Электронные выпрямители и стабилизаторы
Для многих современных электронных устройств необходима энергия постоянного
тока, Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы,
аккумуляторы, генераторы постоянного тока, термоэлектогенераторы и
выпрямители. Наиболее распространенным источником постоянного тока является
выпрямитель.
Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии
переменного тока в энергию постоянного тока. По сравнению с другими
источниками постоянного тока выпрямители обладают существенными
преимуществами: они просты в эксплуатации и надежны в работе, обладают высоким
КПД, имеют длительный срок службы. Структурная схема выпрямителя приведена на
рис.
Трансформатор 1 предназначен для изменения питающего напряжения сети с целью
получения заданной величины выпрямленного напряжения на нагрузке 4. С помощью
выпрямителя 2 осуществляют преобразование переменного напряжения в
пульсирующее. Фильтр 3 предназначен для сглаживания пульсаций выходного
напряжения выпрямителя. В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые
звенья приведенной структурной схемы, за исключением основного элемента -
выпрямителя. Например,выпрямитель может быть включен в сеть без трансформатора
или работа выпрямителя на нагрузку осуществляется без фильтра. С другой
стороны, очень часто в состав выпрямителя входит стабилизатор напряжения или
тока, который можно включать на выходе (по постоянному току) или на входе (по
переменному току). Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с
помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного
тока. Такие выпрямители называются однофазными. Они делятся на:
а) однополупериодные, в которых ток через вентиль проходит в течение одного
полупериода переменного напряжения сети;
б)двухполупериодные, в которых ток проходит через вентиль в течение обоих
полупериодов;
в) схемы с умножением напряжения.
Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и
большой мощности, работающие от трехфазной сети. В современных выпрямителях в
качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды.
В электронной аппаратуре широко применяются преобразователи постоянного
напряжения, позволяющие преобразовать постоянный ток одного напряжения в
постоянный или переменный ток другого напряжения.
Однополупериодные выпрямители
Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой является простейшей
из известных схем выпрямления. Для упрощения анализа будем считать диод и
трансформатор идеальными, т.е. полагаем, что сопротивление диода в прямом
направлении равно нулю, в обратном - бесконечности, а активные и реактивные
сопротивления обмоток трансформатора равны нулю.
В течение первого полупериода напряжения на вторичной обмотке Тр, когда на
аноде диода VD потенциал будет положительный относительно катода, диод
открыт. Напряжение U2 на вторичной обмотке трансформатора будет
непосредственно приложено к нагрузке Rн и в ней возникнет ток I2, который
будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке Тр, так как Тр
идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD будет отрицательный
относительно катода потенциал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным
нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке, его постоянную
составляющую Uo=Uн в пределах периода, можно найти из следующего равенства:
т.е. действующее напряжение вторичной обмотки Тр в 2,22 раза превышает
выпрямленное напряжение на нагрузке. Постоянную составляющую выпрямленного
тока Iо можно подсчитать по формуле
Iо= Uо/R = U2m/ПRн = I2m/П = 0,318 I2m
Обычно значение напряжения Uо и Iо задается при расчете выпрямителя.
Если напряжение сети U1 известно, то коэффициент трансформации трансформатора,
необходимый для обеспечения заданного напряжения Uо на нагрузке, должен быть
равен n=U1/U2
Из работы схемы следует, что в течение тех полупериодов, когда диод закрыт, к
нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной обмотке Тр, причем
это напряжение имеет обратную для диода полярность. Максимальная величина
этого напряжения, называемая обратным напряжением Uобр, в нашем случае равна
амплитуде напряжения на вторичной обмотке Тр U2m, т.е.
Uобр=U2m=3,14 Uо
Таким образом максимальное обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза
превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.
При проектировании однополупериодных выпрямителей важно правильно выбрать тип
диода, который удовлетворительно работал бы в такой схеме.
Этот выбор проводят на основе двух соображений.
Во-первых, диод должен обладать определенной электрической прочностью, т.е.
допустимое обратное напряжение для диода должно быть больше или равно
расчетному обратному напряжению схемы: Uобр мах.>= Uобр, где
Uобр мах - максимально допустимое обратное напряжение выбранного диода.
Если неравенство не выполняется, необходимо либо взять диод с более высоким
допустимыми обратным напряжением, либо включить несколько однотипных диодов
последовательно.
Во-вторых, допустимый ток диода должен превышать величину Iо. Поэтому
необходимо, чтобы Iпр ср мах >= Iо. Если неравенство не выполняется, то
необходимо подобрать диод с более высоким значением Iпр ср мах или включить
несколько однотипных диодов параллельно друг другу.
Из осциллограмм видно, что напряжение на нагрузке пульсирует, достигая
максимального значения один раз за период, такую кривую напряжения можно
представить в виде суммы постоянной составляющей и ряжа синусоид различной
амплитуды и частоты.
Постоянная составляющая Uо, т.е. среднее значение выпрямленного напряжения на
нагрузке, была определена ранее. Из переменных составляющих выпрямленного
напряжения наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой (основной)
частоты, т.е. амплитуда первой гармоники. Для однополупериодной схемы
амплитуда первой гармоники U1гм= 1,57 Uо
Частота первой гармоники fг равна частоте сети fс, так как кривая напряжения
на нагрузке достигает максимального значения один раз за период.
Пульсации напряжения на нагрузке оцениваются коэффициентом пульсаций
Кп=U1гм/Uо или
для однополупериодной схемы коэффициент пульсаций
Кп= 1,57Uо/Uо = 1,57,
т.е. амплитуда первой гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.
По вторичной обмотке проходит постоянная составляющая тока нагрузки Iо. Она
подмагничивает сердечник Тр. В стали Тр возникают потери, увеличивается ток
холостого хода Тр и снижает КПД всего устройства.Для уменьшения тока
холостого хода и потерь в стали Тр приходится увеличивать сечение его
сердечника. Это увеличивает габариты и массу всего выпрямителя.
Постоянная составляющая Iо тока в отличие от переменных не трансформируется в
первичную обмотку Тр, поэтому для определения величины и формы тока в
первичной
обмотке нужно вычесть их тока вторичной обмотки i2 постоянную составляющую Iо
и мгновенные значения тока изменить в n раз:
Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется по
формуле Po= UoIo
При определении мощности Тр необходимо учитывать не только постоянные, но и
переменные составляющие тока и напряжения. Эта мощность называется габаритной
и определяется действующими значениями тока и напряжения
S2= U2I2; S1= U1I1; Sтр= 0,5(S1+S2), где
S2,S1,Sтр - габаритные мощности вторичной, первичной обмотки и Тр, В*А.
В однополупериодной схеме выпрямления габаритная мощность вторичной обмотки
больше,чем первичной, из-за наличия постоянной составляющей в токе вторичной
обмотки, следовательно, габаритная мощность Тр также возрастает. Это является
недостатком однополупериодной схемы выпрямления.
Коэффициентом использования Тр называется отношение полезной мощности
выпрямителя к габаритной мощности Тр:
Ктр= Po/Sтр
Для однополупериодной схемы выпрямления S1= 2,69Po, S2= 3,49Po, Kтр= 0,324
Большой коэффициент пульсации, большие размеры трансформатора вследствие
плохого использования его обмоток, большое обратное напряжение на диод
ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления несмотря на ее
простоту.
Из-за больших пульсаций эту схему используют с емкостным фильтром.
Друхполупериодные выпрямители
Двухполупериодные схемы выпрямления бывают двух типов, схема с выведенной
средней точкой вторичной обмотки силового Тр и мостовая схема.
Двухполупериодная схема с выводом средней точки состоит из Тр, вторичная
обмотка которого имеет дополнительный вывод от средней точки, двух диодов VD1
и VD2. Данная схема представляет собой сочетание двух однополупериодных схем,
работающих на общую нагрузку. В этой схеме в течение первого полупериода
(интервал 0 - П) диод VD1 будет открыт, так как к аноду диода приложен
положительный потенциал с верхней точки вторичной обмотки Тр, а катод через
нагрузку подключен к среднему выводу вторичной обмотки, который имеет
отрицательный потенциал. Через нагрузку Rн будет проходить ток ivd1 первого
диода. На этом же отрезке времени к диоду VD2 будет приложено обратное
напряжение (с другой половины вторичной обмотки Тр) и он окажется закрытым. В
течение следующего полупериода (интервал П - 2П) прямое напряжение окажется
приложенным ко второму диоду, а обратное - к первому диоду, поэтому открытым
будет диод VD2 и по нагрузке в течение всего периода переменного напряжения
протекает в одном и том же направлении. Этот ток вызывает на нагрузке
пульсирующее напряжение Uн.
Постоянная составляющая напряжения на нагрузке Uo за период будет в 2 раза
больше, чем при однополупериодном выпрямлении, и тогда с учетом этого
Uo= 2* V2 U2/П = 0,9 U2, где
U2 - действующее значение напряжения на одной из полуобмоток трансформатора.
Максимальное обратное напряжение на диоде, например на VD1, определяется
максимальным напряжением между концами вторичной обмотки, так как к аноду
диода VD1 приложено напряжение верхнего конца вторичной обмотке, в данный
момент отрицательное, а к катоду через диод VD2, который проводит ток,
приложено положительное напряжение нижнего конца вторичной обмотки.
Uобр= 2V2 U2= ПUo= 3,14Uo
Следовательно, в двухполупериодной схеме максимальное обратное напряжение на
диоде также как и в однополупериодной более чем в 3 раза превышает
выпрямленное напряжение.
Если в данной схеме ток через каждый диод проходит только в течение половины
периода, то в это же время через нагрузку он идет в течение всего периода. Это
означает, что среднее значение тока через диод в 2 раза меньше, чем среднее
значение тока через нагрузку Io.
Iпр ср= 0,5 Io
А действующее значение тока, проходящего через вторичную обмотку Тр, для
двухполупериодной схемы равно I2= 0,78 Io,
т.е. в 2 раза меньше, чем в однополупериодной схеме.
Из временных диаграмм видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума
дважды за период напряжения сети. Поэтому частота основной гармоники
пульсирующего напряжения равна удвоенной частоте напряжения сети.
Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций К = 0,67.
Следовательно, рассмотренная схема дает более сглаженное выпрямленное
напряжение, чем однополупериодная.
Сердечник Тр в данной схеме выпрямления не подмагничивается, так как во время
четных полупериодов постоянная составляющая тока, проходя по нижней части
вторичной обмотки Тр, размагничивает сердечник Тр, который намагнитился во
время нечетных полупериодов.
Ток первичной обмотки синусоидален.
Так как для получения выпрямленного напряжения необходим Тр с средним выводом
вторичной обмотки и каждая из половин вторичной обмотки работает только
полпериода, то вторичная обмотка в этой схеме используется не полностью и
коэффициент использования обмоток Тр ниже.
Для этой схемы S1= 1,23Po; S2= 1,74Po; Sтр= 1,48Po; Ктр= 0,685.
Сравнивая двухполупериодную и однополупериодную схему выпрямления можно
сделать следующие выводы:
1)среднее значение тока диода уменьшается в 2 раза при одном и том же токе
нагрузки;
2)меньше коэффициент пульсаций (0,67), лучше используется Тр.
3) обратное напряжение в обоих схемах одинаково.
Недостатки.
Необходимость вывода средней точки вторичной обмотки Тр, а также наличие двух
диодов вместо одного.
Широкое распространение получила двухполупериодная мостовая схема выпрямителя,
в которой используется простой Тр и четыре диода, включенных по мостовой
схеме. Переменное напряжение подводится к одной диагонали моста, а
выпрямленное напряжение снимается с другой.
Пусть в некоторый момент времени переменное напряжение на вторичной обмотке Тр
таково, что потенциал точки А выше потенциала точки В. Тогда от точки А (+
источника напряжения) ток будет проходить через диод VD4 к точке Г, далее
через нагрузку к точке Б и через диод VD2 к точке В (- источника напряжения).
В течение следующего полупериода, когда потенциал точки В выше потенциала
точки А, ток от точки В будет проходить через диод VD3,нагрузке и диод VD1 к
точке А. В любой полупериод ток через нагрузку проходит в одном направлении.
Временные диаграммы мостовой схемы совпадают с диаграммами двухполупериодной
схемы.
Поэтому для мостовой схемы оказывается справедливым соотношение Uo= 0,9 U2.
Среднее значение тока проходящего через каждый диод Iпр ср= 0,5Io.
Выпрямленный ток в данной схеме протекает во вторичной обмотке в течение обоих
полупериодов то в одном, то в другом направлении, поэтому отсутствует
намагничивание сердечника Тр. Это позволяет уменьшить размеры и массу Тр.
Для мостовой схемы S1= S2= Sтр= 1,23Po; Ктр= 0,81.
Когда диод VD1 не проводит ток, к его аноду приложены положительный потенциал
с верхнего конца вторичной обмотки, а к катоду через открытый диод VD2
приложен отрицательный потенциал нижнего конца вторичной обмотки. Таким
образом,в не проводящем направлении диод оказывается под напряжением вторичной
обмотки Тр:
Uобр= U2m=V2 U2= 1,57Uo, т.е. обратное напряжение на мостовой схеме в 2 раза меньше, чем в
двухполупериодной со средней точкой.
Коэффициент пульсаций такой же, как и в схеме со средней точкой: Кп=0,67.
Преимущества мостовой схемы выпрямителя перед схемой со средней точкой:
1) обратное напряжение, прикладываемое к не работающим диодам, в 2 раза
меньше;
2) конструкция Тр проще, так как не требуется вывода средней точки вторичной
обмотки;
3) возможность применения схемы без трансформатора, когда напряжение сети
соответствует напряжению, которое должно быть приложено к мосту;
4) габариты и масса Тр меньше вследствие лучшего использования обмоток.
Недостатком мостовой схемы можно считать наличие 4-х диодов вместо двух.
Выпрямители с умножением напряжения
Схемы умножения напряжения позволяют получать напряжение на нагрузке в
несколько раз больше напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Простейшая схема выпрямителя с умножением напряжения.
Она состоит из двух однополупериодных выпрямителей, питаемых от одной и той же
вторичной обмотки Тр. Один из выпрямителей образован диодом VD1 и
конденсатором С1, второй - диодом VD2 и конденсатором С2. Нагрузка включена
параллельно конденсатору С2.
В течение полупериода, когда нижний конец вторичной обмотки Тр является
положительным, ток проходит через диод VD1 и заряжает конденсатор С1.
В следующий полупериод напряжение вторичной обмотки Тр суммируется с
напряжением на конденсаторе С1, разряжающемся на нагрузку. Эта сумма
напряжений заряжает конденсатор С2 через диод VD2. В результате напряжение на
конденсаторе С2 и нагрузке Rн будет приблизительно равным двойному
амплитудному значению напряжения вторичной обмотки Тр. Эта схема имеет все
недостатки, присущие однополупериодной схеме выпрямления.
На основе однополупериодной схемы строятся схемы умножения напряжения по схеме
многократного умножения, позволяющей получить увеличение напряжения в 3-5 раз
и более. Схемы умножения применяются в маломощных выпрямителях, например для
питания анодов электронно-лучевых трубок, в электронных микроскопах и т.д.
Трехфазные выпрямители
Выпрямители трехфазного тока применяются, в основном, для питания потребителей
средней и большой мощности. При этом они равномерно нагружают сеть трехфазного
тока. Из всего многообразия схем наиболее простой является трехфазная схема с
нулевым выводом.
Схема состоит из трехфазного трансформатора Тр, трех вентилей и сопротивления
нагрузки Rн. Первичная обмотка Тр может быть соединена звездой или
треугольником, вторичная - только звездой. Катоды вентилей VD1, VD2, VD3
соединенные между собой, имеют положительный потенциал по отношению к нагрузке
Rн; на нулевой точке Тр - отрицательный потенциал.
Вентили в схеме работают поочередно, каждый в течение одной трети периода,
когда потенциал анода одного вентиля более положителен, чем потенциалы анодов
двух вентилей, т. е. когда соответствующее фазное напряжение будет
положительным и больше других фазных напряжений.
В первую треть периода ток через нагрузку будет протекать через VD1, во
вторую треть - через VD2, в третью треть - через VD3.
Выпрямленное (пульсирующее) напряжение образовано участками синусоид фазных
напряжений. Пульсации напряжения на нагрузке значительно меньше, чем в схемах
выпрямителей однофазного тока, и их частота в 3 раза больше частоты сети, что
облегчает фильтрацию. Если применить схему с большим числом вентилей, то
пульсации больше уменьшаются, и поэтому в некоторых случаях можно обойтись без
сглаживающих фильтров.
Основные расчетные соотношения для трехфазного выпрямителя:
- среднее значение выпрямленного напряжения
Uo= 0,827 U2m = 1,17 U2, где
U2m - максимальное амплитудное значение на вторичной обмотке.
U2 - действующее значение на вторичной обмотке.
- среднее значение выпрямленного тока
Io= Uo/Rн; Io= 0,827 I2m;
- среднее значение тока вентиля Iпр ср= Io/3;
- максимальное значение обратного напряжения Uобр= V3 U2m= 2,09 Uo;
- коэффициент пульсаций Кп= 0,25.
Эта схема из-за малого падения напряжения на вентилях часто применяется при
очень низких выпрямленных напряжениях.
Недостатки.
Большая величина обратного напряжения.
Плохое использование Тр и подмагничивание сердечника Тр постоянной составляющей
выпрямленного тока, проходящей во вторичных обмотках трехфазного Тр.
Сглаживающие фильтры
При работе схем выпрямителей выпрямленное напряжение всегда является
пульсирующим и содержит кроме постоянной переменные составляющие. Поскольку в
любой схеме выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во много
раз превышает пределы допустимых значений, на выходе выпрямителей включают
сглаживающие фильтры. Основными требованиями, предъявляемыми к сглаживающему
фильтру, являются уменьшение переменной составляющей и минимальное уменьшение
постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Последнее связано с тем, что
фильтр включают между выпрямителем и нагрузкой и через него проходит весь ток
нагрузки. При этом одновременно с уменьшением переменной составляющей за
счет потерь в фильтре уменьшается и постоянная составляющая выпрямленного
напряжения.
Одним из основных параметров фильтра является коэффициент сглаживания.
Коэффициентом сглаживания g называют отношение коэффициента пульсаций на входе
фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра: g= Кп вх/Кп вых.
Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивны катушки
(дроссели), включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные
параллельно нагрузке.
Для обеспечения хорошего сглаживания необходимо, чтобы индуктивное
сопротивление фильтра включенного последовательно с нагрузкой, было
значительно больше сопротивления нагрузки на частоте пульсаций Wп, т.е.
WпLф>>Rн. Так как активное сопротивление дросселя обычно невелико, то
постоянная составляющая выпрямленного ток не создаст потерь постоянного
напряжения и постоянное напряжения на входе фильтра и на нагрузке можно
считать практически равными Uo.
Применение индуктивного фильтра выгодно при малых сопротивлениях нагрузки (в
выпрямителях большой мощности), так как в этом случае требуется небольшая
индуктивность для получения необходимого коэффициента сглаживания.
При включении конденсатора параллельно нагрузке для лучшего сглаживания
пульсаций его емкостное сопротивление должно быть значительно меньше
сопротивления нагрузки, т.е. Хсф= 1/WпСф <<Rн. Конденсатор заряжается через
вентиль в те моменты времени, когда напряжение на входе фильтра превышает
напряжение на конденсаторе. В остальное время конденсатор разряжается на
нагрузку.
В качестве конденсаторов фильтра обычно используют электролитические
конденсаторы, обладающие большой емкостью.
Широкое применение на практике находят Г-образные индуктивно-емкостные фильтры.
При выполнении условия Хсф <Rн <Хlф такие фильтры позволяют получить
значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем простейшие
индуктивные и емкостные фильтры.
По заданному коэффициенту сглаживания пульсаций можно найти значение
произведения по следующей формуле:
LфCф= (q+1)/m\2 Wc\2, где
m - число фаз выпрямления (для однополупериодной схемы m=1, для
двухполупериодных схем m= 2, для трехфазной m= 3;
Wc - угловая частота сети Wc= 2П fc; fc - частота сети.
LС-фильтр будет хорошо работать при Х lф>> Rн, и ток через дроссель и нагрузку
не должен прерываться. Для обеспечения этого необходимо иметь дроссель с
минимальной индуктивностью Lф>= 2Rн/(m\2 - 1)mWc
Определив Lф и подставив ее в предыдущую формулу можно определить Сф.
Более эффективным является П-образный фильтр.
Он представляет собой сочетание простейшего емкостного и Г-образного фильтров.
Для получения более высокого коэффициента сглаживания пульсаций необходимо
увеличивать Lф и Сф, что приводит к большим габаритным размерам и массам
дросселей и конденсаторов. В этом случае лучшие результаты получаются с
помощью сложных многозвенных фильтров, состоящих из нескольких последовательно
соединенных Г-образных звеньев фильтра.
Коэффициент сглаживания многозвенного фильтра q равен произведению
коэффициентов сглаживания фильтров: q= q1q2
Обычно коэффициенты сглаживания отдельных звеньев принимают равными друг
другу.
При небольших значениях выпрямленного тока (порядка 10-15мА) и небольших
значениях коэффициента сглаживания в целях удешевления и упрощения фильтра
дроссель можно заменить активным сопротивлением. Тогда получится RC-фильтр,
для которого
RфCф= 1/(mWc);
RфCф= 1,5*10\6 q / mWc.
Сопротивление Rф обычно принимают равным (0,2-0,3) Rн, а конденсатор Сф
выбирают на напряжение, равное напряжению на нагрузке при холостом ходе
выпрямителя.
Стабилизатор тока
В транзисторном стабилизаторе постоянного тока последовательно с нагрузкой
включается эталонный резистор Rэт, напряжение на котором стабилизуется с
помощью обычного стабилизатора напряжения VD1.
При изменении тока в нагрузке стабилизатора сигнал рассогласования Uэт-Uоп
усиливается с помощью усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе
T2, и воздействует на регулирующий элемент - транзистор Т1. В результате ток,
протекающий через нагрузку, остается неизменным.
Подобные схемы позволяют получить коэффициент стабилизации Кст i= 100-200.
Стабилизатор напряжения
Стабилизатором постоянного напряжения называется устройство, поддерживающее с
требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении в заданных пределах
напряжения сети и сопротивления нагрузки.
Стабилизаторы постоянного напряжения подразделяются на параметрические и
компенсационные.
Параметрическими стабилизаторами напряжения называются устройства с
нелинейными элементами (кремниевый стабилитрон), параметры которых с
изменением напряжения изменяются таким образом, что напряжение на нагрузке
остается почти неизменным по величине.
Преимущества параметрических стабилизаторов постоянного напряжения - простота
схемы; недостатки - низкий КПД, невозможность регулирования выходного
напряжения, небольшой коэффициент стабилизации и возможность работы только при
малых токах нагрузки.
Более высокими техническими показателями обладают стабилизаторы
компенсационного типа, работа которых основана на сравнении фактического
значения выходного напряжения с заданным.
Основными параметрами стабилизатора являются коэффициент стабилизации и
выходное сопротивление.
Коэффициентом стабилизации называют отношение относительного изменения
напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе
стабилизатора при постоянном сопротивлении нагрузки, т.е.
ДUвх, ДUвых - изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора;
Uвх, Uвых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора.
Этот параметр служит основным критерием для выбора схемы стабилизатора.
Выходным сопротивлением стабилизатора называют отношение изменения напряжения
на выходе стабилизатора к вызвавшему его изменению тока нагрузки при
постоянном входном напряжении:
Rвых= ДUвых/ДIн
Желательно, чтобы Rвых было небольшой величины.
Одна из возможных схем компенсационного стабилизатора напряжения.
Транзистор Т1, включенный последовательно с сопротивлением нагрузки Rн,
является регулирующим элементом, а транзистор Т2 является усилительным.
Кремниевый стабилитрон VD используется в качестве источника опорного
напряжения, а транзистор Т2 усиливает разность, образованную опорным
напряжением Uоп и падением напряжения на резисторе R2.
Если напряжение на входе Uвх возрастает, то в первый момент повышается
напряжение на резисторе делителя R2, а следовательно, увеличивается базовый
ток Т2. При этом увеличивается ток коллектора Т2 и падение напряжения на
резисторе R3. Потенциал базы Т1 повышается, а ток базы Т1 снижается. Это
приводит к увеличению напряжения на транзисторе Т1 до того значения, при
котором напряжение Uвых становится близким к прежнему. В делителе R1, R2 можно
применить переменный резистор для регулирования выходного напряжения.
Коэффициент стабилизации в компенсационных стабилизаторах может достигать
нескольких тысяч.
Компенсационные стабилизаторы напряжения обеспечивают высокую точность
поддержания стабильного напряжения, значительное ослабление пульсаций и
возможность регулирования выходного напряжения. Они применяются в блоках
питания устройств, собранных на пп приборах, или микросхемах. К недостаткам
можно отнести низкий КПД, так как на регулирующем транзисторе всегда имеются
потери выпрямленного напряжения.
Кроме стабилизаторов компенсационного типа находят применение и импульсные
стабилизаторы напряжения. Если в компенсационных стабилизаторах транзистор
работает непрерывно, то в импульсных стабилизаторах он работает в режиме
переключения, мощность на регулирующем транзисторе в режиме переключения
значительно меньше, чем при работе в непрерывном режиме. Это повышает КПД
стабилизатора и уменьшает его габариты. Промышленность выпускает стабилизаторы
напряжения с различными параметрами в интегральном исполнении.
Преобразователи постоянного напряжения
Часто необходимо преобразовать постоянное напряжение одной величины в
постоянное напряжение другой. Эта необходимость возникает в том случае, когда
в качестве источников питания служат аккумуляторы, сухие и солнечные батареи,
т.е. источники, чаше всего используемые для питания переносной и передвижной
радиоаппаратуры. Устройства, позволяющие изменять постоянное напряжение по
величине, получили название преобразователей постоянного напряжения.
Наиболее широкое применение получили транзисторные преобразователи на
небольшую мощность с малыми габаритами и массой, высокими КПД и
эксплуатационной надежностью.
Основным элементом схемы любого транзисторного преобразователя является
автогенератор, который, получая энергию от источника постоянного напряжения,
вырабатывает переменное напряжение, и с помощью трансформатора получается
требуемое его значение. Далее переменное напряжение выпрямляется и после
фильтрации поступает в нагрузку в виде постоянного напряжения необходимого
значения.
Широко применяются транзисторные схемы двухтактных преобразователей
постоянного напряжения.
Схема содержит автогенератор, собранный на двух транзисторах, включенных по
схеме с общим эмиттером, и трансформатор с коллекторной Wк, базовой Wб и
выходной Wн обмотками. Трансформатор Тр имеет отвод от середины коллекторной
обмотки для подключения отрицательного полюса источника питания. К источнику Е
подключен делитель напряжения R1, R2, создающий отрицательное смещение порядка
0,5 - 1 В на базах транзисторов для запуска преобразователя.
В результате разброса параметров Т1 и Т2 коллекторные токи в момент
подключения источника питания оказываются различными, и в сердечнике Тр
возникает результирующий магнитный поток, определяемый разностным током
транзисторов. При правильном подключении базовых обмоток, обеспечивающем
положительную обратную связь в схеме, направление этого потока такова, что
наводимая ЭДС на обмотках Тр способствует отпиранию транзистора с большим током
и запирания транзистора с меньшим током. Этот процесс развивается
лавинообразно и завершается насыщением одного транзистора (например Т1) и
запиранием другого (Т2). Т1 будет открыт до тех пор, пока в обмотке наводится
ЭДС, т.е. пока изменяется магнитный поток. Это изменение осуществляет до тех
пор, пока изменяется коллекторный ток Т1 до тока насыщения или пока магнитный
поток в сердечнике не достигнет насыщения. Когда коллекторный ток Т1 или
магнитный поток в сердечнике достигнет насыщения, скорость изменения
магнитного потока станет равной нулю, что приводит к уменьшению тока Т1, а это
в свою очередь приводит к появлению в обмотках ЭДС, противоположной по знаку
предыдущему состоянию. Следствием этого будет отпирание Т2 и запирание Т1. В
дальнейшем эти процессы повторяются аналогично вышеуказанному.
Таким образом, Т1 и Т2 работают в ключевом режиме, а изменяющийся магнитный
поток в сердечнике Тр индуктирует во вторичной обмотке переменную ЭДС, форма
которой близка к прямоугольной. Далее после выпрямления и фильтрации на
нагрузке создается выходное постоянное напряжение требуемого значения.