ЗАДАНИЕ 1

Задача 9. Поясните принцип параметрической стабилизации на примере работы стабилитрона.

В большинстве случаев радиоэлектронные устройства требуют для своей работы стабильного напряжения, которое не должно зависеть от колебаний сетевого напряжения, а также от изменения тока в нагрузке. Для стабилизации напряжения применяются параметрические и компенсационные стабилизаторы.

Действие параметрических стабилизаторов основано на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики некоторых элементов.

В схемах параметрических стабилизаторов постоянного напряжения используются полупроводниковые кремниевые стабилитроны (при напряжении до 180 В), а также газонаполненные стабилитроны тлеющего и коронного разряда (при напряжениях выше 80 В).

Схемы включения указанных стабилитронов приведены на рисунке ниже (рисунок 2).

Рассмотрим типовую вольтамперную характеристику стабилитрона (рисунок 1).

При включении стабилитрона в прямом направлении его характеристика напоминает характеристику обычного кремниевого диода. При включении стабилитрона в обратном направлении (на аноде - «минус», на катоде - «плюс») ток через него вначале растёт очень незначительно, но при определённом значении напряжения возникает «пробой» - режим, при котором незначительное приращение напряжения вызывает значительный ток через стабилитрон (вертикальный участок обратной ветви). Напряжение пробоя называется напряжением стабилизации. В начале пробоя через стабилитрон протекает ток Iст.мин. Чтобы стабилитрон не вышел из строя, ток через него ограничивают с помощью резистора до значения Iст.макс. При изменении тока через стабилитрон от минимального до максимального значения напряжение на нём остаётся практически постоянным.

Рисунок 1 – Вольтамперная характеристика стабилитрона.

Схема представляет делитель напряжения, состоящий из балластного (гасящего) резистора Rб и стабилитрона V, параллельно которому подсоединено сопротивление нагрузки Rн. При изменении напряжения питания U изменяется ток через резистор. Стабилитрон принимает эти токовые изменения на себя: изменяется ток, проходящий через него, а напряжение на нём, а значит и на сопротивлении, нагрузки остаётся без изменения. Если будет изменяться сопротивление нагрузки, то ток через стабилитрон также будет изменяться, а напряжение на нагрузке не изменится.

Рисунок 2 – Схемы параметрических стабилизаторов напряжения

Схема представляет делитель напряжения, состоящий из балластного (гасящего) резистора Rб и стабилитрона V, параллельно которому подсоединено сопротивление нагрузки Rн. При изменении напряжения питания U изменяется ток через резистор. Стабилитрон принимает эти токовые изменения на себя: изменяется ток, проходящий через него, а напряжение на нём, а значит и на сопротивлении, нагрузки остаётся без изменения. Если будет изменяться сопротивление нагрузки, то ток через стабилитрон также будет изменяться, а напряжение на нагрузке не изменится.

При повышении напряжения питания ток через стабилитрон резко возрастает, что приводит к увеличению падения напряжения на ограничивающем резисторе R, а выходное напряжение остается почти неизменным.

При изменении напряжения питания приращение напряжения на резисторе R равно приближенно приращению входного напряжения. При изменении тока нагрузки, например увеличении, ток через стабилитрон уменьшается, а суммарный ток через резистор R остается величиной неизменной. В обоих случаях выходное напряжение стабилизатора изменяется незначительно.

Основным параметром всех стабилизаторов является коэффициент стабилизации К, представляющий собой отношение относительных изменений входного и выходного напряжений стабилизатора:

где n _ст = Е ₀/ Е _ст; I _ст – ток через стабилитрон; R – ограничивающее сопротивление; R _дин – динамическое сопротивление стабилитрона.

R _дин определяется из вольт-амперной характеристики стабилитрона по формуле

При выборе стабилитрона рекомендуется, чтобы ток нагрузки схемы стабилизатора I _н не превышал 70 – 80% максимально допустимого тока через стабилитрон, указанного в справочниках.

Для расчета схемы стабилизатора должны быть заданы:

§ входное напряжение Е _о и пределы его изменения;

§ выходное напряжение Е _ст;

§ ток нагрузки I _н и пределы его изменения.

Для увеличения выходного стабилизированного напряжения стабилитроны включают последовательно.

Если последовательно включены стабилитроны разных типов, то значения I _{ст.макс} и I _ст.мин должны лежать в пределах, допустимых для любого из включенных стабилитронов. В этом случае в вышеприведенных формулах значение Е _ст представляет собой сумму напряжений стабилизации всех последовательно включенных стабилитронов, а R _дин – сумму динамических сопротивлений всех стабилитронов.

Для облегчения зажигания последовательно включенных стабилитронов тлеющего разряда рекомендуется часть из них шунтировать сопротивлениями 0,1 – 1 МОм.

Для увеличения коэффициента стабилизации применяются двухкаскадные схемы параметрических стабилизаторов, расчет которых производится по приведенным формулам для каждого каскада в отдельности.

В случае необходимости можно использовать напряжение первого каскада Е _ст1, имеющего невысокую стабильность, для питания дополнительной нагрузки R _н1 ( рисунок 2).

Током нагрузки первого каскада является сумма

I _н1общ = I _н1 + I _н2 + I _ст2

Коэффициент стабилизации схемы равен произведению коэффициентов стабилизации каждого каскада К = К ₁ К ₂.

Рассмотренные схемы стабилизаторов постоянного напряжения обладают также сглаживающим действием. Коэффициент пульсации на выходе схемы k _п1 уменьшается в К раз по сравнению с коэффициентом пульсации на входе k _п0. Это справедливо в тех случаях, когда частота пульсации выпрямленного напряжения (mf) не влияет на динамическое сопротивление R _дин стабилитрона. У стабилитронов тлеющего и коронного разряда динамическое сопротивление растет с повышением частоты. Заметный рост начинается при частотах 200 – 300 Гц.

Для температурной компенсации напряжения кремниевых стабилитронов используют такие же стабилитроны или германиевые диоды, включаемые в прямом направлении последовательно с основными стабилитронами. При прямом включении температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилитронов и диодов становится отрицательным, что позволяет осуществить температурную компенсацию основных стабилитронов, включенных в обратном направлении и имеющих положительный ТКН. При этом абсолютное значение суммарного ТКН диодов и абсолютное значение ТКН основного стабилитрона должны быть примерно равны.

У кремниевых стабилитронов и диодов, включенных в прямом направлении, ТКН составляет – (1,4-1,7) мВ/°С, а у германиевых диодов – (1,5-1,9) мВ/°С. Регулируя дополнительный ток I _доп, проходящий через компенсирующие диоды, можно в небольших пределах изменять их ТКН.

Основными недостатками параметрических стабилизаторов напряжения является:

§ невысокий коэффициент стабилизации;

§ низкий К.П.Д.;

§ малая выходная мощность;

§ невозможность регулировки выходного напряжения.

Задача 19. Нарисовать схемы выпрямления (одно, двухполупериодную и мостовую) и характер входного и выходного напряжений.

Различные типы выпрямителей сущесвуют для преобразования переменного тока в постоянный. Но все выпрямители делятся на два главных типа: однополупериодные и двухполупериодные.

Ярчайшим представителем двухполупериодной схемы является схема мостового выпрямления. Такой выпрямитель может состоять из четырёх отдельных диодов или быть в монолитном корпусе с четырьмя выводами, внутри которого находятся всё те же четыре диода. Двухполупериодной эта схема называется потому, что на выходе используются обе половины каждого периода колебания переменного тока.

Рисунок 3 – Схема двухполупериодного выпрямителя

Существует ещё одна схема двухполупериодного выпрямления, так называемая двухполупериодная со средней точкой, имеющая на выходе такую же диаграмму. Она значительно менее популярна, хотя там и используется всего два диода вместо четырёх. Но зато там используется двойная вторичная обмотка с отводом от середины. Этот средний вывод обмотки используется как ноль, а с двух других обмоток ток идёт через свой диод. Диоды подключены одинаково и соединяются между собой либо катодами, либо анодами. Использовать четыре диода вместо двух значительно проще, чем делать двойную обмотку на трансформаторе.

Однополупериодная схема выпрямления подразумевает в качестве выпрямителя всего один диод. Поэтому на выходе такого выпрямителя из двух полупериодов остаётся только один. Отсюда и название - однополупериодная.

Рисунок 4 – Схема однополупериодного выпрямителя

Такие пульсации довольно сложно сгладить до уровня, подходящего для питания электронных схем, если только это не слаботочные схемы. В слаботочных схемах сглаживающий конденсатор в фильтре не успевает полностью разрядиться между импульсами полупериодов.

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.
Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.
На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = U_max / π = 0,318 U_max, где: π - константа равная 3,14.

Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.
Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.
Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку R_н, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку R_н, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».
Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = 2*U_max / π = 0,636 U_max, где: π - константа равная 3,14.

Задача 29. Источник постоянного напряжения 11 В соединен последовательно с резистором и полупроводниковым диодом для подачи на диод прямого напряжения. Каково должно быть наименьшее значение сопротивления резистора, чтобы не превысить максимально допустимый ток через диод, 50 мА?

где – прямое падение напряжения на диоде (около 0,7 В).

Ом.

Задача 30 (33). Для заданной схемы выпрямителя определить для режима холостого хода постоянную составляющую (среднее значение) напряжения на выходе и амплитуду пульсаций, если входное напряжение равно U.

Данные: U = 220 В, Схема выпрямителя – В (однофазная мостовая).

Решение:

Постоянная составляющая (среднее значение) напряжения на выходе:

Uо = = 2∙ 1,41 9 ∙ 220 = 198 В

Амплитуду пульсаций найдем из соотношения:

К_п = = 0,67,

где К_п – коэффициент пульсаций выпрямителя.

Отсюда:

U_{п макс} = 0,67 Uо = 0,67∙198 = 132,7 В

Дата добавления: 2015-07-15