ELECTRON
.DOC1.2.2. Элементы промышленной электроники
Выпрямители. Выпрямитель - это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного выпрямления, независимо от мощности выпрямителей, все схемы делятся на однотактные (однополупериодные) и двухтактные (двухполупериодные).
К однотактным относят схемы, у которых по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период (полупериод или часть его).
К двухтактным относят схемы, у которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает дважды за один период, в противоположных направлениях.
В зависимости от назначения выпрямители могут быть управляемыми (с регулируемым выпрямленным напряжением) и неуправляемыми.
Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:
-среднее значение выпрямленного напряжения и тока (Uср, Iср);
-коэффициент полезного действия;
-коэффициент мощности.
Однофазные выпрямители. Для выпрямления однофазного переменного тока применяются три типа выпрямителей: однополупериодный; двухполупериодный с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора и двухполупериодный мостовой.
Однофазная однополупериодная схема с трансформатором приведена на рис.1.10,а. Вентиль включен последовательно с нагрузочным резистором и вторичной обмоткой трансформатора. Ток в нагрузочном резисторе Rн появляется только в те полупериоды напряжения, когда потенциал точки "a" вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки "b", так как в этом режиме вентиль открыт. Когда же потенциал точки "a" отрицателен по отношению к потенциалу точки "b", вентиль закрыт, и ток в цепи вторичной обмотки трансформатора равен нулю. Таким образом, ток в резисторе Rн имеет пульсирующий характер, т.е. появляется только в один из полупериодов напряжения. Поэтому данный выпрямитель называют однополупериодным. Временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного выпрямителя изображены на рис.1.10,б. Среднее значение однополупериодного выпрямленного напряжения вычисляется по формуле
Uср = U2m/.
Максимальное обратное напряжение на вентиле равно
Uобр.m = U2m.
Среднее значение тока вентиля
Iа.ср = Iср.
Недостатками однополупериодной схемы являются:
-большие пульсации в кривой выходного напряжения, создаваемые переменной составляющей напряжения;
-недостаточно эффективное использование трансформатора, необходимого для получения требуемой величины выпрямленного напряжения.
Поэтому однополупериодные выпрямители применяют сравнительно редко, обычно для питания цепей малой мощности, например, электронно-лучевых трубок.
Схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис.1.11,а, соответствующие временные диаграммы токов и напряжений изображены на рис.1.11,б. Двухполупериодное выпрямление достигается в этой схеме выполнением трансформатора с двумя вторичными обмотками и выводом общей (средней или нулевой) точки этих обмоток. В качестве положительных для U2a и U2b обычно принимают направления, совпадающие с проводящими в вентилях. В тот полупериод, когда напряжение в обмотке "oa" положительно, ток пропускает вентиль V1 у которого анод положителен по отношению к катоду, связанному через сопротивление нагрузки Rн со средней (нулевой) точкой вторичной обмотки трансформатора. Полюс "b" обмотки "ob" в этот полупериод отрицателен по отношению к нулевому выводу, и, следовательно, вентиль V2 в этой части периода тока не пропускает. В следующий полупериод ток проходит через вентиль V2, а вентиль V1 заперт.
С реднее значение выпрямленного напряжения
Максимальное обратное напряжение на вентиле равно двойной амплитуде фазного напряжения:
Uобр.m = 2U2m.
Среднее значение тока через вентиль (по условию симметрии)
Iа.ср = Iср/2.
Мостовая схема изображена на рис.1.12,а, а временные диаграммы токов и напряжений соответствуют рис.1.12,б.
Схема имеет структуру, аналогичную мосту Уитстона, в котором сопротивления заменены вентилями. К одной из диагоналей моста присоединена вторичная обмотка трансформатора, а к другой - сопротивление нагрузки. При необходимости мост может быть включен в сеть переменного тока и без трансформатора. Это является одним из преимуществ мостовой схемы.
Вентили включены так, что в один из полупериодов ток проходит через одну пару вентилей, а в другой полупериод он проходит через другую пару вентилей. Через сопротивление нагрузки Rн ток идет в течение всего периода в одном направлении. Через вторичную обмотку трансформатора протекает чисто переменный ток.
Среднее значение выпрямленного напряжения и тока через вентиль получается таким же, как и в предыдущей схеме. Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора
Uобр.m = U2m.
Таким образом, максимальное обратное напряжение в мостовой схеме при одном и том же значении выпрямленного напряжения в два раза меньше, чем в схеме с нулевым выводом. В этом второе преимущество мостовой схемы.
Сравнение трех типов выпрямителей позволяет выявить их преимущества и недостатки. Двухполупериодные выпрямители более эффективны: средние значения выпрямленных токов и напряжений у них в два раза больше, а пульсации значительно меньше, чем у однополупериодных выпрямителей. Преимуществами однополупериодных выпрямителей являются простота конструкции и меньшая стоимость.
По причинам названным выше из двухполупериодных выпрямителей предпочтение отдают мостовым схемам. Недостатком мостовых схем является удвоенное количество вентилей.
Трехфазные выпрямители. Схемы выпрямителей трехфазного тока применяются в основном для потребителей средней и большой мощности.
Схема с нейтральным выводом изображена на рис.1.13,а. Она состоит из трехфазного трансформатора с выводом нейтральной точки вторичной обмотки, трех вентилей, включенных в каждую из фаз, и нагрузочного резистора Rн.
Временные диаграммы работы схемы показаны на рис.1.13,б. Как видно из рисунка, вентили работают поочередно, каждый в течение одной трети периода, когда потенциал анода работающего вентиля более положителен, чем потенциалы анодов двух других вентилей. Выпрямленный ток резистора Rн, создаваемый токами каждого вентиля, имеет одно направление и равен сумме токов каждой из фаз.
Среднее значение выпрямленного напряжения
Uср = 1,17 U2ф.
Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения или
Uобр.m = 2,09 Uср.
Средний ток через вентиль равен одной третьей тока нагрузки
Iа.ср = Iср/3.
Ток нагрузки в данной схеме имеет значительно меньше пульсаций, чем в однофазных выпрямителях. Коэффициент пульсаций для первой гармоники в данной схеме составляет 0,25.
Мостовая схема изображена на рис.1.14,а, она предложена в 1923 году А.Н.Ларионовым. В этом выпрямителе первичную и вторичную обмотки трансформатора можно соединять как звездой, так и треугольником.
В схеме последовательно соединены две трехфазные выпрямительные группы: анодная V1,V3,V5 и катодная V2,V4,V6. Каждая из групп повторяет работу трехфазной схемы с нулевым выводом. В мостовой схеме ток одновременно пропускают два вентиля: один - с наиболее высоким потенциалом анода из катодной группы вентилей, а другой - с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы вентилей. Так, например, в интервале t1 - t2 (рис.1.14,б) ток пропускают вентили V2 и V3, в интервале t2 - t3 - вентили V2 и V5. Как видно из графиков, выпрямленное напряжение имеет шестифазные пульсации, хотя продолжительность работы каждого вентиля осталась такая же, как и в трехфазной схеме с нулевым выводом. Коэффициент пульсаций для первой гармоники в данной схеме равен 0,057. Среднее значение тока через вентиль и величина максимального обратного напряжения получаются такими же, как и в предыдущей схеме. При одинаковом значении фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, данная схема имеет среднее выпрямленное напряжения в два раза больше, чем предыдущая схема
Uср = 2,34 U2ф.
Сравнение однофазных и трехфазных выпрямителей показывает, что трехфазные выпрямители равномерно нагружают сеть и дают значительно меньше пульсаций выпрямленного напряжения. Предпочтение обычно отдается мостовой схеме, несмотря на большее число вентилей. Это вызвано отсутствием подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током и значительно меньшими пульсациями выпрямленного напряжения. Последнее позволяет отказаться от сглаживающих фильтров.
Усилители. Электронный усилитель - это устройство, увеличивающее мощность электрических сигналов. Основным элементом усилителя является прибор, обладающий управляющими свойствами, т.е. управляющий элемент (транзистор, тиристор, лампа и др.). Кроме того, в состав усилителя входят пассивные элементы и источник питания.
Один управляющий элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.
По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности. Усилитель напряжения обеспечивает на нагрузочном сопротивлении заданную величину выходного напряжения, его входное сопротивление намного больше сопротивления источника сигнала Rвх>>Rи, а сопротивление нагрузки намного больше выходного сопротивления усилителя Rн>>Rвых. Режим усилителя тока обеспечивается, когда Rвх<<Rи и Rн<<Rвых. В режиме усилителя мощности RвхRи и RвыхRн. Такое деление достаточно условно потому, что любой усилитель в конечном итоге усиливает мощность.
По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармонических и импульсных сигналов.
По диапазону и абсолютным значениям усиливаемых частот сигнала - усилители постоянного тока (полоса частот от нуля до верхней граничной частоты), переменного тока, высокой частоты, промежуточной частоты, низкой частоты, широкополосные усилители.
По виду связи между каскадами различают усилители с RC-связью, трансформаторной, резонансно-трансформаторной, и непосредственной.
Основные характеристики усилителей. Входное и выходное сопротивления. Входное сопротивление Rвх представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Выходное сопротивление Rвых определяется между выходными зажимами усилителя при отключенной нагрузке и отсутствии входного сигнала.
Коэффициент усиления. Основным показателем всех усилительных схем является коэффициент усиления - отношение напряжения или тока (мощности) на выходе усилителя к напряжению или току (мощности) на его входе. Так как выходной сигнал отличается от входного не только по величине, но и по фазе, то в общем случае коэффициент усиления - величина комплексная.
В зависимости от усиливаемого параметра различают коэффициенты усиления по напряжению Кu = Uвых/Uвх, по току Ki = Iвых/Iвх и по мощности Kp = Pвых/Pвх. Коэффициент усиления по мощности всегда число действительное.
Коэффициент усиления обычно выражают в логарифмических единицах - децибелах. Формулы перевода имеют вид: Ku(дБ) = 20lgKu; Ki(дБ) = 20lgKi; Kp(дБ) = 10lgKp.
Частотная характеристика усилителя показывает зависимость модуля коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала. Необходимо иметь в виду, что входной сигнал любой формы можно представить как сумму гармонических составляющих, имеющих различные частоты и усиливающихся неодинаково.
На рис.1.15,а показана типичная частотная характеристика для усилителя с RC-связью. Как видно из рисунка, модуль коэффициента усиления на различных частотах имеет разные значения, в результате чего на выходе усилителя изменяется форма сложного сигнала или амплитуда гармонического, т.е. усилитель вносит в усиливаемый сигнал частотные искажения. Они обусловлены наличием реактивных элементов (емкостей и индуктивностей), сопротивления которых зависят от частоты.
Частоты fн и fв на которых искажения достигают гранично допустимую величину для усилителя данного назначения, называются граничными. Диапазон частот f = fв - fн называется полосой пропускания усилителя. Обычно на частотной характеристике выделяют три участка: средний, почти горизонтальный участок, со средней частотой f0, левый (область нижних частот) и правый (область верхних частот) участки, на которых заметно снижается коэффициент усиления.
Фазовая (фазочастотная) характеристика усилителя представляет собой зависимость фазового сдвига между выходным и входным напряжениями от частоты (рис.1.15,б).
Амплитудная характеристика (рис.1.15,в) выражает зависимость амплитуды напряжения (или действующего значения) выходного сигнала усилителя от амплитуды напряжения (или действующего значения) сигнала на его входе при некоторой постоянной частоте. Когда значения входного сигнала малы, амплитудная характеристика проходит не через начало координат, т.к. в реальных усилителях при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе определяется уровнем собственных шумов и помехами. Причиной шумов являются пульсации напряжения источника питания, а также неоднородность структуры материала элементов и непостоянство электрических процессов во времени.
П ри больших входных сигналах (Uвх>Uвх.макс) пропорциональность между выходным и входным напряжениями нарушается из-за нелинейности вольт-амперных характеристик транзистора. Данное обстоятельство приводит к искажению формы выходного сигнала, эти искажения называются нелинейными. Оцениваются нелинейные искажения по коэффициенту гармоник (коэффициенту нелинейных искажений).
Динамический диапазон усилителя характеризует диапазон напряжений сигнала, которые данный усилитель может усилить без внесения помех и искажений сверх нормы и равен отношению максимального входного напряжения к минимальному:
D = Uвх.макс/Uвх.мин.
Динамический диапазон обычно выражается в децибелах.
Переходная характеристика представляет собой графически выраженную временную зависимость мгновенного значения выходного напряжения при воздействии на вход усилителя единичного скачка напряжения. Эта характеристика используется при оценке линейных искажений, вносимых усилителем при передаче импульсных сигналов. Искажения импульсных сигналов называются также переходными искажениями, а аналитическая запись переходной характеристики - переходной функцией.
Общие принципы работы электронных усилителей. Усилительные свойства транзистора могут быть реализованы при включении в его коллекторную или эмиттерную цепь внешних сопротивлений, с которых снимаются колебания усиливаемого сигнала. В этом случае статические характеристики не отражают зависимостей между мгновенными значениями напряжений и токов в цепях усилительного элемента. Эту функцию выполняют динамические характеристики усилительного каскада, широко используемые при графоаналитическом расчете. Для практических целей используют выходные, входные, проходные и сквозные динамические характеристики.
Р ассмотрим работу простейшего усилительного каскада на транзисторе (рис.1.16). Во входную цепь транзистора включены источник входного сигнала с действующим значением ЭДС Еи и источник смещения Есм. Нагрузкой транзистора для постоянного коллекторного тока является сопротивление Rк. Будем считать, что сопротивление конденсатора Ср, через который усиленное напряжение переменного сигнала передается к внешней нагрузке, а также внутреннее сопротивление источника питания Ек переменной составляющей выходного коллекторного тока незначительны по сравнению с последовательно включенными с ними сопротивлениями Rн и Rк. Это справедливо для большей части рабочего диапазона частот усилителя. Поэтому сопротивление нагрузки коллекторной цепи переменному току Rн.экв = RкRн/(Rк + Rн), где: Rн - сопротивление внешней нагрузки каскада. Выходная динамическая характеристика отображает графически зависимость выходного тока усилительного каскада от выходного напряжения при наличии в выходной цепи сопротивления нагрузки. Поскольку нагрузка выходной цепи для постоянной и переменной составляющих выходного тока различна, то различают выходную динамическую характеристику по постоянному и переменному току.
П ри отсутствии входного сигнала через транзистор протекает постоянный ток и для любого момента времени для выходной цепи можно записать
Uвых = Ек - IвыхRк.
Данное выражение является уравнением прямой линии в системе координат статических выходных характеристик Iвых = f(Uвых), ее строят по двум точкам: первая точка - Uк = 0, Iк = Ек/Rк; вторая точка - Iк = 0, Uк = Ек. Проведенную между этими точками линию называют нагрузочной линией постоянного тока или нагрузочной прямой постоянного тока (рис.1.17,а линия KL).
Точка пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой при заданном входном напряжении Uвх.0, определяемом источником смещения Есм, называется рабочей точкой "А". Нагрузочная прямая каскада при переменном токе отличается от нагрузочной прямой постоянного тока, т.к. по переменному току нагрузочное сопротивление усилителя равно не Rк, а Rн.экв (прямая MN на рис.1.17,а). Обе прямые пересекаются в рабочей точке "А".
Линию нагрузки постоянному току используют для определения координат точки покоя, зная которые, можно рассчитать элементы смещения и стабилизации усилительного каскада, а также при полном расчете каскадов предварительного усиления, работающих в режиме малого сигнала.
Линией нагрузки переменного тока пользуются при расчете усилителей мощности, т.е. схем, работающих при больших амплитудах сигналов.
Проходная динамическая характеристика - это зависимость вида Iвых = f(Uвх). Построить ее можно переносом точек нагрузочной прямой переменного тока с выходных координат в проходные (рис.1.17,б).
Входная динамическая характеристика усилительного каскада - это зависимость Iвх = f(Uвх). Поскольку входные статические характеристики для разных значений Uвых отличаются очень незначительно, обычно в качестве динамической входной характеристики используют статическую, снятую при выходном напряжении 5 В (приводится в справочниках).
Степень нелинейных искажений усиливаемых сигналов и КПД усилительного каскада определяются выбором его режима работы (класса). В зависимости от положения рабочей точки различают три основных режима работы усилительных каскадов: А, В и С. Положение рабочей точки, в свою очередь, определяется величиной напряжения смещения, подаваемого на вход управляющего элемента.
П одача смещения на вход управляющего элемента. При отсутствии входного сигнала необходимо правильно выбрать начальное положение рабочей точки усилительного каскада - точку покоя. Положение начальной рабочей точки определяется полярностью и значением напряжения смещения на входе управляющего элемента. Значения напряжения смещения на входе обычно лежат в пределах от 0,1 до 1 В. Существует ряд схем, которые позволяют осуществлять подачу напряжения смещения во входную цепь от источника питания выходной цепи. Такие схемы называют схемами смещения фиксированным током или фиксированным напряжением. Рассмотрим их для случая, когда управляющим элементом является биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером.
Подача смещения фиксированным током. В этой схеме (рис.1.18,а) база соединена с минусом источника Ек через резистор Rб. В режиме покоя напряжение смещения на базе
U0б = Ек - IобRб,
где ток Iоб определяют по входной статической характеристике транзистора, исходя из требуемого положения начальной рабочей точки. Сопротивление базового резистора определяется по формуле:
Rб = (Ек - Uоб)/Iоб.
Напряжение Uоб << Ек, поэтому Rб = Ек/Iоб. Отсюда следует, что при установленных значениях Ек и Rб ток базы Iоб = Ек/Rб останется тем же при замене транзистора или при изменении температуры и др. Значения Rб обычно составляют десятки и сотни килоом.
В ажнейшей характеристикой усилительных устройств является коэффициент усиления по напряжению, который для рассматриваемой схемы определяется формулой
Данное выражение справедливо для ненагруженного усилительного каскада (Rн Rк).
В ходное сопротивление каскада вычисляется выражением
В ыходное сопротивление находится по формуле
Подача смещения фиксированным напряжением. Напряжение смещения создается делителем напряжения с резисторами R1 R2 (рис.1.18,б), через которые проходят токи делителя IR1 и IR2. Сопротивления делителя определяются по формулам:
R1 = (Eк - Uоб)/IR1;
R2 = Uоб/IR2.
При расчете схемы сопротивления делителя выбираются таким образом, чтобы токи проходящие через них были в 35 раз больше тока Iоб. В этом случае изменение тока базы Iоб не вызывает ощутимого изменения напряжения смещения, практически оно остается постоянным.
Температурная стабилизация режимов работы. Основные свойства усилительного каскада (КПД, нелинейные искажения, мощность выходного сигнала и т.д.) определяются положением начальной рабочей точки. Поэтому при изменении температуры, замене управляющего элемента и т.д. положение начальной рабочей точки не должно изменяться сверх допустимых значений. Вместе с тем, параметры транзисторов (например, коэффициент усиления и обратный ток коллекторного перехода) существенно зависят от температуры. Для того, чтобы обеспечить работоспособность усилительного каскада при изменении температурных условий используют схемы стабилизации положения начальной рабочей точки.
Эмиттерная стабилизация (рис.1.19,а). Стабилизация осуществляется введением в схему последовательной отрицательной ОС по постоянному току. Напряжение обратной связи снимается с резистора Rэ, который включен в цепь эмиттера. Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу,
Uоб = R2IR2 - RэIоэ
С изменением температуры изменится ток покоя коллектора, а следовательно, и ток покоя эмиттера (например, увеличится). Начальная рабочая точка при этом должна изменить свое положение, но этого не происходит, т.к. напряжение смещения Uоб уменьшится, а вместе с этим уменьшатся и токи транзистора. Начальная рабочая точка остается на прежнем месте.
Для исключения влияния отрицательной ОС по переменному току на коэффициент усиления параллельно резистору Rэ включен конденсатор Сэ. Чтобы переменная составляющая эмиттерного тока на всех частотах усиливаемого сигнала не проходила через резистор Rэ емкость конденсатора Сэ должна быть большой. При этом емкостное сопротивление 1/(2fСэ) << Rэ.
Коллекторная стабилизация (рис.1.19,б). Стабилизация осуществляется введением отрицательной ОС по напряжению. Напряжение подается через резистор Rб, который включается между коллектором и базой. При этом напряжение на коллекторе Uок = Uоб + RбIоб. Поскольку напряжение Uоб мало по сравнению с напряжением на резисторе Rб им можно пренебречь. Тогда
RбIоб = Ек - Rк(Iок + Iоб),
откуда следует, что, например, при увеличении температуры и, следовательно, тока Iок напряжение на резисторе Rб равное RбIоб, уменьшается, т.е. уменьшается ток Iоб, а это вызывает уменьшение тока Iок. Чтобы исключить отрицательную ОС по переменной составляющей коллекторного напряжения, (что вызвало бы снижение коэффициента усиления усилителя) в цепь ОС вводят конденсатор. При этом резистор Rб заменяют двумя с примерно равными сопротивлениями (рис.1.19,в) и конденсатор включают между ними и заземленной точкой, в результате чего переменная составляющая напряжения ОС не попадает на базу транзистора. Коллекторная стабилизация проще и экономичней эмиттерной, но уступает ей по диапазону стабилизируемых температур.
Усилители постоянного тока. Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие приборы, которые способны усиливать не только переменные, но и постоянные составляющие напряжения и тока. Низшая рабочая частота таких усилителей нулевая, а верхняя может быть любой, вплоть до очень высокой.
Частотная характеристика УПТ равномерна. В таких усилителях используется только гальваническая связь между каскадами. Отсутствие реактивных элементов приводит к тому, что через усилитель могут одновременно проходить полезный сигнал и сигнал помехи, обусловленный различного рода электрическими процессами, чаще всего нестационарного характера. Такими процессами могут быть, например, изменение во времени характеристик и параметров транзисторов из-за изменения условий окружающей среды либо с течением времени, нестабильность напряжения источника питания и др. В результате этого на выходе усилителя появляются ложные сигналы не отличающиеся от полезных.
Непостоянство выходного напряжения при неизменном уровне входного сигнала, обусловленное влиянием помех, называется дрейфом нуля усилителя.
При построении практических схем УПТ принимают меры для борьбы с дрейфом нуля, а именно, жесткая стабилизация источников питания, использование отрицательных обратных связей, применение балансных (дифференциальных) и компенсационных схем.
УПТ - наиболее распространенный тип усилительных устройств в вычислительной технике. Они имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием сигнала и др.).