Вторичные источники питания электронных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 17

ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

1. Выпрямители

Подавляющее большинство электронных устройств питается от источников постоянного напряжения, состоящих в общем случае из выпрямителя и стабилизатора постоянного напряжения (см. рис. 4.1). Первичным источником энергии служит сеть переменного тока, в частности, при не очень большой мощности, потребляемой нагрузкой (электронным устройством), однофазная сеть переменного тока с частотой Гц.

На рис. 4.2,а изображена схема однофазного двухполупериодного выпрямителя, состоящего из двух выпрямительных диодов , входного трансформатора Тр с выводом от средней точки вторичной обмотки и сглаживающего Г-образного фильтра . Трансформатор обеспечивает необходимую величину напряжения

,

гальваническую развязку между выпрямителем и сетью переменного тока, а также поочередное запирание и отпирание диодов . Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсаций знакопостоянного напряжения , полученного в результате выпрямления с помощью диодов знакопеременного напряжения .

Рассмотрим вначале работу выпрямителя на активно-емкостную нагрузку (). Поскольку напряжения и находятся в противофазе, диоды открываются поочередно, причем не при любой величине положительного напряжения, а при ( - параметр диода). Так как при большой емкости конденсатора напряжение близко к , диоды открываются на короткое время, в течение которого происходит подзаряд конденсатора (см. рис. 4.2,б, где непрерывной линией показана временная диаграмма напряжения при активно-емкостной нагрузке, а пунктирной - при чисто активной нагрузке). Чем больше сопротивление , тем медленнее разряжается конденсатор и тем меньше коэффициент пульсаций выходного напряжения

, (4.1)

постоянный напряжение выпрямитель стабилизатор

где - разность между максимальным и минимальным значениями напряжения на выходе выпрямителя; - среднее значение выходного напряжения; ; .

Активно-емкостная нагрузка применяется в маломощных выпрямителях, когда сопротивление нагрузки достаточно большое, чтобы использовать конденсатор сравнительно малой емкости. В случае низкого сопротивления применяется активно-индуктивная нагрузка ( в схеме на рис. 4.2,а), поскольку при уменьшении постоянная времени увеличивается, а коэффициент пульсаций, описываемый той же формулой (4.1), уменьшается (в отличие от активно-емкостной нагрузки здесь ). При активно-индуктивной нагрузке, как и при чисто активной, диоды открываются поочередно на все время действия положительного напряжения , в связи с чем ток через дроссель и нагрузку () протекает непрерывно, создавая на постоянное (слегка пульсирующее) напряжение , по форме повторяющее ток (на рис. 4.2,б временные диаграммы - это диаграммы тока , причем пунктиром обозначена диаграмма для случая чисто активной нагрузки). Малая пульсация тока и напряжения обеспечивается запасенной в катушке индуктивности энергией.

При совместном действии и ( и ) коэффициент пульсаций

получается меньшим по сравнению с рассмотренными выше случаями, конечно, при соответствующем выборе значений и . Дальнейшее снижение коэффициента пульсаций достигается за счет последовательного включения дополнительных Г-образных LC-звеньев.

В двухполупериодном выпрямителе к закрытому диоду приложено обратное напряжение, максимальное значение которого равно , что является недостатком схемы, к тому же в схеме используется трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки. Этих недостатков лишена схема однофазного мостового выпрямителя (рис. 4.3), в процессе работы которого в зависимости от полярности напряжения поочередно открываются или диоды , или , обеспечивая тем самым знакопостоянное напряжение . В этой схеме максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, по сравнению со схемой двухполупериодного выпрямителя, в два раза меньше (), но, правда, и потери напряжения на открытых диодах во столько же раз больше (), поскольку последовательно с нагрузкой включены два диода. Принцип работы мостового выпрямителя с различными типами нагрузок, а также основные его параметры такие же, как и у двухполупериодного выпрямителя.

2. Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения

Во многих случаях для нормального функционирования электронных устройств требуются стабильные питающие напряжения, что обеспечивается стабилизаторами постоянного напряжения. Причинами непостоянства питающих напряжений являются колебания напряжения первичного источника питания (в частности, напряжения сети переменного тока ), пульсации напряжения на выходе выпрямителя, а также изменение потребляемого нагрузкой тока (см. рис. 4.1). Эффективность работы стабилизатора при действии указанных дестабилизирующих факторов оценивается соответствующими параметрами:

- коэффициентом нестабильности по напряжению

;

- коэффициентом нестабильности по току

,

где - относительные изменения соответственно выходного и входного напряжений стабилизатора; - относительное изменение тока нагрузки стабилизатора; - выходное сопротивление стабилизатора.

Стабилизаторы постоянного напряжения подразделяются на параметрические и компенсационные. В параметрических стабилизаторах используется свойство слабой зависимости напряжения на p-n-переходе от протекающего через него тока или на диффузионном участке ВАХ, или на участке электрического пробоя (см. рис. 1.7 и 1.9). При работе на диффузионном участке ВАХ диода (рис. 4.4,а) выходное напряжение стабилизатора не зависит от типа диода (для кремниевых диодов В), тогда как при работе на участке электрического пробоя стабилитрона (рис. 4.4,б) выходное напряжение можно задавать, выбирая тот или иной тип стабилитрона. (На рис. 4.4 все напряжения отсчитываются относительно общей шины, причем - это напряжение источника с нулевым внутренним сопротивлением). При изменении входного напряжения или потребляемого нагрузкой тока изменяется ток через диод (стабилитрон), а выходное напряжение стабилизатора (оно же - напряжение на p-n-переходе) хотя и изменяется, но незначительно, что подтверждает и анализ эквивалентной схемы стабилизатора для приращений напряжений и токов (рис. 4.4,в):

, (4.2)

где - дифференциальное сопротивление диода (стабилитрона) в рабочей точке (Ом), определяющее качественные показатели параметрического стабилизатора.

Параметрические стабилизаторы напряжения чаще всего используются в качестве источников опорного напряжения в различных электронных устройствах, например, при построении генераторов стабильного тока на биполярных транзисторах, рассмотренных в подразд. 2.3. В интегральных схемах параметрических стабилизаторов вместо диода используется биполярный транзистор в диодном включении или связка диод-транзистор (рис. 4.5,а), отличающаяся, как отмечалось в подразд. 2.4, меньшим по сравнению с диодом дифференциальным сопротивлением (, при этом ). Резистор позволяет задать ток диода и, тем самым, значение в рабочей точке. Чтобы получить большее выходное напряжение (В), применяется обратносмещенный интегральный диод (рис. 4.5,б), работающий в режиме электрического пробоя. Кроме и еще одним важным параметром стабилизатора является температурный коэффициент напряжения (ТКН), характеризующий температурную стабильность выходного напряжения. Поскольку у интегрального транзистора температурный коэффициент напряжения эмиттерного перехода, работающего в режиме электрического пробоя, положительный (), а ТКН коллекторного перехода, смещенного в прямом направлении, отрицательный (), при последовательном включении эмиттерного и коллекторного p-n-переходов (рис. 4.5,в) наблюдается термокомпенсация нестабильностей, в результате чего температурный коэффициент напряжения стабилизатора уменьшается:

.

При этом выходное напряжение стабилизатора несколько возрастает:

В.

Как видно из выражения (4.2), коэффициент нестабильности по напряжению уменьшается пропорционально увеличению сопротивления , но только в том случае, если речь идет о дифференциальном сопротивлении, поскольку с увеличением статического сопротивления необходимо увеличивать и входное напряжение (чтобы сохранить прежнее значение тока ), в результате чего с некоторого значения уменьшается незначительно. Как известно, большое дифференциальное сопротивление имеет генератор тока на основе транзистора, поэтому с целью уменьшения вместо линейного резистора в рассматриваемых схемах параметрических стабилизаторов используется генератор тока, например, как показано на рис. 4.6.

В схемах на рис. 4.6 подсхема аналогична подсхеме рис. 4.5,а, но в отличие от нее диод включен в обратном направлении (как на рис. 4.5,б), поэтому выходное напряжение стабилизатора В. Резистор позволяет так задать ток диода , чтобы температурные коэффициенты обратносмещенного эмиттерного перехода транзистора и прямосмещенного эмиттерного перехода транзистора были примерно равны по модулю, оставаясь разными по знаку, что повышает температурную стабильность выходного напряжения стабилизатора (как в схеме рис. 4.5,в). Поскольку изменение входного напряжения передается на исток и затвор (эмиттер и базу) транзистора без потерь (в схеме рис. 4.6,б при условии ), транзистор напряжением не управляется, поэтому его сопротивление для напряжения большое и равно внутреннему сопротивлению полевого транзистора (или дифференциальному сопротивлению закрытого коллекторного перехода биполярного транзистора). Хотя в параметрических стабилизаторах с генератором тока коэффициент нестабильности по напряжению получается достаточно низким, лучших результатов по совокупности параметров (, нагрузочная способность) удается достичь, используя другой способ стабилизации - компенсационный.

3. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения

В компенсационном стабилизаторе (рис. 4.7) за счет отрицательной обратной связи автоматически поддерживается с заданной точностью необходимая разность между выходным и некоторым эталонным напряжениями. Регулирующий элемент (РЭ) чаще всего представляет собой эмиттерный повторитель для напряжения обратной связи , поступающего с выхода дифференциального усилителя (ДУ) постоянного тока. Входными напряжениями ДУ являются и , получаемое от источника эталонного (опорного) напряжения (ИОН), в качестве которого используется параметрический стабилизатор. Поскольку в петле, образованной дифференциальным усилителем (по инвертирующему входу) и регулирующим элементом (по пути база>эмиттер), действует глубокая отрицательная обратная связь, напряжения на инвертирующем () и неинвертирующем () входах ДУ практически одинаковые, поэтому выходное напряжение

, (4.3)

причем оно меньше входного напряжения на величину падения напряжения на регулирующем элементе, которое задается с учетом возможного уменьшения напряжения .

Стабилизирующее действие отрицательной обратной связи можно пояснить следующим образом: допустим, что напряжение по какой-либо причине увеличилось, это вызовет увеличение напряжения и соответствующее уменьшение напряжения (ДУ инвертирующий), в результате чего уменьшится ток регулирующего элемента, а выходное напряжение возвратится к своему прежнему значению, но с определенной погрешностью, зависящей от величины петлевого коэффициента усиления . Рассматривая компенсационный стабилизатор для приращений напряжений как систему с обратной связью, можем найти выражения его параметров:

, (4.4)

где - коэффициент передачи с входа на выход стабилизатора без учета обратной связи (); ; - коэффициенты усиления для напряжения рассогласования дифференциального усилителя и регулирующего элемента; - выходные проводимости стабилизатора и регулирующего элемента.

Таким образом, для уменьшения необходимо уменьшать и увеличивать , не предъявляя особых требований к коэффициенту нестабильности по напряжению опорного источника, поскольку он питается от стабилизированного напряжения . Однако временная и температурная нестабильность ИОН не устраняется компенсационным стабилизатором, что сказывается, согласно (4.3), на стабильности . Так как дифференциальный усилитель питается от входного нестабильного напряжения , величина определяется в основном передачей через цепь питания ДУ (передача с коллектора на эмиттер регулирующего транзистора незначительна).

Поскольку операционный усилитель является дифференциальным усилителем, а его выходной каскад - эмиттерным повторителем (двухтактным), ОУ в схеме компенсационного стабилизатора (рис. 4.7) может заменить и ДУ, и РЭ, как показано на рис. 4.8, где кроме схем стабилизаторов положительного (рис. 4.8,а) и отрицательного (рис. 4.8,б) напряжений приведены упрощенные схемы двухтактного выходного каскада ОУ при его функционировании в качестве регулирующего элемента (более детальные схемы выходного каскада ОУ с элементами смещения и защиты показаны на рис. 2.21). Так как модуль напряжения на входе выходного каскада ОУ больше модуля его выходного напряжения, т.е. , то роль РЭ в стабилизаторе положительного напряжения играет n-p-n-транзистор ( закрыт), а в стабилизаторе отрицательного напряжения - p-n-p-транзистор ( закрыт). В схемах на рис. 4.8 в качестве источника опорного напряжения показан простейший параметрический стабилизатор , но можно применить и любой другой.

Параметры стабилизаторов на основе ОУ описываются выражениями (4.3) и (4.4), где - параметры ОУ (см. подразд. 2.6); - выходная проводимость ОУ. С учетом этих определений параметры стабилизаторов на основе ОУ можно представить в таком виде:

.

При идеальном ОУ перестановка элементов и , а также и никак не скажется на функционировании и параметрах стабилизатора, однако на практике такие схемы оказываются менее устойчивыми по сравнению со схемами, приведенными на рис. 4.8.

Размещено на Allbest.ru