Основы электронной техники (стр. 33 )

Максимальное обратное напряжение

Важный фактор, который необходимо принимать во внимание при выборе диодов для источников питания постоянного тока, — максимальное на­пряжение, приложенное к диоду в «непроводящем» полупериоде. Эта ве­личина называется максимальным обратным напряжением. Рассмотрим схему на рис. 29.9. Максимальное значение потенциала катода диода D равно напряжению холостого хода 336 В. Потенциал катода изменяет­ся от положительного максимума +336 В до отрицательного минимума -336 В. Максимальное обратное напряжение, которое должен выдержи­вать диод, достигается, когда потенциал анода отрицателен и максима­лен по абсолютной величине, то есть, равен -336 В. В этом случае на диоде падает напряжение 336 + 336 = 672 В. Таким образом, максималь­ное обратное напряжение вдвое больше напряжения холостого хода, т. е. вдвое больше максимального входного напряжения.

RC-сглаживание

Пульсации напряжения в выходном сигнале выпрямителя могут быть Уменьшены с помощью фильтра нижних частот (сглаживающего филь­ма). Резистор R1 и конденсатор С2 в схеме на рис. 29.10 образуют про­стейший RC-фильтр. Для эффективного ослабления пульсаций постоянная времени R1C2 должна быть очень велика по сравнению с пери­одом пульсаций.

Рис. 29.10. Источник питания с RC-фильтром.

При заданной постоянной времени, чем короче период пульсаций (т. е. чем выше их частота), тем эффективнее осуществляется сглаживание. Именно поэтому пульсации на выходе двухполупериодного выпрямителя сглаживаются лучше, чем пульсации на выходе однополупериодного выпрямителя.

Емкость конденсатора C2 сглаживающего фильтра должна быть боль­шой — от 100 до 5000 мкФ, т. е. сравнима с емкостью накопительного кон­денсатора C1. Сопротивление резистора R1, наоборот, должно быть мало, в противном случае ток нагрузки будет создавать на нем большое паде­ние напряжения и выходное напряжение источника питания уменьшится. Номинал этого резистора выбирается в диапазоне 1 – 100 Ом в зависимости от величины тока нагрузки.

LC-сглаживание

Более эффективная схема сглаживания пульсаций показана на рис. 29.11. Катушка индуктивности L1 и конденсатор C2 образуют фильтр нижних частот. Дроссель L1 сглаживающего фильтра имеет большую индуктив­ность (100 мГн — 10 Гн), благодаря чему сглаживаются изменения тока, протекающего через дроссель, и, как следствие, пульсации выходного на­пряжения. Низкое активное сопротивление дросселя — одно из его пре­имуществ, большие габариты — недостаток. Заметим, что в отличие от накопительного конденсатора, который повышает уровень постоянной со­ставляющей выходного напряжения источника питания, сглаживающая цепь оставляет этот уровень практически неизменным. Она только осла­бляет переменную составляющую на выходе источника питания.

Стабилизация

Увеличение тока, потребляемого от источника питания, приводит к уменьшению его выходного напряжения.

Рис. 29.11. Источник питания постоянного тока с LC-фильтром.

Рис. 29.12. Нагрузочная характеристика нестабилизированного источника пи­тания.

Это связано с тем, что источник питания имеет свое внутреннее сопротивление, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки трансформатора, выпрямительных диодов и резистора или дросселя сглаживающего фильтра. Рисунок 29.12 иллю­стрирует изменение напряжения на выходе источника питания при из­менении тока нагрузки. Представленная кривая называется нагрузочной характеристикой (кривой). Выходное напряжение максимально, когда ток нагрузки равен нулю, т. е. при холостом ходе. Напряжение на выходе источника питания, которое он обеспечивает при установленной полной нагрузке или номинальном (полном) токе нагрузки (full load), называется номинальным выходным напряжением источника питания Vfl.

Изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения задается в процентах и определяется как

Напряжение холостого хода — Номинальное напряжение Vnl – Vfl

——————————————————————————— · 100% = ———— · 100%

Номинальное напряжение Vfl

Например, если источник питания обеспечивает напряжение 22 В на хо­лостом ходу и напряжение 20 В при номинальном токе нагрузки 10 мА, то изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения составляет

Стабилизированные источники питания

Чувствительность выходного напряжения источника питания к измене­нию тока нагрузки можно уменьшить, используя стабилизацию (автома­тическое регулирование) напряжения. Этот метод позволяет поддержи­вать выходное напряжение источника питания на постоянном уровне при изменении тока нагрузки. Существуют два способа стабилизации: парал­лельная стабилизация и последовательная стабилизация.

Параллельные стабилизаторы

Блок-схема параллельного стабилизатора (или, более точно, стабилизато­ра с параллельным включением регулирующего элемента) представлена на рис. 29.13. На рис. 29.14 приведена схема источника питания с па­раллельной стабилизацией, где в качестве регулирующего элемента ис­пользуется стабилитрон. Схема рассчитывается так, чтобы стабилитрон работал на участке пробоя. При этом падение напряжения на нем практи­чески не изменяется даже при очень больших изменениях тока, поэтому неизменным остается и выходное напряжение источника питания.

Параллельная стабилизация основана на принципе разделения тока, в соответствии с которым сумма тока нагрузки IL и тока стабилитрона IZ поддерживается постоянной. Если, например, ток нагрузки возрастает на 2 мА, то на те же 2 мА уменьшается ток регулирующего элемента, и наоборот.

Через гасящий резистор R1, включенный последовательно с нагруз­кой, протекает полный ток, и падение напряжения V1 на этом резисторе разности между нестабилизированным напряжением выпрямителя VAB и напряжением пробоя стабилитрона VZ:

V1 = VAB – VZ

Рис. 29.13. Блок-схема параллельного стабилизатора напряжения.

Рис. 29.14. Источник питания с параллельной стабилизацией.

При указанных на рис. 29.13 параметрах стабилизатора напряжение на нагрузке VL = VL = 9 В.

V1 = VAB – VZ = 30 – 9 = 21 В.

21 В

Общий ток IT = ———— = 21 мА.

1 к0м

Напряжение на нагрузке 9 В

Ток нагрузки IL = ———————————— = ———— = 7,5 мА.

Сопротивление нагрузки 1, 2 к0м

Ток стабилитрона IZ = IT — IL = 21 — 7, 5 = 13, 5 мА.

Если ток нагрузки уменьшить теперь на 2,5 мА (до 5 мА), то ток стаби­литрона возрастет на 2,5 мА и станет равным 13,5+2,5 = 16 мА.

На холостом ходу, когда IL = 0, весь полный ток IT будет протекать через стабилитрон: IZ = IT. Таким образом, независимо от того, есть нагрузка или она отключена, источник питания постоянно потребляет максимальный ток IT. Это один из недостатков параллельного стабили­затора.

На рис. 29.15 показана типичная нагрузочная характеристика источ­ника питания с параллельной стабилизацией, схема которого представле­на на рис. 29.14. Напряжение на нагрузке начинает быстро падать, когда ток нагрузки превысит номинальное значение (близкое к 21 мА). При этих значениях тока нагрузки почти весь общий ток IT ответвляется в нагрузку. Ток стабилитрона становится слишком мал и не может удержать стабилитрон в области пробоя, в результате происходит резкое падение сходного напряжения стабилизатора. Для обеспечения эффективной стабилизации значение нестабилизированного напряжения обычно выбирается таким, чтобы оно приблизительно втрое превышало напряжение стабилизации стабилитрона.

Рис. 29.15. Нагрузочная характеристика стабилизированного источ­ника питания.

Рис. 29.16. Блок-схема последо­вательного стабилизатора напряже­ния.

Последовательная стабилизация

Лучшими параметрами и более высокой эффективностью характеризу­ются последовательные стабилизаторы (или, более точно, стабилизаторы с последовательным включением регулирующего элемента), в которых применяется транзистор или тиристор, включаемый последовательно с нагрузкой. Простая блок-схема последовательного стабилизатора пред­ставлена на рис. 29.16. Стабилизатор состоит из «последовательного» ре­гулирующего элемента и стабилизирующего нагрузочного резистора, обес­печивающего некоторый минимальный нагрузочный ток.

Последовательный транзисторный стабилизатор

Базовая схема последовательного стабилизатора с использованием тран­зистора показана на рис. 29.17. Выходное напряжение снимается с эмиттера транзистора T1, и, как хорошо видно из рис. 29.18, где та же схема изображена по-иному, этот транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя. Стабилитрон поддерживает на постоянном уровне потенциал базы. Поскольку при прямом смещении потенциал эмиттера отслеживает потенциал базы, оставаясь всегда ниже последнего на 0,6 В (для кремниевого транзистора), то выходное напряжение стабилизатора так­же сохраняет свой постоянный уровень.

Эмиттерный повторитель работает как усилитель тока и обеспечива­ет работу источника питания на нагрузку, потребляющую большой ток. Стабилитрон является регулирующим элементом и источником опорного напряжения и потребляет меньший ток по сравнению со стабилитроном, работающим в параллельном стабилизаторе. Для эффективной стабили­зации ток через стабилитрон должен быть приблизительно в 5 раз больше базового тока транзистора.