Лабораторная работа № 5 Исследование активных сглаживающих фильтров

Другие лабораторные по этому курсу Вы можете найти по ссылке >>>>>

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.

Вариант 09

 

 

• 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.

• 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.
• 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.

5.3 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 вероятность возникновения опасных 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.

5.4 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).

 

5.5                Порядок выполнения лабораторной работы

 

В соответствии со своим вариантом (номером бригады) выпишите исходные данные из таблицы 5.1.

 

 

Таблица 5.1 – Исходные данные для исследования активного фильтра

 

Номер бригады	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
U1, В	1	1.5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5

 

5.5.1 Исследование активного фильтра по схеме ОК .

 

Ключ К1 – в правом положении (клавишей 1);

ключ К2 – в верхнем положении (клавишей 2);

ключ К3 – в правом положении (клавишей 3, замкнут);

реостат нагрузки RН– 50 % .

1   Откройте окно (рисунок 5.7) источника переменного тока () и установите уровень переменной составляющей U1.

 

 

Рисунок 5.7 – Окно источника переменного тока

 

2 Двойным щелчком по значку «осциллограф» включите его. Установите удобную развёртку: 0,02 S/div (в обоих каналах) и начальное смещение Yposition = 0,00. Включите выключатель в правом верхнем углу экрана. Путём изменения RB от 100 % до 20 % снимите зависимости U02, I0, Um2 от сопротивления    смещения  в  базовой цепи.  Измерение  уровня  пульсаций напряжения на выходе сглаживающего фильтра (Um2) проводится любым способом, изложенным выше. Выключите макет. Рассчитайте коэффициент сглаживания и КПД фильтра – h _Ф

.

Результаты занесите в таблицу 5.2.

 

Таблица 5.2 – Измерение зависимости U02, I0, Um2 от RB

 

RB, %	100	80	60	50	40	30	20
Um2,В	х	х	х	х	х	х	х
I0 , А	х	х	х	х	х	х	х
U02, В	х	х	х	х	х	х	х
SЭКСП	р	а	с	ч	ё	т	ы
	р	а	с	ч	ё	т	ы

Постройте в масштабе зависимости U02, I0, Um2 от сопротивления смещения в базовой цепи.

3 По полученным зависимостям выберите оптимальный режим работы фильтра (наибольшие значения S_ЭКСП, ) и установите соответственно RB. Сравните экспериментальное значение коэффициента сглаживания S_ЭКСП с теоретическим, полученным по выражению:

 

,

 

где

— частота пульсаций на

входе

– сопротивление нагрузки, приведённое ко входу эмиттерного повторителя ( для транзистора в схеме фильтра).

 

4 Включите макет. Снимите зависимости U02, I0, Um2 от тока нагрузки. Для этого с помощью клавиши R изменяйте сопротивление нагрузки и заполните таблицу 5.3.

 

Таблица 5.3 – Снятие зависимостей U02, I0, Um2 от тока нагрузки

RН (Ом)	100%	60	40	30	20	10
U02, В	х	х	х	х	х	х
I0 , А	х	х	х	х	х	х
Um2,В	х	х	х	х	х	х
KПвых	р	а	с	ч	ё	т
SЭКСП	р	а	с	ч	ё	т
	р	а	с	ч	ё	т

Выключите макет. Рассчитайте S_ЭКСП, и постройте в масштабе их зависимости от тока нагрузки.

 

Исследование влияния возмущения со стороны сети и нагрузки.

Воздействие со стороны сети:

ключ К1 переведите в левое положение;

ключ К2 – в нижнее положение;

ключ К3 замкнут;

реостат RH – 50 %;

входы осциллографа – открытые (опция DC).

 

Включите схему и, после заполнения экрана осциллографа, выключите ее, установите желаемую чувствительность обоих каналов (кнопки V/div в зависимости от уровней напряжений). Зарисуйте форму переходного процесса на выходе фильтра при RН = 50 % и 10 %.

 

Воздействие со стороны нагрузки:

ключ К1 в левом положении;

ключ К2 в верхнем положении;

ключ К3 переведите в левое положение (разомкнуть);

реостат RH – 50 %.

Включите макет и осциллограф.

Зарисуйте форму переходных процессов при RH = 50 %   и 10 %.

Выключите макет.

 

5.5.2 Исследование активного фильтра по схеме ОБ

 

Ключ К1 – в правом положении (клавишей 1);

ключ К2 – в верхнем положении (клавишей 2);

ключ К3 – в правом положении (клавишей 3, замкнут);

реостат нагрузки RН– 50 % (клавишей «R», для движения в другую сторону  Shift +R).

Повторите п. 1 и 2 (раздел 5.5.1).

По построенным зависимостям выберите оптимальный режим работы фильтра (максимальные значения КПД и коэффициента сглаживания) и установите соответственно RB. Проверьте, выполняются ли для данного режима соотношения: R1C1>>2p/w;   RB>>R1.

Повторите пункты 4 и 5 (раздел 5.5.1.).

 

• 6. Результаты работы

Подготовьте отчёт по лабораторной работе.

 

5.7 Контрольные вопросы

 

1 Какие схемы транзисторных фильтров Вы знаете? Каково назначение транзи-

сторов, резисторов и конденсаторов в этих схемах?

2 Каковы достоинства и недостатки транзисторных фильтров? В каких случаях

их применение ограничено?

• Принцип действия транзисторных фильтров.