Электронный дроссель

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

Общая информация

Сложно, сказать, кто придумал это странное название, но оно периодически употребляется радиолюбителями.

Параметрические стабилизаторы – электронные дроссели

Идея использования стабилизаторов вместо фильтров основана не на пустом месте. Суть заключается в желании научиться фильтровать помехи, пока полезный сигнал проходит беспрепятственно. Известно, что дроссель хорошо пропускает низкие частоты. На этом основано его применение в виде фильтра в звукозаписи и воспроизведении мелодий. Слышимые ухом частоты обнаруживают верхний предел в области 15 кГц, хотя отдельные люди слышат до 20 кГц. Если сообщить колебания костям черепа, пределы слышимости распространяются до 220 кГц. Утверждается, что человек через пломбы в зубах способен принимать вещание в сверхнизком диапазоне. Но оставим для спецслужб их игры с разумом и вернёмся к аудиозаписи.

Дроссели здесь используются, чтобы срезать частоты выше 20 кГц. Их ставят перед динамиками для удаления известного радиолюбителям «белого шума». Простые люди звук называют шипением, он навязчив, легко различим даже на фоне громкой музыки. Меломаны стали думать, как избавиться от напасти. Среди них попадались радиолюбители, и кто-то предложил использовать амплитудно-частотную (передаточную) функцию каскада для срезания «белого шума». Эффект основывается на том, что полезного сигнала выше 20 кГц нет, а там лежит значительная часть спектра шипения.

Попробовали сделать и немедленно отметили частичное улучшение. Технологию пустили в ход, единственным недостатком оказались большие габариты дросселя. А среди меломанов ходит легенда – и авторы лично слышали – что в электронных блоках не предполагается твердотельной электроники (транзисторы, тиристоры и пр.). Даже диоды использовать нежелательно. Поэтому люди не согласились бы использовать параметрические стабилизаторы в аппаратуре. Но большой размер дросселя вызывает необходимость заменить его электроникой.

Твердотельный стабилизатор

Кратко об обычных дросселях

Дроссель аналогичен катушке индуктивности, но демонстрирует специфическое назначение и ряд обмоток. Без углубления в тему скажем, что предложил свернуть проволоку спиралью Лаплас, потом действие проделали Швейггер, Ампер, Фарадей и прочие учёные. Так на свет, предположительно, в 1820 году появилась катушка индуктивности.

Ключевым свойством, обнаруженным далеко не сразу, стало наличие реактивного сопротивления. Его называли – индуктивностью. Особенность: ток на таком элементе не способен повыситься сразу, значит, срезается и сглаживается его фронт, становится пологим. Это соответствует на уровне спектра фильтрации нижних частот, что применяется меломанами для уменьшения мощности шипения.

Колонка, как правило, включает ряд динамиков. К примеру, три. И шипит самый маленький, предназначенный для воспроизведения высоких частот, к примеру, тонкого пения скрипки. Если аккуратно прикрыть динамик ладонью, «белый шум» пропадает. Это сродни механической фильтрации при помощи руки.

Схема электронного дросселя

Хотим поблагодарить Евгения Карпова. Любой желающий вправе прочесть выложенную им статью «Электронный дроссель», где обсуждаются основные ошибки по конструированию аппаратуры, 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). Необычное решение требуется, чтобы отслеживать относительно медленно меняющийся звуковой сигнал. На конденсаторе неизменно находится его усреднённое значение, так происходит стабилизация. Транзистор следит, чтобы выходной сигнал равнялся (либо оставался пропорционален) напряжению на стабилизаторе.

Так вкратце действует простая схема электронного дросселя. Смысл использования частично раскрывается Евгением Карповым, но рядовым гражданам он неочевиден. Дроссель большой и тяжёлый, занимает много места, делает вдобавок две неполезных вещи:

1. Вносит в цепь значительное омическое (активное) сопротивление, применяемое в законе Ома для участка цепи.
2. Обладает индуктивным сопротивлением, сдвигающим фазу между током и напряжением. Специалисты склонны считать это дефектом.

Электронный дроссель позволяет убрать указанные недостатки, но Евгений Карпов отмечает, что размер радиатора для транзистора бывает значительным, что уничтожает преимущество. А необходимость точной настройки не каждому под силу. Тем не менее, электронный дроссель вправе использоваться как представитель простейших видов параметрических стабилизаторов.

Обоснование применения электронного дросселя

Считается, что задачей стабилизатора становится стабилизация напряжения, добиваясь постоянства. В действительности речь обычно идёт о действующем значении. Стабилизатор устроен так, чтобы пропускать медленные составляющие. Допустимо добавление обратной связи, эталонов напряжения, чтобы устранить этот «недостаток».

Радиолюбители намеренно в конструкции электронного дросселя упускают подобные навороты, полученное устройство спокойно плавает вдоль нужных частот. На выходе стоит фильтр из конденсатора C4, резисторы задают рабочую точку транзистору.

Стабилизаторы

Классификация

В глобальном смысле стабилизаторы напряжения делят на два класса:

• Параметрические.
• Компенсационные.

Первые обычно опираются на некий эталон. К примеру, простейшим параметрическим стабилизатором становится единственный стабилитрон. Но при этом нельзя добиться высокого выходного напряжения, и ток станет делиться, уходя впустую. Высокие потери, необходимость охлаждения… Это попытались преодолеть в компенсированных стабилизаторах, где в цепь заложена обратная связь. Смысл: сравнить с эталоном не входное напряжение, а выходное и по результатам «теста» провести корректировку коэффициента усилительного каскада.

Электронный дроссель намеренно сделан без обратной связи, чтобы параметры плавали и не мешали полезному сигналу проходить на выход. Электронный дроссель не является параметрическим стабилизатором непосредственно, но представляет намеренно ухудшенный его вариант. Ухудшенный с точки зрения стабильности. Выходной характеристикой идеального считается прямая, не подразумевающая 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 упрощённое толкование вопроса – да простят нас истинные радиолюбители. В действительности электронный дроссель использует каскад сравнения из компенсационного стабилизатора. Причём наипростейший из имеющихся, из единственного транзистора. Изложим кратко теорию.

Итак, простейшим параметрическим стабилизатором становится 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 нтребуется подать плюс. Значение порога легко изменяется включением между стабилитроном и схемной нейтралью диодов в прямом направлении. На каждом кремниевом p-n-переходе падает 0,5 В. Это порой бывает предпринято для температурной компенсации.

Усложнением схемы является транзисторная, где стабилитрон служит эталоном, а триод занимается стабилизацией. На выходе включается эмиттерный повторитель для улучшения согласования с нагрузкой, а включение по схеме с общей базой стабилизирует ток. Но пора посмотреть на схемы компенсационных стабилизаторов, откуда электронный дроссель 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, второе – на базу – из цепи обратной связи. С коллектора снимается сигнал. Транзистор считается симметричным, за исключением мелких деталей, описанных в соответствующей теме (см. биполярный транзистор), допустимо для сравнения использовать базу и коллектор, как в схеме электронного дросселя, приведённой выше.

Исключение – цепь обратной связи из конструкции выкушена. Зато включён вместо эталона конденсатор, заведомо не выдающий постоянное напряжение, радуя радиолюбителя. Постоянная времени берётся такой, чтобы успевал изменяться сигнал согласно полезной частоте (до 20 кГц), а повышенные частоты сглаживались. И хотя меломаны против твердотельной электроники, конструкция вправе существовать.

Для температурной компенсации и увеличения чувствительности возможно создавать сравнительные элементы из нескольких транзисторов и добиваться частичного усиления. В частности, это достигается применением дифференциальной пары (см. операционные усилители). Созданы прочие полезные схемы, читатели найдут примеры самостоятельно в поучительной книге под редакцией Г.С. Найвельта.

Осталось добавить, что электронный дроссель собирается и на полевом транзисторе (MOSFET). Тогда стабилизирующие свойства ухудшаются, а каскад добавляет в цепь тот шум, с которым борется. Карпов добавляет, что жёсткость электронного фильтра намного больше за счёт накопленной в конденсаторе энергии, допустимой к использованию в любой момент, и меньшего активного сопротивления. Электронный дроссель отлично фильтрует напряжение 50 Гц и применяется в маломощных источниках питания. Однако шум устройство подавляет хуже, нежели традиционный полосовой LC-фильтр. Следовательно, питаемая аппаратура не должна быть критична к уровню шумов.