STR-22~1

1.2.2. 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 (U_ср, I_ср);

-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 R_н 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 R_н 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

U_ср = U_2m/.

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно

U_обр.m = U_2m.

Среднее значение тока вентиля

I_а.ср = I_ср.

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 U_2a и U_2b 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 R_н 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:

U_обр.m = 2U_2m.

Среднее значение тока через вентиль (по условию симметрии)

I_а.ср = I_ср/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 R_н 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

U_обр.m = U_2m.

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 R_н.

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 R_н, создаваемый токами каждого вентиля, имеет одно направление и равен сумме токов каждой из фаз.

Среднее значение выпрямленного напряжения

U_ср = 1,17 U_2ф.

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде ли­нейного напряжения или

U_обр.m = 2,09 U_ср.

Средний ток через вентиль равен одной третьей тока нагрузки

I_а.ср = I_ср/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

U_ср = 2,34 U_2ф.

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 R_вх>>R_и, а сопротив­ление нагрузки намного больше выходного сопротивления усилителя R_н>>R_вых. Режим усилителя тока обеспечивается, когда R_вх<<R_и и R_н<<R_вых. В режиме усилителя мощности R_вхR_и и R_выхR_н. 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 R_вх представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя для сигнала переменного тока. Выходное сопротивление R_вых 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 К_u = U_вых/U_вх, по току K_i = I_вых/I_вх и по мощности K_p = P_вых/P_вх. Коэффициент усиления по мощности всегда число действительное.

Коэффициент усиления обычно выражают в логарифмических единицах - децибелах. Формулы перевода имеют вид: K_u(дБ) = 20lgK_u; K_i(дБ) = 20lgK_i; K_p(дБ) = 10lgK_p.

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 f_н и f_в на которых искажения достигают гранично допусти­мую величину для усилителя данного назначения, называются граничны­ми. Диапазон частот f = f_в - f_н 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 (U_вх>U_{вх.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 = U_{вх.макс}/U_вх.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 Е_и и источник смещения Е_см. Нагрузкой транзистора для постоянного коллекторного тока является сопротивление R_к. Будем считать, что сопротивление конденсато­ра С_р, через который усиленное напряжение переменного сигнала пере­дается к внешней нагрузке, а также внутреннее сопротивление источ­ника питания Е_к переменной составляющей выходного коллекторного то­ка незначительны по сравнению с последовательно включенными с ними сопротивлениями R_н и R_к. Это справедливо для большей части рабочего диапазона частот усилителя. Поэтому сопротивление нагрузки коллек­торной цепи переменному току R_н.экв = R_кR_н/(R_к + R_н), где: R_н - 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

U_вых = Е_к - I_выхR_к.

Данное выражение является уравнением прямой линии в системе ко­ординат статических выходных характеристик I_вых = f(_Uвых), ее стро­ят по двум точкам: первая точка - U_к = 0, I_к = Е_к/R_к; вторая точка - I_к = 0, U_к = Е_к. 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 U_вх.0, определяемом источни­ком смещения Е_см, 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 R_к, а R_н.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 I_вых = f(U_вх). 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 I_вх = f(U_вх). Поскольку входные статические характерис­тики для разных значений U_вых 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 Е_к через резистор R_б. В режиме покоя напряжение смещения на базе

U_0б = Е_к - I_обR_б,

где ток I_об определяют по входной статической характеристике тран­зистора, исходя из требуемого положения начальной рабочей точки. Сопротивление базового резистора определяется по формуле:

R_б = (Е_к - U_об)/I_об.

Напряжение U_об << Е_к, поэтому R_б = Е_к/I_об. Отсюда следует, что при установленных значениях Е_к и R_б ток базы I_об = Е_к/R_б останется тем же при замене транзистора или при изменении температуры и др. Значения R_б 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 (R_н  R_к).

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 I_R1 и I_R2. Сопротивления делите­ля определяются по формулам:

R₁ = (E_к - U_об)/I_R1;

R₂ = U_об/I_R2.

При расчете схемы сопротивления делителя выбираются таким обра­зом, чтобы токи проходящие через них были в 35 раз больше тока I_об. В этом случае изменение тока базы I_об 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 R_э, который включен в цепь эмиттера. Напряжение смещения, приложенное к эмит­терному переходу,

U_об = R₂I_R2 - R_эI_оэ

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 U_об 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 R_э включен конденсатор С_э. Чтобы переменная составляющая эмиттерного тока на всех частотах усиливаемого сигнала не проходила через резистор R_э емкость конден­сатора С_э должна быть большой. При этом емкостное сопротивление 1/(2fС_э) << R_э.

Коллекторная стабилизация (рис.1.19,б). Стабилизация осуществля­ется введением отрицательной ОС по напряжению. Напряжение подается через резистор R_б, который включается между коллектором и базой. При этом напряжение на коллекторе U_ок = U_об + R_бI_об. Поскольку нап­ряжение U_об мало по сравнению с напряжением на резисторе R_б им мож­но пренебречь. Тогда

R_бI_об = Е_к - R_к(I_ок + I_об),

откуда следует, что, например, при увеличении температуры и, следо­вательно, тока I_ок напряжение на резисторе R_б равное R_бI_об, умень­шается, т.е. уменьшается ток I_об, а это вызывает уменьшение тока I_ок. Чтобы исключить отрицательную ОС по переменной составляющей коллекторного напряжения, (что вызвало бы снижение коэффициента уси­ления усилителя) в цепь ОС вводят конденсатор. При этом резистор R_б 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.).