Лабораторная работа № 5 Исследование активных сглаживающих фильтров

5.1 Цель работы

Экспериментально определить коэффициенты сглаживания и к.п.д. 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.

Лабораторная работа № 5 Исследование активных сглаживающих фильтров https://kursovik-bezproblem.ru/shop/laboratornye/laboratornaya-rabota-5-issledovanie-aktivnyih-sglazhivayushhih-filtrov/

1. Литература

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. стр. 183…185.

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., стр. 112.

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., стр. 201…203.

5.3 Пояснения к работе

По сравнению с пассивными транзисторные (активные) сглаживающие фильтры имеют ряд преимуществ: выше качественные и удельные показатели; малая зависимость коэффициента сглаживания от изменения нагрузки;

широкополосность по частотному диапазону; малая вероятность возникновения опасных режимов при переходных процессах; отсутствие сильных магнитных полей; простота унификации. На транзисторах фильтра, работающем в активном режиме, рассеивается значительная мощность, поэтому к.п.д. транзисторных сглаживающих фильтров несколько меньше, чем пассивных фильтров.

Принцип действия активных фильтров основан на свойстве транзистора создавать 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 (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Схема активного фильтра ОК

Ток коллектора IК в схеме фильтра ОК мало зависит от величины приложенного к переходу коллектор- эмиттер напряжения UК при постоянном значении тока базы. На рисунке 5.2 приведены графики зависимости IК = f (UК ) при Iб = 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 UК = UВХ (при IКО = 0) и IК = UВХ / RН (при UК = 0 ) и выбрать на ней рабочую точку А { UК0 , IКО }, то сопротивление транзистора переменной составляющей тока в точке А RД = Δ UК / ΔIК будет много больше его сопротивления постоянному току RС = UК0 / IКО , т.е. RД >> RС . Соответственно переменная составляющая выпрямленного напряжения UВ.ПЕР. на входе фильтра вызывает небольшие изменения тока коллектора Δ IК при условии, что ток базы Iб = const. Переменная составляющая напряжения на выходе фильтра ОК UВЫХ.ПЕР. = Δ IК RН получается значительно ослабленной по сравнению с UВ.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 (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.

Модели активных фильтров

Модели активных фильтров в формате EWB приведены на рисунках 5.4 и 5.5.

Рисунок 5.4 — Активный фильтр ОК

Рисунок 5.5 — Активный фильтр ОБ

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); начальное смещение уровня сигнала Yposition равное 0,00.

Рисунок 5.6 – Измерение уровней 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).

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 (файл SAF1фильтр)

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

1. Двойным щелчком по иконке “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 методом, изложенным выше. Выключите макет. Рассчитайте коэффициент сглаживания и η 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 SЭКСП, ) и установите соответственно RB. Сравните экспериментальное значение коэффициента сглаживания SЭКСП с теоретическим, полученным из выражения:

,

где

— частота пульсаций на входе

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

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

Таблица 5.3 – Снятие зависимостей U02, I0, Um2

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 SЭКСП, и постройте их зависимости от тока нагрузки.

1. 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 её, 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 (файл SAF2фильтр)

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>>2π/ω; RB>>R1.

♦ Повторите пункты 4 и 5 (раздел 5.5.1.).

5.6. 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?

3 Принцип действия транзисторных фильтров.