АКТИВНЫЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к области радио и электротехники и может быть использована в резонансных контурах радиоэлектронной аппаратуры.
Известен полосовой фильтр, содержащий замкнутую электрическую цепь, составленную из последовательно соединенных между собой конденсатора, резистора и катушки индуктивности без сердечника [1]. Недостаток известного полосового фильтра заключается в его крайне низкой добротности из-за малой индуктивности катушки.
Наиболее близким к заявленному известным техническим решением является полосовой фильтр (колебательный резонансный контур), содержащий последовательно согласно соединенные между собой два источника напряжения постоянного тока с заземленной средней точкой их соединения, размыкающий ключ, конденсатор, резистор и катушку индуктивности с сердечником из магнитного материала, одна крайняя клемма последовательно согласно соединенных источников напряжения постоянного тока подключена к одной обкладке конденсатора непосредственно, а другая крайняя клемма последовательно согласно соединенных источников напряжения постоянного тока подсоединена к другой обкладке конденсатора через размыкающий ключ [2]. При размыкании ключа в колебательном контуре возникают свободные собственные затухающие колебания, продолжительность которых определяется добротностью колебательного контура, которая выражается математическим выражением:
Из формулы (1) следует, что для повышения добротности колебательного контура необходимо увеличивать индуктивность L катушки. Однако увеличение индуктивности L за счет роста числа витков катушки индуктивности не дает весомого результата, так как увеличивается активное сопротивление R этой катушки. Уменьшение емкости C конденсатора ограничивается наличием паразитных емкостей реактивных элементов. Поэтому для повышения индуктивности L катушек в колебательных контурах радиотехнических устройств широко применяют сердечники из магнитного материала. Выражение (1) справедливо в линейном режиме работы колебательного контура, когда соблюдается энергетический колебательный баланс между емкостной и индуктивной его составляющими. Наличие в катушке индуктивности сердечника из магнитного материала нарушает вышеупомянутый энергетический колебательный баланс из-за появления нелинейного эффекта «петли гистерезиса» магнитного сердечника, что приводит к снижению добротности колебательного контура (полосового фильтра).
Недостаток прототипа состоит в низкой добротности колебательного контура из-за наличия нежелательного эффекта магнитного насыщения сердечника катушки индуктивности.
Целью полезной модели (техническим результатом) является повышение добротности колебательного контура за счет электронной компенсации эффекта магнитного насыщения сердечника катушки индуктивности с помощью дополнительной катушки индуктивности без магнитного сердечника, которая подключается параллельно к катушке индуктивности с сердечником в моменты времени его магнитного насыщения.
Поставленная цель достигается тем, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: последовательно согласно соединенных между собой двух источников напряжения постоянного тока с заземленной средней точкой их соединения, размыкающего ключа, конденсатора, резистора и катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала, одна крайняя клемма последовательно согласно соединенных источников напряжения постоянного тока подключена к одной обкладке конденсатора непосредственно, а другая крайняя клемма последовательно согласно соединенных источников напряжения постоянного тока подсоединена к другой обкладке конденсатора через размыкающий ключ, предлагаемый активный полосовой фильтр содержит два последовательно согласно соединенных диода, первый и второй диоды, два однополярных операционных усилителя, инвертор, катушку индуктивности без сердечника, два параллельно согласно соединенных тиристора и источник напряжения постоянного тока с заземленным нейтральным выводом, общая точка последовательно согласно соединенных диодов подключена к одной обкладке конденсатора, а крайние точки последовательно согласно соединенных диодов подключены к одним входам однополярных операционных усилителей, другие входы которых подключены через первый и второй диод к разнополярным клеммам источника напряжения постоянного тока с заземленным нейтральным выводом, выход одного однополярного операционного усилителя соединен с управляющими входами тиристоров непосредственно, а выход другого однополярного операционного усилителя подключен к управляющим входам тиристоров через инвертор, один вывод катушки индуктивности без магнитного сердечника подключен к одному выводу катушки индуктивности с магнитным сердечником непосредственно, а другой вывод катушки индуктивности без магнитного сердечника подключен к другому выводу катушки индуктивности с магнитным сердечником через два параллельно согласно соединенных тиристора.
Новизна предложенного активного полосового фильтра состоит в том, он содержит два последовательно согласно соединенных диода, первый и второй диоды, два однополярных операционных усилителя, инвертор, катушку индуктивности без сердечника, два параллельно согласно соединенных тиристора и источник напряжения постоянного тока с заземленным нейтральным выводом, общая точка последовательно согласно соединенных диодов подключена к одной обкладке конденсатора, а крайние точки последовательно согласно соединенных диодов подключены к одним входам однополярных операционных усилителей, другие входы которых подключены через первый и второй диод к разнополярным клеммам источника напряжения постоянного тока с заземленным нейтральным выводом, выход одного однополярного операционного усилителя соединен с управляющими входами тиристоров непосредственно, а выход другого однополярного операционного усилителя подключен к управляющим входам тиристоров через инвертор, один вывод катушки индуктивности без магнитного сердечника подключен к одному выводу катушки индуктивности с магнитным сердечником непосредственно, а другой вывод катушки индуктивности без магнитного сердечника подключен к другому выводу катушки индуктивности с магнитным сердечником через два параллельно согласно соединенных тиристора, за счет чего повышается добротность колебательного контура.
Электрическая схема активного полосового фильтра изображена на чертеже, где обозначено: 1 - два последовательно согласно соединенных между собой источника напряжения постоянного тока с заземленной средней точкой, напряжение которого равно U (первый источник напряжения постоянного тока); 2 - размыкающий ключ; 3 - конденсатор; 4 - катушка индуктивности с сердечником из магнитного материала (первая катушка); 5 - резистор; 6 - катушка индуктивности без сердечника (вторая катушка); 7 и 8 - параллельно согласно соединенные тиристоры; 9-14 - диоды; 15 и 16 - однополярные операционные усилители; 17 - инвертор; 18 - источник напряжения постоянного тока с заземленным нейтральным выводом, напряжение которого равно U (2-ой источник напряжения постоянного тока).
В исходном положении крайние выводы источника напряжения постоянного тока 1 подключены через размыкающий ключ 2 к замкнутому колебательному контуру, составленному из конденсатора 3, первой катушки 4 и резистора 5. Один вывод второй катушки 6 подключен через параллельно соединенные между собой тиристоры 7 и 8 к одному выводу первой катушки 4, а другой вывод второй катушки 6 подключен к другому выводу первой катушки 4 непосредственно. Диоды 9 и 10 включены в обратные цепи, а диоды 11, 12 и 13, 14 включены в прямые цепи соответственно однополярных операционных усилителей 15 и 16, выходы которых подключены к управляющим входам тиристоров 8 и 7 соответственно как через инвертор 17, так и непосредственно. Разно-полярные клеммы «-» и «+» второго источника напряжения постоянного тока 18 подключены к катоду и аноду соответственно диодов 11 и 14, а общая точка соединения диодов 12 и 13 подключена к обкладке конденсатора 3. Тиристоры 7 и 8 закрыты и через них ток не протекает. Ключ 2 замкнут и напряжение V первого источника тока передано на обкладки конденсатора 3. Однополярные операционные усилители 15 и 16 закрыты (зашунтированы) через свои диоды 9 и 10, включенные в цепях их обратной связи, так как на входы этих усилителей 15 и 16 поступает через диоды 11 и 14 напряжение от источника напряжения 18 постоянного тока, которое после инвертирования шунтирует (закрывает) эти однополярные операционные усилители 15 и 16. Электрических колебаний в колебательном контуре (активном полосовом фильтре), составленном из элементов 3-4-5 нет.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
C
C
При размыкании ключа 2 в колебательном контуре 3-4-5 возникают свободные собственные затухающие электрические колебания. Энергия заряженного конденсатора (емкостная энергия) переходит в индуктивную энергию катушки индуктивности с добротностью, определяемой выражением (1). Как только напряжение на конденсаторе U достигнет значения , то в колебательном контуре 3-4-5 возникнет нежелательный эффект магнитного насыщения катушки индуктивности 4 с магнитным сердечником, который снижает добротность колебательного контура (1). Для компенсации отрицательного влияния магнитного насыщения сердечника катушки индуктивности 4 на добротность колебательного контура предлагается в интервалы времени, когда напряжение U на обкладках конденсатора этого колебательного контура превысит значение
C
0
подключать параллельно первой катушке 4 индуктивности L сердечником из магнитного материала дополнительную такую же катушку 6 индуктивности L, но без сердечника. Интервалы времени подключения дополнительной катушки индуктивности 6 совпадают с интервалами времени наибольшего изменения тока колебательного контура, когда имеет место магнитное насыщение сердечника катушки 4 индуктивности.
В предлагаемом устройстве в режиме, близком к магнитному насыщению катушки индуктивности 4 с магнитным сердечником, происходит нарушение баланса разнополярного напряжения на диодных входах однополярных операционных усилителей 15 и 16 и эти операционные операционных усилители поочередно начинают открываться. Выходные сигналы однополярных операционных усилителей 15 и 16 либо непосредственно, либо через инвертор 17 включают в работу соответствующие тиристоры 7 и 8. Поэтому в режиме максимального тока в колебательном контуре к первой катушке 4 подключается через один из открытых тиристоров 7 или 8 вторая катушка 6 индуктивности без сердечника, что позволяет восстановить энергетический индуктивный баланс колебательного контура и увеличить тем самым его добротность.
Промышленная осуществимость предлагаемого активного полосового фильтра обосновывается тем, что в нем использованы типовые функциональные блоки и электрические элементы, известные в аналоге и прототипе, по своему прямому функциональному назначению. В организации заявителе изготовлена модель заявляемого активного полосового фильтра в 2013 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что увеличивается на 43% добротность Q колебательного контура. Это подтверждается расчетом:
0
где L=ΔL - индуктивность катушек с магнитным сердечником 4 и без него 6 соответственно
Источники информации
1. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств, Под ред. В.Н. Дулина и М.С. Жука, М.: Энергия, 1977, с.260-265, с.101-120, (аналог).
2. Колебательный контур, БЭС, М.: Советская энциклопедия, 1973, с.414, 415, (прототип).