Выпрямители: Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы, страница 2

Рисунок 11. Характеристики улучшенного однополупериодного

выпрямителя с диодом в качестве нагрузки

2. Простейший двухполупериодный выпрямитель

На рисунке 12 приведена принципиальная схема простейшего двухполупериодного выпрямителя. Особенностью такого выпрямителя является дифференциальное включение нагрузки. Также как и пассивные однополупериодные выпрямители, эта схема не может использоваться для малых сигналов.

Рисунок 12. Пассивный двухполупериодный выпрямитель

Такие схемы двухполупериодных выпрямителей широко применяются при построении источников питания для преобразования переменного напряжения в постоянное. На рисунке 13 приведена схема этого узла преобразователя. На практике вместо источника V1 имеется вторичная обмотка трансформатора, резистор R1 представляет собой нагрузку, подключенную к выходу блока питания. Конденсатор С1 запасает энергию от источника V1 в момент, когда модуль сигнала достигает максимума и отдает её в нагрузку в момент спада напряжения на выходе V1.

Рисунок 13. Простейший двухполупериодный преобразователь переменного напряжения в постоянное

3. Детекторы средневыпрямленного значения на базе пассивных выпрямителей.

Схема на рисунке 13 представляет собой двухполупериодный детектор средневыпрямленного значения (т.е., в идеале, на её выходе должно присутствовать постоянное напряжение, равное средневыпрямленному (3)). Конденсатор C1 совместно с сопротивлением открытых диодов представляет собой фильтр низких частот 1-го порядка. Идеальный ФНЧ, пропускающий только постоянную составляющую сигнала, для периодических сигналов практически выполняет операцию интегрирования и усреднения сигнала за период. Реальный ФНЧ пропускает не только постоянную составляющую (0-ю частоту), но и составляющие других частот (с ослаблением). Наличие в выходном сигнале детектора средневыпрямленного значения переменной составляющей является погрешностью.

4. Пиковый детектор и детектор амплитудного значения

Для исследования апериодических сигналов применяют схему пикового детектора (рисунок 14), которая позволяет определить максимальное значение напряжения сигнала за период наблюдения.

Рисунок 14. Пиковый детектор

Схема работает следующим образом (изначально считаем конденсатор C1 разряженным). Пока напряжение на неинвертирующем входе ОУ (входное напряжение) остается меньше чем на инвертирующем (или, что то же самое, на конденсаторе C1), на выходе ОУ присутствует  некоторое отрицательное напряжение и диод D1 заперт.

Когда входное напряжение схемы превышает напряжение на конденсаторе (т.е., напряжение на инвертирующем входе становится меньше чем на неинвертирующем) на выходе ОУ появляется положительное напряжение, отпирающее диод D1. В этой ситуации ОУ охвачен отрицательной обратной связью через диод D1 и разница напряжений на его входах становится равной нулю (а практически – равной ЭДС смещения ОУ), т.е. напряжение на конденсаторе C1 становится равным входному сигналу. При дальнейшем уменьшении входного сигнала диод D1 размыкается, и конденсатор C1 хранит зафиксированное максимальное значение.

На практике в работу этой схемы вносятся погрешности от: ЭДС смещения ОУ, токов утечки ОУ, конечной скорости нарастания выходного сигнала ОУ, тока утечки конденсатора, абсорбции заряда конденсатором, тока утечки диода, конечного быстродействия диода.

Для схемы пикового детектора существует проблема возврата устройства в исходное состояние (т.е., разряда конденсатора C1 до минимального напряжения). Можно просто закорачивать конденсатор, например, пинцетом :о). Однако, существует более удобный метод. Так на рисунке 15 приведена схема пикового детектора с ключом на полевом транзисторе. Источник V4 играет роль сигнала сброса.

Рисунок 15. Пиковый детектор со схемой сброса.

Если заменить схему сброса на полевом транзисторе на резистор (рисунок 16), мы получим детектор амплитудного значения – при уменьшении амплитуды периодического сигнала, за счет разряда запоминающего конденсатора через резистор, средней уровень на выходе такого детектора станет равным амплитудному значению сигнала (1).

Рисунок 16. Активный амплитудный детектор

5. Простой активный однополупериодный выпрямитель.

Рисунок 17. Простой однополупериодный активный выпрямитель

Рассмотрим работу этой схемы при идеализированном ОУ (напряжение смещения и входные токи равны нулю, скорость нарастания выходного напряжения бесконечна). Также, будем считать, что в схеме используются «идеализированные» диоды: при напряжении ниже  их сопротивление бесконечно, при напряжении равном или большем  – равно нулю (рисунок 18).

Рисунок 18. ВАХ идеализированного диода

При входном напряжении V1 равном нулю напряжение на выходе ОУ также равно нулю. Когда напряжение V1 начинает убывать (отрицательная полуволна), выходное напряжение ОУ становится положительным (V1 подано на инвертирующий вход) и равным , где  – собственный коэффициент усиления операционного усилителя.

До тех пор, пока , оба диода в схеме закрыты. Как только разность между  и напряжением на инвертирующем входе ОУ превысит  – диод D1 откроется и замкнется цепь обратной связи D1–R1–R3. Это происходит при входном напряжении . Для ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, напряжение на его инвертирующем входе практически равно напряжению на неинвертирующем входе, в нашем случае – нулю. Поскольку входной ток ОУ равен нулю, то сумма тока через R3 и тока через D1– R1 также равна нулю:

, откуда получаем:

При малом входном напряжении (), когда оба диода заперты, будет прямое прохождение входного сигнала на выход без инвертирования через R1. Однако, из-за наличия у реального ОУ напряжения смещения, один из двух диодов будет открыт. Таким образом, пока на входе схемы , на ее выходе будет ноль. Это эквивалентно уменьшению  в  раз.

Задание:

1.  Ознакомиться с описанием схемы простейшего пассивного однополупериодного выпрямителя (рисунок 1) и порядком выполнения моделирования поведения схем во временной области в среде B2 Spice Workshop.

2.  В среде B2 Spice Workshop открыть схему Rectifier1.ckt, затем:

2.1.  Исследовать зависимость выходного напряжения схемы от входного. Сравнить с такой же зависимостью для идеального однополупериодного выпрямителя. Показать обнаруженные недостатки рассматриваемой схемы.

2.2.  Исследовать зависимость входного сопротивления выпрямителя от входного напряжения.

2.3.  Исследовать поведение схемы во временной области. Сравнить с поведением во времени идеального однополупериодного выпрямителя. Показать обнаруженные недостатки рассматриваемой схемы.

2.4.  Увеличьте частоту входного сигнала в 1000 раз (уменьшите при этом в 1000 раз длительность и временной шаг моделирования). Объясните изменение формы выходного сигнала.

3.  В среде B2 Spice Workshop открыть схему Rectifier1a.ckt, и повторить исследования аналогично пп.2.1¸2.4.

4.  В среде B2 Spice Workshop открыть схему Rectifier1b.ckt, и повторить исследования аналогично пп.2.1¸2.4.

5.  В среде B2 Spice Workshop открыть схему Rectifier2.ckt, затем:

5.1.  Исследовать зависимость выходного напряжения схемы от входного. Постройте графики входного и выходного сигналов во временной области. Покажите недостатки данной схемы. Как отличаются зависимость и форма выходного сигнала данной схемы от идеального двухполупериодного выпрямителя.