Краткие лекции по ЭиМ (Методичка по темам из ЭиМ), страница 37

Наиболее часто онииспользуются как источники опорного напряжения в компенсационныхстабилизаторах напряжения.Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутыесистемы автоматического регулирования. Характерными элементамикомпенсационногостабилизатораявляютсяисточникопорного(эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент(СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).ОглавлениеНапряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этогонапряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением. Взависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементомвырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента,изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение навыходе стабилизатора оставалось практически постоянным.В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепьна основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционныйусилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

Чащевсего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. Вэтом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 2.83, а). Иногдарегулирующийэлемент включают параллельно нагрузке, итогдастабилизатор называют параллельным (рис. 2.83, б, здесь СУЭ и ИОН сцельюупрощениянепоказаны).Впараллельномстабилизатореиспользуется балластное сопротивление Rб включаемое последовательно снагрузкой.В зависимости от режима работы регулирующего элементастабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые,релейные). В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент(транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.Рассмотримтипичнуюпринципиальнуюсхемунепрерывногостабилизатора (рис. 2.84, а).

Эта схема соответствует приведенной вышеструктурной схеме последовательного стабилизатора. Для того чтобывыполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допу щений,которые были рассмотрены при изучении операционного усилителя,изобразим эту схему по-другому.ОглавлениеПри этом цепи питания операционного усилителя для упрощениярисунка изображать не будем. Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что наэлементах R2, R3, DA и VT построен неинвертирующий усилитель наоснове ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя натранзисторе VT, а входным напряжением для него является выходноенапряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R1и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:u R 3  u ст ,т.

е. iR 3 * R3  u ст ;u R 2  u R 3  uвых ;i R 2  i R 3  uст.R3Подставляя выражение для iR2 в предыдущее уравнение, получимuuст R2  uст  uвыхR3следовательно,uвых  uст  (1 R2).R3Последнее выражение в точности повторяет соответствующиевыражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжениемявляется напряжение uст.).Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — наоперационном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема являетсяубедительнымпримером,демонстрирующимпреимуществообщейотрицательной обратной связи по сравнению с местной.Основнымнедостаткомстабилизаторовснепрерывнымрегулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расходмощности имеет место в регулирующем элементе, так как через негопроходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разностимежду входным и выходным напряжениями стабилизатора.В конце 60-х гг.

стали выпускать интегральные микросхемыкомпенсационныхстабилизаторовнапряженияснепрерывнымрегулированием (серия К142ЕН). В эту серию входят стабилизаторы сфиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходнымнапряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В техслучаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающийпредельнодопустимыезначенияинтегральныхстабилизаторов,микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены втабл. 2,1, а вариант подключения к стабилизатору К142ЕН внешнихэлементов — на рис.

2.85.Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току,а R1 — для регулирования выходного напряжения. МикросхемыК142УН5,ЕН6,ЕН8являютсяфункциональноОглавлениезаконченнымистабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, но не требуютподключения внешних элементов.Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получилираспространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы. Благодаряприменению ключевого режима работы силовых элементов такихстабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных ивыходных напряжений можно получить КПД, равный 70 + 80 %, в то времякак у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 + 50%.

В силовомэлементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутациимощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывномстабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий черезсиловой элемент, максимален, однако падение напряжения на нем близко кнулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю,хотя напряжение максимально. Таким образом, в обоих случаяхрассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или дажеисключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшаетмассогабаритные показатели.

Кроме того, использование импульсногостабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовойтрансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшаетпоказатели стабилизаторов.К недостаткам импульсных источников питания относят наличиепульсацийвыходногопоследовательныйнапряжения.стабилизаторРассмотримнапряжения(рис.импульсный2.86).КлючSпериодически включается и выключается схемой управления (СУ) взависимости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходерегулируют, изменяя отношение tвкл / tвыкл , где tвкл / tвыкл — длительностиотрезков времени, на которых ключ находится соответственно вовключенном и выключенном состояниях.Чем больше это отношение, тем больше напряжение на выходе. Вкачестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор.Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когдаключвыключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросовнапряжения на ключе в момент коммутации.

LC-фильтр снижает пульсациинапряжения на выходе.Инверторы, умножителинапряжения и управляемые выпрямители.Инверторы — это устройства, преобразующие постоянный ток впеременный. Изобразим упрощенную схему инвертора на биполярныхтранзисторах (рис. 2.87), гдеэлектролитическиеuc1  uc 2 конденсаторы1uвх .2В схеме часто используют(большойемкости).Транзисторыработают в ключевом режиме: включаются и выключаются поочередно.ОглавлениеНавыходесхемы возникает переменное напряжение.Умножители напряжения преобразуют переменное напряжение впостоянное, причем выходное постоянное напряжение значительнопревышает амплитуду входного переменного напряжения. Различаютсимметричные и несимметричные умножители напряжения.Рассмотрим схему симметричного удвоителя напряжения (схемуЛатура) (рис.

2.88). Диоды включаются в разные полупериоды входногонапряжения. В те полупериоды, когда uвх < 0, включается диод D1 изаряжается конденсатор С1 в другие полупериоды (uвх < 0), включаетсядиод D2 и заряжается конденсатор С2.Напряжения на конденсаторах при холостом ходе приближаются камплитудному значению Uвх.т входного напряжения, поэтому uвых  2U вх.т .Схеманесимметричногоудвоителянапряженияимеетвид,показанный на рис.

2.89.В отрицательные полупериоды входного напряжения (uвх < 0) черездиодзаряжается конденсатор С1 до амплитудного значения входногонапряжения, а в положительные полупериоды (uвх > 0) через диод D2 поддействием суммы напряжений uвх и uC1 действующих согласно, заряжаетсяконденсаторС2доудвоенногоамплитудногозначениявходногонапряжения.Аналогичным образом строят утроители (рис.

2.90, а), учетверители(рис. 2.90, б) и другие умножители напряжения. В этих схемах напряжениена конденсаторе С1 равно амплитудному значению входного напряжения, ана всех остальных конденсаторах — удвоенному амплитудному значениювходного напряжения. Входное напряжение на такие умножители поступаетобычно со вторичной обмотки трансформатора, и тогда такое устройствоназывают выпрямителем с умножением напряжения. Обычно ониприменяются в высоковольтных выпрямителях, потребляющих небольшойток (единицы миллиампер), например для питания кинескопов телевизоров.Рассмотренные ранее выпрямители являлись нерегулируемыми, таккак величина выходного постоянного напряжения однозначно определяласьвходным напряжением выпрямителя.ОглавлениеУправляемые выпрямители позволяют регулировать выходноенапряжение.

Они, как правило, построены на основе однооперационных(обычных, незапираемых) тиристоров.Для примера рассмотрим схему однофазного двухполупериодногоуправляемого выпрямителя со средней точкой (рис. 2.91).Если импульсы управления подаются сразу после появления натиристорах положительных напряжений, то схема будет работать точно также, как схема на диодах.Изобразим временную диаграмму выходного напряжения для случая,когда импульсы управления подаются с некоторой задержкой поотношению к указанным моментам времени (рис. 2.92, жирная линия).Через tвкл обозначена указанная выше задержка. Часто временныедиаграммы подобных схем изображают, откладывая по горизонтальной осине время tвкл, а величину ω*t(ω круговая частота).Тогда указанной задержке соответствует определенный угол αвклсдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления,причем вкл    t вкл .Угол αвкл называют углом управления.

Для рассматриваемой схемыугол управления, как легко заметить, может изменяться в пределах от 0 доπ(от 0 до 180°). Чем больше угол управления, тем меньше среднеенапряжение на выходе выпрямителя.Пунктиром изображена временная диаграмма, соответствующаяотсутствию задержки.Оглавление.