Глава 26. Самопроверка

1. Какое светочувствительное устройство имеет самое бы­строе время отклика на изменения интенсивности све­та?

2. Какое устройство может иметь более широкую область применения — фотодиод или фототранзистор? Почему?

3. Как величина тока, протекающего через светодиод, вли­яет на интенсивность излучаемого света?

ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Специальность — техник по автоматике

Механик по автоматике поддерживает в рабочем состо­янии контроллеры, сборочное оборудование, копироваль­ные машины, промышленных роботов и другие автомати­зированные или использующие компьютерное управление устройства.

Человек на этой работе устанавливает, ремонтирует и осуществляет сервисное обслуживание механизмов с элек­трическими, механическими, гидравлическими или пнев­матическими компонентами. При этом используются точ­ные измерительные инструменты, тестирующее оборудова­ние и ручные инструменты. Для подобной работы требуется знание электроники и умение читать монтажные и прин­ципиальные схемы.

Для того, чтобы стать техником по электронике, необ­ходима официальная подготовка. Такую подготовку дают профессионально-технические школы, военные училища или заочные учебные программы. Хотя в большинстве слу­чаев обучение проводится в виде классных занятий, иног­да можно приобрести навыки и практической работы.

Потребность промышленности в техниках по автомати­ке растет очень быстро. Ожидается, что этот рост будет про­должаться и после 2000 года.

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в со­стоянии:

• Объяснить назначение источника питания.

• Начертить блок-схему цепей и частей источника пита­ния.

• Описать три различных схемы выпрямителей.

• Объяснить назначение фильтра.

• Описать два основных типа регуляторов напряжения и объяснить их работу.

• Объяснить назначение умножителя напряжения.

• Перечислить устройства защиты от превышения напря­жения и тока.

Блоки питания используются для подачи напряжения на различные цепи. Принципы работы всех блоков пита­ния одинаковы.

Главной функцией блока питания является преобразо­вание переменного тока в постоянный. Блок питания мо­жет увеличивать или уменьшать величину входного пере­менного напряжения с помощью трансформатора.

Переменное напряжение требуемой величины преобра­зуется в постоянное напряжение с помощью процесса, который называется выпрямлением. Выпрямленное напря­жение еще содержит переменную составляющую, которая называется пульсацией. От пульсаций избавляются с по­мощью фильтра.

Для обеспечения неизменной величины выходного на­пряжения используется стабилизатор напряжения. Он удерживает выходное напряжение на постоянном уровне.

27-1. ТРАНСФОРМАТОРЫ

Трансформаторы используются в блоках питания для изоляции блока питания от источника переменного напря­жения. Они также применяются для повышения напряже­ния, если требуется более высокое напряжение, и для по­нижения напряжения, если требуется более низкое.

Если трансформаторы используются в блоках питания, то источник переменного напряжения подсоединяется толь­ко к первичной обмотке трансформатора. Таким образом электрические цепи изолируются от сети переменного тока.

При выборе трансформатора сначала надо определить напряжение первичной обмотки. Первичные обмотки у большинства трансформаторов рассчитаны на напряжения от 110 до 120 вольт или от 220 до 240 вольт. Потом надо уточнить частоту, на которой будет работать трансформа­тор. Рабочими частотами трансформатора могут быть 50 или 60 герц, 400 герц и 10 000 герц. Затем следует опре­делить напряжение вторичной обмотки и ток, на который она рассчитана. И наконец, надо определить общую рас­четную мощность трансформатора в вольт-амперах, что позволит оценить мощность, которая может быть переда­на во вторичную обмотку трансформатора. Она измеряет­ся в вольт-амперах, так как ко вторичной обмотке может быть подсоединена нагрузка любого типа.

в постоянное напряжение. В блоках питания применяют­ся три основные схемы выпрямителей: однополупериод- ная, двухполупериодная и мостовая.

На рис. 27-1 изображена схема однополупериодного выпрямителя. Диод размещен последовательно с нагруз­кой. Из-за наличия диода ток в цепи течет только в одном направлении.

Входное перемен­ное напряжение

о

ji",

Рис. 27-1. Основная схема однополупери­одного выпрямителя.

На рис. 27-2 показан результат работы однополупери­одного выпрямителя в течение положительного полупери- ода синусоиды. Диод смещен в прямом направлении, что позволяет току течь через нагрузку. При этом в течение по­ложительного полупериода на нагрузке выделяется мощ­ность.

На рис. 27-3 представлен результат работы однополупе­риодного выпрямителя в течение отрицательного полупе­риода синусоиды. Диод теперь смещен в обратном направ­лении и не проводит ток. Так как через нагрузку не течет ток, то на ней нет и падения напряжения.

Рис. 27-3. Однополу­периодный выпрями­тель в течение отрица­тельного полупериода.

Однополупериодный выпрямитель работает только в те­чение одной половины периода. Выходное напряжение представляет собой последовательность положительных

Рис. 27-2. Однополупе­риодный выпрямитель в течение положитель­ного полупериода.

или отрицательных импульсов, в зависимости от того, как диод включен в цепь. Частота импульсов такая же, как и частота входного напряжения. Частота импульсов называ­ется частотой пульсаций.

Полярность выходного напряжения зависит от того, каким способом диод включен в цепь (рис. 27-4). Ток элек­тронов течет через диод от катода к аноду. Когда ток те­чет через диод, на выводе катода возникает дефицит элек­тронов, делая этот вывод диода положительным. Поляр­ность выходного напряжения блока питания может быть изменена путем изменения способа включения диода.

О

R.

О-

Рис. 27-4. Диод опреде­ляет направление тока.

Однополупериодный выпрямитель имеет серьезный недостаток, так как ток через него течет только в течение половины каждого периода. Чтобы избавиться от этого не­достатка, используется двухполупериодный выпрямитель.

На рис. 27-5 изображена схема двухполупериодного выпрямителя. Для этой схемы требуются два диода и трансформатор с выводом от середины вторичной обмотки. Этот вывод от середины обмотки заземлен. Напряжение на каждом выводе вторичной обмотки трансформатора сдви­нуто по фазе на 180 градусов относительно друг друга.

На рис. 27-6 изображено, как двухполупериодный вып­рямитель работает в течение положительного полуперио- да входного напряжения. На аноде диода D_x положитель­ный потенциал, а на аноде диода D₂ — отрицательный.

Входное перемен­ное напряжение

Рис. 27-5. Основная схема двухполупери­одного выпрямителя.

О-

°1

-w-

г\

"

V/

-Н

О-

+

Рис. 27-6. Двухполупе- С\ риодный выпрямитель ^Ri в течение положитель-

Рис. 27-7. Двухполупе- риодный выпрямитель

ного полупериода.

в течение отрицатель­ного полупериода.

Диод Dj смещен в прямом направлении и проводит ток. Диод D₂ смещен в обратном направлении и не проводит ток. Ток течет от центрального вывода трансформатора через на­грузку и диод Dj к верхнему выводу вторичной обмотки трансформатора. Это позволяет ему во время положитель­ного полупериода проходить на нагрузку.

На рис. 27-7 тот же двухполупериодный выпрямитель работает в течение отрицательного полупериода синусои­ды. На аноде диода D₂ появился положительный потенци­ал, а на аноде диода D₁ — отрицательный. Теперь диод D₂ смещен в прямом направлении и проводит ток. Диод смещен в обратном направлении и не проводит ток. Ток течет от центрального вывода трансформатора через нагруз­ку и диод D₂ к нижнему выводу вторичной обмотки транс­форматора.

Таким образом, в двухполупериодном выпрямителе ток течет в течение обоих полупериодов. Это означает, что ча­стота пульсаций в два раза больше частоты входного пе­ременного тока.

Недостатком двухполупериодного выпрямителя являет­ся то, что его выходное напряжение в два раза меньше выходного напряжения однополупериодного выпрямителя, использующего такой же трансформатор. Этот недостаток

преодолевается при использовании мостовой схемы вып­рямителя.

На рис. 27-8 изображена мостовая схема выпрямителя. Четыре диода включены таким образом, что ток через на­грузку течет только в одном направлении.

Рис. 27-8. Схема мос­тового выпрямителя.

У

Входное перемен* ное напряжение

>— ——

На рис. 27-9 показано прохождение тока в течение по­ложительного полупериода входного сигнала. Ток течет от нижнего вывода вторичной обмотки трансформатора через диод D₄, через нагрузку, через диод D₂ к верхнему выводу вторичной обмотки трансформатора. Все напряжение па­дает на нагрузке.

А

Рис. 27-9. Мостовой вып­рямитель в течение поло­жительного полупериода.

На рис. 27-10 показано прохождение тока в течение от­рицательного полупериода входного сигнала. На верхнем выводе вторичной обмотки отрицательный потенциал, а на нижнем — положительный. Ток течет от верхнего вывода вторичной обмотки через диод D_1? через нагрузку, через диод D₃ к нижнему выводу вторичной обмотки. Заметим, что ток течет через нагрузку в том же направлении, что и в течение положительного полупериода. И опять все напря­жение падает на нагрузке.

О-

Ъ 1

о

Рис. 27-10. Мостовой вып­рямитель в течение отри­цательного полупериода.

Мостовой выпрямитель является двухполупериодным выпрямителем, так как он работает в течение обоих полу- периодов входного синусоидального напряжения. Преиму­ществом мостового выпрямителя является то, что он не требует трансформатора с выводом от середины вторичной обмотки. Эта цепь также не требует для своей работы транс­форматора. Трансформатор используется только для повы­шения или понижения напряжения или для обеспечения изоляции от источника переменного напряжения.

Перечислим различия выпрямителей. Преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота и низкая стоимость. Для него требуется один диод и транс­форматор. Он не очень эффективен, так как использует только половину входного сигнала. Кроме того, его при­менение ограничено цепями с малыми токами.

Двухполупериодный выпрямитель более эффективен, чем однополупериодный. Он работает в течение обоих по- лупериодов синусоиды. Более высокая частота пульсаций двухполупериодного выпрямителя облегчает фильтрацию. Недостатком его является то, что для него требуется транс­форматор с отводом от середины вторичной обмотки. Его выходное напряжение ниже, чем у однополупериодного выпрямителя при использовании такого же трансформато­ра, так как в течение каждого полупериода работает толь­ко половина обмотки.

Мостовой выпрямитель может работать без трансформа­тора. Однако трансформатор бывает необходим для повы­шения или понижения напряжения. Выходное напряже­ние у него выше, чем у однополупериодного или двухпо-

лупериодного выпрямителей. Недостатком является то, что для него требуются четыре диода. Однако диоды дешевле трансформатора с выводом от середины вторичной обмотки.