57%. Для питания радио аппаратуры допускается напряжение с коэффициентом пульсации 0,1 – 1%. Для снижение пульсаций выпрямленное напряжения пропускается через фильтр.
Фильтр, как отмечалось, осуществляет преобразование пульсирующего сигнала в сигнал практически постоянной величины. Часто используется R-C фильтр (без индуктивный фильтр). На рис. 58 показана осциллограмма напряжения на выходе фильтра. Схема фильтра напоминает схему амплитудного детектора. Поэтому процессы в нём аналогичны рассмотренным выше. Вначале конденсатор заряжается через резистор фильтра, а затем разряжается через нагрузку. Как и в амплитудном детекторе необходимо, чтобы постоянная времени заряда конденсатора была на много меньше постоянной разряда конденсатора.
Рис. 58 Осциллограммы напряжений на выходе трансформатора, выпрямителя и фильтра.
СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ предназначены для стабилизации (поддержание на постоянном уровне) выходного напряжения.
Стабилизаторы напряжения подразделяются на:
- стабилизаторы непрерывного действия или компенсационные;
- стабилизаторы импульсного действия.
Стабилизаторы непрерывного действия.
В таких стабилизатор ток, протекающий через регулирующий элемент, непрерывен. Эти стабилизаторы разделяются на параметрические и компенсационные.
Параметрические стабилизаторы. На рис. 59 представлена схема параметрического стабилизатора.
Рис. 59 Схема параметрического стабилизатора
Он состоит из стабилитрона VD и балластного сопротивления Rбал. Нагрузка подключена параллельно стабилитрону. Это значит, что напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне. Как видно, стабилитрон работает на обратной ветви своей ВАХ.
При определённом установившемся режиме имеет место определённый входной ток, который создаёт определённое падение напряжения на балластном резисторе. Далее этот ток разветвляется на ток через стабилитрон и на ток через нагрузку. Входное напряжение равно сумме напряжений на балластном резисторе и на нагрузке.
При увеличении входного напряжения увеличивается входной ток и ток через стабилитрон. Это приведёт к некоторому перемещению рабочей точки стабилитрона в низ по характеристике, что, в свою очередь, приведёт к возрастанию тока через стабилитрон. Последнее вызовет дополнительное увеличение входного тока, что приводит к увеличению напряжения на балластном резисторе. В результате приращение входного напряжения приводит к значительному увеличению напряжения на балластном резисторе и не значительному увеличению напряжения (в соответствии с перемещением рабочей точки на характеристике стабилитрона) на нагрузке. Рассмотренный процесс стабилизации можно описать аналитически. Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для входного контура:
Из схемы видно, что напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне. Тогда напряжение на нагрузке равно:
.
Как было сказано, при увеличении входного напряжения заметно увеличивается напряжение на балластном сопротивлении. Из уравнения видно, что это приводит неизменному значению напряжения на нагрузке.
Изменение положения рабочей точки на ВАХ стабилитрона ведёт к изменению одного из его параметров – динамического сопротивления. Поэтому такой стабилизатор называется параметрическим.
Компенсационные стабилизаторы. Функциональная схема компенсационного стабилизатора представлена на рис. 60.
Рис. 60 Функциональная схема компенсационного стабилизатора.
В таком стабилизаторе последовательно с нагрузкой включён транзистор VT. Параллельно нагрузке подключён блок обратной связи, содержащий схему сравнения и , как правило, усилитель постоянного тока. В системе сравнения сравнивается величина выходного напряжения с опорным напряжением. Разница этих напряжений усиливается и подаётся на базу транзистора. В зависимости от величины этой разницы, транзистор открывается или прикрывается. Так, если напряжение на нагрузке меньше необходимого значения, то транзистор будет приоткрываться. Его сопротивление между коллектором и эмиттером уменьшается. Это приведёт к уменьшению падения напряжения на транзисторе и, в соответствии с 2-м законом Кирхгофа, напряжение на нагрузке повысится до прежней величины. При увеличении напряжения на нагрузке транзистор будет прикрываться, его сопротивление возрастёт, падение напряжения на нём увеличится, а напряжение на нагрузке уменьшится до требуемой величины.
На рис. 61 представлена схема компенсационного стабилизатора напряжения без УПТ в обратной связи. Опорное напряжение создаётся с помощью стабилитрона.
Рис. 61 Схема компенсационного стабилизатора
напряжения без УПТ в обратной связи.
Принцип работы стабилизатора можно описать с помощью следующих соотношений. По 2-му закону Кирхгофа уравнение для контура, содержащего нагрузку, имеет вид (обходим против часовой стрелки):
Из этого уравнения находим напряжение на базе:
Из этого уравнения видно, что при увеличении напряжения на нагрузке напряжение на базе уменьшается, что выедёт к прикрытию транзистора и на оборот.
При наличии в обратной связи УПТ регулировка состояния транзистора будет осуществляться при меньших отклонениях напряжения на нагрузке. Это значит будет происходить более точная стабилизация напряжения на нагрузке.
Стабилизаторы импульсного действия. Функциональная схема импульсного стабилизатора такая же, как и у компенсационного стабилизатора (рис. 60). Отличие состоит в том, что здесь транзистор работает в ключевом режиме. Это значит, что он находится то в открытом режиме, то в закрытом. Длительность нахождения транзистора в том или другом состоянии определяется схемой управления. Такой режим управления транзистором называется широтноимпульсная модуляция (ШИМ). Он характеризуется тем, что величина и период следования импульсов не меняется, а меняется только их длительность.
Одним из параметров импульсного сигнала является его скважность, которая равна отношению длительности импульса к периоду следования импульсов.
.
Так для верхнего рисунка скважность импульсов равна 2, а для второго рисунка скважность импульсов равна 4.
При разложении импульсных сигналов в ряд Фурье для различных значений скважности (рис. 62, третий график) видно, что с увеличением скважности уменьшается среднее значение (постоянная составляющая) импульсного сигнала. Это свойство и положено в способ изменения напряжения на выходе импульсного стабилизатора.
Рис. 62 Широтноимпульсная модуляция и зависимость среднего
значения напряжения от величины скважности сигнала.
Принципиальная схема одного из вариантов импульсного стабилизатора представлена на рис. 63.
Рис. 63 Принципиальная схема одного из вариантов импульсного
стабилизатора
Схема управления формирует импульсные сигналы определённой скважности управления транзистором. Если напряжение на нагрузке уменьшилось, то скважность уменьшается, что бы напряжение на нагрузке взросло и на оборот.
Напряжение после транзистора имеет импульсный характер. Для его сглаживания в импульсных стабилизаторах на выходе всегда ставится фильтр. На схеме он состоит из индуктивности и конденсатора. Диод в схеме предназначен для передачи в нагрузку электромагнитной энергии катушки при закрытом транзисторе.
Микроминиатюризация стабилизаторов осуществляется путём применения в цепи управления интегральных схем. На рис. 64 представлена схема компенсационного стабилизатора на основе интегральной микросхемы К142ЕН.
Рис. 63 Схема компенсационного стабилизатора на основе интегральной
микросхемы.
Она включает в себя управляемый транзистор и схему управления, куда входят стабилитрон и УПТ. Такие стабилизаторы имеют небольшой ток нагрузки Для обеспечения стабилизации напряжения на нагрузке при значительных токах к интегральной схеме подключаются дополнительно транзисторы (рис. 64).
Рис. 64 Схема компенсационного стабилизатора для нагрузки при значительных токах.
В импульсных стабилизатора так же используются интегральные микросхемы, которые включают схему формирования управляющих импульсных сигналов.
ИНВЕРТОРЫ.
Инвертором в ИП называется устройство, выполняющее преобразование постоянного (однополярного) напряжения в переменное (двух полярное) напряжение с частотой 50 – 300 кГц.
Инверторы подразделяются на:
- инверторы с самовозбуждением;
- инверторы с независимым возбуждением.
Инверторы с самовозбуждением. В таких инверторах возникают возбуждения сами, без помощи внешнего генератора, как только на них подаётся питающее напряжение. Существуют однотактные и двухтактные схемы. Более эффективными являются двухтактные инверторы. Схема такого инвертора представлена на рис. 65. Эта схема ещё называется «генератором Ройера».
Рис. 65 Схема инвертора с самовозбуждением.
Инвертор содержит один трансформатор с насыщающимся магнитопроводом. На магнитопроводе намотаны коллекторные обмотки w1 и w2, которые подключены к коллекторам соответствующих транзисторов. Базовые обмотки, намотанные на магнитопроводе, подключены к базам транзисторов. На магнитопроводе расположена так же нагрузочная обмотка, к которой подключается нагрузка. Все обмотки на магнитопроводе намотаны согласно, что показано с помощью точек на обмотках. Как известно, точка указывает начало обмотки. Для надёжного обеспечения запуска инвертора база одного из транзисторов (всё равно какого, на схеме транзистор VT1) соединена через резистор с источником питания. Это значит, что при подаче питающего напряжения первым будет открываться этот транзистор.
Инвертор работает следующим образом. При подаче напряжения первым открывается транзистор VT1. Это вызывает появление тока в коллекторной обмотке wк1. Этот ток создаёт нарастающее магнитное поле, которое наводит ЭДС в остальных обмотках. Полярность ЭДС, наводимая на базовой обмотке первого транзистора такова, что она ведёт к дальнейшему открытию этого транзистора. Полярность ЭДС на базовой обмотке второго транзистора такова, что она закрывает этот транзистор. В процессе открытия первого транзистора происходит нарастание коллекторного тока первого транзистора, что ведёт к увеличению напряжения на его базе. Это вызывает дальнейшее открытие первого транзистора. Рассмотренный процесс происходит до тех пор, пока не произойдёт насыщение магнитопровода. В течение этого интервала времени на нагрузочной обмотке наводится ЭДС одной полярности. Как только магнитопровод насытится, прекратится увеличение (изменение) магнитного поля. Это значит, что на базовой обмотке первого транзистора не будет наводиться напряжение и оно станет равным нулю. Это вызовет прикрытие первого транзистора, что приведёт к уменьшению его коллекторного тока, а, значит к уменьшению магнитного поля трансформатора. В соответствии с законом Джоуля – Ленца, уменьшающееся магнитное поле меняет направление и меняется полярность напряжений, наводимых на базовых обмотках транзисторов. В результате первый транзистор будет закрываться, а второй – открываться. В процессе открытия второго транзистора, который происходит аналогично рассмотренному, создаётся магнитный поток, направление которого противоположно предыдущему. Последнее видно из схемы. Этот поток наводит в нагрузочной обмотке ЭДС, противоположной полярности, по сравнению с предыдущим потоком. Далее рассмотренные процессы протекают по переменно в каждом транзисторе. В результате на нагрузочной обмотке возникает переменное напряжение.
Инверторы с независимым возбуждением. Они состоят из задающего генератора (не регулируемого или регулируемого) и усилителя мощности. Из этих двух узлов, определяющим параметры инвертора (к.п.д., удельная мощность, сквозные токи и т.д.), является усилитель мощности.
Разработано довольно большое число схемных решений усилителей мощности. Из этого разнообразия, как показала практика разработки, одна из работоспособных и с хорошими показателями является полумостовая схема усилителя мощности (рис. 66).
Рис. 66 Полумостовая схема усилителя мощности инвертора.
Схема содержит два транзистора и два конденсатора большой ёмкости. В мостовой схеме в место конденсаторов стоят транзисторы. Силовой трансформатор TV2 включён по мостовой схеме. Первичная обмотка подключена к транзисторам, а вторичная обмотка является нагрузочной и к ней подключается нагрузка.
Управление транзисторами осуществляется через базовые обмотки, которые намотаны на сердечник трансформатора управления TV1. На первичную обмотку этого трансформатора подаётся двух полярный управляющий сигнал. Если инвертор не регулируемый, то сигнал имеет неизменную частоту и амплитуду. Во всех случаях управляющий сигнал имеет прямоугольную форму.
Управляющие обмотки намотаны встречно, что обеспечивает поочерёдное включение транзисторов при изменении полярности управляющего сигнала. Допустим, при положительной полярности управляющего сигнала открывается транзистор VT1. Это значит, что на его базе будет «плюс», а на эмиттере «минус». Тогда второй транзистор будет закрыт, т.к. на его базе будет «минус», а эмиттере «плюс». Через открытый транзистор начинает протекать ток по цепи - плюс, коллектор – эмиттер первого транзистора, первичная обмотка силового трансформатора TV2, конденсатор С2, минус источника.
При отрицательной полярности управляющего сигнала первый транзистор закрывается, т.к. на его базе будет отрицательный потенциал, а второй транзистор откроется, т.к. на его базе будет положительный потенциал. Ток в схеме потечёт по следующему пути – плюс, конденсатор С1, первичная обмотка силового трансформатора TV2 (направление обратное предыдущему), второй транзистор VT2, минус источника. Далее процессы повторяются.
Из рассмотренного видно, что по первичной обмотке силового трансформатора протекает переменный ток, который создаёт переменный магнитный поток, который наводит переменное Э.Д.С. на вторичной обмотке и частота которого равна частоте управляющего сигнала.
В ИП с регулируемым инвертором (рис. 56) управляющий сигнал будет изменяться по закону широтно-импульсной модуляции. По этому же закону будет изменяться и напряжение на выходной обмотке силового трансформатора.
В случае изменения управляющего сигнала по закону частотной модуляции силовой трансформатор должен быть заменён на резонансный трансформаторный узел. Для этого достаточно параллельно выходной обмотке подключить конденсатор, ёмкость которого совместно с индуктивностью выходной обмотки создаёт резонансную частоту, равную частоте управляющего сигнала.