Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование (2-е изд., 2001), страница 10

Это объясняется тем, что при смене полярности напряжения емкость нагрузки разряжается в контуре с весьма малой постоянной времени иэ-эа отсутствия в этом контуре индуктивности. 2.2. Сглаживаюшие фильтры Сглаживающие фильтры применяются для,снижения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Они включаются между выпрямителем и нагрузкой. Наибольшее распространение получил фильтр с двумя компонентами, включенными по Г-образной схеме (рис.

2.8,а,а). последовательный компонент обладает большим сопротивлением переменному току, а параллельный компонент — малым сопротивлением переменному току. В качестве последовательного компонента используется резистор или дроссель. Недостатком резисторов в схемах сглаживающих фильтров является большая потеря мощности постоянного тока.

52 С и,„й из«11 С да~ и "й«ц а) Рис. 2.а. Активно-еыкостный (и) и индуктивно-емкостный (б) фильтры Одним из основных показателей фильтра является коэффициент сглаживания пульсаций, равный отношению коэффициента пульсаций аппх на входе фильтра к коэффициенту пульсаций «пеык на выходе фильтра: Ч вЂ” кп пк/бп «ых~ где 1п ⻠— Увх пер/Упх пост Еп вы» — Увы»пер/Уеых пост Упк пер и Упх пост — переменная и постоянная составляющие входного напряжения фильтра; Уэыхп«р и Уьыхпост переменная и постоянная составляющие выходного напряжения фильтра. В ряде случаев к источникам электропитания предъявляются требования по уровню гармонических составляющих выходного напряжения. При этом необходимо обеспечить коэффициент сглаживания пульсаций д«для каждой 1-й гармоники сглаживаемого напряжения: '1«1вх с/хвых с где Епх, = Упх«/У,хаосе; «пыкт ю У, х«/У ыкпос,; У х« — амплитуда й-й гармоники переменной составляющей входного напряжения; Увы»« — амплитуда б-й гармоники переменной составляющей выходного напряжения.

Коэффициент а«не зависит от формы входного напряжения фильтра. Представим входное Упх и выходное Упых напряжения фильтра в виде рядов Фурье, т.е. в виде суммы постоянных составляющих и гармоник с частотами Ып: Упх = Увх пост + Ув»1 соз(ып2 + т«1) + Увхг соз(2ыпг + Рг) + ( еых — 1 вых пост + 1 вых1 сстз(ып2 + т)11) + Увых2 соз(2ыпг + 1»«2) + ° ° Увхпост = Увы»пост. Здесь ып хх папе» вЂ” основная гармоника частоты пульсаций; гл — число фаз выпрямителя; ыпх — частота тока входного напряжения.

Поскольку фильтр является линейной системой, то можно оценить длЯ опРеделенной б-й гаРмоники отношение амплитУд Упх«и Упы»1. Если принять, что потери в фильтре отсутствуют, то постоянные саставляющие входного и выходного напряжений будут равны В этом случае для схемы на рис. 2.8,б1-я гармоника выходного напря- жения может Быть представлена выражением У,х Я У бот„/ + 2С/(1 + у1о1„СК~ ~ (1 + 21ы„СЯ~ У„. (1+ /Ып//Я вЂ” (аып)2ЬС) (2.1) Емкость конденсатора фильтра выбираем из условия 1»ппСЯ» 1. (2.2) С учетом этого неравенства выражение для 1-й гармоники можно упро- стить и привести к виду Увх « пык ~1 (1 )2~С~ ° (2.3) Тогда коэффициент сглаживания й-й гармоники равен д« = — аз 1 ы„ЬС вЂ” 1.

У„ Увых « Резонансная частота фильтра ыф определяется зависимостью ыф = 1/ЛС Увых = Упх В/(П+ Яф). и должна быть существенно меньше частоты первой гармоники пульсаций ып, Отсюда следует, что частоты переменных составляющих входного напряжения фильтра должны быть существенно больше его резонансной частоты.

Сравнение точной (2.1) и приближенной (2.3) зависимостей для Упых« показывает, что в формуле (2.3) отсутствует член, характеризующий затухание контура. Следовательно, принятое неравенство (2.2) является условием минимальных потерь в контуре. При проектировании фильтра необходимо учитывать, что в колебательном контуре со слабым затуханием могут иметь место сравнительно длительные переходные процессы. В схеме фильтра на рис. 2.8,а выходное напряжение не равно входному: 54 Тпер гппх 2ос ст доп— Ят )с~,СЯЯф Яф+ Я 1пр гпах = 1 стдоп/Уст~ Яф «Я. ыпСЯф ~ 1.

Рис. 2п ц Изменение ВАХ стабилитрона при изменении температуры перехода (Та > Тх) Рис. 2.1О. Схема включения стабилитрона. 66 57 При этом д-я гармоника выходного напряжения представляется за- висимостью Упх е Я ТЯФ + Яг (1 + 3Ы СЯт + 3)ссо СЯ) Я Увх а Коэффициент сглаживания пульсации имеет вид В схеме на рис. 2.8,а можно пренебречь потерями а конденсаторе, так как сопротивление конденсатора значительно больше сопротивления нагрузки. С учетом минимальных размеров и емкости конденсатора С сопротивление резистора Яф выбирается из условия минимальных потерь мощности Кроме того, резистор должен обеспечить заданное сглаживание первой гармоники пульсации, что обеспечивается выполнением неравенства Обычно ЯС-фильтр применяют в схемах с большим сопротивлением Я.

При больших токах нагрузки, когда сопротивление Я мало, применяется ЬС-фильтр. 2.3. Стабилизаторы напряжения постоянного тока непрерывного действия 2.3.1. Параметрические стабилизаторы Параметрические стабилизаторы напряжения применяются при малых выходных токах, изменяющихся в нешироких пределах. Работа этих стабилизаторов основана на использовании свойств компонентов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве такого компонента наиболее часто применяется стабилитрон.

Его ВАХ показана на рис. 2.9. Стабилизация напряжения осуществляется при работе стабилитрона на обратной ветви ВАХ, когда обратное напряжение определенного значения приводит к пробою р-и перехода. При прохождении тока пробоя рассеиваемая в стабилитроне мощ- ность не должна превышать допу- стимую Р,тд „. где Тпср тпх максимально допустимая температура р-и перехода стабилитрона; Т, — температура окружающей среды; Ят — тепловое ргг рад р сопротивление стабилитрона. Поэтому значение тока про- рис. 2хк Вольт-амперная хабоя ограничивают резистором Я„ рактеристика стабилитрона (рис.

2.10). При изменении тока пробоя от минимального значения 1,т пдп до максимального 1ст гоа„напряжение на стабилитроне изменяется незначительно. Максимально допустимый ток пробоя определяется из выражения где У, — напряжение стабилизации, равное напряжению пробоя р-и перехода. Значение Уст у различных типов стабилитронов находится в пределах от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт при токах стабилизации от долей миллиампера до единиц ампера. а са! Уа»2 гст— , Ом. 7»т! гс»2 Относительный ТКН равен У, „=и„+~ Уп, 000 0,04 0 Ц04 600 О) Рис. 2дз. Зависимость относительного ТКН от напряжения стабилизации Рис. 2.12.

Зависимость дифференциального сопротивления от тока 0) Одной из основных характеристик стабилитрона является температурный коэффициент напряжения (ТКН) о„, агй/»С. На рис. 2.11 показано смещение ВАХ стабилитрона при изменении температуры. При прямом токе 1первый квадрант ВАХ) повышение температуры р-и перехода от Т! до Т» приводит к смещению ВАХ и снижению падения напРЯжениЯ от Упр! до Упрз.

В этом слУчае абсолютный темпеРатУР- ный коэффициент напряжения отрицателен; Упр1 Упр2 оабс = Т,-Т2 ' С' Уп р1 — Упр2 90 У~(Т -Т) ' С' При обратном токе имеем Уст1 Уст2 мВ Оабс = Т! — Та ' 'С' Ус»1 Уа»2 Характерная зависимость ТКН от напряжения стабилизации приведена на рис. 2.12. Для стабилитронов со значением Уа = 2,4...5,6 В ТКН имеет отрицательное значение, а для значений Уст > 6 В ТКН имеет положительное значение.

При значении У,т около б В ТКН имеет переменный знак. Положительные значения температурного коэффициента при напряжении свыше б В объясняются особенностями пробоя р-я перехода при ударной ионизации. С повышением температуры подвижность неосновных носителей в области р-и перехода уменьшается, в связи с чем для поддержания ударной иониэации требуется повышение напряженности электрического поля. )гб 700 70 Я гб 0 г,б 0,0 7070,07г,у ггг,л4 Другой основной характеристикой стабилитрона является дифференциальное сопротивление В качестве примера на рис. 2.13 показаны зависимости дифференциального сопротивления от тока некоторых типов стабилитронов при Т = — 60»С.

Для компенсации влияния температуры окружающей среды на характеристики стабилитрона используются термочувствительные компоненты схем с отрицательным температурным коэффициентом'или дополнительные стабилитроны, включенные в проводящем направлении последовательно со стабилизирующими стабилитронами. На рис. 2.14,а приведена схема стабилизатора с термокомпенсацией при помощи термочувствительного резистора Яу, ТКН которого противоположен по знаку ТКН стабилитрона.

На рис. 2.14,бприведена схема с одним стабилизирующим стабилитроном, включенным а обратном направлении, и тремя компенсирующими стабилитронами (Аг = 3). Выходное напряжение схемы где г Упр — !»Г(Упр1 Упрз) 1"абс(Т1 Тз) Уатп = Ует+рабп1Т! Т2).

При термокомпенсации коэффициент стабилизации уменьшается в несколько раз. Он может быть увеличен за счет повышения входного напряжения и сопротивления ограничительного резистора, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Повышение коэффициента стабилизации без снижения КПД достигается использованием стабилизатора тока вместо ограничительного резистора (рис. 2.15). Благодаря уменьшению отклонений тока через стабилитрон стабилизация выходного напряжения улучшается в 5...8 раз при изменении входного напряжения.

Рис. 2.14. Схемы параметрической стабилизации с термокоипенсацией Зв«х Ряс. г.гз. Схема параметрического стабилизатора напряжения со стабилизацией входного тока Рис. 2.1В. Схема параметрического стабилизатора напряжения с эмиттерным повторителем мУ (1+ ««г, /В )У,х (Увхг — Увх1)/Увх = ~10 %; «1 1«г 61 60 бели необходимо увеличить мощность параметрического стабилизатора, то используют схему с эмиттерным повторителем (рис. 2.16). Коэффициент стабилизации в этой схеме не увеличивается. Выходное напряжение определяется напряжением стабилитрона. Коэффициент стабилизации определяется из выражения / «'стУвык «ст + «Б + гэ««21э «'ст гдеи=1 ( + = /~„ , —; гв, гк, гз — сопро- Всы ст гк 17,.) ' тивления базы, коллектора и эмиттера соответственно; Всы — резистор смещения; Ьг!Э вЂ” коэффициент передачи тока транзистора.

Пример расчета параметрического стабилизатора Рассчитать схему стабилизатора на рис. 2.10 со следующими параметрами: выходной ток 1„,» = 1,т = 12,5 мА; выходное напряжение Увы» хс У,х = 5 В; нестаБильность входного напряжения сопротивление нагрузки Вв = У /1сх = 5/12 5 ' 10 з = 400 Ом. 1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа 2С156А с дифференциальным сопротивлением г, = 25 Ом 2. Выбираем ориентировочное сопротивление резистора К = 500 Ом с учетом приемлемого КПД стабилизатора, 3.