Электронный дроссель

Электронный дроссель – это специализированное, употребляемое в среде профессионалов, жаргонное обозначение простейших твердотельных стабилизаторов.

Общая информация

Сложно, сказать, кто именно придумал это странное название, но оно время от времени употребляется радиолюбителями. Чтобы было понятнее – в сравнении с простыми гражданами, радиолюбители – это гуру, йоги, бодхисаттвы электроники, которые знают без расчётов, как именно понизить или повысить уровень пульсаций, почему в этой схеме лучше применить биполярный транзистор, а в той – полевой, и учат всех других уметь то же самое. Но учат так, что даже выпускники специализированных ВУЗов не совсем понимают, что говорят эти неземные существа. Поскольку язык их так сложен, а архитектура мышления столь узко специализирована, что они уже не понимают, что их невозможно понять рядовому гражданину. Тавтология сделана совершенно намеренно, это должно быть понятно!

Параметрические стабилизаторы – электронные дроссели

Идея использования стабилизаторов вместо фильтров основана не на пустом месте. Суть заключается в том, чтобы научиться фильтровать помехи, тогда как полезный сигнал проходил бы беспрепятственно. Известно, что дроссель хорошо пропускает низкие частоты. На этом основано его применение, как фильтра в звукозаписи и воспроизведении мелодий. Слышимые ухом частоты имеют верхний предел где-то в области 15 кГц, хотя отдельные люди, как говорят слышат, едва ли не до 20 кГц. А если сообщить колебания костям черепа, то пределы слышимости распространяются до 220 кГц. Имеются данные о том, что человек через пломбы в зубах может даже принимать вещание в сверхнизком диапазоне. Но оставим для спецслужб их игры с разумом и вернёмся к аудиозаписи.

Дроссели здесь используются для того, чтобы срезать частоты выше 20 кГц. Их ставят перед динамиками для удаления так называемого (радиолюбителями) «белого шума». Обычные смертные это называют шипением, и оно очень навязчиво, легко различимо даже на фоне громкой музыки. И вот, меломаны стали думать, как избавиться от этой напасти. Среди них были тоже радиолюбители, и кто-то предложил использовать амплитудно-частотную (передаточную) функцию каскада для срезания «белого шума». Эффект здесь основывается на том, что полезного сигнала выше 20 кГц не имеется, а между тем, там лежит значительная часть спектра шипения.

Некто попробовал это сделать и отметил сразу же некоторое улучшение. Технологию пустили в ход, и единственным недостатком оказались большие габариты дросселя. А нужно сказать, что среди меломанов ходит ещё одна легенда – и авторы лично это слышали – что в электронных блоках не должно быть твердотельной электроники (транзисторы, тиристоры и пр.). Даже диоды использовать нежелательно. Поэтому некоторые не согласились бы использовать параметрические стабилизаторы в своей аппаратуре. Но большой размер дросселя вызывает необходимость все-таки заменить его электроникой.

Твердотельный стабилизатор

Твердотельный стабилизатор

Кратко об обычных дросселях

Дроссель это практически то же самое, что катушка индуктивности, но он имеет специфическое назначение и чаще всего несколько обмоток. Без углубления в тему скажем, что предложил свернуть проволоку спиралью Лаплас, а затем это проделали Швейггер, Ампер, Фарадей и многие другие учёные. Так на свет, предположительно, в 1820 году появилась катушка индуктивности.

Ключевым её свойством, обнаруженным далеко не сразу, является наличие реактивного сопротивления. Его так и называли – индуктивностью. Особенность в том, что ток на таком элементе не может повыситься сразу, а значит, срезается и сглаживается его фронт, становится пологим. Это соответствует на уровне спектра фильтрации нижних частот. Что и применяется меломанами для уменьшения мощности шипения.

Читайте также:  Диэлектрический коврик

Нужно сказать, что колонка обычно имеет несколько динамиков. Например, три. И шипит тот из них, который меньше всего, и предназначен для воспроизведения высоких частот, например, тонкого пения скрипки. Если аккуратно прикрыть его ладонью, то «белый шум» пропадает практически полностью. Это сродни механической фильтрации при помощи руки. Но так огрублять свои колонки не захочет ни один меломан.

Схема электронного дросселя

Мы должны поблагодарить Евгения Карпова. Любой желающий может прочесть выложенную им статью «Электронный дроссель», где обсуждаются основные ошибки по конструированию аппаратуры, и даются советы по улучшению качества.

Включение с общей базой называется сравнительной схемой. Транзистор оценивает разницу напряжений на базе и коллекторе. Сигнал снимается с эмиттера. Конденсатор С3 заряжается через резистор R5 служа параметрическим стабилизатором (вместо стабилитрона). Такое необычное решение нужно для того, чтобы отслеживать относительно медленно меняющийся звуковой сигнал. На конденсаторе всегда находится его усреднённое значение, за счёт чего и происходит стабилизация. Транзистор следит за тем, чтобы выходной сигнал был равен (или по крайней мере пропорционален) напряжению на стабилизаторе.

Вот вкратце и весь смысл того, как действует эта простая схема электронного дросселя. Смысл его использования частично раскрывается Евгением Карповым, но, нужно полагать, рядовым гражданам он не так очевиден. Идея заключается в том, что дроссель большой и тяжёлый, а это значит, что он не только занимает много места, но делает и ещё две вещи, которые нельзя назвать полезными:

  1. Вносит в цепь значительное омическое (активное) сопротивление. То самое, которое применяется в законе Ома для участка цепи.
  2. Обладает индуктивным сопротивлением, которое сдвигает фазу между током и напряжением. И можно с пеной у рта доказывать, что в этом нет ничего плохого, и можно провести согласование, но специалисты все-таки склонны считать это дефектом.

Электронный дроссель позволяет убрать все указанные недостатки, но Евгений Карпов тут же отмечает, что размер радиатора для транзистора может быть весьма значительным, что уничтожает преимущество в этом плане. А необходимость точной настройки не каждому под силу. Тем не менее, электронный дроссель имеет право на существование, как один из простейших видов параметрических стабилизаторов.

Обоснование применения электронного дросселя

Многие скажут, что задачей стабилизатора является стабилизация напряжения, то есть сделать так, – чтобы оно было постоянным. Но на самом деле речь обычно идёт о действующем значении. Поэтому стабилизатор устроен так, чтобы пропускать медленные составляющие. Хотя в него и может быть добавлена обратная связь, а также эталоны напряжения, чтобы устранить и этот «недостаток».

Радиолюбители намеренно в конструкции электронного дросселя упускают все эти навороты, и полученное устройство спокойно плавает вдоль нужных частот. На выходе стоит ещё один фильтр из конденсатора C4, в то же время резисторы задают рабочую точку транзистору.

Стабилизаторы

Классификация

В глобальном смысле стабилизаторы напряжения делят на два класса:

  • Параметрические.
  • Компенсационные.

Первые обычно опираются на некий эталон. Например, простейшим параметрическим стабилизатором может служить один-единственный стабилитрон. Но при этом нельзя добиться высокого выходного напряжения, да и ток будет делиться, уходя впустую. Высокие потери, необходимость охлаждения… Это попытались преодолеть в компенсированных стабилизаторах, где в цепь заложена обратная связь. Смысл в том, чтобы сравнить с эталоном не входное напряжение, а выходное и по результатам «теста» – как это сейчас модно говорить – провести корректировку коэффициента усилительного каскада.

Электронный дроссель намеренно сделан без обратной связи, чтобы его параметры плавали и не мешали полезному сигналу проходить на выход. То есть электронный дроссель не является параметрическим стабилизатором непосредственно, но представляет собой намеренно ухудшенный его вариант. Ухудшенный с точки зрения стабильности. Потому что выходной характеристикой идеального – является прямая. А это значит, что не было бы никакой музыки. Вывод?

Электронный дроссель – это параметрический стабилизатор напряжения с намеренно ухудшенными долговременными характеристиками, обеспечивающими постепенный уход напряжения в нужную сторону сообразно форме входного сигнала.

Простейшие схемы стабилизаторов

Выше приводилось очень упрощённое толкование вопроса, – да простят нас настоящие, истинные радиолюбители. На самом деле электронный дроссель использует каскад сравнения из компенсационного стабилизатора. Причём самый наипростейший из имеющихся, всего лишь из одного транзистора. Сейчас будет кратко изложена теория этого вопроса.

Читайте также:  Электронный терморегулятор

Итак, простейшим параметрическим стабилизатором является разновидность твердотельного диода – стабилитрон. При превышении напряжением некого порога происходит резкое падение сопротивления p-n-перехода. Стабилитрон, вразрез с обычным диодом, всегда включается навстречу току. На катод нужно подать плюс. Значение порога легко изменяется включением между стабилитроном и схемной нейтралью диодов в прямом направлении. На каждом кремниевом p-n-переходе обычно падает порядка 0,5 В. Также это может быть предпринято для температурной компенсации.

Усложнением этой схемы является транзисторная. Где стабилитрон служит эталоном, а триод занимается стабилизацией. На выходе может включаться эмиттерный повторитель для улучшения согласования с нагрузкой, а включение по схеме с общей базой стабилизирует ток. Но пора посмотреть на схемы компенсационных стабилизаторов, из которых электронный дроссель тоже кое-что взял.

На рисунке показаны регулирующие элементы из составных транзисторов. Это каскад, на который подаётся петля обратной связи для сравнения с эталоном. Одно из сравниваемых напряжений поступает на эмиттер – от стабилитрона, а второе – на базу – из цепи обратной связи. С коллектора снимается сигнал. Но транзистор фактически является симметричным, за исключением мелких деталей, описанных в соответствующей теме (см. биполярный транзистор), потому можно для сравнения использовать базу и коллектор, как в схеме электронного дросселя, приведённой выше.

Исключением является то, что цепь обратной связи из конструкции выкушена. Её нет. Зато включён вместо эталона конденсатор, который заведомо не будет выдавать постоянное напряжение. Что и нужно радиолюбителям. Постоянная времени берётся такой, чтобы успевал изменяться сигнал согласно полезной частоте (до 20 кГц), а более высокие частоты сглаживались. И хотя многие меломаны против твердотельной электроники, конструкция имеет полное право на существование.

Для температурной компенсации и увеличения чувствительности можно создавать сравнительные элементы из нескольких транзисторов и даже добиваться за счёт этого некоторого усиления. В частности, это достигается применением дифференциальной пары (см. операционные усилители). Имеются и некоторые другие полезные схемы, которые читатели могут найти самостоятельно в поучительной книге под редакцией Г.С. Найвельта.

Осталось добавить к этому, что электронный дроссель может быть собран и на полевом транзисторе (MOSFET), но в этом случае стабилизирующие свойства не только ухудшаются, но и сам каскад начинает добавлять в цепь тот самый шум, с которым борется. Карпов также добавляет, что жёсткость электронного фильтра намного больше за счёт накопленной в конденсаторе энергии, которая может быть в любой момент использована, и меньшего активного сопротивления. Электронный дроссель отлично фильтрует напряжение 50 Гц и может быть использован в маломощных источниках питания. Однако шум это устройство подавляет все-таки хуже, нежели традиционный полосовой LC-фильтр. Следовательно, питаемая аппаратура не должна быть критична к уровню шумов.