Коэффициент сглаживания П-образного фильтра определяется произведением

, (2.12)

где и – коэффициенты сглаживания С-фильтра и Г-образного фильтра.

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя характеристикавыпрямителя – это зависимость постоянной составляющей напряжения на нагрузке от постоянной составляющей тока . Она отражает снижение выходного напряжения с ростом нагрузки за счет падения напряжения на внутренних сопротивлениях схемы: обмотках трансформатора, диодах, элементах фильтра.

При крутизна внешней характеристики определяет выходное сопротивление выпрямителя

. (2.13)

В отсутствии фильтра постоянные составляющие напряжения и тока нагрузки связаны соотношением

, (2.13)

где – напряжение на нагрузке в режиме холостого хода, а сумма сопротивлений диода при прямом включении и вторичной обмотки трансформатора составляет выходное сопротивление выпрямителя. Нелинейность сопротивления диода обусловливает нелинейность внешней характеристики (рис. 2.12, кривая 1).

Подключение к выпрямителю емкостного фильтра (кривая 2) увеличивает постоянную составляющую выпрямленного напряжения до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора , но и повышает сопротивление . Выпрямитель с RC-фильтром (3) обладает еще более крутой характеристикой , его выходное сопротивление больше на величину сопротивления последовательно включенного резистора .

С уменьшением сопротивления снижается зависимость выпрямленного напряжения от нагрузки.

Стабилизаторы напряжения

К источникам питания электронных устройств предъявляются высокие требования по стабильности уровня напряжения. Выходное напряжение выпрямителя может изменяться под действием различных дестабилизирующих факторов. К таким факторам можно отнести флуктуации первичного переменного напряжения, изменения нагрузки, дрейф значений параметров элементов при температурных перепадах.

Стабилизатор напряжения – устройство, включаемое в канал передачи энергии от источника к нагрузке для снижения зависимости выходного напряжения от дестабилизирующих факторов.

Основными параметрами стабилизатора напряжения являются:

· коэффициент стабилизации

,                         (2.14)

где , – постоянные напряжения на входе и выходе стабилизатора;

, – изменения постоянных напряжений и ;

· выходное сопротивление

;                                  (2.15)

· коэффициент полезного действия

,                                     (2.16)

где , – мощности, отдаваемая в нагрузку и потребляемая от источника, соответственно.

Коэффициент стабилизации и выходное сопротивление учитывают дестабилизирующее влияние изменений входного напряжения и тока нагрузки на выходное напряжение стабилизатора. С ростом коэффициента уменьшается влияние изменения входного напряжения на напряжение . С уменьшением уменьшается влияние изменения тока нагрузки на напряжение . В зависимости от сложности устройства коэффициент стабилизации и выходное сопротивление составляют , Ом.

По принципу действия стабилизаторы подразделяют на параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор

Параметрический стабилизатор основан на нелинейности характеристики элемента, подключаемого параллельно нагрузке. Наиболее распространена схема параметрического стабилизатора на стабилитроне (рис. 2.13, а). Областью стабилизации полупроводниковых стабилитронов является обратная ветвь вольтамперной характеристики p-n-перехода (рис. 2.13, б).

Изменение входного напряжения вызывает изменение тока стабилитрона . Падение напряжения на дифференциальном сопротивления стабилитрона от тока определяет изменение выходного напряжения . На рабочем участке характеристики стабилитрон обеспечивает малые изменения выходного напряжения при больших изменениях тока, при этом сопротивление мало и коэффициент стабилизации определяется соотношением

.           (2.17)

Влияние температуры на напряжение стабилизации характеризуется температурным коэффициентом напряжения стабилитрона

.                              (2.18)

С целью компенсации влияния температурных изменений на характеристики стабилизатора последовательно стабилитрону включают в прямом направлении диод с противоположным по знаку температурным коэффициентом.

Параметрические стабилизаторы напряжения применяют при малых выходных токах. Предельные токи стабилизации ограничивают их максимальную выходную мощность. Обычно параметрические стабилизаторы используют при нагрузках от нескольких единиц до десятков миллиампер, наиболее часто применяют в качестве опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационный стабилизатор

Компенсационный стабилизатор представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования. В его состав входят: источник опорного напряжения (ИОН), элемент сравнения (ЭС), усилитель (У) разностного сигнала и регулирующий элемент (РЭ)
(рис. 2.14).

Выходное напряжение стабилизатора или его часть сравнивается с опорным (эталонным) напряжением . Элемент сравнения вырабатывает разностный сигнал , который после усиления воздействует на регулирующий элемент. Управляющий сигнал изменяет режим работы РЭ так, что напряжение остается неизменным.

Опорный источник ИОН выполняют в виде параметрического стабилизатора на стабилитроне. Функции элемента сравнения и усилителя разностного сигнала часто выполняет операционный усилитель. В качестве регулирующего элемента используют биполярный или полевой транзистор.

Стабилизаторназывают последовательным, если регулирующий элемент включают последовательно нагрузке, и – параллельным при параллельном включении нагрузки.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента, компенсационные стабилизаторы подразделяют на непрерывные и импульсные (ключевые). Регулирующий элемент (транзистор) непрерывного стабилизатора работает в активном режиме. В усилительном режиме КПД транзистора не превышает 50 %, а мощность в нагрузке не может превысить допустимую мощность рассеяния транзистора. В мощных компенсационных стабилизаторах используют ключевой режим работы транзистора, характеризуемый минимальными потерями энергии. Транзистор, в отличие от непрерывного режима, основное время находится в режиме насыщения или отсечки при минимальном потреблении энергии. В результате импульсный стабилизатор обеспечивает КПД до 98 %.

Компенсационные стабилизаторы с максимальной мощностью до 10 Вт и токах до 3 А выполняет в виде интегральных микросхем (серия К142ЕН).

Контрольные вопросы

1. Как классифицируют источники вторичного электропитания?

2. Что входит в состав однофазного выпрямителя?

3. Какие свойства диода использованы в выпрямительных устройствах?

4. Назовите основные параметры выпрямителя.

5. Что такое коэффициент пульсации?

6. Как работает однофазный однополупериодный выпрямитель?

7. Назовите недостатки простейшего выпрямителя.

8. Объясните принцип работы двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

9. Как работает однофазный мостовой выпрямитель?

10. В чем различие основных параметров однофазных однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей?

11. В чем состоит принцип работы трехфазного выпрямителя с нулевым выводом?

12. Как работает трехфазный мостовой выпрямитель?

13. Объясните принцип работы управляемого выпрямителя на тиристорах?

14. Объясните назначение сглаживающего фильтра.

15. Что такое коэффициент сглаживания?

16. Как работает емкостный сглаживающий фильтр?

17. В чем различие постоянных времени заряда и разряда конденсатора С_ф емкостного фильтра?

18. Каков принцип работы индуктивного сглаживающего фильтра?

19. В чем состоит условие эффективной работы Г-образного
LC-фильтра?

20. Что характеризует крутизна внешней характеристики выпрямителя?

21. Назовите назначение стабилизатора напряжения.

22. Что учитывает коэффициент стабилизации напряжения?

23. Что учитывает выходное сопротивление стабилизатора?

24. Как подразделяют стабилизаторы по принципу действия?

25. По какому принципу работает параметрический стабилизатор и где он применяется?

26. В чем состоит принцип действия компенсационного стабилизатора.

27. По какому принципу классифицируют компенсационные стабилизаторы?

3. Усилители электрических сигналов

3.1. Классификация

Усилитель – устройство, усиливающее входной электрический сигнал по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Усилительный каскад (рис. 3.1) включает:

§ нелинейный элемент УЭ, управляемый входным сигналом ;

§ выходную цепь усиленного сигнала ;

§ источник питания Е.

В качестве управляемого нелинейного элемента в усилителях используют биполярные (управление током) или полевые (управление напряжением) транзисторы. Входную цепь каскада подключают к источнику усиливаемого сигнала , а выходную – к нагрузке . Под воздействием маломощного входного сигнала сопротивление нелинейного элемента УЭ изменяется по закону, задаваемому входным сигналом. С изменением сопротивления изменяется ток выходной цепи, обеспеченный источником Е значительно большей мощности. Выходной сигнал воздействует на нагрузку как часть энергии источника E.

Таким образом, усиление происходит за счет преобразования энергии источника E в энергию выходного сигнала за счет модуляции сопротивления нелинейного элемента по закону, определяемому входным сигналом .

Усилители классифицируют по следующим признакам:

· род усиливаемого сигнала:

- усилители постоянного тока

(УПТ);

- усилители переменного тока;

· частота усиливаемого

сигнала:

- усилители низкой частоты

(УНЧ), кГц;

- усилители высокой частоты (УВЧ), Гц;

- усилители сверхвысокой частоты (СВЧ), Гц;

· функциональное назначение:

- усилители напряжения;

- усилители тока;

- усилители мощности.

3.2. Основные параметры

Коэффициент усиления характеризует отношение установившихся значений выходного и входного сигналов.

В зависимости от функционального назначения различают коэффициенты усиления:

· по напряжению

;                         (3.1)

· по току

;                             (3.2)

· по мощности

.                      (3.3)

Усилитель содержит реактивные элементы и его коэффициент усиления является комплексной величиной:

,                                     (3.4)

где и φ – соответственно, модуль и аргумент коэффициента усиления по напряжению, определяющие величину усиления и фазовый сдвиг φ между входным и выходным напряжениями.

Коэффициенты усиления часто оценивают в логарифмических единицах (децибел, дБ). В этом случае представление коэффициента усиления по мощности

                                    (3.5)

отличается от представления коэффициентов усиления по напряжению и току

,     ,                 (3.6)

ввиду квадратичной зависимости мощности от тока и напряжения .

Выходная мощность усилителя определяет максимальную мощность нагрузочного устройства

.                                                      (3.7)

Коэффициент полезного действия указывает на долю выходной мощности от мощности источника питания

.                                            (3.8)

Входное сопротивление

.                                         (3.9)

Выходное сопротивление

,                                  (3.10)

где U_вых.х– напряжение на выходе усилителя в режиме холостого хода ( );

I_вых.к – выходной ток в режиме короткого замыкания ( ).

При каскадном соединении усилителей (рис. 3.2) коэффициент усиления системы K определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов

,                           (3.11)

а, в случае представления коэффициентов в логарифмических единицах (дБ), – их суммой

.                      (3.12)

Обратная связь в усилителях

Обратная связь (ОС) – связь элементов усилительного устройства, когда часть энергии с выхода поступает на вход устройства. Различают отрицательную и положительную обратную связь.

При отрицательной обратной связи (ООС) выходной сигнал поступает на вход в противофазе к входному сигналу, компенсируя его изменения и стабилизируя работу устройства. Отрицательная обратная связь уменьшает искажения сигнала и применяется в усилителях сигналов.

При положительной обратной связи (ПОС) выходной сигнал поступает на вход в фазе с входным сигналом, способствуя его усилению и дестабилизируя работу устройства. Положительную обратную связь используют в генераторах электрических сигналов.

По способу включения канала ОС различают четыре вида обратной связи (рис. 3.3):

· последовательная по напряжению (а);

· параллельная по напряжению (б);

· последовательная по току (в)

· параллельная по току (г).

Сигнал обратной связи, поступающий с выхода на вход усилителя, пропорционален либо выходному напряжению (связь по напряжению), либо выходному току (связь по току). При последовательной обратной связи складываются напряжения входного сигнала и сигнала обратной связи. В усилителях, реализующих ООС, напряжение обратной связи находится в противофазе к входному напряжению. При параллельной обратной связи складываются токи, при этом ток отрицательной обратной связи находится в противофазе к току входного сигнала.

Рассмотрим параметры усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению.

Дата добавления: 2018-05-01; просмотров: 557; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!