экзаменационные вопросы и ответы / 10 Транзистор. Физическая модель транзистора / Полупроводниковые приборы

Рис 3-4 Схема замещения выпрямителя

Uн = Uв-(Iс+ Iн)rx, ( 1 )

где Iс - ток зарядки конденсатора, Iн - ток нагрузки.

НА рис 3-4 приведены также осциллограммы для однополупериодного (верхняя) и для двухполупериодного (нижняя) выпрямителей В течение времени t1-t2 , когда величина U2 возрастает, конденсатор Со заряжается током Iс, а в интервале t2-t3 он частично разряжается через Rн, так как при этом диоды блока вентилей закрыты и не позволяют ему разряжаться через обмотку трансформатора. Такой фильтр значительно уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Качество сглаживания характеризуется коэффициентом пульсаций р, выраженным в процентах

p = ( Um / Uo) *100% ,

где Um - амплитуда первой гармоники,

Uo - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Емкостный фильтр уменьшает пульсации до 5-15 % по сравнению с 157% и 66,7% соответственно для однополупериодиого и двухполупериодного выпрямителей без фильтра. Величина коэффициента пульсаций с емкостным фильтром определяется по формулам

р= 600 Iо / UoCo - для одноподупериодного выпрямителя и

р= 300 Io / UoCo - для двухполупериодного.

Здесь Сo - в мкФ, Io - в мA, Uo- в В.

Для питания электронной аппаратуры допускается р=0,05–1% и менее, поэтому применяются более сложные фильтры.

Величина пульсаций существенно уменьшается также блоком стабилизации Ст.(рис 3-1).

Расчетные формулы для выпрямителей

Рис.3-5 Однополупериодный выпрямитель

1)Расчет диода: Iмакс=7I0 ,Uобр=3U0

2)Расчет трансформатора: U2=0,75U0 + I0(Ri+Rтр)/265

Ri – внутреннее сопротивление диода RiGe=500/I0(мА), RiSi=100/I0(мА).

Rтр – сопротивление внутренних обмоток трансформатора Rтр=500U0/(I0(U0I0)1/4), Ток вторичной обмотки: I2=2I0+12U0/(Ri+Rтр)

3) Расчет конденсатора: UC0=1,2U0 р0=600I0/U0C0; C0=600I0/U0р0.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

1)Выбор диода: Uобр=3U0, Iмакс=3,5I0

2)Выбор трансформатора: U2=0,75U0+I0(Ri+Rтр)/530

Rтр=1000/I0(U0I0)1/4 I2=I0+12U0/(Ri+Rтр)

3) Расчет конденсатора: С0=300I0/U0P0 (%); UC0=1,2U0

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

1)Uобр=1,5U0, Iмакс=3,5I0

2)U2=0,75U0+I0(2Ri+Rтр)/530; Rтр=830/I0(U0I0)1/4; I2=21/2 I0+16,6U0/(2Ri+Rтр)

3)С0=300I0/U0р0 (%); UC0=1,2U0

Расчет для Г-образного фильтра:

a) LC – фильтр

Рис.3-6 Г-образный LC фильтр Для однополупериодного Для двухполупериодного выпрямителя

LC=10р0/р LC=2,5р0/р

b) RC – фильтр

Рис.3-7 Г-образный RC фильтр Элементы фильтра определяются из выражений:

Для однополупериодного для двухполупериодного выпрямителя

RC=3000р0/р RC=1500р0/р

4Стабилизаторы

4.1Параметрические стабилизаторы

Напряжение на выходе выпрямителя нестабильно. Например, с увеличением потребляемого тока Iн в большей степени разряжается

конденсатор фильтра С в в интервале времени t2-t3(рис. 3-4), поэтому для его подзарядки в течение времени t1-t2 требуется больший зарядный ток Iс. Но тогда из уравнения (1) видно, что потеря напряжения на сопротивлении rz возрастет и Uн уменьшится. На графике

рис.3-8 приведены внешние характеристики выпрямителя без фильтра - Iс = 0 и с емкостным фильтром - Iс > 0. Характеристики построены на основании уравнения (1) с учетом того, что вентили обладают сопротивлением, нелинейно зависящим от протекающего тока.

Рис.3-8 Нагрузочные характеристики выпрямителя

Чтобы величина Uн практически не менялась с ростом тока Iн, в выпрямитель вводят стабилизатор напряжения.

При малых токах нагрузки и невысоких требованиях к стабильности к Uст применяются простейшие параметрические стабилизаторы на кремниевом стабилитроне {глава 1.4} (рис.3-9а). Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона (рис3-9б) имеет участок mn, на котором при изменениях тока от Imin до Imax напряжение остается практически постоянным.

Рис.3-9 Простейший стабилизатор и его нагрузочная характеристика. Чтобы ток через стабилитрон не превысил Imах, включается резистор

Rб. При изменении тока нагрузки или напряжения Uф=Uб+Uст изменяется, только Uб, а Uст = Uн остается постоянным.

При необходимости увеличить Uст стабилитроны соединяют последовательно. Стабилизатор рис.3-9а уменьшает относительные изменения напряжения в 5-10 раз. Но изменять величину Uст в параметрическом стабилизаторе невозможно.Оно определяется выбранным стабилитроном. Если такая стабилизация не удовлетворяет требованиям, то применяют полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения.

4.2 Компенсационные стабилизаторы

На рис.3-9а показан принцип стабилизации, основанный на компенсации изменений напряжения в нагрузке путем изменения величины сопротивления переменного резистора R1, включенного последовательно нагрузке Rн.

Рис.3-10 Компенсационный стабилизатор

Для рассматриваемого контура можно написать уравнение

Uн = Uф – I1*R1, (3)

то есть напряжение Uн на нагрузке меньше выпрямленного напряжения (на выходе фильтра) Uф на величину падения напряжения на переменном резисторе R1. Изменяя величину сопротивления, можно регулировать величину напряжения Uн. Для любого изменения

выпрямленного напряжения dUф по аналогии с уравнением (3) можно записать, что

dUн =dUф – dI1*R1. (4)

Следовательно, устанавливая величину R1 всегда так, чтобы выполнялось равенство dUф = dI1*R1, получим dUн=0 то есть напряжение на нагрузке будет постоянным.

Для автоматизации процесса стабилизации напряжения Uн в качестве переменного резистора R1 используется транзистор VТ1 большой мощности (рис.3-10б), а управляет его сопротивлением транзистор VТ2. Ток коллектора VТ2 изменяется при изменении напряжения Uн. Поэтому изменяется ток базы транзистора VТ1 и, следовательно, его сопротивление. Параметрический стабилизатор R4-V3 играет вспомогательную роль, обеспечивая опорное (неизменное) напряжение на эмиттере VТ2, с которым сравниваются изменения напряжения на нагрузке, поступающие на базу VТ2 через делитель R1-RЗ. Схема работает следующим образом. Пусть ввиду каких-либо причин напряжение Uн начинает убывать (потенциал fн относительно точки 3 увеличивается). Тогда потенциал базы VТ2 также возрастает относительно эмиттера (станет менее отрицательным), а ток его базы Iб2 уменьшится. При этом ток коллектора Iк2=b2*Iб2(b2коэффициент передачи тока транзистора VT2) уменьшит потенциал базы транзистора VТ1 (Uб1 = Uк2~ Uф – Iк2* R5) и, следовательно, уменьшит сопротивление транзистора VТ1.При этом неизбежно уменьшается напряжение U1=I1*Rv1 (см. рис.3-10б), а напряжение в нагрузке Uн = Uф - I1*Rv1 практически останется неизменным.

Внешние характеристики стабилизированных выпрямителей приведены на рис.3-11. Постоянство напряжения Uн поддерживается параметрическим (кривая 2) и компенсационным (кривая 3) стабилизаторами

Рис.3-11. Внешние характеристики выпрямителей:

1 - без стабилизатора; 2 - с параметрическим стабилизатором; 3 - с транзисторным стабилизатором компенсационного типа.

До определенного значения максимального тока нагрузки, зависящего от типа применяемых полупроводниковых приборов. Стабилизатор компенсационного типа очень хорошо сглаживает пульсации, если они не слишком велики на выходе выпрямителя и падение входного напряжения не выводит стабилизатор из нормальной рабочей области.

4.3 Импульсный стабилизатор напряжения

>Недостатки вышерассмотренных стабилизаторов:

1)Низкий КПД, не превышающий 50%.

2)Большие габариты конденсатора и индуктивности в фильтре.

Эти недостатки снимаются при использовании импульсного(ключевого)стабилизатора.ВэтомстабилизаторетранзисторVTставится включевойрежим:

Рис.3-12 Импульсный стабилизатор напряжения

Генератор ШИМ обеспечивает широтно-импульсную модуляцию, при которой ширина генерируемых импульсов Uг пропорциональна управляющему напряжению Uупр.

Процесс работы импульсного стабилизатора

1) Во время импульса Uупр транзистор VT открывается, емкость С подзаряжается через индуктивность

2) VT1 закрывается , индуктивность и емкость отдают энергию потребителю. Диод VD устанавливается для замыкания обратного тока индуктивности через емкость и нагрузку. Генератор ШИМ выдает последовательность импульсов на базу VT, ширина которых зависит от Uвых .Длительность импульса tи=К (Uоп-UвыхR1/(R1+R2))

3) Если,например, выходное напряжение уменьшается то длительность импульсов увеличивается. При этом возрастает энергия,накопленная в индуктивности и выходное напряжение поддерживается постоянным. Тактовая частота приблизительно равна 20 кГц. Конденсатор “подпитывается” достаточно часто, поэтому емкость его значительно меньше, чем при использовании непрерывного стабилизатора.

5Генераторы

5.1Генератор синусоидальных колебаний

ГСК – это устройство, выполненное на основе автономных автоколебательных цепей, в которых синусоидальное изменение напряжения и тока возникают без приложения дополнительного периодического сигнала. Это преобразование энергии постоянного тока в энергию синусоидальных электрических колебаний.

Генератор типа L-C:

Рис.3-13 Генератор LC с индуктивной обратной связью

Генерация возникает из за положительной обратной связи между коллектором и базой транзистора через взаимоиндукцию между катушками. Колебания возникают при выполнении двух условий:

1)Условие амплитуд, которое выполняется если катушки Lсв и L расположить достаточно близко.

2)Условие фаз. Катушка Lсв должна быть включена так, чтобы возникающая обратная связь была положительной. Тогда возникают

колебания с частотой ω2 LC=1; Следовательно ω=1/(LС)1/2; f=1/2π(LC)1/2 По этой схеме строятся генераторы с частотой f>=150 кГц. Для более низких частот применяются RC генераторы.

[ Теория ] [ Справочник ] [ Практикум ] [ Контроль знаний ] [ Об ЭУМК ]