СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №4/2015

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2015 +Uвх КТ812А +Uвых VT1 R C а +Uвх +Uвых BU941 VT1 R б C +Uвх +Uвых IRGB14C40L VT1 R R 3 R 3Э в C +Uвх +Uвых IRL2910 VT1 R г C особенности использования транзи- сторных фильтров для выпрямленного и сглаженного высокого (+300 В) сете- вого напряжения. Рассмотрим простейший фильтр на биполярном транзисторе n-p-n, использованный в работе «Сглажива- ющие фильтры на транзисторах» [1] (см. рис. 5а). Поскольку коэффици- ент усиления β у такого транзистора не более 10…30, то базовый ток дол- жен быть достаточным для того, что- бы транзистор пропускал большой ток, вследствие чего сопротивление R долж- но быть небольшим. С другой стороны, для обеспечения требуемой постоян- ной времени τ = RC, ёмкость конден- сатора C должна быть значительной. Например, в статье «Блок питания УМЗЧ» [2] R = 2,7 кОм, C = 50 мкФ / 350 В. Чтобы резистор не нагревался, его мощ- ность принята равной 2 Вт. Естествен- но, габариты такой RC-цепочки доста- точно большие, а стоимость – высокая. Если использовать дорогой составной n-p-n-транзистор BU941, как, например, в блоке электронного зажигания авто- мобилей (см. рис. 5б), то номинал рези- стора можно увеличить, а мощность – уменьшить. На рисунке 5в приведена схе- ма фильтра на современных IGBT- транзисторах, также применяемых в электронном зажигании (IRGB14C40L, STGB10NB37LZ, STGD18N40LZ). Здесь габариты и стоимость RC-цепочки меньше, однако, из-за соединения затвора IGBT с эмиттером внутрен- ним сопротивлением R ЗЭ , схема может быть применена в ограниченном коли- честве случаев. Схема фильтра на мощном поле- вом транзисторе (см. рис. 5г) может иметь, теоретически, любое значе- ние R, поскольку статический ток затвора отсутствует. Однако на прак- тике сопротивление R не должно пре- вышать 100…200 кОм, так как имеет место и динамический ток, и ток утеч- ки в конденсаторе C. Кроме того, стои- мость современных мощных полевых транзисторов небольшая (например IRL2910 стоит всего 36–50 руб.). Таким образом, схема фильтра, изображён- ная на рисунке 5г, обеспечивает наи- лучшие массогабаритные показатели при минимальных затратах. Проблема заключается в том, что ни одна из схем, приведённых на рисун- ке 5 (кроме схемы на рисунке 5в), в чистом виде использоваться не может из-за высокой вероятности выхода транзистора из строя. Дело в том, что при включении высокого входного напряжения, при наличии нагрузки в цепи эмиттера или истока, напряже- ние на базе или затворе транзистора в первый момент времени может воз- расти почти до входного напряжения, то есть до +300 В. В результате транзи- сторы в схемах на рисунках 5а, 5б и 5г моментально сгорят из-за небольшого допустимого напряжения база–эмит- тер или затвор–исток (как правило, не более 20…30 В). Однако транзи- стор фильтра на рисунке 5в не сго- рит, так как между затвором и эмитте- ром и между затвором и коллектором установлены внутренние стабилитро- ны, ограничивающие напряжение. Что мешает использовать стаби- литроны, например, в схеме, приве- дённой на рисунке 5г? Тем более что вместо них можно применить дешё- вые TVS-диоды (Transient Voltage Su- pressor), называемые в отечествен- ной литературе супрессорами или ограничительными диодами. Основ- ное отличие супрессоров от стаби- литронов заключается в том, что за очень короткое время они могут рас- сеять огромную мощность (напри- мер, SMAJ12CA и SMAJ48CA могут рассеять 400 Вт). Кроме того, супрес- соры имеют практически мгновен- ную реакцию на повышение напря- жения сверх рабочего порога (для SMAJ12CA и SMAJ48CA время сраба- тывания составляет от долей до еди- ниц микросекунд). В схеме фильтра, показанного на рисунке 2, для транзисторов IRL2910 и IRL3110 необходимо использовать супрессоры SMAJ12CA и SMAJ48CA, а для транзистора IRL2505 – супрессоры SMAJ12CA и SMAJ30CA. Выбор напряже- ния срабатывания супрессоров зависит от максимального напряжения затвор- исток и сток-исток полевых транзисто- ров. Например, максимальное напря- жение затвор-исток у транзисторов IRL2910, IRL3110 и IRL2505 составляет ±16 В, поэтому между затвором и исто- ком установлен супрессор на напря- жение 12 В (SMAJ12CA). Максималь- ное напряжение между стоком и исто- ком у транзисторов IRL2910 и IRL3110 составляет 100 В. Поэтому между сто- ком и затвором установлен супрессор на напряжение 48 В (SMAJ48CA). В свою очередь, для транзистора IRL2505 с максимальным напряжением сток- исток 55 В подойдёт супрессор на 30 В (SMAJ30CA). Вернёмся к схеме фильтра, показан- ной на рисунке 2. Резистор R3 необ- ходим для сдвига уровня выходного напряжения фильтра до минималь- ного значения входного напряже- ния с учётом пульсаций (U вх.мин ). При отсутствии резистора R3 конденса- тор C1 будет заряжаться через рези- стор R1 до среднего значения входно- го напряжения (U вх.ср ), которое выше минимального значения напряже- ния (U вх.мин ) приблизительно на 10 В. Конденсатор же C2 будет заряжаться через резистор R2 до среднего зна- чения напряжения на конденсато- ре C1. Обозначим это напряжение как U ср.C2 . Это напряжение будет незначи- Рис. 5. Схемы простейших сглаживающих фильтров: а – на биполярном n-p-n-транзисторе; б – на составном n-p-n-транзисторе по схеме Дарлингтона; в – на IGBT-транзисторе n-проводимости; г – на полевом транзисторе n-проводимости © СТА-ПРЕСС