Иванов С.Р. - Диоды в источниках питания

Московский Государственный Технический Университетимени Н.Э.БауманаC . Р . ИвановДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯМетодические указания к выполнению лабораторных работпо курсу « Электроника »Москва2006Лабораторная работа №1. «Диодыв источниках питания»Цель работы.Исследование характеристик и параметров выпрямительных схем и стабилизаторовнапряжения.Теоретическая часть.Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильногонапряжения постоянного тока. В большинстве практических случаев такое напряжениеполучают из переменного напряжения сети с помощью вторичных источников питания,включающих выпрямитель сетевого напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизаторнапряжения (рис. I).выпрямительсглаживающийфильтрстабилизаторнапряжениясетьU~=UРис.1 Структурная схема вторичного источника питанияВ состав выпрямителя обычно входят:силовой трансформатор, предназначен для получения необходимых величинпеременного напряжения из напряжения сети, а также для гальванической развязки ссетью;вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующаянапряжение переменного тока в пульсирующеенапряжение постоянного тока;емкостная нагрузка вентильной группы,представляющая собой конденсатор относительнобольшой емкости, который можно такжерассматривать как простой емкостныйсглаживающий фильтр.

Сглаживающийфильтр, подключаемый к выходу выпрямителя,уменьшает пульсации выходного напряжения.Если к выходному напряжению предъявляются высокие требования постабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питаниявводится стабилизатор напряженияа)бРис.2. Схемы выпрямителей: а- однополупериодного , б– двухполупериодного(мостового).На рис. 2а представлена схема однополупериодного выпрямителя сполупроводниковым выпрямительным диодом V. Как известно, вольтампернаяхарактеристика (BAX) выпрямительного диода имеет вид, представленный на рис.

3. Дляупрощения практических расчетов ее часто представляют на основе кусочно-линейнойаппроксимации двумя .участками прямых АВ и ВС , причем АВ идет по оси абсцисс, анаклон ВС определяется средним, прямым сопротивлением диодаC барR р асRдC ди фэквивалентная схема диодаРис.3.Вольт-амперная характеристика диодаа-реальная,б-идеальная .UU1 )arctgarctg(R . С целью дальнейшего упрощения иногдаgcgHIgcпр.српринимают UgH  0 и тогда точка В смещается в начало координат.

Как следует из такойаппроксимация ВАX, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, еговнутреннее сопротивление на участке ВА стремится к бесконечности, а на участке ВСсравнительно мало.На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе,работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t2 – t1,соответствующем изменению фазового угла t2 – t1, диод открыт и через негопротекают токи нагрузки и заряда конденсатора С . Постоянная времени заряда зар =С(RH ||Rпот), где сопротивление потерьRпот = Rпр.ср.+Rтр (Rтр - активное сопротивление потерь трансформатора).Практически всегда Rпот  RH и зар  С(RH ||Rпот.

В остальную часть периода диодзакрыт. В течение этого времени конденсаторразряжается разр  С(RH ||Rобр+Rтр)).Поскольку у правильно выбранных диодов ихобратноесопротивлениеRобрRтр+RH,постоянная времени разряда разр  СRH и  разр<<зар -т.е. процессы заряда и разрядаконденсатора С идут с разной скоростью.Следовательно,появляетсяпостояннаясоставляющая напряжения Uc , на диоде обратноенапряжение.можетдостигатьвеличиныUобр=2U2m. Поэтому диод выбирают сUобр.макс>2U2m. Фазовый угол, в течениекоторого диод открыт, обозначаетсяt1,2=t2-где  - угол отсечки. Чем меньше  . тембольше U0 и меньше пульсации.

Поэтому  желательно уменьшать.В установившемся режиме площади под кривыми тока заряда конденсатора Iсз итока разряда Icр одинаковы. Основные расчетные параметры выпрямителя являютсяRпотA()tgфункциямикоэффициента,гдеm=1дляmRHоднополупериодного и m = 2 для двухполупериодного выпрямителей.С помощью этого параметра определяют необходимые значения:Im - максимального импульса тока через диод;I2 - действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора;E2 - действующего значения ЭДС вторичной обмотки.С помощью коэффициента A() при расчетах определяют и коэффициентпульсаций, равный отношению напряжения первой гармоники к постояннойсоставляющей выпрямленного напряжения U0'кп Um1U0.Выходное сопротивление Rвых U0I0, где U0 и I0, находят по нагрузочнойхарактеристике источника U0=f(I0); U0 и I0 - напряжение и ток нагрузки.На рис.

26 приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя. Ееособенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. Водном полупериоде ток течет через диода V2 и V3 (пунктирные стрелки), в другом – черездиоды V1 и V4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратноенапряжение на диодах ниже в две раза Uобр.макс>2U2m по сравнению соднополупериодной схемой. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие втрансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки вполупериодах протекает в противоположных направлениях.Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителем инагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяетсякоэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсации на входефильтра к коэффициенту пульсации на его выходексглкпвхкпвыхНапример, простой LC -фильтр, представляющий собой последовательно онагрузкой включенный дроссель и параллельно c нагрузкой включенный конденсатор,существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U0сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора - к бесконечности, для пульсирующей- наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически безизменений, а пульсирующая существенно уменьшается.Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить к п,Rвых, а также зависимость U0 от колебаний напряжения сети и тока нагрузки.

Качествостабилизации оценивается коэффициентом стабилизации при постоянном токе нагрузкиUUвх выхкпUUвх.номвых.номгде Uвых - приращение U0 при изменении Uвх на величину Uвх ;Uвх.ном ; Uвых.ном значения напряжений.номинальныеРис.5.вольт-ампернаяхарактеристика стабилитронаПростейшимэлектроннымстабилизаторомявляетсяпараметрический стабилизатор (рис.5а), состоящий из балластногосопротивления Rб и стабилитрона. Онустанавливается в источнике питаниямежду нагрузкой и выпрямителем сосглаживающимфильтром,еслитаковой имеется.

В этой схемеиспользуетсясвойствообратносмещенного стабилитрона сохранятьнапряжениевобластипробояпрактически неизменным при значительных избиениях протекающего через него тока(рис. 56, обратная ветвь ВАХ стабилитрона в области Uст). При отклонении Uвх отноминального значения почти все приращение входного напряжения падает на Rб , авыходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузки I2 (Uвх –const) перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется Icт ) почтибез изменения общего тока I1 . Следовательно, напряжение на нагрузке остаетсяпрактически постоянным.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатораопределяется по формулеRUвых.номKб 1СТ rU д вх.номгде rg - динамическое сопротивление стабилитрона.Выходное сопротивление стабилизатора Rвых=Rб||rgrg так как rg<<Rб.Описание макетаРиc.6. Схема макета лабораторной работы №1Макет, схема которого представлена на рис. 6, включает:- выпрямитель, который в зависимости от положения переключателя BI можетработать по однополупериодной или мостовой схеме;- LC –фильтр /L1,C2/;- параметрический стабилизатор /R2,V6/;'- контрольно-измерительные приборы (I1, V2);- дискретно изменяющуюся нагрузку (R3,R4,R5,R6);- емкостную нагрузку (CI).Моделирование источников питания на компьютере в EWB 5-12pro,или в MULTISIM (EWB6.0).При cоздании любой принципиальной схемы нужно выбратьнеобходимыйквадрат меню, в нем выбирают- подменю, (щелкнув два раза по элементу ) редактируютпараметры, в соответствии с паспортными данными на данный элемент.Для исследованиядиодов в источниках питания необходимы следующие элементы:мост (тип).ВыпрямительныйТиристор или динистор (тип).Стабилитрон (тип).Полупроводниковый диод (тип).Трансформатор с возможностью редактированияКатушка (индуктивность).Резистор (сопротивление).Конденсатор (емкость).При создании схемы удобно использоватьКогда схема создана и к ней подключены приборы :(тестер)-мультиметрпозволяет снимать значение сопротивления,тока и напряжения;генераторсинусоидального напряжения(прямоугольных импульсов,пилообразногонапряжения),форму сигнала,двухканальный осциллограф, с помощью которого наблюдаютамперметр для измерения постоянного или переменного тока(АС-по переменному току ,DC- по постоянному току),Вольтметр дляизмерения постоянного или переменного тока).источники сигналовсоидального напряжения,постоянного тока,- синусоидального тока- постоянного напряжения,-корпус ,на схему подают питанииПри снятии осциллограмм :-источник сину-.-кнопки растягивают изображение по оси Х,- растягивают изображение по оси Y,-опускает/поднимаетизображение,щелкнув два раза по проводу, который подключен к осциллографу-меняют цвет луча-увеличивает экран(слева и справа на экране маркеры-для точностиизмерения),чтобы остановить изображение надо нажать -С помощью кнопкиВ-можно получить полную осциллограмму.работе ,при исследовании, схем можно значительно сократить время ,еслипронумеровать узлы схемы, далее можно проводитьанализы работы схемы.При снятии осциллограмм одновременно во всехнужных точках удобно использовать анализTransient,задав время начала и окончания анализа,а также необходимо адресовать в правое окошкоузлы ,в которых проводить анализ и нажать Simulate.Если мышкой щелкнуть по по изображению,то показания в окошке будут соответствоватьвыбранной контрольной точке.Чтобы подробно рассмотреть участокосциллограммы,удерживая нажатой левую кнопкумыши,выделяют участок изображения .При определении коэффициента пульсаций можно воспользоватьсяанализом Fourier,при этом надо выбрать номер узла, задать частотусети и число гармоник.:.К чему приведет изменениелюбого параметра любойдетали схемы- можноисследовать с помощьюанализа-Parametr Sweep,в немзадаются диапозон анализа,шаг,номер узла, выбранный анализи, при нажатии на кнопку set , время анализа.При снятии осциллограмм формы тока используют косвенный метод- дляэтого в разрыв цепи включают-источник напряжения, управляемыйтоком.

К источнику подключают вспомогательныйрезистор 1к и один из узлов заземляют. Токпотечет по пути наименьшего сопротивления ,т.е.через внутреннее сопротивление источника-1 Ом.При этом настройки осциллографа переводят вmV.Модели диодов и стабилитроновVZT — напряжение стабилизацииEG — ширина запрещенной зоны, эВ; (для германия— 0,72 эв, для кремния —1,1 эв);RS-дифференциальное сопротивлениеIIS-допустимый токN — коэффициент инжекции;BV — напряжение пробоя (положительнаявеличина, в EWB 4.1 она принята отрицательной),KF — коэффициент фликкер-шума;AF — показатель степени в формуле для фликкершума;XTI — температурный коэффициент токанасыщения;Задание1.