Параметрический стабилизатор напряжения

Однофазная мостовая схема

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Простейшей схемой выпрямителя является однофазная однополупериодная схема (рис. 2.23, а). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС e₂, соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения E_d, и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского слова direct – прямой): R_d – сопротивление нагрузки; u_d – мгновенное значение выпрямленного напряжения; i_d – мгновенное значение выпрямленного тока.

Благодаря односторонней проводимости вентиля ток в цепи нагрузки будет протекать только в течение одной половины периода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, что определяет и название этой схемы.

Соотношения между основными параметрами найдем при следующих допущениях:

· Активным и индуктивным сопротивлением обмоток трансформатора пренебрегаем.

· Нагрузка имеет чисто активный характер.

· Вентиль VD идеальный.

· Током намагничивания трансформатора пренебрегаем.

· ЭДС обмотки трансформатора синусоидальна: ,

где действующее значение ЭДС; , .

На интервале 0… ЭДС e₂ будет иметь полярность, прямую по отношению к вентилю VD, вентиль открыт и в цепи нагрузки протекает ток.

На интервале …2 ЭДС e₂ имеет противоположную полярность, вентиль VD закрыт и ток нагрузки равен нулю.

Тогда мгновенное значение выпрямленного напряжения (рис. 2.23, в):

, .

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

. (2.6)

Мгновенное значение выпрямленного тока: (рис.2.23, г).

Постоянная составляющая выпрямленного тока: .

Для данной схемы выпрямления среднее значение анодного тока вентиля:

.

Максимальное значение анодного тока: . (2.7)

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

.

(2.8)

Спектр выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

.

(2.9)

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

.

(2.10)

Как видно, однополупериодная схема выпрямления имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

Расчетная мощность трансформатора Т:

,

(2.11)

где и – расчетная мощность первичной и вторичной обмотки.

Действующее значение тока вторичной обмотки

= .

(2.12)

Тогда = может быть получена подстановкой из выражения (2.12), а из выражения (2.6):

= ,

(2.13)

где = – мощность нагрузки.

Мощность первичной обмотки трансформатора = , где и – действующие значения ЭДС и тока первичной обмотки трансформатора; находится как = , где – коэффициент трансформации; и – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

= .

(2.14)

где мгновенное значение первичного тока.

Из условия равенства намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток трансформатора

.

(2.15)

Находим :

.

(2.16)

Поскольку протекает во вторичной обмотке трансформатора только на интервале от 0 до , а на интервале он равен 0, то

(2.17)

Графическое изображение этой функции представлено на рис. 2.23, е. Оно является зеркальным отображением функции (рис. 2.23, д), но масштабы их отличаются в раз.

Подставляя значения (2.17) в выражение (2.14), получаем действующее значение первичного тока:

.

(2.18)

Мощность первичной обмотки трансформатора

=

(2.19)

Подставляя (2.19) и (2.13) в (2.11), получаем расчетную мощность трансформатора:

=3,06 .

(2.20)

Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис. 2.24, а) и .

Для создания этих ЭДС в схеме является обязательным наличие трансформатора T с двумя полуобмотками на вторичной стороне, имеющими среднюю точку.

На рис. 2.24, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой.

В случае чисто активной нагрузки и с учетом допущений (п. 2.10.1) для рассматриваемой схемы имеют место следующие основные соотношения:

; ; ; ; ; .

(2.21)

Поскольку мгновенное значение первичного тока , то очевидно, что он представляет собой синусоиду, и следовательно, , где =1,11 – коэффициент формы для синусоиды

Мощности трансформатора

= ;	(2.22)
= ;	(2.23)

=1,48 .

(2.24)

Схема представляет собой мост из вентилей VD1-VD4 (рис. 2. 25, а), в одну диагональ которого включена нагрузка, а в другую – переменное напряжение . В положительном полупериоде открыты вентили VD1-VD3,

в отрицательном – VD2 -VD4. Ток в нагрузке протекает в одном и том же направлении в течение обоих полупериодов, поэтому эта схема, так же как и предыдущая, относится к двухполупериодным схемам выпрямления.

Силовой трансформатор здесь не является принципиально необходимым и нужен только для создания требуемой величины напряжения на входе выпрямителя, соответствующего заданной величине выпрямленного напряжения , а также для обеспечения гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой выпрямителя.

На рис. 2.25, б, в, г, д представлены временные диаграммы для однофазной мостовой схемы выпрямителя.

Для этой схемы выпрямителя при условии допущений п. 2.10.1 справедливы следующие соотношения:

,	(2.25)
,	(2.26)
,	(2.27)
,	(2.28)
	(2.29)
,	(2.30)
,	(2.31)
,	(2.32)
= ,	(2.33)
= ,	(2.34)
=1,23 .	(2.35)

Аналогичным образом строятся более сложные схемы многофазных выпрямителей.

Как уже отмечалось выше, применение стабилитронов связано с особенностью обратной ветви их вольт-амперной характеристики изменяться в большом диапазоне обратных токов при незначительном изменении напряжения на участке пробоя. Это свойство стабилитронов широко используется в устройствах, называемых стабилизаторами напряжения.

Таким простейшим устройством является параметрический стабилизатор постоянного напряжения (рис. 2.26). При увеличении входного напряжения от нуля пропорционально возрастает напряжение на нагрузке . Когда входное напряжение достигнет напряжения пробоя стабилитрона, он открывается и в его цепи появляется ток . Дальнейшее увеличение входного напряжения приведёт лишь к увеличению тока стабилитрона, а напряжение на нём, а, следовательно, и напряжение на нагрузке будут теперь оставаться почти неизменными, а разница между входным напряжением и выходным будет падать на балластном сопротивлении .

На рис. 2.27 представлены:

вольт-амперная характеристика стабилитрона (VD), вольт-амперная характеристика сопротивления нагрузки (), их результирующая вольт-амперная характеристика ), вольт-амперная характеристика балластного сопротивления ( и, наконец, суммарная вольт-амперная характеристика всего устройства.

Поскольку максимальное значение тока стабилитрона ограничено его допустимым нагревом на уровне , то максимальное значение входного напряжения ограничено величиной . Минимальное значение входного напряжения, очевидно, ограничено напряжением пробоя стабилитрона . Тогда за номинальное значение входного напряжения следует принять середину участка между и .

По вольт-амперной характеристике находим, соответственно, и , а середина между ними соответствует . Очевидно, что при отклонении входного напряжения на , выходное напряжение изменится на значительно меньшую величину , т.е. имеет место стабилизация напряжения. Качество стабилизатора напряжения оценивается коэффициентом стабилизации :

,

(2.36)

Можно показать, что , т.е. коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора в основном определяется соотношением сопротивления балластного резистора и сопротивления нагрузки .

Контрольные вопросы

1. Что называется полупроводниковым диодом?

2. Какая область полупроводникового диода называется эмиттером?

3. Какая область полупроводникового диода называется базой?

4. Напишите уравнение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода?

5. Как влияет повышение температуры на прямую ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода?

6. Перечислите и объясните отличия в свойствах и параметрах кремниевых и германиевых выпрямительных диодов.

7. Какие процессы происходят в базе диода в импульсном режиме работы?

8. Что такое стабилитрон?

9. Что такое туннельный диод?

10. Что такое обращенный диод?

11. Почему в варикапах используется только барьерная ёмкость и не используется диффузионная ёмкость?

12. Что такое выпрямитель?

13. Поясните принцип действия однофазного однополупериодного выпрямителя.

14. Поясните принцип действия однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

15. Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя.

16. Что такое стабилизатор напряжения?

Дата добавления: 2015-06-04