1059

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Ток вторичной обмотки трансформатора протекает в течение всего периода, причем направление его меняется каждый полупериод. Следовательно, намагничивание сердечника постоянным током отсутствует.

Постоянная составляющая тока в нагрузке равна сумме средних токов вентилей Iв02, то есть I0 =Iв0.

Рис. 7.2. Схема (а) и временные диаграммы напряжений и тока (б) однофазного мостового выпрямителя

Можно показать, что максимальный ток вентиля Iвmax 2 I0 , макси-

мальное обратное напряжение на вентиле Uвmax 2 U0 , коэффициент пуль-

саций Kп=0,67.

Мостовая схема выпрямления имеет следующие основные достоинства: 1) малый коэффициент пульсаций; 2) небольшие размеры трансформатора вследствие хорошего использования его обмоток и отсутствия намагничивания сердечника постоянным током; 3) малые параметры Uвmax

и Iвmax . Недостаток схемыналичие четырех вентилей.

Простейшими сглаживающими фильтрами являются емкостной и индуктивный фильтры. Емкостной фильтр (рис.7.3,а) (конденсатор СФV) включается параллельно нагрузке и шунтирует ее для переменной составляющей тока (напряжения), а индуктивный фильтр (дроссель LФV) включается последовательно с нагрузкой (см. рис.7.3,б) и представляет собой большое сопротивление для переменной составляющей тока (напряжения). Вследствие включения фильтров падение напряжения от переменной составляющей на сопротивлении нагрузки становится незначительным.

81

Рассмотрим работу однополупериодной (с одним вентилем) и мостовой схем выпрямления с емкостным фильтром (см. рис.7.3,в, 7.3,д).

Рис.7.3. Ёмкостный (а) и кондуктивный (б) фильтры; схемы полупериодного (в) и однофазного мостового (д) выпрямителей с емкостным фильтром и временные диаграммы напряжений для этих схем (г, е)

Воднополупериодной схеме конденсатор Сф заряжается через вентиль

вмоменты времени, когда напряжение U2 на вторичной обмотке трансформатора положительно и превышает напряжение U1 на конденсаторе (см. рис.7.3,г). Этому режиму соответствует интервал времени t1...t2. В течение интервала времени t2...t3 вентиль закрыт, а конденсатор медленно разряжается через нагрузку, при этом напряжение UC=U0 снижается до некоторого значения. Начиная с момента времени t3, напряжение U0 становится меньше, чем положительное напряжение U2. Вентиль открывается, конденсатор Cд начинает заряжаться, и процессы повторяются. Как показывают временные графики (см.рис.7.3,г), при включении емкостного

фильтра напряжение UC=U0 не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах. В мостовой схеме выпрямления с емкостным фильтром происходят аналогичные процессы. Только конденсатор Cд подзаря-

82

жается в два раза чаще (см. рис.7.3,е), и выпрямленное напряжение ближе по форме к постоянному.

7.3. Назначение и основные параметры стабилизаторов напряжения

Вследствие изменений амплитуды напряжения на входе выпрямителя и сопротивления нагрузки, постоянное напряжение на выходе выпрямителя изменяет свою величину. Для стабильной работы электронного устройства величина постоянного напряжения должна быть практически неизменной, что достигается за счет использования стабилизаторов напряжения.

Различают стабилизаторы напряжения постоянного и переменного тока. В настоящем пособии рассматриваются стабилизаторы постоянного тока, включаемые между выпрямителем и потребителем энергии.

Стабилизаторы напряжения постоянного тока характеризуются следующими основными параметрами:

– частным коэффициентом стабилизации по напряжению

Kст Uвх : Uвых ; Uвх Uвых

– статическим и динамическим сопротивлениями выхода по постоянному и переменному току соответственно:

Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы.

7.4. Параметрический стабилизатор напряжения: схема, принцип действия, основные параметры

Основным элементом параметрического стабилизатора напряжения (рис. 7.4,а) является полупроводниковый стабилитрон, включаемый параллельно нагрузке. Для создания необходимого режима работы стабилитрона в стабилизатор включен балластный резистор Rб. Рассмотрим принцип действия стабилизатора с использованием вольтамперной характеристики стабилитрона (см.рис.7.4,б) и нагрузочной прямой (прямая 1).

Допустим, напряжение Uвх, подаваемое на вход стабилизатора, увеличивается на Uвх из-за повышения, например, напряжения сети.

Тогда нагрузочная прямая переместится параллельно самой себе и займет положение прямой 2, что соответствует большему току стабилитрона Iст1 и напряжению на стабилитроне Uст1. Как видно из рис.7.4,в, напряжение Uст1 Uст , следовательно, напряжение на стабилитроне (или на выходе)

83

останется практически неизменным, а избыточное входное напряжение выделится на резисторе Rб. Напряжение на стабилизаторе останется неизменным также при изменении нагрузочного тока.

Рис.7.4. Параметрический стабилизатор напряжения

Для данной схемы Кст не превышает 20-50. Достоинство параметрических стабилизаторов – простота конструкции, недостатокнизкий коэффициент стабилизации и КПД.

7.5. Принципиальные схемы резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе и назначение элементов

Основным назначением резисторного усилителя является усиление напряжения. Он имеет простую схему, малые размеры и достаточно хорошие электрические характеристики. Резисторные усилительные каскады находят широкое применение в усилителях низких звуковых частот (усилителях низких частот), усилителях постоянного тока.

Рассмотрим принципиальные схемы резисторного усилительного каскада на биполярном транзисторе и выясним назначение элементов (рис.7.5,а,б). будем предполагать, что усилительный каскад является промежуточным каскадом многокаскадного усилителя.

Резистор Rк является коллекторной нагрузкой транзистора. Он обеспечивает динамический режим работы транзистора – режим усиления конденсатор С2(С1) называется разделительным. Этот конденсатор разде-

84

ляет по постоянной составляющей базу транзистора последующего каскада, имеющую низкий потенциал, от коллектора транзистора предыдущего каскада, имеющего высокий потенциал, и служит для передачи переменного напряжения коллектора предыдущего транзистора на базу последующего.

В простейшем резисторном усилителе напряжения на биполярном транзисторе напряжения на базе транзистора Uб0, задающего рабочую точку на середине прямолинейного участка динамической входной характеристики транзистора, создается при помощи дополнительного источника Е6. Для упрощения и удешевления схемы напряжение во входные цепи транзисторов целесообразно подавать от источника коллекторного питания Eк, при этом усилитель будет иметь только один источник питания.

На рис.7.5, а отрицательное напряжение Uб0 на базу транзистора подается через резистор Rб, сопротивление которого во много раз больше сопротивления участка база-эмиттер постоянному токую при этом постоянный ток базы Iб0, текущий через Rб, приближенно равен Ек/Rб и не меняется при изменении температуры, старении и замене транзистора, поэтому такой способ подачи напряжения называется способом с фиксированным током базы. Напряжение на базе Uб0 Eк Iб0Rб .

На рис.7.5,в напряжение на базу подается от делителя напряжение, образуемого резисторами R1 и R2 и подключенного к источнику коллекторного питания. Если сопротивление делителя, равное по отношению к цепи базы параллельному соединению R1 и R2, много меньше сопротивления участка база-эмиттер постоянному току, напряжение Uб0 практически не будет меняться при изменении температуры, старении и замене транзистора. Этот способ называют способом с фиксированным напряжением база-эмиттер. Для устранения влияния тока базы Iб0 на напряжение Uб0 необходимо, чтобы ток делителя . Тогда, ни изменение температуры, ни старение и замена транзистора не изменят напряжение Uб0. Однако для выполнения неравенства приходится уменьшать сопротивление делителя R1 и R2, что приводит к уменьшению входного сопротивления схемы и увеличению потребления тока от источника питания Ек. Напряжение на базе:

Uб0 Eк UR1 Eк Iq Iб0 R1 .

Многие типы современных транзисторов имеют разброс коэффициента усиления по току h21э. Так как Iк0 = h21э Iб0, замена транзистора в каскаде с фиксированным током базы может значительно изменить постоянный ток коллектора Iк0, что совершенно недопустимо. Изменение температуры при этом способе подачи напряжения Uб0 также приводит к изменению постоянного тока коллектора Iк0 в основном за счет изменения обратного тока коллекторного р-п-перехода Iк0 . Режим с фиксированным током базы

85

оказывается недостаточно устойчивым. При способе с фиксированным напряжением база-эмиттер, старение и замена транзистора, изменение температуры меньше изменяют постоянный ток коллектора Iк0, поэтому способ с фиксированным напряжением эмиттер-база, несмотря на расход мощности источника питания в делителе, находит более широкое применение.

Рис.7.5. Схемы резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе

7.6. Анализ работы резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе

Пусть в усилителе до момента времени t1 входное напряжение равно нулю. Тогда устанавливается исходный режим работы – режим по постоянному току. Параметры режима постоянного тока: Iб0, Uб0, Iк0, Uк0,

URк0, (рис.7.6).

Рассмотрим режим работы усилителя по переменному току. На вход усилителя подается гармоническое напряжение, которое проходит через разделительный конденсатор C1 и подается на вход, транзистора, где складывается с постоянным напряжением базы Uб0 изменяются ток базы, ток коллектора Iк, напряжение на коллекторе Uк, напряжение на резисторе Rк (URк). В соответствии с формулой:

Eк Uк URк Uк Iк Rк .

Происходит перераспределение между собой напряжений Uк и URк. Переменная составляющая напряжения Uк(Uвых) через разделительный конденсатор С2 поступает на выход каскада в нагрузку. Под действием малого входного сигнала ток коллектора изменяется широко, поэтому перераспределение величин напряжений Uк и URк оказывается значительным и выходное напряжение по амплитуде значительно больше входного.

86

В интервал t1-t2 (рис.7.6.) входное напряжение отрицательное. Поэтому транзистор больше открывается, ток коллектора Iк увеличивается, напряжение на резисторе Rк (URк) увеличивается по модулю, а напряжение на коллекторе Uк по модулю уменьшается на такую же величину. На выход поступает положительная полуволна переменного коллекторного напряжения.

Рис.7.6. Временные графики тока и напряжений в схеме резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе

87

7.7. Понятие о резисторном усилителе напряжения на полевом транзисторе

В целом схема резисторного усилителя напряжения на полевом транзисторе имеет элементы, аналогичны элементам схемы резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе. Рассмотрим схему на полевом транзисторе с затвором в виде р-n-перехода (рис.7.7).

Рис. 7.7. Схему резисторного усилителя на полевом транзисторе

Резистор Rc обеспечивает динамический режим работы полевого транзистора. Конденсаторы C1, C2 являются разделительными. Цепь RUCU обеспечивает отрицательно напряжение на затворе полевого транзистора Uз0, отрицательное напряжение на затворе Uз0 = IC0 RU (где IC0 – постоянный ток стока).

«Плюс» напряжения Uз0 приложен к истоку транзистора, а «минус» – к затвору транзистора, причем напряжение Uз0 подается через резистор Rз. конденсатор CU блокирует резистор RU от переменноготока.

Контрольные вопросы

1.Каковы элементы структурной схемы выпрямителя и его основные параметры?

2.Каков принцип действия мостовой схемы выпрямителя и достоинства схемы?

3.Как работает мостовая схема выпрямителя с конденсатором фильтра?

4.Каков принцип действия параметрического стабилизатора напряжения?

88

5.Каково назначение элементов схем резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе?

6.Каков принцип действия резисторного усилителя напряжения на биполярном транзисторе?

7.Каковы особенности схемы резисторного усилителя напряжения на полевом транзисторе?

89

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Электротехника и электроника [Текст]: учеб. пособие / Э.М. Пинт [и др.]. – Пенза: ПГУАС, 2014.

2.Основы теории расчета линейных электрических цепей и электроснабжения объектов [Текст]: учебное пособие / Э.М. Пинт [и др.]. – Пенза:

ПГУАС, 2012.

3.Исследование целесообразности применения электронных измерительных приборов на предприятиях строительной индустрии и автомобилестроение [Текст]: монография / Э.М. Пинт [и др.]. – Пенза: ПГУАС, 2015.

90