Раздел 3. Вторичные источники питания

Лекция 7. Структурная схема. Выпрямители и фильтры

Предназначены для преобразования сетевого напряжения 220 В , 50 Гц в постоянное (обычно пониженное) напряжение с заданными параметрами.

Структурная схема ИВЭП

Выпрямители - это устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в пульсирующий однополярный..

Однофазные выпрямители с R-нагрузкой:

Однофазная нулевая и мостовая схемы:

Выходное напряжение u_d = U_d + u_п(t);

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

Обратное напряжение на вентиле :

нулевая схема:

мостовая схема:

Ток через вентиль

Мощность в нагрузке

Коэффициент пульсаций K_П = 0,67

При низких выходных напряжениях, когда необходимо учитывать падение напряжения на вентиле, а так же увеличить КПД схемы, используют нулевую схему. Во всех остальных случаях – мостовую, т.к. в ней проще трансформатор, меньше его типовая мощность, возможно включение без трансформатора.

Сглаживающие фильтры

1) Для больших R_Н: 2) Для малых R_Н: 3) Не зависит от R_Н:

Работа выпрямителя на С-нагрузку.

При включении емкостного фильтра напряжение на выходе повышается до U_d. Вентиль отпирается при U₂>U_d и конденсатор заражается импульсом тока(прерывистый режим тока вентиля). Для ограничения амплитуды тока I_а = (5÷7) I_{a ср} включают R (RC –фильтр).

Основные отличия при работе на С –нагрузку:

• Малая длительность и большая амплитуда тока через вентиль

• Увеличенное U_н (R_н)

• Малые пульсации

• Сильная зависимость U_d от I_н.

Рис. Внешняя характеристика выпрямителя Ud = f (IН).

идеальный источник ЭДС выпрямление без фильтра и с L – фильтром: Uн=0,9U2-NUa-IнRвн, где N –число последовательно включенных вентилей, Rвн – внутренне сопротивление фильтра и обмоток трансформатора, λ = π –длительность протекания тока (непрерывный режим) L-C фильтр Режим прерывистых токов Iн<Iнкр λ<π Непрерывный режим Iн>Iнкр λ>π

Лекция 8 . Стабилизаторы.

Почти любая электронная схема - от простых схем на транзисторах и операционных усилителях и до сложнейших цифровых и микропроцессорных систем - требует для своей работы одного или нескольких стабильных источников постоянного напряжения. Простые нерегулируемые источники питания типа "трансформатор - неуправляемый выпрямитель - фильтр нижних частот" во многих случаях не годятся, так как их выходное напряжение зависит от тока нагрузки и напряжения в сети. Можно построить стабилизатор напряжения, используя отрицательную обратную связь и сравнивая выходное напряжение с некоторым постоянным эталонным (опорным) напряжением. Такие стабилизаторы называются компенсационными. Они универсальны и могут быть изготовлены в виде интегральных микросхем стабилизаторов напряжения.

Как правило, регулирующим элементом ИМС стабилизаторов напряжения является биполярный либо полевой транзистор. Если этот транзистор работает в активном режиме, то стабилизатор называют линейным (непрерывным), а если регулирующий транзистор работает в ключевом режиме - импульсным.

Стабилизатор - схема, предназначенная для поддержания постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания(U_вх) и сопротивления(тока) нагрузки

Параметры стабилизаторов

     К точностным параметрам относятся: точность установления выходного напряжения, коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, температурный коэффициент напряжения, временнaя стабильность, шум выходного напряжения.

    Точность установления выходного напряжения обычно указывается для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. Она зависит, в основном, от технологических факторов. Отклонения выходного напряжения от номинального значения вызваны разбросом элементов, входящих в состав стабилизатора. Точность установления повышают путем лазерной подгонки сопротивлений делителя обратной связи.

    Коэффициент стабилизации определяется как отношение приращения входного напряжения к вызываемому им приращению выходного напряжения стабилизатора:

К_ст = Δ U_вх /Δ U_вых.

    Часто вместо этой величины в справочниках приводится так называемая "нестабильность по напряжению", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в % при изменении разности входного и выходного напряжений в заданных пределах. Иногда также приводится нестабильность по напряжению как абсолютное изменение выходного напряжения в мВ при изменении разности входного и выходного напряжений или просто входного напряжения в заданных пределах. Повышение коэффициента стабилизации достигается увеличением коэффициента усиления усилителя ошибки.

    Выходное сопротивление характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении тока нагрузки:

R_вых = Δ U_вых /Δ I_н.

    В справочниках вместо выходного сопротивления иногда приводится так называемая "нестабильность по току", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки в заданных пределах, в процентах от номинальной величины для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением и в милливольтах - для регулируемых стабилизаторов.

    Температурный коэффициент напряжения характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры окружающей среды:

ТКН = ΔU_вых /Δ Т° .

    В справочниках часто приводится так называемая "температурная стабильность", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинальной величины при изменении температуры окружающей среды в допустимых для данной ИМС пределах. Используется также термин "температурный дрейф выходного напряжения", определяемый отношением U_вых/(U_{вых.ном}Т° ) и измеряемый в мВ/(° С*В).

    Долговременная стабильность определяет относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинального значения за 1000 часов работы при температуре окружающей среды, соответствующей верхней границе рабочего диапазона.

К важнейшим эксплуатационным параметрам относятся:

1. диапазон допустимых входных напряжений;

2. номинальное выходное напряжение для стабилизатора с фиксированным выходным

3. напряжением, либо диапазон выходных напряжений для регулируемого стабилизатора;

4. максимально допустимый ток нагрузки;

5. максимально допустимая рассеиваемая мощность;

6. минимально допустимое напряжение между входом и выходом стабилизатора при максимальном или дополнительно оговоренном токе нагрузки;

7. ток, потребляемый стабилизатором в режиме холостого хода (часто называемый током утечки);

8. допустимый диапазон температур окружающей среды.

К омпенсационные стабилизаторы по схеме включения РЭ относительно нагрузки делятся на последовательные и параллельные:

U_Н = U_ВХ – U_Р U_Н = U_ВХ – U_Б = U_ВХ – R_Б(I_Р + I_Н)

Рис. 8.1. Структурные схемы стабилизаторов:

а) – последовательного б) – параллельного

РЭ – регулирующий элемент, Д – делитель напряжения (датчик), СС – усилитель сигнала ошибки (схема сравнения), З - задатчик (источник опорного напряжения).

Принцип действия стабилизатора рис.

U_ВХ , I_{R1, R2} , U_R2 , U_{БЭ VT2} = U_R2 – U_СТ, U_{БЭ VT2} , VT2 открывается, I_К2 , U_R3 , U_{БЭ VT1} , I_{КЭ VT1}  (VT1 закрывается.), U_Р , U_Н = U_ВХ – U_Р .

;

R_{ВХ Б2} ≈ r_Эh₂₁₍₂₎; r_Э = 0,026/I_Э2.

Последовательный стабилизатор чувствителен к короткому замыканию нагрузки, так как I_н=I_рэ, что приводит к выходу его из строя (необходимы меры защиты от к.з. и перегрузки). Параллельный стабилизатор не может длительное время работать в режиме х. х., так как в этом случае I_н=I_вх.

В упрощенном виде принципиальная схема линейного стабилизатора напряжения приведена на рис. 1. Схема состоит из операционного усилителя, включенного по схеме неинвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению и выполняющего роль усилителя ошибки. Выходной ток ОУ управляет регулирующим транзистором VТ1, включенным по схеме эмиттерного повторителя. Питание операционного усилителя осуществляется однополярным положительным напряжением. Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые должны быть только положительными.

Для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования отрицательного напряжения питания можно отказаться. Еще одно преимущество подобной схемы состоит в том, что положительное напряжение питания операционного усилителя можно удвоить, не опасаясь превысить его предельно допустимые параметры. Таким образом, стандартные операционные усилители можно использовать в схемах стабилизаторов со входным напряжением до 30 В. Хотя операционный усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения U_вх, благодаря глубокой отрицательной обратной связи, влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.

Рис.8.2.Схема последовательного

компенсационного стабилизатора на ОУ

На рис. 8.1. приведены типовые схемы включения стабилизаторов напряжения с фиксированным (а) и регулируемым (б) выходным напряжением. Конденсаторы С₁ и С₂ включают для повышения устойчивости стабилизаторов.

Рис. 8.3. Типовые схемы включения