Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 12 из 17

2.9. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Генератором гармонических колебаний называют уст­ройство, создающее переменное синусоидальное напря­жение при отсутствии входных сигналов. Генератор пре­образует энергию источника постоянного напряжения в энергию переменного выходного сигнала.

Различают два режима возбуждения генератора. При так называемом мягком режиме колебания (сигнал на выходе) возникают после подключения генератора к ис­точнику питания самопроизвольно. Мягкий режим назы­вают также режимом самовозбуждения. При жестком ре­жиме для возникновения колебаний требуется внешний начальный сигнал.

Обратимся к структурной схеме генератора с последо­вательной положительной обратной связью по напряже­нию (рис. 2.64). Эта схема аналогична ранее изученной соответствующей структурной схеме усилителя с отрица­тельной обратной связью. Аналогичны и обозначения ве­личин.


откуда получаем условие самовозбуждения: К•β = 1.

П ри наличии колебаний

Запишем это условие в развернутом виде:




где φ — сдвиг по фазе для цепи прямой передачи (для уси­лителя);

\|/— сдвиг по фазе для цепи обратной связи.

Выражение | К • β|= 1 называют условием баланса амп­литуд, а выражение φ + \|/ =2πn — условием баланса фаз.

Если условие самовозбуждения К • β= l выполняется только для одной частоты, то на выходе генератора под­держивается синусоидальное напряжение этой частоты (именно это характерно для генераторов гармонических колебаний). Если это условие выполняется для несколь­ких частот, то выходное напряжение оказывается несину­соидальным, в нём имеется несколько гармоник.

Из изложенного следует, что генератор гармонических колебаний должен содержать по крайней мере одну час­тотно-избирательную цепь, которая бы обеспечивала выполнение условия самовозбуждения на заданной частоте. В зависимости от вида частотно-избирательной цепи, ис-

пользующейся в генераторе, генератор относят к тому или иному типу. В так называемых LC-генераторах использу­ются LС-цепи. В RС-генераторах используются RС-цепи. В кварцевых генераторах используют кварцевые резонаторы. В некоторых схемах совместно используются кварцевые резонаторы и LC-контуры. Существуют также генераторы с керамическими и механическими (электромеханически­ми) резонаторами.

2.9.1. RС-генераторы с мостом Вина

Мостом Вина обычно называют схему, приведенную на рис. 2.65.

При частоте входного сигнала, равной резонансной частоте f₀, напряжение на выходе и_выхравно нулю (при ненулевом входном напряжении и_вх. Легко показать, что




Иногда мостом Вина называют схему, приведенную на рис. 2.66. На частоте f₀коэффициент передачи такой схемы β = и_вых/и_вх=1/3



Далее мостом Вина будем называть первую схему с кон­фигурацией, действительно характерной для мостовых схем, а схему на рис. 2.66 — упрощенным мостом Вина.

В реальных схемах генераторов для поддержания коле­баний необходимо, чтобы на частоте колебаний напряже­ние и_еыхнесколько отличалось от нуля. Поэтому реально мост работает с некоторым рассогласованием, когда отношение сопротивлений R₁/R₂— несколько отличается от 2 (более точно, R₁/R₂ > 2 ).



Для генераторов гармонических колебаний важной проблемой является автоматическая стабилизация ампли­туды выходного напряжения. Если в схеме не предусмот­рены устройства автоматической стабилизации, устойчи­вая работа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновения колебаний амплитуда выход­ного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это приведет к тому, что активный элемент генератора (к при­меру, операционный усилитель) войдет в режим насыще­ния. В результате напряжение на выходе будет отличаться от гармонического. Схемы автоматической стабилиза­ции амплитуды могут быть достаточно сложными и содер­жать, к примеру, несколько дополнительных операцион­ных усилителей.

Изобразим схему генератора на операционном усили­теле с очень простой схемой автоматической стабилиза­ции амплитуды (рис. 2.67), которую обеспечивают диоды. Поясним их роль на следующем примере. Если по каким-


либо причинам амплитуда напряжения на выходе и_вых увеличилась, то увеличится амплитуда полуволн тока, про­ходящих через диоды. Но это приведет к тому, что для каж­дого диода уменьшится дифференциальное сопротивление и сопротивление на постоянном токе для соответствующих моментов времени. Это эквивалентно уменьшению сопро­тивления в цепи между выходом операционного усилите­ля и его инвертирующим входом. Но такое уменьшение, как известно, приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя на основе ОУ, охваченного отрица­тельной обратной связью (ООС). В результате выходное напряжение уменьшится, возвратившись к исходному зна­чению. Назначение потенциометра — регулирование ам­плитуды выходного напряжения.

Предыдущую схему можно представить так, как пока­зано на рис. 2.68. Тогда становится очевидным, что пунктиром



обведен усилитель, представляющий из себя ОУ, охваченный цепью ООС и имеющий коэффициент усиле­ния К. С помощью частотно-зависимой RС-цепи (упро­щенный мост Вина) этот усилитель охвачен цепью поло­жительной обратной связи. На частоте f₀коэффициент передачи упрощенного моста Вина β= 1/3. Следовательно, для соблюдения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы К • β>1, т. е. (пренебрегая прямым сопротивлением диодов D₁ и D₂)



т. е. получаем тот же результат, что и ранее, но более строго. При практическом применении подобных генераторов нагрузку часто желательно подключать через дополни­тельный так называемый буферный усилительный каскад.

2.9.2. Кварцевые генераторы

Как уже отмечалось, основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы. Кварцевый резона­тор — это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой элек­тромеханическую колебательную систему. Эти резонато­ры относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта. Прямой пьезоэффект состоит в том, что механическая нагрузка на материал элемента вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями элемента. Обратный пьезоэффект состоит в том, что электрическое напряже­ние между соответствующими поверхностями элемента, создаваемое с помощью внешнего источника напряжения, вызывает появление механических напряжений, которые могут изменять форму и размеры элемента.

Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заго­товки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографи­ческих осей монокристалла. В рабочем режиме на обклад­ках пластины имеется переменное напряжение и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.

При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) его удобно заменять эквивалентной схемой, пред­ставленной на рис 2.69, б.

Необходимо отметить, что именно эта эквивалентная схема кварцевого резонатора используется в пакете про­грамм PSpice для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.

На частоте последовательного резонанса w_к =1/(L_кC_к)^1/2 резонатор имеет минимальное сопротивление R_к .Частота параллельного резонанса




В диапазоне частот между w_ки w₀ резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.

Кварцевые резонаторы характеризуются высокой ста­бильностью и добротностью (Q_K= 10⁴ - 10⁵). Использова­ние кварцевых резонаторов позволяет снизить относи­тельное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10^-6 - 10^-9).

Приведем для примера упрощенную схему кварцевого генератора на основе операционного усилителя при ис­пользовании последовательного резонанса (рис. 2.70). На частоте последовательного резонанса в схеме имеет мес­то сильная положительная обратная связь, что и поддер­живает автоколебания.

2.10. ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Вторичные источники питания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредствен­ного питания электронных и других устройств. Предпола­гается, что вторичные источники в свою очередь получа­ют энергию от первичных источников питания, вырабатывающих электричество — от генераторов, акку­муляторов и т. д. Питать электронные устройства непос­редственно от первичных источников обычно нельзя.

Вторичные источники питания являются одними из наиболее важных устройств электроники. Например, ча­сто надежность того или иного устройства электроники существенно зависит от того, насколько надежен его вто­ричный источник питания. Общепринято вторичные ис­точники называть источниками питания.

Рассмотрим типичные структурные схемы источников питания, получающих энергию от промышленной сети с частотой 50 Гц.

Рассмотрим вначале источник питания без преобразо­вателя частоты, структурная схема которого представлена на рис. 2.71.




Трансформатор предназначен для гальванической раз­вязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня пе­ременного напряжения. Обычно трансформатор является понижающим. Выпрямитель преобразует переменное на­пряжение в напряжение одной полярности (пульсирую­щее). Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации на­пряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает изменения напряжения на нагрузке (стабили­зирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой.

Напряжение в сети обычно может изменяться в диапа­зоне +15...—20% от номинального значения.


Рассмотрим источник питания с преобразователем ча­стоты (рис. 2.72).

Рассмотренный источник питания является источни­ком питания без преобразования частоты. Такие источни­ки питания ранее использовались широко, одноко в пос­леднее время вместо них все чаще используют источники с преобразованием частоты. Причиной этого является то, что в источниках без преобразования частоты вес и габа­риты трансформатора, работающего на частоте 50 Гц, а также сглаживающего фильтра оказываются довольно большими. Тем не менее, рассматриваемые источники питания используются и в настоящее время.


В этих источниках напряжение от сети подается непос­редственно на выпрямитель 1. На выходе сглаживающего фильтра 1 создается постоянное напряжение, которое вновь преобразуется в переменное с помощью так назы­ваемого инвертора. Полученное переменное напряжение имеет частоту, значительно превышающую 50 Гц (обычно используют частоты в десятки килогерц). Затем напряже­ние передается через трансформатор, выпрямляется и фильтруется. Так как трансформатор в этой схеме работа­ет на повышенной частоте, то его вес и габариты, а также вес и габариты сглаживающего фильтра 2 оказываются очень незначительными. Как и в предыдущей схеме, ос­новная роль трансформатора состоит в гальванической развязке сети и нагрузки. Инвертор, трансформатор и выпрямитель 2 образуют конвертор — устройство для из­менения уровня постоянного напряжения.

Необходимо отметить, что в такой схеме инвертор вы­полняет роль стабилизатора напряжения. В качестве ак­тивных приборов в инверторе используются транзисторы (биполярные или полевые). Иногда применяются тиристоры. В любом случае активные приборы работают в клю­чевом режиме (например, транзистор или включен и на­ходится в режиме насыщения, или выключен и находит­ся в режиме отсечки), поэтому источники питания с преобразованием частоты называют также импульсными. Однако следует иметь в виду, что и в источниках без пре­образования частоты могут использоваться импульсные стабилизаторы, я которых транзисторы работают в клю­чевом режиме.

Рассматриваемые источники питания широко исполь­зуются в современных устройствах электроники, в частно­сти в компьютерах. Они обладают, как правило, значи­тельно лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с рассмотренными выше источниками без преобразования частоты.

Перейдем теперь к рассмотрению отдельных элементов структурных схем источников питания.

2.10.1. Выпрямители

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямите­ли. В мощных источниках целесообразно применять трех­фазные выпрямители.

Выпрямители имеют следующие основные параметры: а) среднее значение выходного напряжения и_вых


где Т— период напряжения сети (для промышленной сети — 20 мс);

б) среднее значение выходного тока i_eыx


в) коэффициент пульсаций выходного напряжения



где U_m— амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения. Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.

Обозначим его через ε%: ε % =U_m/U_ср100%
Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.

При проектировании выпрямителя широко применя­ются также следующие параметры, характеризующие его внутренние особенности:

а) действующее значение U_вхвходного напряжения выпрямителя;

б) максимальное обратное напряжение U_{обр.макс}на от­дельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это на­пряжение принято выражать через напряжение U_ср;

в)среднее значение 1_дсртока отдельного вентиля;

г) максимальное (амплитудное) значение 1_дмакстока от­дельного вентиля.

Токи 1_д.сри 1_д.макспринято выражать через 1_ср. Значение U_{обр.макс}используется для выбора вентиля по напряжению. Значения 1_д.сри 1_д.максиспользуются для выбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малой теп­ловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его средний ток 1_д.срмал, но велик максимальный ток 1_дмакс.

Однофазный однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, изображенную на рис. 2.73, а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 2.73, б).










Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:



Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Кроме прочего, характерной отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через транс­форматор, как показано на рис. 2.73, в, то наличие ука­занной постоянной составляющей тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух одно-полупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпря­митель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (рис. 2.74, а).
Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.74, б).

Основные параметры такого выпрямителя получим аналогично тому, как это делалось ранее:


где U₂ — действующее значение напряжения каждой по­ловины вторичной обмотки;



Рассматриваемый выпрямитель характеризуется до­вольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. При его проектиро­вании полезно помнить о сравнительно большом обрат­ном напряжении на диодах.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 2.75, а) мож­но считать пределом совершенства тех однофазных вып­рямителей, которые могут использоваться без трансфор­матора. Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались




диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включа­ются и выключаются парами. Одна пара — это диоды D1 и D2, а другая — D3 и D4. Таким образом, к примеру, ди­оды D1 и D2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 2.75, б). Если не забывать мысленно за­менять каждый включенный диод закороткой, а каждый выключенный — разрывом цепи, то анализ работы этой схемы оказывается совсем нетрудным.

Основные параметры усилителя следующие:



Такой выпрямитель характеризуется высокими техни­ко-экономическими показателями и широко использует­ся на практике. Часто все четыре диода выпрямителя по­мещают в один корпус.

Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом и его временные диаграммы работы приведены на рис. 2.76.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 0,25, в то время как для двухполупериодного



Рис.2.76

однофазного выпрямителя коэффициент пульсаций равен 0,67. Частота пульсаций в трехфазном выпрямителе в три раза выше частоты питающей сети.

Схема трехфазного мостовоговыпрямителя (схема Ла­рионова) приведена на рис. 2.77. Используемые в данной схеме 6 диодов выпрямляют как положительные, так и от­рицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового
выпрямителя. Рассматриваемый выпрямитель характери­зуется высокими технико-экономическими показателями и очень широко используется на практике. Коэффициент пульсаций схемы очень мал (ε = 0,057), а частота пульса­ций в шесть раз выше частоты сети. Все это позволяет в некоторых случаях не использовать выходной фильтр. Ана­лиз работы рассматриваемой схемы сложнее, чем анализ ра­боты однофазного мостового выпрямителя, однако не со­пряжен с какими-либо принципиальными затруднениями.

2.10.2. Сглаживающие фильтры

Выпрямленное напряжение имеет существенные пуль­сации, поэтому широко используют сглаживающие филь­тры - устройства, уменьшающие эти пульсации. Важней­шим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S. По определению S=ε₁/ε₂, причем ε₁ и ε₂ определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фак­тически совпадают, под ε₁ понимают коэффициент пуль­саций до подключения фильтра, а под ε₂ — коэффици­ент пульсаций после его подключения. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьша­ет пульсации. На выходе фильтра напряжение оказывает­ся хорошо сглаженным, а коэффициент пульсаций может иметь значения в диапазоне 0,001 .... 0,00003. .

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофаз­ного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.78). Емко­стной фильтр подключают параллельно нагрузке (рис. 2.78, а).

На отрезке времени t1...t2. диод открыт и конденсатор заряжается (рис. 2.78, б). На отрезке t2...t3 диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспо-нентой с постоянной времени t = R_hC. Ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t1...t2). Чем короче отрезок t1...t2, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С очень велика, то отрезок t1...t2 оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может вый­ти из строя. Такой фильтр широко используется в мало­мощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он ис­пользуется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмо­ток трансформатора) достаточно тяжел.

В качестве фильтра можно использовать и индуктив­ность. Легко доказать, что индуктивный фильтр (L-фильтр) практически не дает полезного эффекта в однофазном однополупериодном выпрямителе. Рассмотрим работу индуктивного фильтра на примере однофазного мостово­го выпрямителя. Индуктивный фильтр включают после­довательно с нагрузкой (рис. 2.79, а). Часто используют




катушку индуктивности (реактор) на магнитном сердеч­нике с зазором.

Предположим, что постоянная времени Т , определяемая выражением Т=L/R_h, достаточно велика (как это обычно бывает на практике). Тогда ток нагрузки оказыва­ется практически постоянным (рис. 2.79, б). Такой фильтр широко используется в выпрямителях, особенно мощных. Режим работы диодов (и соответствующих электрических цепей) не является тяжелым.




Н а практике используют также следующие типы филь­тров (рис. 2.80): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-филыр (а), Г-образный RС-фильтр (б), П-образный LС-фильтр (в), П-образный RС-фильтр (г).

Обычно Г- и П-образные RC-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике применяют и другие, более сложные фильтры.

Рассмотрим внешние характеристики выпрямителей с фильтрами. Внешняя характеристика, — это зависимость среднего значения выходного напряжения (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). При увеличении выходного тока выходное на­пряжение уменьшается из-за увеличения падения напря­жения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Рассмотрим типичные внешние характеристики (рис. 2.81), которые получают, изменяя сопротивление нагруз­ки, подключенное к выходу фильтра. Наклон внешней характеристики при том или ином токе 1_срхарактеризуют выходным сопротивлением R_eыx, которое определяется выражением


Чем меньше величина R_eых, тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, что обычно и тре­буется.

Как следует из рис. 2.81, выпрямитель с RC-фильтром характеризуется повышенным выходным сопротивлением. Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.




2.10.3. Стабилизаторы напряжения

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации К_ст, выходное со­противление R_eыхи коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации определяют из выражения



где u_вх,u_вых. — постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора; Аu_вх — изменение напряжения u_вх;

Аu_вых — изменение напряжения u_вых, соответствующее

изменению напряжения Аu_вх.

Таким образом, коэффициент стабилизации — это от­ношение относительного изменения напряжения на вхо­де к соответствующему относительному изменению на­пряжения на выходе стабилизатора. Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется вы­ходное напряжение при изменении входного. У простей­ших стабилизаторов величина К_стсоставляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением

где Δи_вых— изменение постоянного напряжения на выхо­де стабилизатора;

Δi_вых— изменение постоянного выходного тока стаби­лизатора, которое вызвало изменение выходного на­пряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является вели­чиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрями­теля с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изме­нении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов вели­чина R_вых составляет единицы Ом, а у более совершен­ных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора η_ст — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р_н, к мощности, потребляемой от входного источника напряже­ния Р_вх
Традиционно стабилизаторы разделяют на параметри­ческие и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы являются простейши­ми устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характери­стики. Рассмотрим схему параметрического стабилизато­ра на основе стабилитрона (рис. 2.82). Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобра­зуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитро­на линии нагрузки для различных значений эквивалентного




напряжения, соответствующих различным значени­ям входного напряжения (рис. 2.82, в). Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения u_э(на Δu_э), а значит, и вход­ного напряжения и_вх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину Δи_вых. Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше Δи_вых. Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон за­меним его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий из­менению входного напряжения Δи_вх (на схеме пунктир):






так как обычно r_д« R_H

Следовательно,

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиам­пер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Ха­рактерными элементами компенсационного стабилизато­ра являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталон­ным напряжением. В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывает­ся управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практи­чески постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную элек­тронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор. Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с на­грузкой. В этом случае стабилизатор называют последова­тельным (рис. 2.83, а). Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор на­зывают параллельным (рис. 2.83, б, здесь СУЭ и ИОН с целью упрощения не показаны). В параллельном стабили­заторе используется балластное сопротивление R_б, вклю­чаемое последовательно с нагрузкой.




В зависимости от режима работы регулирующего эле­мента стабилизаторы разделяют на непрерывные и им­пульсные (ключевые, релейные). В непрерывных стабили­заторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Рассмотрим типичную принципиальную схему непре­рывного стабилизатора (рис. 2.84, а). Эта схема соответ­ствует приведенной выше структурной схеме последова­тельного стабилизатора. Для того, чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допу-






ений, которые были рассмотрены при изучении опера­ционного усилителя, изобразим эту схему по-другому. При этом цепи питания операционного усилителя для упроще­ния рисунка изображать не будем. Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R₂, R₃ ,DA и VT построен не-инвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным кас­кадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное на­пряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R₁ и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:




Подставляя выражение для i_R2в предыдущее уравнение, получим


следовательно,


Последнее выражение в точности повторяет соответ­ствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение и_ст).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматри­ваемая схема является убедительным примером, демонст­рирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительныи расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между вход­ным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные мик­росхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту се­рию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения ин­тегральных стабилизаторов, микросхему дополняют вне­шними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабили-

Таблица 2.1



затору К142ЕН1 внешних элементов — на рис. 2.85. Ре­зистор Rпредназначен для срабатывания защиты по току,



а R₁— для регулирования выходного напряжения. Мик­росхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выход­ным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непре­рывные стабилизаторы. Благодаря применению ключево­го режима работы силовых элементов таких стабилизато­ров, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70- 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30-50%. В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощ­ность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом со­стоянии ток, протекающий через силовой элемент, мак­симален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий че­рез него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Та­ким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность не­значительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к умень­шению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания отно­сят наличие пульсаций выходного напряжения..

Рассмотрим импульсный последовательный стабилиза­тор напряжения (рис. 2.86). Ключ Sпериодически вклю­чается и выключается схемой управления (СУ) в зависи­мости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение t_вкл/t_выкл, где t_вкл

Т_выкл— длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше на­пряжение на выходе. В качестве ключа Sчасто использу­ют биполярный или полевой транзистор. Диод обеспечи­вает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент ком­мутации. LC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.

2.10.4. Инверторы, умножители

напряжения и управляемые выпрямители

Инверторы — это устройства, преобразующие постоян­ный ток в переменный. Изобразим упрощенную схему инвертора на биполярных транзисторах (рис. 2.87), где имеет место соотношение u_c1 =u_c2 =1/2и_вх. В схеме час­то используют электролитические конденсаторы (боль­шой емкости). Транзисторы работают в ключевом режиме:
включаются и выключаются поочередно. На выходе схемы возникает переменное напряжение.

Умножители напряжения преобразуют переменное на­пряжение в постоянное, причем выходное постоянное напряжение значительно превышает амплитуду входного переменного напряжения. Различают симметричные и несимметричные умножители напряжения.

Рассмотрим схему симметричного удвоителя напряже­ния (схему Латура) (рис. 2.88). Диоды включаются в раз­ные полупериоды входного напряжения. В те полуперио­ды, когда и_вх<0, включается диод D1 и заряжается конденсатор С₁в другие полупериоды (и_вх < 0), включа­ется диод D2 и заряжается конденсатор С₂.



Напряжения на конденсаторах при холостом ходе при­ближаются к амплитудному значению U_ex.mвходного на­пряжения, поэтому и_вых= 2U_ex.m

Схема несимметричного удвоителя напряжения имеет вид, показанный на рис. 2.89.




В отрицательные полупериоды входного напряжения (и_ех< 0) через диод D1 заряжается конденсатор С₁ до амп­литудного значения входного напряжения, а в положи­тельные полупериоды (и_ех> 0) через диод D2 под действи­ем суммы напряжений и_вхи и_c1, действующих согласно, заряжается конденсатор С₂ до удвоенного амплитудного значения входного напряжения.

Аналогичным образом строят утроители (рис. 2.90, а), учетверители (рис. 2.90, б) и другие умножители напряже­ния. В этих схемах напряжение на конденсаторе С₁ равно амплитудному значению входного напряжения, а на всех остальных конденсаторах — удвоенному амплитудному значению входного напряжения. Входное напряжение на такие умножители поступает обычно со вторичной обмот­ки трансформатора, и тогда такое устройство называют выпрямителем с умножением напряжения. Обычно они применяются в высоковольтных выпрямителях, потребля­ющих небольшой ток (единицы миллиампер), например для питания кинескопов телевизоров.

Рассмотренные ранее выпрямители являлись нерегули­руемыми, так как величина выходного постоянного напряжения





однозначно определялась входным напряжени­ем выпрямителя.