ТЕМА 3.12 Стабілізатори напруги живлення

МЕТА:

- навчальна: ознайомити студентів з джерелами електроживлення (випрямлячами, згладжувальними фільтрами та стабілізаторами напруги);

- розвиваюча: розширити світогляд студентів, поглибити вивчене для систематизації та узагальнення фундаментальних знань щодо основних схем випрямлячів, згладжу вальних фільтрів, параметричних та компенсаційних стабілізаторів; розвивати вміння самостійно застосовувати знання до вирішення практичних завдань;

- виховна: виховувати увагу, логічне мислення, впевненість у вирішенні практичних завдань:

 

ОБЛАДНАННЯ: дошка, схеми, характеристики

 

ПЛАН

1 Загальні питання побудови джерел живлення – випрямлячі, згладжувальні фільтри.

2 Стабілізатори напруги живлення.

 

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ

 

ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ПОБУДОВИ ДЖЕРЕЛ ЖИВЛЕННЯ – ВИПРЯМЛЯЧІ, ЗГЛАДЖУВАЛЬНІ ФІЛЬТРИ

Будь-яка електронна схема для свого нормального функціонування вимагає джерела електричної енергії.

Використовуються наступні джерела електроживлення:

- електрохімічні джерела - акумулятори, гальванічні елементи і батареї,
паливні елементи;

- прямі перетворювачі світлової, теплової або ядерної енергії в електричну -
сонячні батареї, термоелектричні генератори і атомні батареї;

- промислові і місцеві мережі змінного струму.

Для живлення радіоелектронних пристроїв потрібні різні напруги. Живлення радіоапаратури від мережі змінного струму є найекономічнішим, зручнішим і надійнішим способом електроживлення.

Для отримання електричної енергії потрібного виду перетворюють енергію змінного струму в енергію постійного струма (випрямлення) або енергію постійного струма в енергію змінного струму (інвертування).

Випрямлячі і інвертори є вторинними джерелами електроживлення, тому, що вони не виробляють електричну енергію, а лише перетворюють її форму.

ДЖ вторинного електроживлення (ВДЕЖ) складаються з функціональних вузлів, що виконують одну або декілька функцій: випрямляння, інвертування, стабілізацію, регулювання і ін.

Сучасні ДЖ вторинного живлення займають приблизно (25…30)% от загального об'єма електронної апаратури.

По типу первинного джерела живлення розрізняють ІВЕ, що живляться від мережі змінного струму і від мережі постійного струму.

ІВЕ, що живляться від мережі змінного струму діляться на однофазні і трьохфазні.

По роду струму на виході розрізняють ІВЕ з постійною напругою (випрямлячі) і зі змінною вихідною напругою (інвертори).

По напрузі на виході ІВЕ діляться на ІВЕ низької (до 100В), середньої (100-1000)В і високої (більш 1000В) напруги, а за потужністю, яка виділяється на навантаженні – малої (до 100Вт), середньої (100-1000 Вт) і великої (більш 1000 Вт) потужності.

Найбільш розповсюдженні ІВЕ, які перетворюють енергію мережі змінного струму частотою 50 Гц, напругою 380/220 В.

Вони включають випрямляч і стабілізатор (рис.100).

Випрямлячі бувають некерованими і керованими. Перші будуються на некерованих вентилях - на діодах, другі - на керованих - на тиристорах.

Випрямлячі малої і середньої потужності є однофазними, а випрямлячі великої потужності – трьохфазними.

По формі випрямленої напруги випрямлячі діляться на однонапівперіодні і двонапівперіодні.

Трансформатор призначений для перетворення величини напруги мережі ло величини, необхідної для роботи випрямляча. Він також забезпечує електричну (гальванічну) розв'язку мережі і навантаження.

Вентильна схема перетворює змінну напругу у випрямлену - пульсуючу однополярну. Вона може виконуватись на напівпровідникових ключах.

Рисунок 100 - Структурна схема випрямляча

 

Де ТV- трансформатор напруги; ВС- вентильна схема; ЗФ- згладжувальий фільтр;

СН(РН) -стабілізатор напруги (регулятор напруги); Н- навантаження

Згладжуючий фільтр перетворює випрямлену напругу в постійну. Фільтри виконуються на реактивних елементах, які мають властивість накопичувати енергію: конденсаторах, дроселях. Такі фільтри називаються пасивними.

Для живлення радіоелектронних пристроїв часто використовують активні фільтри, які будуються на транзисторах, операційних підсилювачах та реактивних елементах.

Стабілізатор напруги підтримує напругу на навантаженні на незмінному рівні при змінах величини напруги мережі або величини навантаження у заданих межах, температури.

Параметри вузлів випрямляча та їх елементів, режими їх роботи повинні бути узгоджені із заданими умовами роботи навантаження. Навантаження також вважають елементом випрямляча, бо зміни його величин у процесі роботи впливають на режим роботи всього пристрою.

Згладжуючий фільтр, стабілізатор (регулятор), а іноді й трансформатор можуть не входити до складу випрямляча, якщо в них немає необхідності.

При розрахунку випрямляча відомі параметри навантаження та мережі живлення. Невідомі є параметри елементів вузлів, що до нього входять, які характеризують роботу вентильної схеми.

Для живлення електронних пристроїв потрібна енергія постійного струму. Перетворення змінного струму в постійний здійснюється у випрямлячі. При аналізі роботи випрямних схем вентилі (діоди) і трансформатори вважають ідеальними, тобто вважають, що опір вентиля в прямому напрямі рівний нулю, а в зворотньому незкінчений, втрати енергії в обмотках трансформатора не відбувається.

При невеликій потужності випрямленого струму і невисоких вимогах до пульсацій застосовується однонапівперіодна схема випрямлення (рис.101).

Струм і напруга в навантаженні і₀ (ωt) і u₀ (ωt) мають пульсуючий характер.

В даній схемі діод знаходиться у відкритому стані протягом одного напівперіоду змінної напруги. У другому нашвперюді діод знаходиться в непровідному (закритому) стані. При цьому напруга прикладається до нього у зворотному напрямі, тобто діє від катода до анода діода. Ця напруга називається зворотною.

           

         а)                                                               б)

Рисунок 101 – а) однонапівперіодний випрямляч; б) часові діаграми

 

Переваги схеми — простота.

Недоліки — малий к.к.д, великі пульсації випрямленої напруги, низька частота основної гармоніки випрямленої напруги (рівна частоті мережі), великі розміри трансформатора, викликані поганим використовуванням його обмоток і вимушеним намагніченням осердя постійною складовою випрямленого струму, а також велика зворотня напруга на вентилі. Це обмежує використовування цієї схеми.

Частота пульсацій рівна частоті живлячої напруги і для промислової мережі
складає 50 Гц.

Двонапівперіодні схеми випрямління широко застосовуються в джерелах електроживлення середньої потужності. Перевагою схем є удвічі більше значення постійної складової вихідної напруги і удвічі вища частота пульсації (рівна 100 Гц при частоті живлячої напруги 50 Гц) в порівнянні зі схемою однонапівріодного випрямління. Чим вище частота пульсації, тим легше вона фільтрується (згладжується). Розрізняють одно- і двотактні схеми двунапівперіодних випрямлячів.

Однотактними називають випрямлячі, у яких по вторинній обмотці трансформатора струм протікає один раз за період напруги мережі і лише в одному напрямку.

Двотактними називають випрямлячі, у яких по вторинній обмотці трансформатора струм за період напруги мережі протікає двічі і в різних напрямках. Кратність пульсацій у двотактних випрямлячів дорівнює подвоєному числу фаз.

Схему однотактного двунапівперіодного випрямляча з нульовим виводом (або середнім) (рис.102) можна розглядати як два паралельно включених однонапівперіодних випрямляча на діодах VD1, VD2, працюючих на загальне навантаження R_Н, живлення яких здійснюється від двох однакових протифазних напруг U₂ і U'₂, що забезпечує вторинна обмотка трансформатора з середнім виводом.

    

                                 а)                                                   б)

Рисунок 102 - а) двонапівперіодний випрямляч з нульовим виводом; б) часові діаграми

 

У даній схемі діод VD1 відкритий під час першого напівперіоду і закритий під час другого, діод VD 2 закритий під час першого напівперіоду і відкритий під час другого.

Зниження типової потужності і краще використання трансформатора пояснюється відсутністю вимушеного підмагнічення осердя постійною складовою струму вторинної обмотки.

Середнє значення випрямленого струму і напруги в два рази більше, а пульсації значно менше, ніж у однонапівперіодних випрямлячів.

Недоліки однотактної двонапівперіодной схеми з нульовим виводом: наявність виводу від середини вторинної обмотки, кожна половина якої містить однакове число витків. При цьому сумарне число витків удвічі більше, ніж для однополуперіодного випрямління (полягає в труднощі виготовлення трансформатора з двома симетричними напівобмотками).

Вказаного недоліку позбавлена двотактна схема двонапівперіодного випрямління (мостова схема випрямляння), для живлення випрямлячів якого використовується вторинна обмотка трансформатора без виводу середньої точки (рис.103). Кількість витків при цьому удвічі менше, ніж для однотактной схеми при однаковому значенні вихідної напруги, але кількість діодів удвічі більше.

Протягом першого напівперіоду напруги u₂ вентилі VD1 i VD3 відкриті і в резисторі навантаження виникає струм і₀. В цей час вентилі VD2 i VD4 закриті. У інший напівперіод напруги вентилі VD1 i VD3 закриваються, а VD2 i VD4 відкриваються.

Струм по навантаженню протікає в тому ж напрямі, що і в перший напівперіод.

    

                     а)                                                   б)

Рисунок 103 – а) мостова схема випрямлення; б) часові діаграми

 

Часові діаграми роботи мостового випрямляча мають той же вигляд, що і діаграми роботи двонапівперіодного випрямляча з нульовим виводом рис.103,б. Виключення складає залежність u_а (ωt), оскільки між анодом і катодом вентиля в непровідному напрямі прикладена напруга вторинної обмотки трансформатора, тобто U_{зв max} зменшується в два рази:

Типова потужність трансформатора в мостовій схемі менше, ніж в інших схемах:

Р_Т = Р₁ = Р₂ = 1,23 Р₀ .

Величини випрямлених напруг і струму, а також коефіцієнт пульсацій мають такі ж значення, що і в двонапівперіодної схемі з нульовим виводом.

Зворотна напруга, що одночасно прикладається до двох діодів різних плечей моста, удвічі менша, ніж для однотактной схеми.

Якщо значення зворотної напруги перевищить допустиму зворотну напругу застосованого діода, відбудеться електричний пробій діода, порушиться робота схеми випрямляча.

Згладжувальні фільтри використовуються для зниження рівня пульсації випрямленої напруги до рівня, який забезпечує нормальну роботу навантаження тобто призначення фільтру полягає в тому, щоб пропустивши на вихід постійну складову максимально послабити змінну її складову.

Рисунок 104 – Вхідні і вихідні напруги фільтра

 

Вхідна і вихідна напруги фільтра (рис.104) містять відповідно постійні U_0вх, U_0вих, змінні U_{т вх}, U_{т вих} складові. Кожна з цих напруг характеризується коефіцієнтом пульсацій К_п, який рівний

- для вхідної напруги - К_{п вх} = U_{т вх} / U_0вх ·100 %,

- для вихідної напруги - К_{п вих} = U_{т вих} / U_{о вих} ·100 %,

де U_{т вх}, U_{т вих} - амплітудне значення напруги пульсацій на вході і на виході фільтру;

U_0вх, U_0вих - постійна складова вхідної і вихідної напруги фільтру.

Залежно від виду навантаження допускається певне значення коефіцієнта пульсації вихідної напруги джерела електроживлення, (наприклад, перші каскади мікрофонних підсилювачів 0,001...0,003 %; проміжні каскади підсилювачів низької частоти 0,01...0,1 %; вихідні каскади низької частоти (однотактна схема) 0,1...0,5 -двотактна схема - 0,5...3 %).

Зменшення амплітуди пульсацій у фільтрі характеризується коефіцієнтом фільтрації К_Ф, який рівний відношенню амплітуд пульсацій

К_Ф = (U_{т вх} / U_{т вих})·100%.

Ефективність (якість) роботи фільтра визначається коефіцієнтом згладжування К_ЗГ рівний

К_ЗГ = К_{п вх} / К_{п вих},

який показує, наскільки зменшується пульсація на виході фільтра К_{п вих} відносно пульсації на його вході К_{п вх}.

З урахуванням коефіцієнтів пульсацій К_{п вх} і К_{п вих} коефіцієнт згладжування рівний  

К_зг = (U_{т вх} / U_{т вих}) • (U_0вих / U_0вх)= К_Ф · λ,

де λ = U_0вих / U_0вх - коефіцієнт передачі постійної складової фільтру.

При малих втратах у фільтрі U_0вих = U_0вх = 1 коефіцієнт згладжування і фільтрації приблизно рівні.

По типу вживаних елементів розрізняють фільтри з пасивними елементами (R, С, L) – пасивні (індуктивні і ємнісні) і фільтри з активними елементами (транзистори) - електронні. Найширше використання набули пасивні згладжувальні фільтри, які будуються на реактивних елементах, що здатні з вмиканням до джерела накопичувати енергію, та віддавати її в навантаження із зменшенням (припиненням) надходження енергії від джерела (рис.105). Цим забезпечується рівномірність надходження енергії в навантаження.

Елементи ЗФ мають різні опори для постійної і змінної складової струмів. Для постійної складової – опір конденсатора безмежний, опір індуктивності – дуже малий, статичний опір транзистора на два-три порядка менше опора змінному струму.                                                                                                                                    

                                                                                               ж)                              з)

Рисунок 105 – Пасивні згладжувальні фільтри

            ж)                            з)                                     

За кількістю фільтруючих ланок фільтри діляться на одно- і багатоланкові. На рис.105,ж і 105,з – індуктивний і ємнісний фільтри; Г- подібний LC – фільтр: одноланковий (а), дволанковий (в); Г- подібний RC – фільтр: одноланковий (б), дволанковий (г); П – подібний LC – фільтр (д); П – подібний RC – фільтр (е).

Для поліпшення згладжування використовують комбіновані LC(RC) – фільтри. Вибір схеми визначається величиною випрямленого струму і допустимим значенням коефіцієнта пульсацій випрямленої напруги.

В електронних пристроях з малим струмом для зменшення розмірів і магнітних полів, що впливають на роботу схеми замість дроселя використовують резистори (RC – фільтри), а також транзистори (активні фільтри).

Ефективніше згладжування пульсацій досягається використанням Г -подібних або П - подібних фільтрів. Коли необхідно одержати дуже гарні згладжування пульсацій, застосовуються складні багатоланкові фільтри, що складаються з декількох послідовно з'єднаних Г - подібних ланок.