книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

3. Нарисуйте функциональную схему компаратора для время-импульсного преобразователя, если преобразуемый сигнал имеет частоту менее 0,1 гц и ампли­

положительного напряжения.

Глава XX

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ А П П А Р А Т У Р Ы

Для работы радиоэлектронной аппаратуры необходимы источ­

топливные элементы; 2) прямые преобразователи световой, тепловой или ядерной энергии в электрическую — солнечные батареи, термо­ электрические генераторы и атомные батареи; 3) промышленные и местные сети переменного тока.

Для питания отдельных узлов и блоков радиоэлектронной аппа­ ратуры необходимо применять различные напряжения. Если в ка­ честве первичного источника питания используется сеть переменного тока, то сделать это относительно несложно с помощью трансформа­ торов и отдельных выпрямителей.

Если питание осуществляется от электрохимических источников или прямых преобразователей энергии, то это сделать сложнее, поскольку постоянные напряжения не трансформируются, а при­ менение делителей напряжения энергетически нецелесообразно. По­ этому в таких случаях постоянное напряжение инвертируется в пере­ менное, которое затем с помощью трансформаторов изменяется до необходимой величины и выпрямляется.

Стабильность напряжения питания обеспечивается применением стабилизаторов напряжений и токов.

§ 82. Инверторы

Преобразование постоянного напряжения в переменное может быть осуществлено различными способами. В настоящее время наиболее часто применяются транзисторные и тиристорные инвер­ торы. Электромашинные и электромеханические преобразователи — умформеры и вибропреобразователи в современной радиоэлектронике применяются редко вследствие малого срока службы и сравнительно большого веса.

Транзисторные инверторы выполняются в виде двухтактных автоколебательных блокинг-генераторов (рис. 148, а). Если в однотактной схеме транзистор поддерживается в запертом состоянии за счет напряжения на времязадающем конденсаторе, то в двухтакт-

270

ной схеме конденсаторы могут отсутствовать. При этом поочередное запирание транзисторов осуществляется за счет энергии магнитного поля трансформатора. Переход транзисторов от состояния запирания к состоянию насыщения совершается очень быстро и определяется в основном временем перемагничивания сердечника трансформатора. Поэтому напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет практически прямоугольную форму.

Рис. 14S

Частота генерируемых колебаний определяется магнитной про­ ницаемостью сердечника, числом витков в коллекторных и базовых обмотках, параметрами транзисторов, а также величиной и характе­ ром сопротивлений нагрузок, подключаемых ко вторичным обмоткам трансформатора. Это является недостатком рассмотренной схемы инвертора (и ей подобных схем инверторов с самовозбуждением), и в тех случаях, когда это недопустимо, применяются инверторы

снезависимым возбуждением.

К.п. д. транзисторных инверторов (с учетом потерь в ферро­ магнитных сердечниках) доходит до 95% , частота переменного напря­ жения обычно не превышает 5 - 10 3 гц . Транзисторные инверторы применяются в тех случаях, когда необходимо преобразовать

постоянное напряженке величиной в единицы — десятки вольт,

271

а мощность преобразованного напряжения не превышает несколь­ ких единиц киловатт.

Для преобразования постоянного напряжения большой величины и большой мощности применяются тиристорные инверторы с незави­

Выпрямление переменных напряжений до 1—2 кв осуществляется с помощью полупроводниковых диодов и тиристоров. Более высокие напряжения выпрямляются электроламповыми и плазменными ди­ одами и тиратронами. В качестве выпрямителей могут использо­ ваться электромеханические устройства (реле, контакторы и т. д.), а также термоэлектрические преобразователи (рис. 148, б), в которых переменное напряжение используется для подогрева нагревателя.

К. п. д. термоэлектропреобразователей не превышает 10—30%, однако их применение вполне окупается простотой конструкции, высокой надежностью работы и отсутствием фильтрующих элемен­ тов, без которых обычные выпрямители нормально работать не могут. В выпрямителях кроме постоянной составляющей всегда имеются переменные напряжения с основной частотой и ее гармониками. Эти переменные составляющие вредны и должны быть устранены, что достигается применением фильтров нижних частот, которые часто оказываются весьма сложными, дорогими и достаточно тяжелыми.

Однополупериодные выпрямители применяются в тех случаях, когда мощность выпрямленного напряжения мала.

Более мощные выпрямители делаются двухполупериодными и вы­ полняются обычно по схеме, показанной на рис. 148, в или на рис. 148, г. Первая (мостиковая) схема выпрямителя более удобна в применении, так как для ее питания не требуется трансформатор с отводом от средней точки.

Важнейшими характеристиками выпрямителя являются к. п. д. и коэффициент пульсаций. Под к. п. д. понимается отношение мощ­

Если внутреннее сопротивление диодов много меньше сопроти­ вления нагрузки и потерями в трансформаторах можно пренебречь, то максимально возможный к. п. д. однополупериодного выпрями­ теля равен 4 1 % , а двухполупериодного — 8 2 % .

272

Под коэффициентом пульсаций Кп понимается отношение эффек­ тивного значения переменных составляющих к постоянной соста­ вляющей.

Очевидно, чем меньше Кп, тем выпрямитель лучше. Для двухполупериодного выпрямителя (без фильтра) Кп = 0,48, однополупериодного — 1,21. В то же время коэффициент пульсаций напряжения, применяемого для питания радиоэлектронных схем, должен составлять:

Рис. 149.

Выпрямленное напряжение, таким образом, непосредственно использовано быть не может, необходимо отфильтровать переменные составляющие так, чтобы их величина на выходе фильтра выпря­ мителя не превышала допустимую.

В маломощных выпрямителях в качестве фильтров применяются интегрирующие цепочки (рис. 149, а). Если задан коэффициент пульсаций Кп на выходе RC цепи, то постоянная времени ее опре­ деляется как

Недостатком RC фильтров является значительное падение напря­

П-образные LC фильтры применяются в маломощных выпрями­ телях, выполненных на электронных или газонаполненных диодах. В полупроводниковых выпрямителях П-образные фильтры при­ меняются редко, так как в момент включения, когда входной конден­ сатор С1 не заряжен, ток заряда может быть настолько велик, что полупроводниковые диоды выйдут из строя. Коэффициент пульсаций на выходе П-образного фильтра

току на 2—3 порядка выше, чем сопротивление постоянному току.

В маломощных выпрямителях широко применяются схемы умно­ жения напряжения. В частности, на первой схеме (рис. 150, а) показан удвоитель напряжения. Во время положительного полу­ периода входного напряжения конденсатор С1 заряжается через диод Д1 до амплитудного значения переменного напряжения Um. Во время отрицательного полупериода напряжение на конденса­ торе С1 складывается с входным напряжением, вследствие чего конденсатор С2 заряжается через диод Д2 до удвоенного значения амплитуды входного напряжения.

Во второй схеме во время отрицательного полупериода проис­ ходит заряд конденсатора С2. Конденсатор С1 заряжается во время положительного полупериода. Выходное постоянное напряжение равно сумме напряжений на конденсаторах С1 и С2.

Используя рассмотренный выше принцип умножения, можно выполнить выпрямитель с умножением в любое число раз. Например, приведенная на рис. 150, а третья схема является учетверителем напряжения и представляет собой два последовательно соединенных удвоителя напряжения. Соединяя последовательно два учетверителя, получим выпрямитель, напряжение на выходе которого в восемь раз больше амплитуды входного переменного напряжения.

274

На основе тиристоров и тиратронов можно создавать управля­ емые выпрямители. На рис. 150, б приводится схема простейшего однополупериодного выпрямителя на тиристоре. В зависимости от положения движка переменного резистора Rl п постоянной вре­ мени цепи R2C включение тиристора может происходит в любой момент полупериода выпрямленного синусоидального напряжения —

КУ202Н

Рис. 150.

В более сложных схемах тиристорных выпрямителей с импульс­ ным запуском (рис. 150, г) пределы регулировки выходного напря­ жения могут быть расширены от нуля до максимума путем изменения фазы запускающих импульсов от 180 до 0°.

§ 84. Электронные стабилизаторы напряжений и токов

Постоянное напряжение на выходе выпрямителя зависит не только от величины входного переменного напряжения, но и от со­ противления нагрузки, параметров выпрямительных диодов п эле­ ментов фильтра.

Для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры напря­ жение анодного (коллекторного) питания должно быть неизменным и его величина не должна существенно меняться при изменении пере­ менного напряжения или сопротивления нагрузки. Это требует применения на выходе выпрямителя специальных стабилизирующих устройств.

Простейшими стабилизаторами являются газоразрядные и полу­ проводниковые стабилитроны, которые поддерживают напряжение с точностью до долей — единиц вольт. Стабилитроны тлеющего разряда могут нормально работать при токах единицы — десятки миллиампер. Полупроводниковые стабилитроны позволяют выпол­ нять стабилизаторы на токи в единицы миллиампер — единицы ампер. Коэффициент стабилизации напряжения у простейших ста­ билизаторов, равный нескольким десяткам, не всегда оказывается достаточным

где At70 и А ( 7 с т а 6 — изменения напряжения на входе и выходе ста­ билизатора.

Поэтому при больших токах нагрузки и при необходимости иметь высокий коэффициент стабилизации применяются ламповые и тран­ зисторные стабилизаторы с обратной связью.

На рис. 151, а приведена функциональная схема стабилизатора напряжения с регулирующей обратной связью. Пусть в начальный момент времени напряжение на выходе стабилизатора и напряжение опорной батареи Еоп равны. Если уменьшится напряжение пита­ ния Uо (или величина сопротивления нагрузки), то выходное напря­ жение станет меньше напряжения опорной батареи и на входе цепи

или транзистор) вызывает уменьшение его внутреннего сопротивле­ ния. В результате напряжение на входе увеличивается до тех пор, пока сигнал рассогласования не станет близким к нулю. При уве­ личении выходного напряжения сигнал рассогласования имеет другой знак, что приводит к увеличению напряжения на выходе.

Таким образом, внутреннее сопротивление усилительного эле­ мента автоматически меняется, компенсируя любые изменения вы­ ходного напряжения. При этом стабилизатор уменьшает и пульса­ ции, ослабляя переменные составляющие выходного напряжения, так как пульсации также проявляются как нестабильность выход­ ного напряжения. Такой же принцип положен в основу работы стабилизаторов тока (рис. 151, б): падение напряжения на преци­ зионном резисторе сравнивается с напряжением опорной батареи.

На рис. 151, б приводится практическая схема простейшего транзисторного стабилизатора напряжения. В качестве опорной батареи используется прецизионный стабилитрон типа КС196А.

276

Схема сравнения выполнена на транзисторе Т2 типа ГТ403А. В ка­ честве усилительного элемента с регулируемым внутренним сопро­ тивлением используется транзистор Т1 типа ГТ701А.

Рассмотренные непрерывно управляемые стабилизаторы имеют сравнительно низкий к. п. д. — н е более 60 — 70%, так как проис-

ходит большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении усилительного элемента. В случае больших токов стабилизация осуществляется или непосредственно в регулируемом выпрямителе, выполненном на тиристорах или мощных транзисторах, или усили­

нальных элементов и узлов в настоящее время выпускается в интегральном исполнении в виде гибридных

или совмещенных (твердых, полупроводниковых, монолитных) микросхем. В гибридных микросхемах в едином технологическом процессе создаются пас­ сивные элементы (тонкопленочные резисторы, конденсаторы, соединительные проводники и т. д.), после чего производится впайка активных элементов (бипо­ лярных и полевых транзисторов, диодов и т. д.). В твердых микросхемах актив­

277

П р о д о л ж е н и е т а б л . 4

Микросхемы обычно выпускаются в виде серий, отличающихся по техноло­ гическим признакам, области применения, основным параметрам и конструктив­ ным особенностям. Каждая серия содержит практически полный набор основ­ ных функциональных элементов, позволяющих выполнить на их основе целый ряд радиоэлектронных устройств.

Условное обозначение микросхемы состоит из шести элементов: первый элемент — буква, ограничивающая область применения. В частности, буква К означает, что микросхема имеет широкое применение. Отсутствие буквы говорит о том, что микросхема имеет ограниченное применение; второй элемент — цифра, указывающая на технологию изготовления микросхемы: 1 — означает, что

279