода напряжения сети.