На рисунке 1 представлена схема наиболее простого транзисторного фильтра.
Рис. 4 - Простейший транзисторный фильтр
На коллектор транзистора VT поступает напряжение с выпрямителя с большой амплитудой пульсаций. Цепь базы питается через интегрирующую цепь RC. Эта цепочка сглаживает пульсации на базе транзистора. В принципе, эту цепь можно представить, как RC-фильтр. Чем больше постоянная времени τ = RC, тем меньше пульсации напряжения на базе транзистора. Ну а поскольку транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, то ны выходе напряжение будет повторять напряжение на базе, т. е. пульсации будут столь же малыми, как и на базе. Емкость кондера С может быть в несколько раз меньше (примерно в h21э раз), чем в LC-фильтре, поскольку базовый ток намного меньше выходного тока фильтра, т. е. коллекторного тока транзистора. Основное достоинство схемы - простота. А вот недостатков... Во-первых, противоречивые требования к сопротивлению резика R - для уменьшения пульсаций следует увеличивать сопротивление, для повышения КПД - уменьшать. Во-вторых, сильная зависимость параметров от температуры, тока нагрузки, коэффициента передачи тока базы транзистора (h21э). Обычно резик подбирают эксперементально.
Несколько иная схема, приведенная на рисунке 5. В такой схеме цепь базы транзистора запитывается от отдельного источника с напряжением, больше входного. Схема обладает меньшими пульсациями.
Рис. 5 - Еще одна схема транзисторного СФ
Поскольку база питается от отдельного источника, сопротивление резика можно увеличить и, следовательно, уменьшить пульсации выходного напряжения. Мощность, выделяемая на резике R мала, так как ток базы мал. Тем не менее, этой схеме присущи те же недостатки, что и предыдущей. Кроме того, в таком фильтре транзистор может войти в насыщение и все пульсации со входа фильтра без ограничений будут передаваться на выход. В этот режим транзистор войдет, когда напряжение на базе превысит напряжение на коллекторе.
Ниже приведена схеме транзисторного СФ, лишенная вышеуказанных недостатков.
Рис. 6 - Фильтр с делителем напряжения
Ток через делитель R1R2 выбирается большим в 5-10 раз, по сравнению с током, ответвляющимся в базу. Поэтому выходное напряжение фильтра определяется распределением входного напряжения на делителе. Недостатки фильтра - меньший КПД по сравнению с предыдущими схемами. К тому же, необходимо увеличивать емкость кондера С1 для получения приемлимых пульсаций.
В завершении практическая схема транзисторного сглаживающего фильтра, по КПД и пульсациям близкого к LC-фильтрам, но превосходящего их по массогабаритным показателям. Схема приведена на рисунке 7.
Рис. 7 - Транзисторный сглаживающий фильтр
На коллектор транзистора VT1 поступает входное напряжение с большими пульсациями, на базу через резик R1 напряжение от отдельного источника, по значению больше входного. Кондер С1 заряжается до тех пор, пока напряжение на нем не станет больше входного на величину прямого напряжения на диоде VD1, т. е. Uпр.VD1.Кондер С1 начинает разряжаться через отпертый диод VD1, транзистор VT1 и нагрузку. Разряжаться кондер будет, пока входое напряжение вновь не станет увеличиваться. Диоды VD2, VD3 смещают уровень постоянной составляющей. Кроме того, диод VD2 выполняет функции ключа в пиковом детекторе VD2C2. Поскольку ток базы довольно мал и кондер разряжается только через цепь базы, то пульсации на нем будут меньше, чем на С1. Значит и на выходе пульсации будут незначительны. В качестве транзистора используется КТ827А. Можно заменить его на составной из КТ815 и КТ819. При входном напряжении 14-15 В с уровнем пульсаций 2,5-3 В и напряжении на базе 18-20 В при токе нагрузки 2 А выходное напряжение 12,5 В с уровнем пульсаций 40 мВ.
Умножителем напряжения называют устройство, на выходе которого можно получить напряжение, в любое число раз превышающее напряжение на его входе. Другими словами, умножитель - это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное, превышающее амплитуду входного переменного напряжения. К числу достоинств можно отнести небольшие габариты и массу, стабильность работы. К недостаткам же относятся низкий ток нагрузки, небольшой КПД и, как следствие, небольшая мощность. Умножители напряжения чаще применяют в устройствах, где не требуется значительный ток в нагрузке, но важно высокое напряжение. Например, в телике (телевизор) стоит умножитель напряжения. В основном на его выходе образуется напряжение в 25 кВ для питания ускоряющего электрода кинескопа.
Как всегда, начнем с простого - удвоитель напряжения показан на рисунке 1.
nota bene: входное напряжение любого умножителя должно быть переменным!
Рис. 1 - Несимметричный удвоитель напряжения
В отрицательный полупериод входного напряжения кондер С1 заряжается до амплитудного значения входного напряжения - Um. Во время положительного полупериода начинает заряжаться С2 до значения UC2 = Um + UC1 = 2Um, т. е. на выходе получается удвоенное значение амплитуды входного напряжения. Все очень просто.
Нетрудно заметить, что если прилепить ешчё диод с кондером, то получится утроитель напряжения:
Рис. 2 - Утроитель напряжения
В положительный полупериод С1 заряжается через VD1 до значения Um. В следующий полупериод С2 заряжается через VD2 до значения, равного сумме напряжений на кондере С1 и Um, т. е. UC2 = UC1 + Um = 2Um. В следующий (третий) положительный полупериод, когда прошла повторная зарядка С1 через диод VD1, диод VD2 закрывается, кондер С2 разряжается через диод VD3 на С3, зарядив последний до 2Um, т. е. до удвоенного амплитудного значения. По окончанию заряда С1 нагрузка окажется под суммарным напряжением кондеров С1 и С3. Поскольку на кондере С3 удвоенное значение напряжения, на нагрузке выделяется напряжение Uвых = UC1 + UC3 = 3Um. Добавляя диод с кондером получаем напряжение, в любое число раз больше входного, что и требовалось доказать.
Ахтунг: до амплитудного значения напряжения заряжается только первый кондер. На каждом последующем напряжение больше на величину входного. Другими словами, необходимо обеспечить защиту схемы от электрического пробоя, т. е. использовать диоды и кондеры на соответствующее напряжение.
Стабилизатором наряжения (СТН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения - это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов.
Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей - стабилитрона. Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.
Рис. 1 - Параметрический стабилизатор напряжения
В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначительно. Входное напряжение через ограничительный резик Rбал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение Uвх передается на Rн, что приводит к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резике.
Часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника гуляет (т. е. нестабильно), а сопротивление нагрузки постоянно. Для нормального режима стабилизации сопротивление резика Rогр должно иметь определенное значение. Если напряжение Uвх гуляет от Umin до Umax, то для расчета Rогр можно воспользоваться формулой:
Rогр = (Uвх.ср - Uст)/(Iср + Iн),
где Uвх.ср = 0.5(Uвх.min + Uвх.max) - среднее значение напряжения источника, Iср. = 0.5(Imin + Imax) - средний ток стабилитрона, Iн = Uн/Rн - ток нагрузки. При изменении входного напряжения в ту или иную сторону будет изменяться ток стабилитрона, на напряжение на нем, следовательно и на нагрузке будет оставаться постоянным.
Коли все изменения напряжения источника гасятся в Rогр, то наибольшее изменение напряжения (Uвх. max - Uвх.min = ΔUвх) должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация (Imax - Imin = ΔIст). Отсюда следует, что стабилизация будет осуществлятся только при соблюдении условия:
ΔUвх ≦ ΔIстRогр
Бывает режим стабилизации, когда входное напряжение постоянно, а сопротивление нагрузки изменяется, т. е. гуляет от Rн.min до Rн.max. Для такого режима Rогр определяется по формуле:
Rогр = (Uвх - Uст)/(Iср + Iн.ср),
где Iн.ср = 0.5(Iн.min + Iн.max), причем Iн.min = Uст/Rн.max, а Iн.max = Uст/Rн.min.
Иногда необходимо получить такое напряжение, на которое стабилитрон не расчитан. В этом случае применяют последовательное соединение стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет соответствовать сумме напряжений стабилизаций последовательно включенных стабилитронов.
Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов. Говоря проще, берут несколько вышерассмотренных схем и включают одну за другой. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больше, чем следующего. Такие схемы применяют для увеличения коэффициента стабилизации. Бывает еще и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоритически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности (хотя в это верится с трудом).
К сожалению большой мощи с вышерассмотренной схемы не снять. Поэтому придумали ниже приведенную схемку, которая проста до безобразия.
Рис. 2 - Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности
Как видим, ничего сложного. Просто нагрузку воткнули через транзистор, включенный по схеме ОК, выполняющего роль усилителя мощности.
Ахтунг: Как-то один препод втулял на полном серьезе, что схема на рисунке 2 - компенсационный стабилизатор напряжения. Тогда меня чуть не вывернуло. Не ведитесь на такую фигню. Про КСН чуть ниже. Там и будет понятно отличие ПСН от КСН.
Такая схема при малых и средних токах нагрузки работает как стабилизатор, а при больших токах нагрузки - как транзисторный фильтр (если параллельно стабилитрону влепить кондер). Если параллельно стабилитрону влепить переменный (подстроечный) резик, то выходное напряжение становиться регулируемым. Можно также влепить параллельно нагрузке кондер. Кондеров вообще можно повтыкать несколько штук, не повредит. Для уменьшения высокочастотной (ВЧ) составляющей выходного напряжения параллельно нагрузке втыкают кондер емкостью 0,01...1 мкФ. Это касается любых источников питания. В умных книжках пишут, что кондер должен быть керамический, хотя и бумажные, слюдяные, пленочные и прочие работают ничтяково.
Тип транзистора в схеме на рисунке 2 выбирается из учета мощности нагрузки. Например, для питания усилка (особенно большой мощности), когда ток нагрузки велик, втыкают составной транзистор. Составной транзистор - это когда берут два (или больше) транзистора и коллектор или эмиттер одного подключают к базе другого, а оставшийся вывод первого транзистора соединяют с оставшимся выводом следующего. На рисунке ниже это намного понятнее:
Это составной транзистор И это составной транзистор
Теперь ясно? Вся фишка в том, что у составного транзистора коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи каждого транзистора. То есть берем два говяненьких транзистора с коэффициентом усиления, скажем, 100, делаем составной и получаем транзистор с коэффициентом передачи 10 000. Суть ясна?
Итак, для больших токов используют составные транзисторы, ну а для питания парочки микросхем подойдет транзистор средней и малой мощности. Даже 315-е работают вполне удовлетворительно.
Бывает ешчё куча всяких схем ПСН, но наиболее употребительные две вышерассмотренные. Ну понятно, наверное, чтобы получить напряжение обратной полярности, просто переворачиваем стабилитрон вверх ногами (на рис. 1), а транзистор втыкаем другого типа проводимости (рис. 2; был n-p-n, ставим p-n-p). Полярность кондеров тоже необходимо поменять.
