7.2 Выпрямители

Выпрямитель – это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Наиболее часто для выпрямления используются диоды (диодные ключи). Для частот 50…60 Гц пригодны низкочастотные диоды, но для более высоких частот необходимы диоды типа HEXFRED, ультрабыстрые, выпускаемые фирмой International Rectifier, время восстановления которых 40-60 нс. Объяснение состоит в том, что низкочастотные диоды имеют большое время восстановления и на высоких частотах теряют выпрямительные свойства.

Кроме того, диодные ключи должны иметь минимальное сопротивление в прямом направлении и наименьший ток утечки в обратном направлении, паразитные индуктивности и емкости должны стремиться к нулю.

На рис. 7.1 а), б), в) изображены типовые схемы включения диодов в выпрямительные схемы.

а) б) в)

Рис. 7.1. Схемы включения диодов в выпрямительные схемы

Все схемы изображены с трансформаторами, однако это устаревшие решения, т.к. трансформаторы снижают КПД. Поэтому в настоящее время предпочтительные такие же схемы выпрямителей, подключаемые к сети, но без трансформаторов. Схема рис. 7.1, б) не имеет смысла в связи с наличием средней точки вторичной обмотки трансформатора. Недостатком варианта рис. 7.1, а) является однополупериодное выпрямление, т.е. от сети потребляется только один полупериод, нарушается симметрия сетевого напряжения, ухудшаются энергетические показатели. Недостаток схемы рис. 7.1, в) в 4-х диодах, но с этих приходится соглашаться, большинство выпрямителей от однофазной сети построены по этой схеме. В случае трехфазной сети применяют варианты, изображенные на рис. 7.2, причем для включения без трансформатора, снижающего КПД, пригодна только схема рис. 7.2, б).

а) б)

Рис. 7.2. Трехфазные схемы диодного выпрямления: а) - однополупериодная трехфазная; б) - двухполупериодная трехфазная

Известны диодные схемы выпрямителей с умножением напряжения, одна из которых изображена на рис. 7.3

Рис. 7.3. Схема выпрямления и умножения напряжения на четыре

Желательно, чтобы отсутствовал трансформатор Т_р, снижающий КПД и увеличивающий массогабаритные показатели при сетевом напряжении.

Заряд конденсаторов C₁ и C₂ происходит за один период напряжения на вторичной обмотке трансформатора. За второй период аналогично заряжаются конденсаторы C₃ и C₄ до напряжения 2U_2m. Таким образом, полный заряд конденсаторов происходит за два периода, при этом конденсатор C₁ заряжается до напряжения U_2m, а остальные – до 2U_2m Обратное напряжение на всех диодах равно 2U_2m Достоинство схемы – несложность, однако выходная мощность невелика. Количество треугольных звеньев, а также коэффициент умножения могут быть увеличены.

7.3 Параметрические стабилизаторы напряжения

Выделяют параметрические, компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения. У некоторых авторов компенсационные и импульсные стабилизаторы объединены.

Под параметрическими стабилизаторами имеют в виду схемы, у которых применен нелинейный элемент - стабилитрон, с мало изменяющимся на нем напряжением и сильно изменяющимся током (параметром).

Типовая схема параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне, приведена на рис. 7.4, а. Это параллельная схема стабилизации. В данной схеме для поддержания выходного напряжения на требуемом уровне используется участок обратного электрического пробоя стабилитрона VD1.

а) б)

Рис. 7.4. Типовая схема параметрического стабилизатора (а) и графическая интерпретации ее работы (б)

Обычно при расчете задается выходное напряжение U_вых, сопротивление R_н и диапазон изменения входного напряжения U_{вх min} и U_{вх max}. Отложим на оси напряжений значения минимального и максимального напряжений и через эти точки проведем прямые, угол наклона которых определяется сопротивлением балластного резистора R_б. Точки пересечения характеристики стабилитрона с проведенными прямыми дадут значения соответствующих выходных напряжений устройства. Допустим, что R_н>>R_б и тогда I_б I_ст. Очевидно, вследствие нелинейности ВАХ стабилитрона изменению U_вх=U_{вх max} – U_{вх min} будет соответствовать изменение выходного напряжения U_вых = U_{вых max} – U_{вых min}, причем U_вх>> U_вых.

Относительный коэффициент стабилизации (K_отн = : ) можно определить в предположении, что U_вх>> U_вых =0, R_н– const

Тогда

I_вх= и U_вых= I_вх*r_д,

где r_д – дифференциальное сопротивление стабилитрона (справочный параметр). Откуда

ΔU_вых/U_вх = I_вх*r_д/ I_вх*R_б и

K_отн = U_вых*R_б/(U_вх* r_д), где

U_вх = (U_{вх max} +U_{вх min})/2 – усредненное входное напряжение.

Расчет параметрического стабилизатора может быть выполнен из условия I_{ст min} I_ст I_{ст max} (I_{ст min}, I_{ст max} справочные величины) с использованием выражений

(U_{вх min} – U_вых)/ R_б= U_вых/ R_{н min} + I_{ст min}

(U_{вх max} – U_вых)/ R_б= U_вых/ R_{н max} + I_{ст max}

Типовая величина коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора K_отн =10…30. Для получения стабилизации напряжения с коэффициентом до 1000 и более применяют компенсационные стабилизаторы.

Схемы параметрических стабилизаторов могут быть различными, но их общий недостаток – низкий КПД. Поэтому применяют параметрические стабилизаторы в основном в качестве источников опорного напряжения в компенсационных и импульсных стабилизаторах, т.е. в тех случаях, когда снимаемая с них мощность настолько мала, что проблемой КПД можно пренебречь.

Так как стабилизаторы, несмотря на стабильность характеристик, изменяют свои параметры, при нарастании или убывании температуры, то производят различные усовершенствования, как на рис. 7.5 а), б).

а) б)

Рис. 7.5. Усовершенствованные схемы стабилизации

Стабилитроны с напряжением стабилизации больше 6 В имеют положительный температурный коэффициент (ТКН) напряжения около 4 мВ/ С, а диоды в прямом включении имеют отрицательный ТКН (2 мВ/ С). При последовательном включении, как на рис. 7.5 а) можно значительно ослабить общую температурную нестабильность. Так, например, в стабилитронах типа Д818Е последовательно со стабилитроном при его изготовлении включены два диода, которые и обеспечивают температурную стабилизацию.

В схеме рис. 7.5 б) стабилитрон VD включен в эмиттерную цепь транзистора VT2, следовательно, возникает отрицательная обратная связь. Кроме того, переход БЭ транзистора VT1 имеет отрицательный ТКН, компенсирует положительный ТКН стабилитрона VT2.

Эта отрицательная связь стабилизирует ток стабилитрона VD (с изменением пусть меняется напряжение на резисторе R₀ и в противофазе; открытие VT1 вызывает прикрытие VT2 и наоборот) I_cm≈const и ΔU_cm уменьшается до нуля.

Многие фирмы выпускают микросхемы в виде законченных модулей источников опорного напряжения с очень низкими величинами ΔU_вх, где применяются разные схемотехнические решения вплоть до внедрения в нее схем автоматической стабилизации температуры (лучшее решение – купить, чем экспериментировать со своей схемой).