7.2 Выпрямители

Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Наиболее часто для выпрямления используются диоды (диодные ключи). Для частот 50…60 Гц пригодны низкочастотные диоды, но для более высоких частот необходимы диоды типа HEXFRED, ультрабыстрые, выпускаемые фирмой International Rectifier, время восстановления которых 40-60 нс. Объяснение состоит в том, что низкочастотные диоды имеют большое время восстановления и на высоких частотах теряют выпрямительные свойства.

Кроме того, диодные ключи должны иметь минимальное сопротивление в прямом направлении и наименьший ток утечки в обратном направлении, паразитные индуктивности и емкости должны стремиться к нулю.

На рисунках 7.1 а), б), в) изображены типовые схемы включения диодов в выпрямительные схемы.

Рисунок 7.1 – Схемы включения диодов в выпрямительные схемы

Все схемы изображены с трансформаторами, однако это устаревшие решения, т.к. трансформаторы снижают КПД. Поэтому в настоящее время предпочтительны такие же схемы выпрямителей, подключаемые к сети, но без трансформаторов. Схема рисунка 7.1,б) не имеет смысла в связи с наличием средней точки вторичной обмотки трансформатора. Недостатком варианта рисунка 7.1, а) является однополупериодное выпрямление, т.е. от сети потребляется только один полупериод, нарушается симметрия сетевого напряжения, ухудшаются энергетические показатели. Недостаток схемы рисунка 7.1, в) в 4-х диодах, но с этим приходится соглашаться, большинство выпрямителей от однофазной сети построены по этой схеме. В случае трехфазной сети применяют варианты, изображенные на рисунке 7.2, причем для включения без трансформатора, снижающего КПД, пригодна только схема рисунка 7.2, б).

Рисунок 7.2 – Трехфазные схемы диодного выпрямления:

а) – однополупериодная трехфазная; б) – двухполупериодная трехфазная

Известны диодные схемы выпрямителей с умножением напряжения, одна из которых изображена на рисунке 7.3

Рисунок 7.3 – Схема выпрямления и умножения напряжения на четыре

Желательно, чтобы отсутствовал трансформатор Тр, снижающий КПД и увеличивающий массогабаритные показатели при сетевом напряжении.

Заряд конденсаторов С1 и С2 происходит за один период напряжения на вторичной обмотке трансформатора. За второй период аналогично заряжаются конденсаторы С3 и С4 до напряжения . Таким образом, полный заряд конденсаторов происходит за два периода, при этом конденсатор С1 заряжается до напряжения, а остальные – до . Обратное напряжение на всех диодах равно. Достоинство схемы – несложность, однако выходная мощность невелика. Количество треугольных звеньев, а также коэффициент умножения могут быть увеличены.

7.3 Параметрические стабилизаторы напряжения

Выделяют параметрические, компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения. У некоторых авторов компенсационные и импульсные стабилизаторы объединены.

Под параметрическими стабилизаторами имеют в виду схемы, у которых применен нелинейный элемент – стабилитрон, с мало изменяющимся на нем напряжением и сильно изменяющимся током (параметром), как изображено на рисунке 7.4

Рисунок 7.4 – Нагрузочные прямые на характеристике стабилитрона

Если собрать схему, изображенную на рисунке 7.5, то при изменении напряжения питания от до(или наоборот), напряжение на нагрузке будет относительно стабильным – в пределах проекций точек 1 и 2 на горизонтальную ось, потому что характеристика стабилитрона почти вертикальна.

Рисунок 7.5 – Схема параметрического стабилизатора

Таким образом, в схеме параметрического стабилизатора необходим балластный резистор , принимающий на себя избыток напряжения питания при его качке.

Схему рисунка 7.5 можно представить так, как показано на рисунке 7.6

Рисунок 7.6 – Схема параметрического стабилизатора,

подготовленная к объединениюи

Из схемы рисунка 7.6 видно, что иможно объединить, используя метод холостого хода и короткого замыкания из теоретических основ электротехники:

;

Приходим к схеме рисунка 7.7, характеристики для которой

Рисунок 7.7 – Эквивалентная схема

изображены на рисунке 7.4. Задаваясь диапазоном и разместив прямыетак, как это необходимо разработчику, рассчитываемпри заданной величине.

Схемы параметрических стабилизаторов могут быть различными, но их общий недостаток – низкий КПД. Поэтому применяют параметрические стабилизаторы в основном в качестве источников опорного напряжения в компенсационных и импульсных стабилизаторах, т.е. в тех случаях, когда снимаемая с них мощность настолько мала, что проблемой КПД можно пренебречь.

Так как стабилизаторы, несмотря на стабильность характеристик, изменяют свои параметры при нарастании или убывании температуры, то производят различные усовершенствования, как на рисунках 7.8 а), б), в).

Рисунок 7.8 – Усовершенствованные схемы стабилизации

Стабилитроны с напряжением стабилизации больше 6 В имеют положительный температурный коэффициент (ТКН) напряжения около , а диоды в прямом включении имеют отрицательный ТКН (около). При последовательном включении, как на рисунке 7.8, а) можно значительно ослабить общую температурную нестабильность. Так, например, в стабилитронах типа Д818Е последовательно со стабилитроном при его изготовлении включены два диода, которые и обеспечивают температурную стабилизацию.

В схеме рисунка 7.8, б) стабилитрон VD включен в эмиттерную цепь транзистора VT2, следовательно, возникает отрицательная обратная связь по напряжению (по напряжению потому, что в коллекторной цепи VT2 нет резистора, следовательно, весь сигнал выделяется в эмиттерной цепи, и он пропорционален напряжению). Эта отрицательная обратная связь существенно снижает выходное сопротивление каскада, приближает характеристику стабилитрона на рисунке 7.4 к вертикали, т.е. к нулю, диапазон уменьшается. Кроме того, переход БЭ транзистораVT1 имеет отрицательный ТКН, компенсирует положительный ТКН стабилитрона VT2.

Схема рисунка 7.8, в) реализована на операционном усилителе, изображенном по Европейскому стандарту в виде прямоугольника (по Американскому стандарту операционный усилитель изображается треугольником ). Знакв поле прямоугольника означает однонаправленную передачу сигнала слева направо и отсутствие такой передачи справа налево. Знакуказывает на то, что в идеале операционный усилитель имеет бесконечно большие коэффициент усиления, полосу пропускания, входное сопротивление. Из двух входов операционного усилителя один обозначен кружочком – инвертирующий, второй – неинвертирующий. В цепи инвертирующего входа образована отрицательная обратная связь через резисторыR1 и R2, снижающая коэффициент усиления по напряжению со 100 тысяч единиц до единиц, стабилизирующая процессы в схеме. Стабилитрон VD1 и диод VD2 включены так, как показано на рисунке 7.8, а).

Например, если ,, то необходимо выполнить условиеR2=9R1 (при R1=1кОм получим R2=9кОм). Для обеспечения тока необходимо выбрать.

Опорные источники с напряжением запрещенной зоны (bandgap) свое название получили потому, что выходное напряжение при нулевом значении ТКН равно напряжению запрещенной зоны кремния, т.е. примерно 1,22 В. На этом принципе выполнен регулируемый прецизионный интегральный стабилизатор 142ЕН13 (аналог микросхемы TL431 фирмы Texas Instruments). Упрощенная схема этой ИМС приведена на рисунке 7.9, а).

Рисунок 7.9 – Стабилизатор bandgap

Т.к. фирма Texas Instruments американская, то операционный усилитель ОУ изображен на рисунке 7.9, а) в американском стандарте, в виде треугольника. Диод VD введен для защиты от несанкционированного обратного напряжения («защита от дурака»). Справа на рисунке 7.9, а) приведено условное изображение этой микросхемы в виде стабилитрона с боковым выводом У. На рисунке 7.9, б) изображена схема включения, она подобна рисунку 7.5, отличие в делителе R1, R2, устанавливающем уровень стабилизируемого напряжения.

Типовые параметры микросхемы рисунка 7.9:

- ТКН 0,0003 %;

- регулируемое выходное напряжение от 2,5 до 36 В;

- дифференциальное выходное сопротивление 0,2 Ом;

- максимальный ток нагрузки 100 мА;

Как уже отмечалось, недостаток схемы – низкий КПД.

Температурно-стабилизированные источники напряжения типа 2С483 (аналог ИMC LM199 фирмы National Semiconductor) содержат интегральный стабилитрон, выполненный по одной из рассмотренных схем, и прецизионный термостат, управляемый датчиком температуры. Термостат обеспечивает постоянную температуру кристалла интегрального стабилитрона при помощи нагревательной схемы, дополненной датчиком температуры. Т.е. термостат изначально нагрет и при повышении температуры окружающей среды вплоть до температуры нагретого термостата, его температура остается почти постоянной. Но если температура окружающей среды превзошла температуру термостата, то, конечно, и его температура повышается.

Т.о. в регулируемой области температурно-стабилизированные источники обеспечивают ТКН до 0,00002 %, что на порядок меньше, чем у любого интегрального стабилитрона.

Схема включения температурно-стабилизированного источника опорного напряжения (ИОН) изображена на рисунке 7.10.

Рисунок 7.10 – Схема включения температурно-стабилизированного ИОН

Интегральный стабилитрон имеет дифференциальное выходное сопротивление меньше 0,5 Ом, низкий уровень шума и высокую долговременную стабильность. Время выхода на рабочий режим (время разогрева) составляет 3с.