26. 2. Вопросы

1. Каково назначение выпрямителя в блоке питания?

2. Каковы три схемы выпрямителей, используемых в бло­ках питания?

3. В чем отличия в работе этих трех схем?

4. Каковы преимущества одного выпрямителя перед другим?

5. Какая схема выпрямителя является лучшей? Почему?

24. 3. ЦЕПИ ФИЛЬТРАЦИИ

Выпрямитель выдает пульсирующее напряжение посто­янного тока, которое не годится для питания большинства электронных цепей, поэтому в блоках питания, как пра­вило, после выпрямителя стоит фильтр. Фильтр преобра­зует пульсирующее напряжение в гладкое напряжение постоянного тока.

Простейшим фильтром является конденсатор, включен­ный параллельно выходу выпрямителя (рис. 27-11). На рис. 27-12 сравнивается выходное напряжение выпрями­теля без фильтра и с фильтрующим конденсатором.

Конденсатор работает в такой цепи следующим образом. Когда на аноде диода положительный потенциал, по цепи течет ток. В это время фильтрующий конденсатор заряжа­ется в полярности, показанной на рис. 27-11. За четверть периода входного сигнала конденсатор заряжается до мак­симального потенциала цепи.

Рис. 27-11 Однополупе- риодный выпрямитель с емкостным фильтром.

Входной

сигнал

Выходной сигнал без емкостного фильтра

Выходной сигнал с емкостным фильтром

Рис. 27-12. Выходное напряжение однополупе­риодного выпрямителя без фильтра и с фильт­рующим конденсатором.

Когда напряжение входного сигнала начинает падать, конденсатор разряжается через нагрузку. Скорость раз­ряда конденсатора зависит от постоянной времени RC, а, следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени разряда велика по сравнению с периодом пере­менного тока. Следовательно, период заканчивается рань­ше, чем конденсатор может разрядиться. Поэтому после первой четверти периода ток через нагрузку поддержива­ется разряжающимся конденсатором. Как только конден­сатор начинает разряжаться, напряжение на нем умень­шается. Однако до того, как конденсатор полностью раз­рядится, начнется следующий период синусоиды. На аноде диода опять появится положительный потенциал, что позволит ему проводить ток. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате, пульсации напря­жения сгладятся, и выходное напряжение фактически по­высится (рис. 27-13).

Чем больше емкость конденсатора, тем больше посто­янная времени RC. Это приводит к более медленному раз­ряду конденсатора, что повышает выходное напряжение. Наличие конденсатора позволяет диоду в цепи проводить ток в течение короткого периода времени. Когда диод не проводит, конденсатор обеспечивает нагрузку током. Если нагрузка потребляет большой ток, то должен использовать­ся конденсатор большой емкости.

Емкостной фильтр в двухполупериодном или мостовом выпрямителе ведет себя точно так же, как и описанный

Ер

^Е AVG

ов

Неотфильтрованное выходное напряжение

^ер

^eavg

ОВ

Ер

^eavg

ОВ

Выходное напря­жение с фильтрую­щим конденсато­ром малой емкости

Выходное напряже­ние с фильтрую­щим конденсатором большой емкости

Рис. 27-13. Влияние филь­трующих конденсаторов различной емкости на выходное напряжение од- нополупериодного вып­рямителя.

емкостной фильтр в однополупериодном выпрямителе. На рис. 27-14 показано выходное напряжение двухполупери- одного или мостового выпрямителя. Частота пульсаций этого напряжения вдвое больше, чем у однополупериод- ного выпрямителя. Когда к выходу выпрямителя подсо­единяется емкостной фильтр, конденсатор не успевает сильно разрядиться до начала следующего импульса. Выходное напряжение достаточно высокое. Если ис­пользуется конденсатор большой емкости, то выходное на­пряжение равно максимальному напряжению входного сигнала. Следовательно, конденсатор лучше фильтрует на­пряжение в двухполупериодной цепи, чем в однополупе- риодной.

Назначение фильтрующего конденсатора — сглажива­ние пульсаций постоянного напряжения выпрямителя. Ка­чество работы фильтра определяется величиной пульсаций,

^ер

e_avg Неотфильтрованное

О В — —* —I — А- выходное напряжение

^ер

^eavg

ов

конденсатором лой емкости

Выходное напряже­ние с фильтрующим конденсатором боль­шой емкости

Выходное напряже­ние с фильтрующим конденсатором ма-

Рис. 27-14. Влия­ние фильтрующих конденсаторов раз­личной емкости на выходное напряже­ние двухполупери- одного или мосто­вого выпрямителя.

остающихся в постоянном напряжении. Величину пульса­ций можно уменьшить путем использования конденсато­ра большей емкости или путем увеличения сопротивления нагрузки. Обычно сопротивление нагрузки определяется при расчете цепи. Следовательно, емкость фильтрующего конденсатора диктуется допустимой величиной пульсаций.

Необходимо отметить, что фильтрующий конденсатор создает дополнительную нагрузку на диоды, используемые в выпрямителе. На рис. 27-15 изображены однополупери- одный и двухполупериодный выпрямители с фильтрующим конденсатором. Конденсатор заряжается до максимально­го значения напряжения вторичной обмотки и удержива­ет это значение в течение всего цикла входного напряже­ния. Когда диод становится смещенным в обратном напря­жении, он запирается, и максимальное отрицательное напряжение попадает на анод диода. Фильтрующий кон­денсатор удерживает максимальное положительное напря­жение на катоде диода. Разность потенциалов на диоде в два раза превышает максимальное значение напряжения вторичной обмотки. Для выпрямителя должен быть выб­ран диод, выдерживающий такое напряжение.

О-

О-

Максимальное напряжение, которое может выдержать диод, будучи смещенным в обратном направлении, назы-

1

(А)

^с1⁵' i:*! пгт

-*+

и-

%

о-

Рис. 27-15. Однополу- периодный выпрями­тель (А) и двухполупе­риодный выпрямитель (В) с фильтрующим конденсатором.

вается импульсным обратным напряжением диода. Им­пульсное обратное напряжение диода, выбранного для выпрямителя, должно быть выше, чем удвоенное макси­мальное напряжение вторичной обмотки. В идеале диод должен работать при 80% номинального значения обрат­ного напряжения для того, чтобы выдержать изменения входного напряжения. Это касается как однополупериод­ного, так и двухполупериодного выпрямителя. Но это не так для мостового выпрямителя.

К диодам в мостовом выпрямителе никогда не приклады­вается напряжение, большее чем максимальное напряжение вторичной обмотки. На рис. 27-16 ни к одному из диодов не приложено напряжение, превышающее максимальное значе­ние входного сигнала. Использование диодов с более низки­ми значениями импульсного обратного напряжения явля­ется еще одним преимуществом мостового выпрямителя.

о

о

Рис. 27-16. Мостовой выпрямитель с фильтру­ющим конденсатором.

напряжение блока питания, что приводит к увеличению или уменьшению выходного напряжения. Во-вторых, со­противление нагрузки, что приводит к изменению потреб­ляемого тока.

Многие цепи рассчитаны на работу при определенном напряжении. Если напряжение меняется, это может вли­ять на работу цепи. Следовательно, блок питания должен обеспечивать выходное напряжение постоянной величины, независимо от изменения нагрузки или входного напряже­ния. Для того, чтобы этого добиться, после фильтра ста­вят регулятор или стабилизатор напряжения.

Существует два основных типа регуляторов напряже­ния: параллельные регуляторы и последовательные регу­ляторы. Их названия соответствуют методу их соединения с нагрузкой. Параллельный регулятор подключается к нагрузке параллельно. Последовательный регулятор под­соединяется к нагрузке последовательно. Последователь­ные регуляторы более популярны, чем параллельные, так как они более эффективны и рассеивают меньшую мощ­ность. Параллельный регулятор также работает в качестве управляющего устройства, защищая регулятор от корот­кого замыкания в нагрузке.

На рис. 27-17 показана регулирующая цепь на основе стабилитрона. Это параллельный регулятор. Стабилитрон соединен последовательно с резистором. Входное постоян­ное напряжение прикладывается к стабилитрону и резис­тору и смещает стабилитрон в обратном направлении. Ре­зистор позволяет протекать малому току и поддерживать стабилитрон в области пробоя. Входное напряжение дол­жно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилит­рона. Падение напряжения на стабилитроне равно напря­жению стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на резисторе равно разности между входным напряжени­ем и напряжением стабилизации стабилитрона.

Цепь, изображенная на рис. 27-17, обеспечивает посто­янное выходное напряжение при изменениях входного напряжения. Любое изменение напряжения проявляется

■* Рис. 27-17. Стабили- 'I'^2Di зирующая цепь на 4 ст основе стабилитрона.

в виде изменения падения напряжения на резисторе. Сум­ма падений напряжения должна равняться входному на­пряжению. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путем замены стабилитрона и последова­тельно включенного резистора.

Ток через нагрузку определяется сопротивлением на­грузки и выходным напряжением. Через последовательно включенный резистор течет суммарный ток, состоящий из тока нагрузки и тока стабилитрона. Этот резистор должен быть тщательно подобран таким образом, чтобы ток через стабилитрон удерживал его в области стабилизации.

Когда ток через нагрузку увеличивается, ток через ста­билитрон уменьшается, и сумма этих токов поддерживает напряжение постоянным. Это позволяет цепи поддержи­вать постоянное выходное напряжение при изменениях выходного тока так же, как и при изменениях входного на­пряжения.

На рис. 27-18 изображена параллельная регулирующая цепь, использующая транзистор. Заметим, что транзистор Qj включен параллельно нагрузке. Это защищает регуля­тор в случае короткого замыкания в нагрузке. Существу­ют более сложные параллельные регуляторы, которые ис­пользуют больше одного транзистора.

«2

Входное нестабили зированное посто­янное напряжение

Последовательный регулятор популярнее чем параллель­ный регулятор. Простейшим последовательным регулятором является переменный резистор, включенный последовательно

Выходное стабили­зированное посто- Рис. 27-18. Парал- янное напряжение _Л6ЛЬНЫЙ стабили-

¹ I затор, использую- 6 щий транзистор.

с нагрузкой (рис. 27-19). Сопротивление регулируется не­прерывно для поддержания постоянного напряжения на нагрузке. При увеличении постоянного напряжения сопро­тивление увеличивают, чтобы на нем падало излишнее напряжение. Это сохраняет постоянное падение напряже­ния на нагрузке, так как избыточное напряжение падает на последовательно включенном резисторе.

^п1

-ANV-

Рис. 27-19. Последо­вательный регуля­тор напряжения, ис­пользующий пере­менный резистор.

Переменный резистор может компенсировать и измене­ния тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки паде­ние напряжения на переменном резисторе увеличивается. Это приводит к уменьшению падения напряжения на на­грузке. Если в момент увеличения тока уменьшить сопро­тивление, то падение напряжения на переменном резисторе останется постоянным. В результате постоянным окажет­ся и выходное напряжение, несмотря на изменения тока нагрузки.

На практике достаточно трудно вручную изменять со­противление резистора для компенсации изменений напря­жения и тока. Более эффективно заменить переменный резистор транзистором (рис. 27-20). Транзистор включен таким образом, что через него течет ток нагрузки. Путем изменения тока базы транзистора можно управлять вели­чиной тока, текущего через транзистор. Для того, чтобы сделать эту цепь саморегулирующейся, требуются допол­нительные компоненты (рис. 27-21). Эти компоненты по-

О	в,:	'	V	о
О				— о

Рис. 27-20. Транзистор­ный последовательный регулятор напряжения, использующий перемен­ный резистор, регули­руемый вручную.

зированное посто­янное напряжение

'БЭ

Е,

Входное нес зированное

янное напряжение i

чз

О-

Рис. 27-21. Саморегули­рующийся последова­тельный стабилизатор.

зволяют транзистору автоматически компенсировать изме­нения входного напряжения и тока нагрузки.

На рис. 27-22 изображен простой последовательный стабилизатор. На его вход подается нестабилизированное постоянное напряжение, а на его выходе получается ста­билизированное постоянное напряжение меньшее по вели­чине. Транзистор включен как эмиттерный повторитель, и поэтому здесь отсутствует обращение фазы между базой и эмиттером. Напряжение на эмиттере повторяет напряже­ние на базе. Нагрузка подключена между эмиттером тран­зистора и землей. Напряжение на базе транзистора уста­навливается с помощью стабилитрона. Следовательно, выходное напряжение равно напряжению стабилизации стабилитрона за вычетом 0,7 вольта падения напряжения на переходе база-эмиттер.

О

Когда входное напряжение на транзисторе увеличива­ется, выходное напряжение также пытается увеличиться. Напряжение на базе транзистора установлено с помощью стабилитрона. Если на эмиттере появляется положитель­ный потенциал больший, чем на базе, проводимость тран­зистора уменьшается. Когда транзистор уменьшает свою проводимость, это действует так же, как включение между

-О

о

Рис. 27-22. Последова- о тельный стабилизатор.

входом и выходом большого резистора. Большая часть до­бавившегося входного напряжения падает на транзисторе и только малая его часть увеличит выходное напряжение.

Недостатком стабилизатора с эмиттерным повторителем является то, что стабилитрон должен быть рассчитан на достаточно высокую мощность, а стабилитроны большой мощности стоят дорого.

Наиболее популярным типом последовательных стаби­лизаторов является стабилизатор с обратной связью. Он содержит цепь обратной связи, контролирующую выход­ное напряжение. При изменениях выходного напряжения появляется управляющий сигнал. Этот сигнал управляет проводимостью транзистора. На рис. 27-23 изображена блок-схема стабилизатора с обратной связью. Нестабили- зированное напряжение постоянного тока подается на вход стабилизатора. Более низкое стабилизированное постоян­ное напряжение появляется на выходе стабилизатора.

К выходу стабилизатора подключена цепь выбора на­пряжения. Цепь выбора напряжения — это делитель на­пряжения, который подает выходное напряжение для срав­нения на цепь регистрации ошибок. Это напряжение из­меняется при изменениях выходного напряжения.

Цепь регистрации ошибок сравнивает выходное напря­жение с опорным напряжением. Для получения опорного

Рис. 27-23. Блок-схема последовательного стабилизатора с обратной связью.

напряжения используется стабилитрон. Разность между выходным и опорным напряжением называется напряже­нием ошибки. Напряжение ошибки усиливается усилите­лем ошибки. Усилитель ошибки управляет проводимостью последовательно включенного транзистора. Проводимость транзистора меняется в ту или иную сторону для компен­сации изменений выходного напряжения.

На рис. 27-24 изображена схема стабилизатора напря­жения с обратной связью. Резисторы R₃, R₄ и R₅ — цепь выбора напряжения. Транзистор Q₂ работает в качестве и регистратора, и усилителя ошибки. Стабилитрон D_x и ре­зистор R_x задают опорное напряжение. Транзистор Q_x — последовательно включенный регулирующий транзистор. Резистор R₂ является коллекторной нагрузкой транзисто­ра Q₂ и подает смещение на базу транзистора Q_r

■о

Рис. 27-24. Последова­тельный стабилизатор с обратной связью.

Если выходное напряжение начинает увеличиваться, то увеличится и напряжение, передаваемое для сравне­ния. Это увеличит напряжение смещения на базе транзи­стора Q₂. Напряжение на эмиттере транзистора Q₂ удержи­вает постоянным стабилитрон D_r Это приводит к увели­чению проводимости транзистора Q₂ и увеличению тока через резистор R₂. Это, в свою очередь, приведет к умень­шению напряжения на коллекторе транзистора Q₂ и на базе транзистора Q_r Теперь уменьшатся прямое смещение тран­зистора Qj и его проводимость. Когда проводимость транзи­стора убывает, через него течет меньший ток. Это снижает

падение напряжения на нагрузке и компенсирует увели­чение напряжения.

Выходное напряжение может быть точно установлено с помощью потенциометра R₄. Для увеличения выходного напряжения стабилизатора движок потенциометра R, вра­щают в отрицательном направлении, что уменьшает напря­жение выбора на базе транзистора Q₂, снижая его прямое смещение. Это приводит к уменьшению проводимости транзистора и к увеличению напряжения на коллекторе транзистора Q₂ и на базе транзистора Q_r Последнее увели­чивает прямое смещение транзистора Qj и его проводи­мость. Через нагрузку теперь будет течь больший ток, что увеличит выходное напряжение.

Серьезным недостатком последовательного стабилизато­ра является то, что транзистор включен последовательно с нагрузкой. Короткое замыкание в нагрузке приведет к большому току через транзистор, а это может вывести его из строя. Необходима цепь, поддерживающая ток, прохо­дящий через транзистор, на безопасном уровне.

На рис. 27-25 изображена цепь, которая ограничивает ток через транзистор последовательного стабилизатора. Как видно из рисунка, в цепь обратной связи добавлен после­довательный регулятор напряжения. Транзистор Q₃ и ре­зистор R_g образуют цепь ограничения тока. Для того что­бы транзистор Q₃ проводил, переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении напряжением не ме­нее 0,7 вольта. Когда между базой и эмиттером приложе­но напряжение 0,7 вольта, транзистор начинает проводить.

-Wv-

—УЛ-

R₃

и₄ Рис. 27-25. Последова­тельный стабилизатор _R с обратной связью с це- ₀ пью ограничения тока.

Если R_g равно 1 ому, то ток, необходимый для получения на базе транзистора Q₃ 0,7 вольта, равен:

_т_ Е _ ОД R 1 ’

I = 0,7 А или 700 мА.

Когда через нагрузку протекает ток, меньший 700 мА, напряжение база-эмиттер транзистора Q₃ меньше, чем 0,7 В, и он закрыт. Когда транзистор Q₃ закрыт, цепь работает так, как будто ее не существует. Когда ток превышает 700 мА, падение напряжения на резисторе R_g превышает

0. 7 В. Это приводит к тому, что транзистор Q₃ начинает проводить ток через резистор R₂. Это уменьшает напряже­ние на базе транзистора Q , и его проводимость уменьша­ется. Ток не может превышать 700 мА. Величина предель­ного тока может быть изменена путем изменения величи­ны резистора R_g. Увеличение R_g уменьшает величину предельного тока.

Последовательный стабилизатор с обратной связью имеет еще один недостаток — значительное количество компонентов. Эта проблема может быть решена путем ис­пользования стабилизатора на интегральной микросхеме.

Современные стабилизаторы на интегральных микро­схемах дешевы и просты в применении. Большинство ста­билизаторов на интегральных микросхемах имеют только три вывода (вход, выход и земля) и могут быть подсоеди­нены непосредственно к выходу фильтра выпрямителя (рис. 27-26). Стабилизаторы на интегральных микросхемах обеспечивают широкий диапазон выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности. Если стабилизатора с нужным напряжением нет среди стандар­тных микросхем, то существуют микросхемы стабилиза­торов с регулируемым напряжением.

При выборе микросхемы стабилизатора необходимо знать напряжение и ток нагрузки, а также электрические характеристики нестабилизированного блока питания. Микросхемы стабилизаторов классифицируются по -их

з

1 2

ТО-220

корпус ТО-3 корпус

Вывод 1 Вход Вывод 2 Земля Вывод 3 Выход

Микросхема стабилизато» _о~#-о

pa 78ХХ 7805 5 вольт 7815 15 вольт

7806 6 вольт 7818 18 вольт 7808 8 вольт 7824 24 вольт 7812 12 вольт

Распространенные напряжения стабилизации

Рис. 27-26. Микросхема стабилизатора с тремя выводами.

выходному напряжению. Микросхемы стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением имеют три выво­да и обеспечивают только одно выходное напряжение. Су­ществуют микросхемы стабилизаторов напряжения как положительной, так и отрицательной полярности. Двухпо­лярные стабилизаторы напряжения обеспечивают и поло­жительное и отрицательное напряжения. Микросхемы ста­билизаторов с регулируемым напряжением существуют как в однополярном, так и в двухполярном вариантах. При использовании любых микросхем стабилизаторов напря­жения обращайтесь к данным, предоставляемым произво­дителем.