СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 3/2016

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 68 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2016 C2 C1 R3 R1 R2 R4 VD1 С И 3 VD2 +285 Т1(N) 310 Активный фильтр на мощном полевом транзисторе В статье обсуждаются принципиальные схемы активных фильтров на базе ОУ и мощных полевых транзисторов. Применение таких фильтров позволяет уменьшить размах пульсаций выпрямленного напряжения в 25 раз, что эквивалентно установке сглаживающих конденсаторов ёмкостью 0,5 Ф. Фильтры оснащены защитой от превышения тока и короткого замыкания. Алексей Кузьминов (Москва) В ВЕДЕНИЕ Для прецизионныхизмерений в науч- ныхисследованиях часто требуются бло- кипитания (БП) с ультранизким уровнем пульсаций. Применение импульсных источников питания (ИИП), имеющих уровень пульсаций в десятки милли- вольт, для этих целейисключено. Един- ственным способомполучения напряже- ния с ультранизким уровнемпульсаций является использование БП на основе 50-герцового сетевого трансформато- ра. Традиционный выпрямитель, как известно, состоит из мощных диодов, включённых по мостовой или полумо- стовой схеме, и сглаживающих конден- саторов большой ёмкости. В прецизионных лабораторных БП после выпрямителя обычно устанавли- вается линейный стабилизатор напря- жения, который подавляет 100-герцо- вые пульсации выпрямленного напря- жения, но до определённого уровня. Иногда ёмкость сглаживающих конден- саторов составляет 100 000 мкФи более. При включении БП в начальный момент времени возникает зарядный ток, кото- рый может достигать очень больших значений. По мере заряда конденсато- ров ток постепенно уменьшается, одна- ко время, в течение которого он проте- кает, зависит от ёмкости сглаживающих конденсаторов C и внутреннего сопро- тивления источника питания. Длитель- ное протекание большого зарядного тока может привести к выходу из строя диодов и срабатыванию плавкого пре- дохранителя, поэтому для ограничения зарядного тока устанавливают резистор небольшого номинала (20…100 Ом), параллельно которому включают кон- такты реле. При достижении номи- нального выходного напряжения реле включается, шунтирует своими контак- тами токоограничительный резистор, и линейный стабилизатор получает пол- ноценное питание. Однако такое решение проблемы приводит к дополнительным затратам, так как, во-первых, реле, рассчитанное на большой ток, не дёшево, во-вторых, конденсаторы большой ёмкости также достаточно дорогие и имеют большие габариты. Эту проблему пульсаций мож- но решить другим способом, не требую- щим ни больших материальных затрат, ни увеличения массогабаритных пока- зателей БП. Этот способ заключается в использовании активного фильтра на базе мощного полевого транзисто- ра и операционного усилителя (ОУ). С ХЕМЫ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ В статье «Импульсный ИП со ста- билизированным выходом и низким уровнем пульсаций» [1] говорится об использовании активного фильтра выпрямленного и сглаженного сете- вого напряжения, которое требуется для работы импульсного источника питания. Схема такого фильтра проста (см. рис. 1). Принцип действия филь- тра заключается в следующем. Конден- сатор C1 заражается через резистор R1 до среднего уровня входного напряже- ния (примерно 310 В), а C2 – до сред- него уровня напряжения на конденса- торе C1. Размах пульсаций напряже- ния на конденсаторе C1 в несколько раз ниже размаха пульсаций вход- ного напряжения, поскольку цепоч- ка R1C1 представляет собой простей- ший RC-фильтр низких частот, а раз- мах пульсаций на конденсаторе C2 в несколько раз ниже размаха пульса- ций напряжения на конденсаторе C1. Таким образом, размах пульсаций напряжения на затворе транзистора в десятки раз меньше размаха пульса- ций входного напряжения. Поскольку напряжение истока повто- ряет напряжение затвора (сдвинутое на значение напряжения отсечки транзи- стора), то на истоке размах пульсаций будет таким же, как на конденсаторе C2 при условии, что среднее напряжение на C2 ниже минимального входного напряжения, то есть ниже его средне- го значения минус амплитуда пульса- ций (и минус напряжение отсечки). Для выполнения этого условия использует- ся резистор R3, который сдвигает уро- вень среднего напряжения на C2 «вниз» до нужного уровня. По существу, этот сдвиг определяется делителем R1R3. Супрессоры VD1 и VD2 ограничива- ют максимальное значение напряже- ния затвор-сток и затвор-исток, чтобы транзистор не вышел из строя в момент включения. Если постоянная времени τ , определя- емая двумя RC-цепочками R1C1 и R2C2, больше, чем обратная величина частоты пульсаций выпрямленного напряжения, основная гармоника которого состав- ляет 100 Гц, то подавление пульсаций будет оптимальным. Поскольку стати- ческий ток затвора транзистора очень мал, номиналырезисторов R1 и R2 могут составлять до 100 кОм, а номиналы ёмкостей C1 и C2 – доли мкФ. Схема, показанная на рисунке 1, име- ет две особенности. Первая состоит в том, что транзистор включён стан- дартным способом, используемым в линейных стабилизаторах: на сток подаётся входное напряжение, а с исто- ка снимается выходное напряжение. Вторая особенность используемого транзистора: низкий порог включе- ния – до 1 В (например, IRL2910). Если размах пульсаций входного напряже- Рис. 1. Схема активного фильтра выпрямленного сетевого напряжения