В.В. Филинов, А. В. Филинова - Электроника и основы измерений (1084406), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

φ = 180⁰ для УОЭ, ψ = 180⁰ из-за обратной намотки катушек индуктивности L_К и L_б (на рис.2.28 начало обмоток обозначены «»). Частота гармонического сигнала генератора определяется резонансной частотой контура ƒ ₀= .

Важным параметром генератора является коэффициент нестабильности частоты ɣ= , показывающий уход частоты ∆ƒ относительно рабочей f₀ за промежуток времени из-за температурной нестабильности элементов схемы. У обычных генераторов ɣ ≈10^-5. На практике в высокоточной схемотехнике (например, высокоточный счет времени) необходимо обеспечить ɣ ≈10^-7÷10^-8. В таких случаях применяют кварцевые резонаторы – «кварцы», представляющие собой кварцевую пластину, обладающую пьезоэффектом и закрепленную в кварцедержателе (рис.2.29а).

Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебальному контуру. Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис.2.29.б. Как видно, кварц эквивалентен последовательно включенным элементам L_КВ, R_КВ, C_КВ, а в такой цепи может быть резонанс напряжения с частотой ω_Н = . Индуктивность кварца L_КВ может быть значительной – от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца С_КВ мала (сотые доли пикофарад). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении R_КВ, порядка единиц Ом. Поэтому добротность кварца достигает 10⁵ – 10⁶, т.е. она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах – индуктивной катушке и конденсаторе.

Так как кристалл кварца помещают в кварцедержатель, который обладает емкостью С₀, равной нескольким десяткам пикофарад, то в кварцевом резонаторе возможен и резонанс токов с частотой ω_r= , где

С_эк=С₀С_КВ/(С₀+С_КВ). Частоты ω_{н и} ω_т мало отличаются друг от друга, что обеспечивает высокую стабильность частот генератора. Кварц может быть включен, например, в цепь L_К С_К контура рис.2.28.

2.3. Источники питания электронных устройств

Для работы различных электрических устройств необходимы источники электрической энергии (источники питания) постоянного напряжения. Преобразование переменного напряжения первичного источника питания (например, промышленной сети переменного тока) в постоянное осуществляется с помощью выпрямителей. Выпрямительные устройства, в состав которых входит блок выпрямителя, применяют для питания большинства электронных устройств, как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхема, в электроприводе, в установках для электролиза и т.д.

Структурная схема выпрямительного устройства показана на рис.2.30. В нее входит: Тр - трансформатор, изменяющий величину получаемого от сети переменного напряжения в соответствии с необходимой величиной напряжения на выходе выпрямителя; В – выпрямитель, содержащий один или несколько вентилей (диодов); СФ – сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации выпрямленного напряжения; Ст - стабилизатор, поддерживающий постоянное напряжение на нагрузочном устройстве; Н – нагрузочное устройство (например, нагрузочный резистор).

В зависимости от требований к выпрямительному устройству отдельные элементы его могут отсутствовать. Выпрямители бывают управляемые и неуправляемые. В управляемом выпрямителе, используемом, в частности, в электроприводе, в структурной схеме предусматриваются также элементы регулирования выпрямленного напряжения.

По числу фаз различают однофазные и многофазные (обычно трехфазные) выпрямители. По величине мощности их подразделяют на выпрямители малой, средней и большой мощности. Выпрямители малой мощности, как правило, однофазные, а средней и большой – трехфазные.

Выпрямитель характеризуют следующие основные параметры:

С реднее выпрямленное напряжение на нагрузке U , средний ток I , определяемые требованиями потребителя; коэффициент пульсаций на выходе Р. последний характеризует величину пульсаций на выходе выпрямителя и определяется

Р = ,

где U – амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения.

Рассчитывают диоды для выпрямителей по основным параметрам:

Максимальное обратное напряжение на диоде U_{обр m}, средний ток I_{а ср}, и максимальный ток I _а , диода.

Полученные значения U_{обр m}, I_{а m} и I_{а ср} не должны превышать соответствующих предельных параметров диода.

Анализ работы выпрямителей проводят при допущениях, что диод (вентиль) и трансформатор идеальны. Это означает, что

а) вентиль идеален, когда сопротивление вентеля в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечно велико,

б) трансформатор идеален, когда активные и индуктивные сопротивления рассеяния обмоток трансформатора равны нулю.

Работа выпрямителя рассматривается с помощью временных диаграмм.

2.3.1. Однополупериодный выпрямитель

Схема и временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного выпрямителя приведены на рис.2.31. схема содержит Тр, в цепь вторичной обмотки которого включены последовательно, диод Д и сопротивление нагрузки R_н . При принятых допущениях (идеальный трансформатор) следует, что если напряжение U₁ на первичной обмотке трансформатора меняется по синусоидальному закону, то напряжение на вторичной обмотке U₂ также синусоидально.

Ток через диод ί_н появляется в те полупериоды, когда потенциал точки а выше потенциала точки b вторичной обмотки трансформатора т.к. в эти полупериоды диод Д открыт. Когда потенциал точки, а отрицателен по

отношению к потенциалу точки b, диод закрыт, ток в цепи равен нулю. Таким образом, ток в резисторе R_Н появляется только в один из полу периодов напряжения u_2, а схема называется однополупериодной.

При принятых допущениях (идеальный диод) в положительный полупериод напряжения u₂ величина напряжения на нагрузочном резисторе равна величине u₂, а на диоде нулю, а в отрицательный полупериод u_н =0, а величина u_а =u₂. В этой схеме U =0,4U₂. Недостатки этой схемы – высокий уровень пульсации (Р=1,57). Эти недостатки устраняются в двухполупериодных схемах выпрямителей, в которых используются оба периода напряжения сети. Наиболее распространенной схемой является мостовая схема двухполупериодного выпрямителя.

2.3.2. Мостовая схема выпрямителя

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя и соответствующие ей временные диаграммы приведены на рис.2.32. В этой схеме диоды Д_I – Д₄ включены по мостовой схеме, к одной диагонали которой подведено переменное напряжение u₂ , а к другой подключен нагрузочный резистор R_Н. В течение первой половины периода напряжения u₂ , когда потенциал точки а положителен, точки b – отрицателен, диоды Д₁ , Д₃ открыты, Д₂, Д₄ – заперты, ток ί_н= ί_а1= ί_а3 течет через диоды Д₁, Д₃ и нагрузочный резистор R_Н. К диодам Д₂, Д₄ приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂. В другой полупериод напряжения u₂, потенциал точки а ниже потенциала точки b, диоды Д₂, Д₄ открыты, Д₁ , Д₃ – закрыты, при этом ί_н= ί_а2= ί_а4 течет

Через диоды Д₂, Д₄ и нагрузочный резистор R_Н в том же направлении, что и в первый полупериод напряжения. При этом средний ток I и среднее напряжение U на нагрузке в два раза превышают ток и напряжение в однополупериодном выпрямителе, пульсации значительно меньше (Р≈0,67),

U_{обр m} на каждом из диодов в закрытом состоянии равно U_{обр m}=U_2m величина U =0,9 U₂.

2.3.3 Сглаживающие фильтры

Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер и его нельзя непосредственно использовать для питания электронных устройств. Поэтому для уменьшения коэффициента пульсаций на входе выпрямителя применяют сглаживающие фильтры. Включение сглаживающего фильтра между выпрямителем и нагрузочным устройством R_Н уменьшает коэффициент пульсаций напряжения. Величина, показывающая во сколько раз происходит уменьшение коэффициента пульсаций на выходе (Р_ВЫХ) фильтра по сравнению с его значением на входе (Р_ВХ), носит название коэффициента сглаживания

q = P_вх/Р_вых

Фильтры состоят из конденсаторов и катушек индуктивности. Основные виды фильтров – емкостной, индуктивный и смешанный (рис.2.33).

На рис.2.34 показаны осциллограммы напряжений на активном сопротивлении нагрузочного устройства R_Н двухполупериодного выпрямителя при включенном емкостном С_Ф (рис. 2.34а) и индуктивном L_Ф - фильтрах (рис. 2.34б).

Емкостной фильтр включается параллельно нагрузочному резистору (рис.2.33а) и шунтирует его по переменной составляющей тока. При этом конденсатор попеременно заряжается до значения напряжения U (период времени t₁ – t₂ рис.2.34а), а затем разряжается через резистор R_Н (период времени t₂ – t₃ рис. 2.34а). Если постоянна времени разряда конденсатора = С_ф R_Н значительно превышает период времени Т изменения u_Н, то напряжение на конденсаторе при разряде уменьшается несущественно за время (t₂ – t₃ ). Это приводит к значительному увеличению среднего значения напряжения на нагрузочном резисторе U и к снижению пульсаций выпрямленного напряжения. Емкостной фильтр используют в маломощных источниках питания при высокоомной нагрузке R_Н .

Индуктивный фильтр L_Ф включается последовательно с резистором R_Н (рис.2.33б). Поэтому переменная составляющая тока через нагрузку значительно уменьшается из-за действия закона электромагнитной индукции – Фарадея (рис.2.34б) и снижаются пульсации выпрямленного напряжения. Индуктивный фильтр используется в выпрямителях средней и большой мощности с низкоомной нагрузкой R_Н.

Чаще всего используются смешанные фильтры: Г - образный LC – фильтр (рис.2.33в) или П-образный CLC – фильтр (рис.2.33г). Они обеспечивают более высокую степень сглаживания выпрямленного напряжения. При этом коэффициент сглаживания смешанного фильтра определяется q = q₁q₂…q_n, где q_n – коэффициент сглаживания каждого простого звена фильтра.

Характеристики

Список файлов книги