Электроника учебное пособие

Iср = 2Im / π = 22Iвх / π .

Коэффициент пульсации данной схемы равен ε = Um1 = 0,67 .

Ucр

По данным выражениям можно сделать вывод, что эффективность однофазного двухполупериодного выпрямителя значительно выше однополупериодной схемы, что предопределило ее широкое использование.

121

Недостатки данной схемы:

∙необходимость двух источников входного напряжения, привлечение трансформатора;

∙высокое значение напряжения, прикладываемого к диодам при их обратном смещении.

Однофазный мостовой выпрямитель. Данная схема построена на использовании мостовой схемы включения диодов. При этом к одной диагонали моста подведено переменное напряжение, а к другой диагонали подключен нагрузочный резистор Rн (рис. 11.6). Рассмотрим особенности его функционирования (рис. 11.7).

На интервале 0 < t < T/2 точка а вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к потенциалу точки b, диоды D1 и D3 открыты, и в нагрузочном резисторе Rн возникает ток. В это время диоды D2 и D4 закрыты.

На интервале T/2 < t < T потенциал точки а вторичной обмотки трансформатора является более отрицательным, чем потенциал точки b, диоды D2 и D4 открыты, а диоды D1 и D3 закрыты. При этом в нагрузочном резисторе Rн ток имеет то же направление, что и в первый полупериод входного напряжения.

122

Таким образом, данная схема позволяет в два раза снизить значение напряжения, прикладываемого к диодам при их обратном смещении.

§11.2. УСТРОЙСТВА СОГЛАСОВАНИЯ УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Всоответствии с функциональными задачами помимо согласования частоты питающего напряжения в ИВП необходимо преобразование также его уровня.

Наиболее простым и энергетически эффективным является преобразование уровней переменного напряжения, осуществляемое при использовании трансформатора.

Более сложную задачу представляет собой преобразование постоянного напряжения одного уровня в другое. В этом случае приходится сначала преобразовать исходное постоянное напряжение в переменное. Затем изменить уровень полученного переменного напряжения до требуемого, применяя для этой цели трансформатор. И только после этого с помощью выпрямителя получать требуемый уровень постоянного напряжения питания.

Амплитудные ограничители

Различают односторонние и двусторонние амплитудные ограничите-

ли.

Односторонний ограничитель – это устройство, напряжение на выходе которого Uвых (t) остается постоянным на уровне Uогр , когда входное

напряжение Uвх (t) либо превышает некоторое пороговое значение Uпор

(ограничение сверху), либо ниже порогового значения (ограничение снизу). Иначе выходное напряжение повторяет форму входного.

Двусторонние ограничители ограничивают сигнал на двух уровнях. Наиболее простыми являются ограничители на диодах (диодные ограничители).

123

Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные. В последовательных ограничителях диод включен последовательно с нагруз-

124

Uвх . Таким образом, данный ограничитель является параллельным диод-

ным ограничителем на отрицательном уровне снизу.

Рис. 11.10. Схема параллельного диодного ограничителя и его временные диаграммы

Рассмотрим двусторонний диодный ограничитель (рис. 11.11), представляющий собой комбинацию двух параллельных односторонних диодных ограничителей. Из анализа схемы видно, что диод D1 открыт лишь в промежутках времени, когда входное напряжение меньше − E1 и Uвых на этом промежутке ограничивается на уровне − E1. Диод D2 открыт лишь в промежутках времени, когда входное напряжение больше, чем E2 и Uвых на этом промежутке ограничивается уровнем E2 .

Рис. 11.11. Схема двустороннего диодного ограничителя

иего временные диаграммы

§11.3. УСТРОЙСТВА СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ

Преобразованное по уровню и частоте напряжение в ряде случаев не может быть непосредственно применено для питания электронных устройств, так как коэффициент пульсаций и изменение среднего значения

125

выпрямленного напряжения превышают предельно допустимые значения для современной элементной базы электронных схем. В связи с этим необходимы дополнительные устройства, которые бы обеспечивали получение заданной стабильности выходного напряжения ИВП. При обеспечении стабильности выходного напряжения решаются соответственно две задачи:

1)стабилизация мгновенных значений выходного напряжения (уменьшение пульсаций напряжения);

2)стабилизация среднего значения выходного напряжения на заданном уровне.

Стабилизация мгновенного значения выходного напряжения

Данная задача решается путем введения в цепь передачи напряжения дополнительного звена (Ф), коэффициент передачи которого для переменной составляющей напряжения существенно меньше, чем для его постоянной составляющей. В результате постоянная составляющая напряжения проходит в нагрузку практически без изменений, а его переменная составляющая ослабляется делителем, образованным введенным звеном и нагрузкой ИВП.

В качестве иллюстрации устройства, позволяющего выполнить стабилизацию мгновенного значения выходного напряжения, рассмотрим простейший RC-фильтр (рис. 11.12). Данное устройство подключается ме-

ляющей напряжения; τ = Rн RфCф – постоянная времени звена.

Rн + Rф

126

Если предположить, что ωτ >> 1, то K(ω) = (ωτK0).

Отсюда видно, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент передачи звена падает, а следовательно, амплитуды высокочастотных составляющих, передаваемых звеном в нагрузку, будут уменьшаться. В то же время, если выполняется условие Rн >> Rф , то K0 ≈ 1 и посто-

янная составляющая выпрямленного напряжения передается в нагрузку Rн практически без изменений.

Звено, коэффициент передачи которого для переменной составляющей электрического сигнала существенно меньше, чем для его постоянной составляющей, называется сглаживающим фильтром.

Важнейшим параметром сглаживающего фильтра, показывающим, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации напряжения, является коэффициент сглаживания, который определяется следующим выражением:

S = ε1 , ε2

127

Дальнейшее увеличение входного напряжения приведет к смещению в прямом направлении диода. В момент времени, когда диод открыт, происходит заряд емкости, т. е. конденсатор накапливает энергию.

В момент времени t2...t3 диод закрыт, так как uC (t2 ) > uвх (t2 ), источ-

ник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. При этом происходит разряд конденсатора. Данный процесс характеризуется экспонентой с постоянной времени τ = RнCф . Ток через диод протекает только

часть полупериода (отрезок t1...t2), чем короче этот отрезок, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость Сф велика, то отрезок времени t1...t2 становится очень малым, а амплитуда

тока диода очень большой, что может привести к выходу диода из строя. В то же время чем больше емкость Сф , тем меньше реальная пульсация вы-

ходного напряжения, тем короче интервал (t2 – t1) и тем ближе значение напряжения нагрузки к амплитудному значению входного напряжения.

Стабилизация среднего значения выходного напряжения

Данную операцию ореализуют с помощью дополнительного звена, коэффициент передачи которого по постоянной составляющей изменяется таким образом, чтобы уменьшить или полностью исключить отклонение выходной электрической величины от заданного значения. Звено, выполняющее данную функцию, называется стабилизатором. Существующие стабилизаторы могут быть разделены на два класса: параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор обеспечивает поддержание выходного напряжения за счет собственной нелинейности используемого полупроводникового элемента.

Компенсационный стабилизатор – замкнутая система автоматиче-

ского регулирования, коэффициент передачи которой зависит от разности входного и некоторого эталонного напряжений.

В зависимости от места включения стабилизирующего устройства все стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные.

Параметрический стабилизатор напряжения. Типовая схема пара-

метрического стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне,

128

Uвх = Uвх max − Uвх min

будет соответствовать изменение выходного напряжения

Uвых = Uвых max − Uвых min ,

причем Uвх >> Uвых .

Компенсационный стабилизатор напряжения

Рассмотрим параллельную (рис. 11.15, а) и последовательную (рис. 11.15, б) схемы стабилизации напряжения. Обе схемы содержат регулирующий элемент, схему сравнения, эталонный источник (опорный источник).

В параллельной схеме: Iу → 0 , Uн = Uвх −U Rб , URб = (Iр + Iн )Rб .

Изменение падения напряжения на нагрузке может быть вызвано либо изменением сопротивления нагрузки ( Rн ), либо изменением значения

129

входного напряжения (Uвх ). Во втором случае стабилизация происходит по следующей схеме.

Изменение входного напряжения определяет изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки, что связано с возникновением разностного напряжения ( U) на схеме сравнения, величина которого определяет приращение силы тока через регулирующий элемент ( Iр ). Прираще-

ние Iр определяет изменение падения напряжения на сопротивлении Rб ( U Rб ), которое, в свою очередь, определяет обратное изменение приращения падения напряжения на сопротивлении нагрузки, т.е. стабилизацию. Например,

Uвх −→ U Rн −→ U → Iр −→ U Rб −→ U Rн ↓ ,

т.е. за счет изменения напряжения на нагрузке изменяется ток через регулирующий элемент, возникает дополнительное изменение напряжения на Rб , за счет которого прирост напряжения на нагрузке будет сокращен, как следствие Uн практически постоянен.

В последовательной схеме U Rн = f (Rн ,Uвх ), цель U Rн → 0 .

Изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки приводит к появлению разностного напряжения ( U), которое определяет обратное изменение силы тока через регулирующий элемент, а как следствие – компенсацию начального изменения напряжения на сопротивлении нагрузки. Например, U Rн −→ − U → Iр ↓→ URн ↓ .

Таким образом, введение обратных связей позволяет осуществлять стабилизацию среднего значения выходного напряжения.

130