Шаг за шагом. Транзисторы - Рудольф Сворень

От такого недостатка свободен другой П-образный фильтр (рис. 27—7), в котором вместо Rф включен дроссель Др.

рис. 27—7

Индуктивное сопротивление xL, в отличие от емкостного xс, уменьшается не с ростом, а с уменьшением частоты (Воспоминание № 15), а для постоянного тока индуктивное сопротивление вообще равно нулю. Поэтому постоянная составляющая I= встречает лишь активное сопротивление проводов дросселя, а оно невелико. В то же время переменным составляющим дроссель оказывает большое сопротивление. Такой фильтр хотя и стоит сравнительно дорого (во всяком случае, дроссель Др более сложная и дорогая деталь, чем резистор Rф), зато почти не снижает выпрямленного напряжения.

И, наконец, еще одна схема фильтра, применяемая сравнительно часто (рис. 27—6).

рис. 27—6

На выходе этого фильтра мы получаем два постоянных напряжения — Uвып-1 и Uвып-2. Первое из них отфильтровано хуже, второе — лучше. Но зато ток Iвып-1 не проходит через Rф, не теряет на нем энергии, и напряжение Uвып-1 оказывается больше, чем Uвып-2. Полезность такой схемы связана с тем, что в реальной аппаратуре не все узлы требуют выпрямленного напряжения, одинаково хорошо очищенного от гармоник. Так, например, при питании некоторых мощных усилителей можно допустить, чтобы мощность гармоник составляла 1–2 % общей мощности питающего тока. В то же время для микрофонных усилителей мощность гармоник в питающем напряжении не должна превышать нескольких тысячных долей процента.

Как видите, электрические фильтры вместе с диодом участвуют в преобразовании формы сигнала, в нашем случае — в преобразовании переменного тока в постоянный. Диод усложняет спектр сигнала, создает в нем новые составляющие. Фильтры, наоборот, упрощают спектр, подавляя некоторые его составляющие. Электрические фильтры — это важнейшие и, пожалуй, самые распространенные элементы радиоэлектронных устройств. Мы будем с ними встречаться на протяжении всей книги и постепенно увидим, из каких соображений в тех или иных случаях выбираются элементы фильтра.

Так, например, уже сейчас нетрудно сообразить, что необходимая емкость конденсаторов фильтра выпрямителя зависит от того, насколько нужно очистить выпрямленный ток от гармоник, а также от величины сопротивления нагрузки Rн. Чем меньше Rн, тем меньшим должно быть и шунтирующее нагрузку емкостное сопротивление конденсаторов, тем, следовательно, большей должна быть их емкость.

Емкость этих конденсаторов зависит также и от выбранной схемы — в двухполупериодных схемах частота самой опасной (самой низкочастотной) первой гармоники в два раза выше, чем в однополупериодной схеме, так как импульсы тока следуют в два раза чаще. А это значит, что емкость фильтра конденсаторов в двухполупериодном выпрямителе может быть в два раза меньше, чем в однополупериодном.

(Проще всего, конечно, при выборе Сф1 и Сф2 исходить из правила «чем больше емкость фильтра, тем лучше», но такой подход может привести вас к серьезным затруднениям, причем не только схемным, но и финансовым.)

Емкость первого конденсатора фильтра Сф1(Сф) (в схеме рис. 27 — 4, 5, 6, 7) влияет не только на фильтрацию, но и на величину выпрямленного напряжения. Можно считать, что это напряжение создается на нагрузке постоянной составляющей тока I= и, согласно закону Ома, численно равно U= = I=·Rн. Прежде чем говорить о влиянии Сф1(Сф) на напряжение U=, несколько слов еще об одной скромной профессии диода — о его работе в качестве ограничителя.

Давайте вместе с переменным напряжением подведем к диоду постоянное, причем так, чтобы это постоянное напряжение запирало диод, действовало на него не в прямом, а в обратном направлении (рис. 27—8).

рис. 27—8

В этом случае диод не будет пропускать ток не только во время отрицательного полупериода переменного напряжения U~, но в течение некоторой части положительного полупериода. Только после того, как переменное напряжение, действующее во время положительного полупериода против постоянного Uогр, полностью скомпенсирует его, только после этого диод откроется — начнет пропускать ток.

Время существования тока зависит от соотношения постоянного и переменного напряжений. Чем больше Uогр тем дольше диод остается закрытым, тем меньше времени существуют импульсы тока, или, как говорят иначе, тем сильнее они подрезаны снизу. Такое ограничение тока «снизу» обычно называют его отсечкой. Плавно изменяя Uогр, можно регулировать степень отсечки (рис. 27–10). Если Uогр будет больше, чем амплитуда переменного напряжения U~макс, то диод не откроется никогда и тока в его цепи вообще не будет.

рис. 27–10

В другой схеме диод работает ограничителем по максимуму, срезает верхушку импульса тока (рис. 27—9). Здесь диод Д2 заперт, причем заперт лишь в некоторой части положительного полупериода, а в начале и в конце этого полупериода он оказывается открытым. Когда диод Д2 открывается, то сильно шунтирует своим небольшим прямым сопротивлением нагрузку Rн2. При этом весь ток идет через Д2, и импульс тока Iн2 оказывается ограниченным сверху.

рис. 27—9

Теперь вернемся к выпрямителям.

Для того чтобы легче было понять, что происходит в схеме, когда в ней действует переменное напряжение, можно «остановить мгновенье» и рассматривать это напряжение как постоянное, действующее то в одну, то в другую сторону. Часто можно видеть, как радиолюбители пользуются таким упрощенным методом, и рассуждения их при этом выглядят примерно так: «…Если здесь «плюс», то здесь «минус»… Если этот «минус» меньше этого «плюса», то в итоге будет «плюс»… Этот «плюс» соединен с этим «минусом», значит, оба источника действуют в одну сторону…» и т. д. Причем обозначения «плюс» и «минус» относят и к переменным напряжениям, но при этом, естественно, учитывается, что «плюс» и «минус» у них непрерывно меняются местами. Подобное отношение к переменному напряжению является, конечно, упрощением, но нам такое упрощение и нужно.

На некоторых схемах возле генератора, где действует переменное напряжение U~ вы увидите пары «плюсов» и «минусов», а над каждой такой парой на черной точке стоит штрих или два штриха. Они-то и показывают, какому полупериоду соответствует та или иная пара «плюс»-«минус», та или иная полярность (временная!) переменного напряжения.

В схеме рис. 27–11, так же как и в ограничителях (рис. 27—8, 10), на диод всегда действуют два напряжения — переменное с амплитудой U~макс и постоянная составляющая выпрямленного напряжения. Причем постоянное напряжение, как и в ограничителе, действует в обратном направлении, действует против переменного, когда оно отпирает диод. И поэтому диод в выпрямителе всегда работает с отсечкой тока.

рис. 27–11

От чего же зависит величина напряжения U=, которое вполне можно назвать ограничивающим напряжением? Мы уже говорили (стр. 71), что U= прежде всего зависит от потребляемого выпрямленного тока, а значит, от сопротивления нагрузки Rн. Но кроме того, величина U зависит еще и от емкости конденсатора Сф1 (Сф на схеме рис. 27—4).

Дело в том, что во время положительных полупериодов, то есть когда диод пропускает ток, этот конденсатор заряжается до амплитудного напряжения U~макс, а во время отрицательных полупериодов он разряжается через нагрузку Rн (Сф1 не может разрядиться через генератор — диод этого не допустит). Чем больше емкость конденсатора Сф1 и чем меньше потребляемый от него ток (то есть чем больше сопротивление Rн), тем медленнее разряжается этот конденсатор, тем меньше пульсации выпрямленного напряжения и больше его постоянная составляющая U= (рис. 28). Отсюда можно сделать сразу два вывода — один приятный и один неприятный.