Краткие теоретические сведения

Для любого электронного устройства необходим источник питания, который должен давать в общем случае одно или несколько значений постоянного напряжения. При большом потреблении мощности использование в качестве источника питания гальванических батарей неэкономично. В этом случае постоянное напряжение получают путем трансформирования и последующего выпрямления напряжения сети. Полученное таким способом напряжение питания, как правило, имеет заметную пульсацию и изменяется в зависимости от нагрузки и колебаний напряжения сети. Поэтому в цепь питания часто включают стабилизатор напряжения, который компенсирует эти изменения напряжения.

Структурно источник стабилизированного напряжения состоит из трех основных блоков: трансформатора, служащего для понижения сетевого напряжения, выпрямителя, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное и стабилизатора, поддерживающего выходное напряжение на заданном уровне. Также в состав источника могут входить фильтры для сглаживания пульсаций напряжения.

Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока.

Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, то основным назначением большинства полупроводниковых диодов является выпрямление переменного тока.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 1а. В ней последовательно соединены генератор переменной ЭДС е, диод VD и нагрузочный резистор R_Н, который можно включать также и в другой провод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее следовало бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и т.д.), как правило, представляют собой комбинацию нескольких однофазных однотактных схем.

В выпрямителях для питания РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 1,б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора R_Н, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемников генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой - резистор с большим сопротивлением.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусоидальную ЭДС и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). Во время одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R_Н падение напряжения u_R. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и u_R=0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных

Рис. 1. Схемы выпрямителя с полупроводниковым диодом

Рис. 2. Принцип работы простейшего выпрямителя

промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе R_Н выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс. а со стороны анода - минус.

Графики на рис. 2 наглядно показывают процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой E_m (рис. 2, а). Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления диода, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением I_max (рис. 2, б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение u_R, так как u_R=iR_Н. Достаточно умножить значения тока на R_Н, чтобы получить кривую напряжения.

График на рис. 2, в изображает напряжение на диоде. Иногда ошибочно его считают синусоидальным или отождествляют с напряжением источника переменной ЭДС. На самом деле это напряжение имеет несинусоидальную форму. У него амплитуды положительных и отрицательных полуволн резко неодинаковы. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе R_Н, сопротивление которого значительно превышает сопротивление диода. В этом случае

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1-2В. Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е=200В и Е_m=2Е=280В. Если U_пр.max=2В, то U_Rmax=278В. Если бы напряжение источника (например, 200В) полностью было приложено к диоду, то это означало бы, что на резисторе R_Н нет падения напряжения. Но это возможно только при R_Н=0. Тогда ток был бы недопустимо большим и диод вышел бы из строя.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока практически нет и падение напряжения на резисторе R_Н равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде ЭДС источника.

Рассмотрим подробнее выпрямленное напряжение (все, что будет показано для него, относится и к выпрямленному току). Из графика на рис. 2, б видно, что это напряжение сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение, U_ср. Для полусинусоидального импульса с максимальным значением U_max среднее значение за полупериод

Рис. 3. Постоянная и переменная составляющие выпрямленного напряжения

Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь период среднее значение вдвое меньше:

Приближенно U_ср составляет 30% максимального значения. Это приближение допустимо, так как действительная форма импульсов всегда несколько отличается от полусинусоиды. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать

Вычитая из выпрямленного пульсирующего напряжения его среднее значение, получим переменную составляющую U_, которая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоянную составляющую (рис. 3, а). Полуволны переменной составляющей заштрихованы. Положительная полуволна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная имеет форму, близкую к трапеции. Длительности этих полуволн неодинаковы, но площади, ограниченные ими, равны, так как постоянной составляющей уже нет.

Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе, т. е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На рис. 3,б переменная составляющая изображена отдельно. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы большой емкости, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индуктивностью, препятствующие прохождению переменной составляющей в нагрузку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов и больше сопротивление дросселей, а следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.

Если фильтр хорошо ослабляет первую гармонику пульсаций, то более высокие гармоники подавляются еще лучше. А так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то практически нужно заботиться о подавлении лишь первой гармоники, являющейся главным «врагом».

В простейшей схеме выпрямителя первая гармоника пульсаций очень велика. Ее амплитуда U_m1, больше полезной постоянной составляющей:

Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дают более сложные выпрямительные схемы. Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки R_Н (см. рис. 1, б). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие

Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к E_m. В то время когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R_Н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Зарядка конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разрядка на большое сопротивление

Рис. 4. Сглаживание пульсаций с помощью конденсатора

нагрузки совершается гораздо медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно. Кроме того, конденсатор резко повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения. При отсутствии конденсатора U_ср0.3Е_m, а при наличии конденсатора достаточно большой емкости U_ср приближается к E_m и может быть равным (0,80,95)E_m и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и R_Н, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе U_ср к E_m. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, т. е. R_Н=), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное E_m.

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором поясняет рис. 4, на котором показаны графики ЭДС источника e, тока через диод i и напряжения на конденсаторе u_C, равного напряжению на нагрузке u_R.

Процессы в выпрямителе с конденсатором поясняет следующая аналогия. Пусть некоторому потребителю надо подавать по трубе равномерный поток газа. Но имеющийся насос накачивает газ толчками (импульсами), так как во время прямого хода поршня газ только всасывается в насос, а к потребителю он перегоняется лишь во время обратного хода. Работа такой системы аналогична выпрямителю без конденсатора, причем двигатель насоса подобен источнику переменной ЭДС, а клапаны насоса выполняют роль диода. Поставим между насосом и потребителем большой резервуар и накачаем в него газ. Из резервуара газ будет подаваться потребителю под почти постоянным давлением. Оно будет лишь незначительно пульсировать, так как насос подкачивает газ в резервуар и поддерживает в нем среднее давление на одном и том же уровне. Резервуар подобен конденсатору. Чем больше его емкость и чем слабее поток газа, идущий к потребителю, тем меньше пульсация давления.

Напряжение на конденсаторе приложено плюсом к катоду минусом к аноду диода. Поэтому напряжение на диоде u_VD равно разности ЭДС источника и напряжения конденсатора:

Так как u_C близко к E_m, то u_VD становится прямым только в течение части положительного полупериода, когда е превышает u_C (вблизи значения E_m). В эти небольшие промежутки времени через диод проходит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор. В течение остальной части полупериода и во время отрицательного полупериода напряжение u_VD - обратное, ток отсутствует и конденсатор разряжается на нагрузку R_Н.

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде ЭДС, когда . Поскольку напряжение конденсатора также близко к E_m, то наибольшее обратное напряжение близко к значению 2E_m. Если цепь нагрузки разомкнута (холостой ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2E_m. Таким образом, применение конденсатора удваивает обратное напряжение по сравнению с его значением при отсутствии конденсатора. Поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдерживал это обратное напряжение.

Если пульсации должны быть весьма малыми или сопротивление R_Н мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т. е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится включать дополнительный сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя с большим индуктивным сопротивлением и еще одного конденсатора (или еще более сложный фильтр).

Необходимо отметить, что весьма опасным является короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду и ток станет недопустимо большим. Происходит тепловое разрушение диода.

Соотношение между временем разряда и временем заряда конденсатора может быть улучшено, если осуществлять заряд конденсатора во время как положительной, так и отрицательной полуволн переменного напряжения. Это достигается при использовании мостовой схемы выпрямителя. В течение всего времени заряда конденсатора диоды соединяют отрицательный вывод обмотки трансформатора с общей шиной питания, а положительный – с выходом схемы независимо от полярности напряжения на обмотке.

Для питания электронных схем часто требуются два равных по величине напряжения – положительное и отрицательное. Они могут быть получены с помощью двух одинаковых мостовых выпрямителей, у одного из которых заземлен положительный полюс, а у другого отрицательный. Если выходные токи обоих источников имеют близкие величины, то имеет смысл получить оба напряжения питания при помощи одного мостового выпрямителя. При этом средний вывод вторичной обмотки трансформатора соединяется с общей шиной. Таким образом, в любой полупериод входного напряжения на противоположных концах выходной обмотки имеются положительное и отрицательное напряжения. Во время заряда конденсатора мостовая выпрямительная схема каждый полупериод соединяет положительный конец выходной обмотки трансформатора с положительной выходной точкой схемы, а отрицательный конец – с отрицательной выходной точкой. Благодаря этому осуществляется двухполупериодное выпрямление выходного напряжения трансформатора.

Выходное напряжение выпрямительных схем источников электропитания обычно имеет пульсации в несколько вольт, так как емкости накопительных конденсаторов не могут быть выбраны бесконечно большими. Кроме того, выходное напряжение таких схем сильно зависит от колебаний напряжения сети и изменения нагрузки. Такие источники питания называются нестабилизированными. Выходная величина источников стабилизированного напряжения (ИСН) не зависит от входной и от нагрузки. Различают ИСН параметрического типа, компенсационного типа и параллельного.

Простейшая схема применения стабилитрона в качестве ИСН параметрического типа показана на рис. 5. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне остается почти постоянным, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором R_огр.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_Н постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_огр должно быть вполне определенным. Обычно R_огр рассчитывают для средней точки характеристики стабилитрона. Если напряжение Е меняется от .Е_min до Е_max, то можно R_огр найти по следующей формуле:

где - среднее напряжение источника; - средний ток стабилитрона; - ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке останется почти постоянным.

Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация, т. е. . Отсюда следует, что если значение Е изменяется на Е, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

Рис. 5. Схема включения стабилитрона

Рис. 6. Включение добавочного резистора для понижения стабильного напряжения на нагрузке

Рис. 7. Последовательное включение стабилитронов

Стабилизация в более широком диапазоне изменений Е возможна при увеличении R_огр. Однако большее R_огр получается при меньшем I_Н, т. е. при большем R_Н. Повышение Е_ср также дает увеличение R_огр.

Иногда необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон. Тогда последовательно с нагрузкой включают добавочный резистор, сопротивление которого легко рассчитать по закону Ома (рис. 6).

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е=const, a R_Н изменяется в пределах от R_Н.min до R_Н.max. Для такого режима R_огр можно определить по средним значениям токов по формуле

где , причем и

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку R_огр постоянно и падение напряжения на нем, равное E-U_ст, также постоянно, то и ток в R_огр, равный I_ср+I_Н.ср должен быть постоянным. Но это возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток I_Н изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если I_Н увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рис. 7). Вследствие разброса характеристик и параметров отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется. Оно допускается только при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех стабилитронах, не превышает предельной мощности одного стабилитрона.

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов (рис. 8), в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое U_ст, нежели стабилитрон VD2.

Рис. 8. Каскадное включение стабилитронов

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации k_ст,. который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы по рис. 5 можно написать

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить k_ст, равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рис. 8) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев (ячеек) -

— и уже при двух звеньях достигает нескольких сотен.

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что имеются значительные потери мощности в самом стабилитроне и на R_огр, в результате чего сильно снижается КПД. Потери особенно велики в схеме каскадного соединения.

Следует еще отметить, что если имеют место пульсации напряжения Е, то стабилитрон значительно сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше R_огр. Поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в R_огр, а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

Простейшим последовательным (компенсационным) стабилизатором напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения. Опорное напряжение может быть получено, например, при помощи стабилитрона из нестабилизированного входного напряжения (рис.9). Если необходимо регулирование входного напряжения, то используют часть опорного напряжения, снимаемую с движка потенциометра. В некоторых случаях усиление по току одного транзистора оказывается недостаточным. В этих случаях цепь можно дополнить транзистором, согласно рис. 10. Полученная схема называется схемой Дарлингтона. Коэффициент усиления по току этой схемы

Рис. 9 Компенсационный стабилизатор напряжения

Рис. 10 Схема Дарлингтона