Вторичные источники питания электронных устройств. Выпрямители. Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения

Лекция 17

4. ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

4.1. Выпрямители

                Подавляющее большинство электронных устройств питается от источников постоянного напряжения, состоящих в общем случае из выпрямителя и стабилизатора постоянного напряжения  (см. рис. 4.1). Первичным источником энергии служит сеть переменного тока, в частности, при не очень большой мощности, потребляемой нагрузкой (электронным устройством), однофазная сеть переменного тока с частотой Гц.

На рис. 4.2,а изображена схема однофазного двухполупериодного выпрямителя, состоящего из двух выпрямительных диодов , входного трансформатора Тр с выводом от средней точки вторичной обмотки и сглаживающего Г-образного фильтра . Трансформатор обеспечивает необходимую величину напряжения

,

гальваническую развязку между выпрямителем и сетью переменного тока, а также поочередное запирание и отпирание диодов . Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсаций знакопостоянного напряжения , полученного в результате выпрямления с помощью диодов  знакопеременного напряжения .

Рассмотрим вначале работу выпрямителя на активно-емкостную нагрузку (). Поскольку напряжения  и  находятся в противофазе, диоды  открываются поочередно, причем не при любой величине положительного напряжения, а при  ( – параметр диода). Так как при большой емкости конденсатора  напряжение  близко к , диоды открываются на короткое время, в течение которого происходит подзаряд конденсатора  (см. рис. 4.2,б, где непрерывной линией показана временная диаграмма напряжения  при активно-емкостной нагрузке, а пунктирной – при чисто активной нагрузке). Чем больше сопротивление , тем медленнее разряжается конденсатор  и тем меньше коэффициент пульсаций выходного напряжения

,                                                                    (4.1)

где  – разность между максимальным и минимальным значениями напряжения на выходе выпрямителя;  – среднее значение выходного напряжения; ; .

Активно-емкостная нагрузка применяется в маломощных выпрямителях, когда сопротивление нагрузки  достаточно большое, чтобы использовать конденсатор  сравнительно малой емкости. В случае низкого сопротивления  применяется активно-индуктивная нагрузка ( в схеме на рис. 4.2,а), поскольку при уменьшении  постоянная времени  увеличивается, а коэффициент пульсаций, описываемый той же формулой (4.1), уменьшается (в отличие от активно-емкостной нагрузки здесь ). При активно-индуктивной нагрузке, как и при чисто активной, диоды  открываются поочередно на все время действия положительного напряжения , в связи с чем ток через дроссель  и нагрузку  () протекает непрерывно, создавая на  постоянное (слегка пульсирующее) напряжение , по форме повторяющее ток  (на рис. 4.2,б временные диаграммы  – это диаграммы тока , причем пунктиром обозначена диаграмма для случая чисто активной нагрузки). Малая пульсация тока  и напряжения  обеспечивается запасенной в катушке индуктивности энергией.

При совместном действии  и  ( и ) коэффициент пульсаций

получается меньшим по сравнению с рассмотренными выше случаями, конечно, при соответствующем выборе значений  и . Дальнейшее снижение коэффициента пульсаций достигается за счет последовательного включения дополнительных Г-образных LC-звеньев.

                В двухполупериодном выпрямителе к закрытому диоду приложено обратное напряжение, максимальное значение которого равно , что является недостатком схемы, к тому же в схеме используется трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки. Этих недостатков лишена схема однофазного мостового выпрямителя (рис. 4.3), в процессе работы которого в зависимости от полярности напряжения  поочередно открываются или диоды , или , обеспечивая тем самым знакопостоянное напряжение . В этой схеме максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, по сравнению со схемой двухполупериодного выпрямителя, в два раза меньше (), но, правда, и потери напряжения на открытых диодах во столько же раз больше (), поскольку последовательно с нагрузкой включены два диода. Принцип работы мостового выпрямителя с различными типами нагрузок, а также основные его параметры такие же, как и у двухполупериодного выпрямителя.

4.2. Параметрические стабилизаторы

постоянного напряжения

Во многих случаях для нормального функционирования электронных устройств требуются стабильные питающие напряжения, что обеспечивается стабилизаторами постоянного напряжения. Причинами непостоянства питающих напряжений являются колебания напряжения первичного источника питания (в частности, напряжения сети переменного тока ), пульсации напряжения  на выходе выпрямителя, а также изменение потребляемого нагрузкой тока  (см. рис. 4.1). Эффективность работы стабилизатора при действии указанных дестабилизирующих факторов оценивается соответствующими параметрами:

–  коэффициентом нестабильности по напряжению

;

– коэффициентом нестабильности по току

, где  – относительные изменения соответственно выходного и входного