Тема 2.3. Электронные выпрямители и стабилизаторы

Виды выпрямителей и их характеристики. Выпрямителем называется устройство для преобразования пере­менного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрями­теля заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабили­затор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие фун­к­ции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.

Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с применением активных элементов — транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., — на выходное напряжение выпрямителя. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вентильный блок.

Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110-220 В.

Классификация выпрямителей. Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и др.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами.

Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители называются однофазными. Они делятся:

а) на однополупериодные, в которых ток через вентиль проходит в течение одного полупериода переменного напряжения сети;

б) двухполупериодные, в которых ток проходит через вентиль в течение обоих полупериодов;

в) схемы с умножением напряжения.

Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и большой мощности, работающие от трехфазной сети. В современных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды.

В электронной аппаратуре широко применяются преобразователи постоянного напряжения, позволяющие преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения.

Схемы однофазных выпрямителей приведены на рисунке ниже.

Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке - а, является простейшим. Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения. Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра.

Двухполупериодный выпрямитель, приведенный на рисунке - б, представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w₂ и w₂^'. С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Форма выходного напряжения такого выпрямителя приведена на рисунке - б. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.

Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок - в) является двухполупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети и без трансформатора. К его недостаткам относится удвоенное число выпрямительных диодов, однако трансформатор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет подмагничивания магнитопровода постоянным током и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полупериодов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В)

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения (рисунок - г) представляет собой последовательное соединение двух однофазных однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде при положительном напряжении на аноде диода VDI заряжается конденсатор С₁ а во втором полупериоде проводит диод VD2 и конденсатор С₂ заряжается напряжением противоположной полярности. Так как эти конденсаторы включены последовательно, то выходное напряжение почти удваивается. Конденсаторы С₁ и С₂ могут использоваться как элементы фильтра. Трансформатор в этой схеме используется так же полно, как и в мостовой. Эту схему можно получить из мостовой схемы, изображенной на рисунке - в, если заменить диоды VD3 и VD4 конденсаторами С₁ и С₂. В связи с этим такой выпрямитель часто называют полумостовым. К достоинствам схемы можно отнести уменьшение вдвое выходного напряжения трансформатора, а к недостаткам — наличие двух конденсаторов С₁ и С₂.

Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети: одно­полупериодный (а), двухфазный двухполупериодный (б), однофазный мосто­вой (в) и однофазный с последовательным включением (схема удвоения) (г)

Форма вы­ходного напряжения такого выпрямителя приведена на рисунке ниже под буквой "б". Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.

Стабилизаторы напряжения

Виды стабилизаторов и их основные характеристики. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др.

По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа.

Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке. Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме.

По выходной мощности стабилизаторы можно разделить на маломощные (до 1Вт), средней мощности (до 250 Вт) и большой мощности (свыше 250 Вт). Маломощные стабилизаторы используются в измерительной технике, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Стабилизаторы средней мощности используются для питания маломощных электронных устройств. Мощные стабилизаторы применяют для питания лазерных установок, электронных микроскопов и др.

По точности поддержания выходного напряжения на нагрузке стабилизаторы делят на прецизионные (изменение напряжения не более 0,005%), точные (изменение напряжения от 0,01 до 0,005%), средней точности (изменение напряжения от 0,1 до 0,01%) и низкой точности (изменение напряжения от 1 до 0,1%). В прецизионных стабилизаторах для получения наивысшей точности поддержания выходного напряжения используются специальные устройства, исключающие влияние изменения температуры окружающей среды (термостаты или криостаты).

Основные параметры стабилизаторов напряжения. Параметры стабилизаторов напряжения позволяют сравнивать их по качеству работы, выбирать те, которые удовлетворяют требованиям эксплуатации электронных устройств. К таким параметрам относят: номинальное выходное напряжение U_вых, диапазон изменения входного напряжения U_вх.min и U_вх.max, диапазон изменения тока нагрузки I_н.min и I_н.max, коэффициент полезного действия η, коэффициент нестабильности по напряжению K_нU и коэффициент нестабильности по току K_нI, коэффициент сглаживания пульсаций K_СГ и быстродействие.

Номинальное напряжение стабилизации U_вых – это выходное напряжение стабилизатора при нормальных условиях его эксплуатации (определенное входное напряжение, заданный ток нагрузки, установленная температура окружающей среды). Если стабилизатор позволяет регулировать выходное напряжение, то задается диапазон изменения выходного напряжения U_вых.min и U_вых.max. Диапазон изменения входного напряжения U_вх позволяет установить пределы изменения напряжения на входе стабилизатора, при которых сохраняются точностные свойства стабилизатора.

Диапазон изменения тока нагрузки I_н позволяет установить пределы изменения тока нагрузки, при котором сохраняются точностные свойства стабилизатора.

Коэффициент полезного действия стабилизатора η_ст – это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р_н, к мощности Р_пот, потребляемой от первичного источника питания:

Коэффициент нестабильности по напряжению K_нU – это отношение относительного изменения выходного напряжения ΔU_вых/U_вых к вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки ΔI_н/I_н:

Коэффициент сглаживания пульсаций — это отношение амплитудного значения пульсаций входного напряжения к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения:

ыстродействие стабилизатора характеризует его способность быстро отрабатывать скачкообразные изменения входного напряжения или тока нагрузки. Обычно быстродействие стабилизатора определяют временем установления выходного напряжения при заданном скачкообразном изменении напряжения на входе или тока нагрузки.

Кроме эксплуатационных используются также расчетные параметры, которые необходимы при проектировании стабилизаторов с заданными свойствами. К таким параметрам относят: дифференциальное выходное сопротивление r_ст, температурный коэффициент напряжения ТКН, напряжение шумов U_ш, временной дрейф выходного напряжения ΔU_т и некоторые другие.

Параметрические стабилизаторы напряжения выполняют на специальных полупроводниковых диодах: стабилитронах и стабисторах. Для стабилизации напряжения при помощи стабилитрона используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, а при помощи стабистора – его прямую ветвь.

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Типовая схема включения стабилитрона приведена на рисунке ниже. Основными параметрами стабилитрона являются: номинальное напряжение стабилизации U_cr, его дифференциальное сопротивление r_ст и температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН.

Работа типовой схемы стабилизатора, приведенной на рисунке выше, происходит следующим образом. Входное напряжение U_вх через ограничительное сопротивление R_г подводится к параллельно включенным стабилитрону Д и сопротивлению нагрузки R_н. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то то же относится и к напряжению на нагрузке.

Если входное напряжение увеличивается, то практически все приращение ΔU_BX передается на сопротивление R_г, что приводит к увеличению тока в нем. Это увеличение тока происходит за счет увеличения тока стабилитрона при почти неизменном токе нагрузки.

Компенсационные стабилизаторы. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рисунке 3.5, а. Выходное напряжение U_вых стабилизатора через делитель напряжения ДН подводится к усилителю сигнала рассогласования (сигнала ошибки) УСО, где сравнивается с выходным напряжением U_оп источника опорного напряжения ИОН. С выхода У СО напряжение ошибки поступает на регулирующий элемент РЭ и изменяет его коэффициент передачи.

Выходное напряжение компенсационного стабилизатора не зависит от изменения напряжения на входе U_вх и пропорционально опорному напряжению. В качестве источника опорного напряжения обычно используется один из видов параметрических стабилизаторов, рассмотренных ранее. В этом случае применение делителя напряжения ДН позволяет получать выходное напряжение, отличное от напряжения опорного источника.

По принципу действия компенсационные стабилизаторы делят на две группы: с непрерывным и импульсным регулированием. Основное различие этих стабилизаторов заключается в режиме работы регулирующего элемента: в стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме (т. е. как регулируемое сопротивление), а в стабилизаторах с импульсным регулирования он работает как ключ.

Компенсационные стабилизаторы с непрерывным регулированием. Упрощенная схема компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием приведена на рисунке выше - б. В этой схеме делитель напряжения ДН выполнен на резисторах R₁ и R₂. Коэффициент передачи такого делителя:

Источник опорного напряжения U_оп выполнен на стабилитроне VD и гасящем сопротивлении R_Г. В качестве стабилитрона можно использовать одну из стабилитронных ИМС. Усилитель сигнала ошибки УСО выполнен на операционном усилителе ОУ. Регулирующий элемент построен на транзисторе VT по схеме эмиттерного повторителя. Коэффициент передачи такого регулирующего элемента близок к единице.

Выходное напряжение стабилизатора:

Поскольку оно зависит от нестабильности источника опорного напряжения U_оп, то не может быть стабильнее последнего. Следовательно, если обеспечить постоянство тока через стабилитрон, то нестабильность параметрического стабилизатора будет такой же, как и компенсационного.

Тем не менее компенсационный стабилизатор имеет ряд преимуществ по сравнению с параметрическим: выходной ток компенсационного стабилизатора может быть значительно больше и ограничивается возможностями регулирующего элемента; стабилитрон VD работает в режиме холостого хода, так как он подключен к высокоомному входу ОУ.

Кроме опорного напряжения на нестабильность выходного напряжения влияет изменение коэффициента передачи делителя напряжения. В связи с этим делитель напряжения должен выполняться на резисторах с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления.

Влияние изменения коэффициента усиления УСО можно практически исключить, если сделать его достаточно большим (больше 1000). Для этого лучше всего подходят операционные усилители.

Основным недостатком компенсационного стабилизатора с непрерывным регулированием является его невысокий КПД. В этом стабилизаторе мощность, потребляемая от источника, больше мощности, отдаваемой в нагрузку. Наибольший расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как напряжение на нем равно разности (U_вх - U_вых) и через него проходит весь ток нагрузки. В связи с этим регулирующий элемент РЭ часто устанавливают на теплоотвод.

Интегральные микросхемы стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием. Первые интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения появились в 1967 году. С тех пор их ассортимент достаточно определился, поэтому можно считать, что основными группами таких ИМС являются:

- трехвыводные стабилизаторы фиксированного напряжения (положительного или отрицательного);

- стабилизаторы фиксированного напряжения с малым падением напряжения на регулирующем элементе (low drop);

- стабилизаторы регулируемого выходного напряжения;

- многоканальные стабилизаторы.

Рассмотрим некоторые особенности этих групп. Стабилизаторы фиксированного выходного напряжения выполнены по структурной схеме, приведенной на рисунке выше - б. Недостатком этих стабилизаторов является сравнительно большое (до 2,5 В) падение напряжения на регулирующем элементе. Последнее обусловлено тем, что эмиттерный повторитель нельзя ввести в состояние глубокого насыщения и тем самым снизить падение напряжения на регулирующем элементе.

Стабилизаторы с малым падением напряжения (low drop) выполнены на регулирующем элементе с коллекторным выходом. В таких стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе снижено почти в 5 раз (до 0,5 В). Упрощенная структурная схема стабилизатора 1158ЕН5 приведена на рисунке ниже.

В схеме использован регулирующий транзистор с двумя коллекторами, один из которых является выходным, а другой — датчиком тока для схемы защиты от перегрузки по току. Кроме того, в схеме имеются еще две защиты: от перегрева и от повышенного входного напряжения.

Регулируемые стабилизаторы напряжения имеют дополнительный вывод, предназначенный для подключения делителя выходного напряжения. В связи с этим их часто называют четырехвыводными. Эти стабилизаторы применяют в тех случаях, когда необходимо иметь нестандартное выходное напряжение или требуется точная подстройка. В остальном эти схемы не отличаются от трехвыводных стабилизаторов. Регулируемое выходное напряжение можно получить не только с помощью четырехвыводного стабилизатора, но также и с помощью трехвыводного.

В четырехвыводном стабилизаторе делитель напряжения подключается к дополнительному выводу (рисунке 3.7, а), а трехвыводном — так, как показано на рисунке 3.7, б. При этом выходное напряжение определяется по формуле: