Стабилизаторы постоянного напряжения, область применения, параметрические и компенсационные стабилизаторы, описание их работы.
Структурная схема блока питания, назначение и описание её элементов. Однополупериодный выпрямитель: основные характеристики, достоинства и недостатки.
Источники питания (ИП) являются неотъемлемой частью любых устройств промышленной электроники. Как правило, это устройства, преобразующие напряжение питания сети переменного тока в стабильное напряжение постоянного тока. Типовая структурная схема источника питания представлена на рисунке. В ней используются следующие обозначения:
~ сеть – сетевое напряжение частотой 50 Гц и номинальным напряжением 220 В, следует отметить, что частота может находиться в пределах 
Гц, а напряжение 
В ( 
);
СТ– силовой трансформатор, служащий целям масштабирования переменного напряжения и гальванического разделения первичной обмотки от вторичных. Последнее условие обусловлено требованиями техники безопасности;
В – выпрямитель – устройство, преобразующее переменное напряжение вторичных обмоток силового трансформатора в однополярное выходное напряжение. Выпрямители выполняются с использованием свойств нелинейности полупроводниковых диодов;
СФ – сглаживающий фильтр – устройство, позволяющее получить напряжение с уменьшенным уровнем пульсаций;
СПН – стабилизатор постоянного напряжения – устройство, позволяющее получать на выходе стабильное напряжение независимо от изменения напряжения на его входе и изменения нагрузки на его выходе.
|
|
|
Рис.1. Структурная схема источника питания
Выпрямитель – это устройство, позволяющее получать однополярное выходное напряжение при двухполярном входном.
Основные схемы выпрямителей можно разделить на однополупериодные и двухполупериодные. Входы выпрямителей подключаются ко вторичным обмоткам силового трансформатора, а выходы, как правило, к сглаживающему фильтру. На рис.1 представлена схема однополупериодного выпрямителя с использованием диода VD и временные диаграммы, поясняющие его работу.
Рис.1. Схема однополупериодного выпрямителя – а), временные диаграммы его работы – б)
Напряжение 
– это напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора в интервалы времени, когда верхний зажим вторичной обмотки силового трансформатора более положителен, чем нижний 
. В дальнейшем будем говорить, что на вторичной обмотке положительная полуволна. Когда диод VD находится в прямосмещенном состоянии, его проводимость высока, а сопротивление мало, и практически все напряжение подается в сопротивление нагрузки 
(рис.1б), при этом по нему протекает ток 
. Пренебрегая потерями напряжения на омическом сопротивлении вторичной обмотки трансформатора и падением напряжения на диоде, можно считать, что все напряжение прикладывается к сопротивлению нагрузки .
|
|
|
Когда напряжение имеет отрицательную полуволну (напряжение на верхнем зажиме вторичной обмотки более отрицательное по отношению к нижнему), диод VD переходит в состояние с низкой проводимостью, что эквивалентно разрыву цепи. Таким образом, в интервале времени 
(см. рис.1б) напряжение на нагрузке нулевое.
С качественной точки зрения всегда интересует вопрос о среднем напряжении на нагрузке 
и о среднеквадратичном напряжении на нагрузке 
.
, 
.
Полагая напряжение сети синусоидальным, найдем 
и 
для напряжения, выделяемого на сопротивлении нагрузки в случае однополупериодного напряжения. Пусть в интервале времени 
, а в интервале 
, тогда
,
откуда 
.
Из выражения для среднего напряжения видно, что среднее напряжение, а значит и средний ток в нагрузке, составляет 
. Поскольку ток в нагрузке протекает только в одном направлении, то и ток во вторичной обмотке силового трансформатора также протекает в одном направлении, т. е. через трансформатор протекает постоянный ток. Это является основным недостатком данного выпрямителя и ограничивает его использование только для маломощных схем (иначе трансформатор может быть замагничен). Другим недостатком является значительный уровень пульсаций выходного напряжения. К достоинствам следует отнести простоту.
|
|
|
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, описание его работы, основные характеристики, достоинства и недостатки. Мостовая схема выпрямления, описание её работы, основные характеристики, достоинства и недостатки. Сглаживающий фильтр, основные количественные соотношения, расчёт емкости фильтра.
Выпрямитель – это устройство, позволяющее получать однополярное выходное напряжение при двухполярном входном. Основные схемы выпрямителей можно разделить на однополупериодные и двухполупериодные. Входы выпрямителей подключаются ко вторичным обмоткам силового трансформатора, а выходы, как правило, к сглаживающему фильтру. Схема выпрямителя со средней точкой и временные диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 1.
Рис.1. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой – а), временные диаграммы его работы – б)
Данный выпрямитель отличается от однополупериодного тем, что требует наличия двух идентичных обмоток силового трансформатора. Обмотки включены таким образом, что когда на верхнем выводе обмотки 
положительная полуволна, на нижнем выводе обмотки 
– отрицательная (относительно общего вывода обмоток). Кроме этого, в выпрямителе используется дополнительный диод VD2. В результате схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих через половину периода на общее сопротивление нагрузки. Схема выпрямителя со средней точкой отличается от схемы однополупериодного выпрямителя тем, что через силовой трансформатор не протекает постоянный ток. Однако за это приходится платить дополнительной обмоткой и дополнительным диодом. Средний ток через обмотки и диод в два раза меньше, чем ток нагрузки, т.е. по среднему току и напряжению на нагрузке схема в два раза эффективней схемы однополупериодного выпрямителя:
|
|
|
; 
.
Мостовая схема выпрямления представлена на рис. 2.
В данной схеме требуется силовой трансформатор с одной обмоткой, но в выпрямителе используется четыре диода. Когда на вторичной обмотке силового трансформатора положительная полуволна, открыты диоды VD1, VD2 (VD3, VD4 – закрыты) и напряжение подключается к сопротивлению нагрузки (см. рис. 4б, интервал времени 
). При отрицательной полуволне на обмотке силового трансформатора открываются диоды VD3, VD4 (VD1, VD2 – закрыты) и к нагрузке прикладывается отрицательная полуволна (см. рис. 4а пунктир), но таким образом, что в нагрузке ток протекает в том же направлении, что и в предшествующий полупериод.
Рис.2. Схема мостового выпрямителя – а), временные диаграммы его работы – б)
Достоинством данного выпрямителя является наличие в силовом трансформаторе всего лишь одной обмотки, по которой протекает переменный ток. Однако в отличие от схемы со средней точкой последовательно с нагрузкой включены два полупроводниковых диода, т. е. происходит дополнительное падение напряжения на диоде, соответственно и выделение тепловой энергии.
Полученное с помощью выпрямителя однополярное напряжение непригодно для дальнейшего использования, поскольку его уровень падает до нуля. Для уменьшения провалов напряжения используют сглаживающие фильтры, призванные уменьшить уровень пульсаций выходного напряжения выпрямителя до уровня, при котором стабилизатор работает устойчиво. Существуют различные виды сглаживающих фильтров, однако, наиболее широко используется фильтр на основе конденсатора значительной емкости. Работа такого фильтра имеет свои особенности, отличающие его от фильтров нижних частот. Если фильтр нижних частот работает с источником напряжения, имеющим постоянное выходное напряжение, то сглаживающий фильтр работает с выходным напряжением выпрямителя, имеющим в течение периода различные выходные напряжения. Рассмотрим работу сглаживающего С-фильтра на примере однополупериодного выпрямителя. Схема выпрямителя со сглаживающим фильтром представлена на рис. 3.
Рассмотрим работу фильтра в установившемся режиме при неизменной нагрузке. При подключении конденсатора 
к выпрямителю характер его работы изменяется таким образом, что интервал времени, в течение которого диод VD открыт, сокращается и становится меньше, чем 
. Причем, чем больше конденсатор , тем меньше интервал времени открытия диода VD ( 
, см. рис.2б). Это объясняется тем, что положительное напряжение на конденсаторе приложено к катоду диода VD в отличие от выпрямителя без сглаживающего фильтра, а диод открывается только тогда, когда напряжение на аноде больше, чем на катоде. Таким образом, в интервалы времени , 
(рис.1.5б) эквивалентная схема выпрямителя со сглаживающим фильтром выглядит так, как это показано на рис.1.5в. В эти интервалы времени напряжение прикладывается через открытый диод VD к параллельно соединенным и . После того, как напряжение достигнет максимального значения и начнет спадать, диод VD запирается, поскольку 
больше, чем и конденсатор и резистор отключаются от трансформатора. Это состояние продолжается до тех пор, пока напряжение на не станет меньше, чем (момент времени 
рис.1.5б). Данное состояние схемы продолжается больше, чем . Этому состоянию соответствует эквивалентная схема, представленная на рис.2г. Ток в нагрузке протекает только за счет разряда конденсатора . В результате выходное напряжение на нагрузке имеет вид, представленный на рис.2б. Откуда видно, что использование сглаживающего фильтра снижает пульсации выходного напряжения. Без фильтра они были равны 
, а с фильтром – 
.
Рис.3. Схема сглаживающего фильтра – а), временные диаграммы, поясняющие его работу – б), эквивалентные схемы фильтра в различные интервалы времени – в), г)
Для расчета значения емкости по заданной пульсации и току нагрузки 
примем следующие допущения. Положим, что интервал времени открытия диода много меньше, чем интервал времени, в течение которого он закрыт. Положим также, что емкость разряжается током . Тогда справедливо следующее соотношение
,
где – пульсация напряжения на конденсаторе (она же и на нагрузке);
– ток нагрузки, которым разряжается конденсатор ;
– интервал времени, в течение которого происходит разряд конденсатора .
для однополупериодного выпрямителя равно Т – периоду питающего сетевого напряжения и 
– для двухполупериодного выпрямителя.
Стабилизаторы постоянного напряжения, область применения, параметрические и компенсационные стабилизаторы, описание их работы.
Практически все электрические схемы промышленной электроники требуют стабильного источника напряжения, в котором выходное напряжение остается неизменным, несмотря на изменение входного напряжения или изменения нагрузки. Для этих целей используются стабилизаторы напряжения. Существуют параметрические и компенсационные стабилизаторы. Первые основаны на использовании нелинейных элементов, как правило, стабилитронов. Последние основаны на автоматическом регулировании выходного напряжения.
В параметрическом стабилизаторе напряжения используется нелинейная зависимость тока от напряжения полупроводникового стабилитрона. Типовая вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 1а, а схема параметрического стабилизатора на рис. 1б.
Рис.1. Вольтамперная характеристика стабилитрона – а), схема параметрического стабилизатора – б)
В данной схеме 
– балластный резистор, который выбирается из следующих соображений:
,
где 
– входное минимальное напряжение;
– напряжение стабилизации, оно же напряжение на нагрузке;
– максимальный ток нагрузки;
– минимальный ток стабилитрона.
Найдем коэффициент подавления пульсаций входного напряжения:
.
Пусть в исходном состоянии напряжение на входе 
, тогда
или 
.
Если входное напряжение, например, увеличилось на напряжение , тогда можно записать
.
Вычитая из предыдущего равенства последнее, получаем:
,
где r – динамическое сопротивление стабилитрона, справочная величина. Тогда
, 
, следовательно 
.
Найдем выходное сопротивление параметрического стабилизатора. Пусть ток нагрузки изменится на 
, тогда
, ,
,
,
, 
.
Таким образом, выходное сопротивление стабилизатора определяется динамическим сопротивлением стабилитрона.
Существуют две схемы компенсационных стабилизаторов напряжения: с последовательным и параллельным регулирующим элементом, функциональные схемы которых представлены на рис. 2.
На схемах приняты следующие обозначения: РЭ – регулирующий элемент; СС – схема сравнения; ИОН – источник опорного напряжения; 
, 
– резистивный делитель; – сопротивление нагрузки.
Рис.2. Функциональные схемы компенсационных стабилизаторов: а) с последовательным регулирующим элементом; б) с параллельным регулирующим элементом.
В стабилизаторах с последовательным РЭ он включен последовательно с источником входного напряжения и нагрузкой . Если по какой-либо причине (например, из-за нестабильности или при изменении ) выходное напряжение отклонилось от своего номинального значения, то разность между опорным напряжением 
и напряжением с делителя , изменяется. В схеме сравнения она усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически изменяется и напряжение распределяется между РЭ и таким образом, чтобы компенсировать произошедшее изменение на нагрузке.
В схеме компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ при отклонении выходного напряжения от номинального выделяется сигнал, равный разности опорного напряжения и напряжения с делителя , . Этот сигнал усиливается в схеме сравнения и воздействует на регулирующий элемент РЭ, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента 
изменяется. Вследствие этого на балластном резисторе , включенном последовательно с сопротивлением нагрузки , изменяется падение напряжения, а напряжение на выходе 
остается стабильным.
Наиболее часто используются стабилизаторы с последовательным регулирующим элементом, а стабилизаторы с параллельным РЭ используются в основном как замена стабилитронов.
Операционные усилители: назначение, область применения. Операционный усилитель с параллельной отрицательной обратной связью, примеры использования (интегратор, дифференциатор, инвертирующий усилитель, инвертор).
Операционный усилитель (ОУ) – универсальное усилительное устройство, изначально предназначенное для выполнения математических операций – отсюда и название – операционный. Графическое обозначение ОУ дано на рис.1.
Рис.1. Графическое обозначение ОУ, 
– коэффициент усиления ОУ
Кроме отмеченных выводов схемы ОУ имеют еще выводы питания, при необходимости, выводы частотной коррекции, балансировки, задания тока потребления и пр.
Абсолютные значения трех сигнальных напряжений, отсчитываемых относительно общего вывода питания, находятся в пределах питающих напряжений. Как правило, напряжения питания 
, 
. При этом, размах выходного напряжения 
и входных напряжений 
, 
симметричен в обеих полярностях и гарантированно перекрывает диапазон 
.
Основным свойством ОУ является его чувствительность к разности входных напряжений, а не к их абсолютным значениям. Вследствие этого вводятся два понятия: синфазное входное напряжение 
(общая составляющая напряжений на входах, которая должна подавляться) и дифференциальное входное напряжение 
, на которое усилитель реагирует. Будем считать, что 
, 
.
Для понимания работы схем с использованием ОУ полагают, что ОУ «идеален». Под идеальным ОУ понимается следующее: – коэффициент усиления ОУ равен бесконечности; входное сопротивление 
; выходное сопротивление 
; коэффициент подавления синфазного входного напряжения равен ∞. Понятно, что с таким коэффициентом усиления ОУ неприменим. Поэтому он предназначен для работы с глубокой отрицательной обратной связью. Различают два вида широко используемой обратной связи в схемах с ОУ. Это параллельная и последовательная отрицательные обратные связи.
На рис. 2 представлена схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью.
Рис.2. Параллельная отрицательная обратная связь
Из свойств идеального ОУ 
вытекает, что разность между инвертирующим и неинвертирующим входами чрезвычайно мала 
и входы можно считать виртуально (квази) закороченными. Выходное напряжение для данной схемы можно найти из следующих соображений. Поскольку инвертирующий вход – точка суммирования, находится под нулевым потенциалом, то ток, протекающий по резистору , является входным током, который будет определяться следующим соотношением 
, а выходное напряжение 
, откуда коэффициент усиления 
схемы с параллельной ООС будет равен 
, то есть определяется не свойствами ОУ, а элементами ОС , .
Рассмотрим ряд схем, реализованных на основе ОУ с параллельной ООС, представленных на рис.3. На рис.3а представлена схема инвертора или схема умножения входного напряжения на 
. Это достигается тем, резисторы 
. На рис.3б представлена схема дифференциатора. Поскольку 
, а 
, который в то же время равен 
(инвертирующий вход виртуально заземлен), то 
, 
.
На рис.3в представлена схема дифференциатора с использованием индуктивности L. Для нее справедливо 
, то есть, как и в схеме с использованием конденсатора, выходное напряжение пропорционально производной от входного. На рис.3г, 3д представлены схемы интеграторов входного напряжения. Для схемы на рис.3г справедливо
, 
, 
, 
.
Аналогично имеем для схемы на рисунке 3д
, 
, 
.
На рис.3е представлен преобразователь ток-напряжение. В данной схеме источник тока виртуально заземлен (схема имеет неоспоримые преимущества по сравнению с преобразователями ток-напряжение на основе низкоомных резисторов-шунтов). Выходное напряжение пропорционально входному току. Коэффициент пропорциональности – сопротивление 
. На рис.3ж представлена схема сумматора. Здесь в точке суммирования складываются входные токи, протекающие по входным резисторам. Суммарный ток протекает по резистору обратной связи и создает выходное напряжение.
На рис.3з представлен дифференциальный усилитель. Выходное напряжение схемы пропорционально разности 
.
Некоторым недостатком схем с параллельной ООС является невысокое входное сопротивление, определяемое входным сопротивлением 
.
Достоинство данных схем состоит в том, что отсутствует синфазная составляющая входного сигнала. Неинвертирующий вход заземлен 
.
Рис.3. Схемы на основе ОУ с параллельной ООС
Основные параметры операционных усилителей: основные параметры, коэффициент усиления, коэффициент подавления синфазной составляющей, входное и выходное сопротивления, напряжение питания. Операционный усилитель с последовательной отрицательной обратной связью, примеры использования (повторитель, сумматор, дифференциальный усилитель).
Операционный усилитель (ОУ) – универсальное усилительное устройство, изначально предназначенное для выполнения математических операций – откуда и его название операционный. Графическое обозначение ОУ дано на рис.1.
Рис.1. Графическое обозначение ОУ, – коэффициент усиления ОУ
Кроме отмеченных выводов схемы ОУ имеют еще выводы питания, при необходимости, выводы частотной коррекции, балансировки, задания тока потребления и пр.
Абсолютные значения трех сигнальных напряжений, отсчитываемых относительно общего вывода питания, находятся в пределах питающих напряжений. Как правило, напряжения питания , . При этом, размах выходного напряжения и входных напряжений , симметричен в обеих полярностях и гарантированно перекрывает диапазон .
Основным свойством ОУ является его чувствительность к разности входных напряжений, а не к их абсолютным значениям. Вследствие этого вводятся два понятия: синфазное входное напряжение (общая составляющая напряжений на входах, которая должна подавляться) и дифференциальное входное напряжение , на которое усилитель реагирует. Будем считать, что , .
Для понимания работы схем с использованием ОУ полагают, что ОУ «идеален». Под идеальным ОУ понимается следующее: – коэффициент усиления ОУ равен бесконечности; входное сопротивление ; выходное сопротивление ; коэффициент подавления синфазного входного напряжения равен ∞. Понятно, что с таким коэффициентом усиления ОУ неприменим. Поэтому он предназначен для работы с глубокой отрицательной обратной связью. Различают два вида широко используемой обратной связи в схемах с ОУ. Это параллельная и последовательная отрицательные обратные связи.
На рис. 2 представлена схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью.
Рис.2. Параллельная отрицательная обратная связь
Из свойств идеального ОУ вытекает, что разность между инвертирующим и неинвертирующим входами чрезвычайно мала и входы можно считать виртуально (квази) закороченными. Выходное напряжение для данной схемы можно найти из следующих соображений. Поскольку инвертирующий вход – точка суммирования, находится под нулевым потенциалом, то ток, протекающий по резистору , является входным током, который будет определяться следующим соотношением , а выходное напряжение , откуда коэффициент усиления схемы с параллельной ООС будет равен , то есть определяется не свойствами ОУ, а элементами ОС , .
Схема ОУ с последовательной отрицательной обратной связью представлена на рис. 3.
Рис.3. Последовательная отрицательная ОС
В данной схеме часть выходного напряжения передается на инвертирующий вход через делитель , . Напряжение на инвертирующем входе равно
.
Напряжение на неинвертирующем входе равно 
. Поскольку входы ОУ виртуально заземлены 
, то справедливо равенство
, 
,
откуда
, 
.
Таким образом, коэффициент усиления 
схемы определяется, как и прежде, только соотношением сопротивлений резисторов , и не зависит от свойств ОУ. Несколько схем включения ОУ с последовательной ОС представлено на рис. 4.
На рис.4а представлена схема сумматора. Напряжение 
, а напряжение находится следующим образом
,
где 
.
Рис.4. Схемы на основе ОУ с последовательной ООС
Таким образом, выходное напряжение представляет собой сумму входных напряжений, взятых с определенным весовым коэффициентом.
.
На рисунке 4б представлена схема повторителя. 
, 
. Достоинством схемы является высокое входное сопротивление 
и низкое выходное сопротивление 
. Схема используется для обеспечения высокого входного и низкого выходного сопротивлений. Недостатком схем с последовательной ООС является высокий уровень синфазного напряжения, равный напряжению на неинвертирующем вход.
Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 864; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!