Выпрямители с умножением напряжения.

В различных полупроводниковых приборах используются компоненты, требующие для нормальной работы высоких напряжений питания от нескольких сотен вольт до десятков киловольт. К таким компонентам относятся электроннолучевые трубки, фотоумножители и т.п.

Для этих целей наиболее целесообразно применять выпрямители с умножением напряжения.

Рассмотрим работу выпрямителя с удвоением напряжения, показанного на рис. 100.

При положительном полупериоде напряжения на вторичной обмотке трансформатора (+ на верхнем выводе, а - на нижнем выводе трансформатора) диод VD1 находится в проводящем состоянии так как его p-n переход смещен в прямом направлении и конденсатор С1 заряжается до амплитудного напряжения в полярности показанной на рисунке. При отрицательном полупериоде напряжения на обмотке диод VD1 будет находиться в непроводящем состоянии, а диод VD2 -- в проводящем и к конденсатору С2 и сопротивлению нагрузки будет приложено удвоенное амплитудное напряжение. Таким образом, конденсатор С2 заряжается до удвоенного амплитудного напряжения. Временная диаграмма работы удвоителя напряжения приведена на рис. 101. График получен при моделировании удвоителя напряжения в пакете EWB при амплитудном напряжении 100В и сопротивлении нагрузки 100 кОм. Как видно на диаграмме уже через 0,095 сек напряжение на нагрузке достигает удвоенного амплитудного значения.

Особенность данной схемы состоит в том, что добавляя диод и конденсатор можно получить любой коэффициент умножения. Таким образом, используя выпрямление напряжения с умножением можно значительно уменьшать коэффициенты трансформации у трансформаторов и как следствие существенно увеличить надежность схем.

Фильтры.

Следующим блоком структурной схемы источника питания является фильтр, на который возлагается задача уменьшения пульсаций напряжения и тока на нагрузке. Как было показано ранее эту задачу хорошо решает накопительный конденсатор установленный параллельно нагрузке.

Однако в аппаратуре где требуются минимальные пульсации используют фильтры составленные из конденсаторов и индуктивностей, соединенных различным образом. Различают П, Г и Т-образные схемы (см. рис. 102).

Основные особенности работы индуктивноемкостных фильтров состоит в том, что сопротивление индуктивности для токов пульсации должно быть значительно больше, чем сопротивление нагрузки, а сопротивление конденсатора для токов пульсации должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки. При выполнении этих условий напряжение пульсаций на нагрузке и, соответственно, ток пульсаций через нагрузку будут иметь минимальные значения.

В первой схеме фильтра конденсатор С1 выполняет функцию накопительного конденсатора, и поэтому первую и вторую схему фильтров можно считать одинаковыми.

Расчет фильтра обычно начинают с выбора величины конденсатора исходя из соображений, что чем больше потребляемый нагрузкой ток, тем большей величины нужен конденсатор или чем больше величина конденсатора, тем меньше напряжение пульсаций. Но при этом нужно учитывать рабочее напряжение конденсатора и его габариты. Далее определяют величину индуктивность в соответствии с уравнением

,

где f -- частота питающего тока (Гц), m -- количество фаз выпрямления (однополупериодное выпрямление m = 1, двухполупериодное выпрямление m =2), q -- коэффициент сглаживания.

При расчете индуктивности необходимо учитывать выполнение неравенства

mωL > 1/mωC,

где ω = 2πf -- круговая частота питающего тока.

Коэффициент сглаживания определяется соотношением q = Кп / Кпф, где Кп -- коэффициент пульсаций до фильтра, Кпф -- коэффициент пульсаций после фильтра.

Обычно в качестве конденсаторов используют электролитические конденсаторы большой емкости от 10 --20000мкФ. Рабочее напряжение конденсатора должно примерно в 1,5 раза превышать выпрямленное напряжение.

На рис. 103 показана схема однополупериодного выпрямителя с индуктивноемкостным фильтром, а на рис. 102 приведен график его работы. Из графика видно ΔUп = 15,5В и ΔUпф = 1,3В и получаем коэффициент сглаживания q = 15,5/1,3 ≈ 12. Недостаток таких фильтров состоит в том, что при частотах десятки -- сотни герц индуктивность имеют величину несколько генри. Реализация таких индуктивностей представляет собой дроссели с ферромагнитными сердечниками, которые обладают большим весом и габаритами, что приводит к увеличению массогабаритных показателей источников питания.

Для улучшения массогабаритных показателей вместо дросселей используют резисторы. Расчет таких фильтров начинают с выбора резистора из условия падения выпрямленного напряжения на резисторе фильтра. Мощность рассеиваемую на резисторе определяют по формуле ,

где Iн -- ток нагрузки, Rф -- сопротивление фильтра.

 

Величину конденсатора рассчитывают по формуле

.

Нужно отметить, что эффективность подобных фильтров существенно хуже чем индуктивноемкостных. Это объясняется тем, что на резисторе падает как переменная составляющая напряжения, так и постоянная составляющая.

В некоторых случаях в качестве фильтра может быть использован транзистор, работающих в линейном режиме. Такая возможность объясняется тем, что транзистор работающий в линейном режиме оказывает большое сопротивление для переменной составляющей тока коллектора, чем для постоянной составляющей того же тока. Для переменной составляющей сопротивление транзистора определяется как дифференциальное сопротивление коллектора, а для постоянной составляющей как сопротивление постоянному току. На рис. 105 показано определение сопротивлений для транзистора 2N3904 при напряжении коллектор - эмиттер 1B.

Как видно по графику сопротивление постоянному току Rк = 1В/3мА = 333оМ, а сопротивление переменной составляющей тока rк = dUкэ/dIк = 8В/0,3мА = 267КоМ.

Схемотехнически такой фильтр представляет собой (см. рис. 106) транзистор включенный последовательно с нагрузкой. В базовой цепи такого транзистора устанавливается резистор базы Rб, с помощью которого задается режим работы этого транзистора (Iк и Uкэ). Для уменьшения влияния переменной составляющей тока базы на ток коллектора базовоэмиттерный переход должен быть шунтирован конденсатором. Величина емкости конденсатора для этого фильтра должна быть в β раз меньше чем в индуктивноемкостном фильтре при достижении того же коэффициента сглаживания.

Как видно из рисунка в базовой цепи установлен резистор Rб = 0,5 коМ а в коллекторной цепи сопротивление нагрузки Rн = 10 оМ, базово-эмиттерный переход зашунтирован конденсатором емкостью 200мкФ.

График поясняющий работу транзисторного фильтра показан на рис. 107. Напряжение на накопительном конденсаторе, т.е. на входе фильтра обозначено Uп, а на выходе фильтра -- Uпв. Напряжение пульсаций на входе фильтра ΔUп = 9В, а на нагрузке ΔUпв = 2В и коэффициент сглаживания будет q = 4,5. Совместное рассмотрение работы индуктивного и транзисторного фильтров показывает, что использование индуктивного фильтра позволяет получить очень малые пульсации напряжения на нагрузке при малой потере напряжения на фильтре. Транзисторный фильтр имеет большие потери напряжения на фильтре и большие пульсации, но имеет значительно меньший вес и габариты. Это приводит к выводу, что задача проектирования фильтра является компромисной задачей и требует собственного решения в каждом конкретном случае.

Лекция 13

Стабилизаторы напряжения.

Наиболее важным элементом блока питания является стабилизатор напряжения, на который возлагаются задачи поддерживать неизменным заданный уровень напряжения на нагрузке при наличии разнообразных дестабилизирующих факторов. Помимо основной задачи на стабилизаторы возлагаются ряд защитных функций: защита стабилизатора от перегрузки, защита стабилизатора от короткого замыкания в нагрузке и защита нагрузки от перенапряжения. Наибольшее распространение получили компенсационные стабилизаторы с параллельным или последовательным регулирующим элементом.