Теоретическая часть.

Лабораторная работа №1. «Диоды в источниках питания»

Цель работы.

Исследование характеристик и параметров выпрямительных схем и стабилизаторов напряжения.

Теоретическая часть.

Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянного тока. В большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменного напряжения сети с помощью вторичных источников питания, включающих выпрямитель сетевого напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения (рис. I).

В состав выпрямителя обычно входят: силовой трансформатор, предназначенный для получения необходимых величин переменного напряжения из напряжения сети, а также для гальванической раз­вязки с сетью; вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока, и емкостная нагрузка вентильной группы, представляющая собой конденсатор относительно большой емкости, который можно также рассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения.

Если к выходному напряжению предъявляются высокие требова­ния по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питания вводится стабилизатор напряжения.

На рис. 2а представлена схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым выпрямительным диодом V1. Как известно, вольт-амперная хар-ка (ВАХ) выпрямительного диода имеет вид, представленный на рис. 3. Для упрощения практических расчетов ее часто представляют на основе кусочно-линейной аппроксимации двумя участками прямых AB и BC, причем AB идет по оси абсцисс, а наклон BC определяется средним, прямым сопротивлением диода

С целью дальнейшего упрощения иногда принимают Uдн=0 и тогда точка B смещается в начало координат. Как следует из такой аппроксимации ВАХ, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, его внутреннее сопротивление на участке ВА стремится к бесконечности, а на участке ВС сравнительно мало.

Рис 4. Временные диаграммы, отражающие работу однополупериодного выпрямителя.

На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t2-t1, соответствующему изменению фазового угла wt2 - wt1, диод открыт и через него протекает токи нагрузки и заряда конденсатора С. Постоянная времени заряда tзар=С(Rн||Rпот), где сопротивление потерь Rпот=Rпр.ср+Rтр (Rтр - активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда Rпот<=Rн и tзар»СRпот. В остальную часть периода диод закрыт.

В течение этого времени конденсатор разряжается tразр»C(Rн||(Rобр+Rпр)).

Поскольку у правильно выбранных диодов их обратное сопротивление Rобр>>Rпр+Rн, постоянная времени разряда tразр»Rн и tзар<<tразр, т.е. процессы заряда и разряда конденсатора С идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения U0, на диоде обратное напряжение может достигать величины Uобр=2U2m. Поэтому диод выбирают с Uобр.макс>2U2m.

Фазовый угол, в течение которого диод открыт обозначается 2q =wt₂-wt₁, где q - угол отсечки. Чем меньше q, тем больше U₀ и меньше пульсация. Поэтому q нежелательно уменьшать.

В установившемся режиме площади под кривыми тока заряда конденсатора I_сз и тока заряда I_ср одинаковы. Основными расчетными параметрами выпрямителя являются функциями коэф-та А(q)= tgq-q=pR_пот/(mR_н), где m=1 для однополупериод. и m=2 для двухлолупериод. выпpямителeй. С помощью этого пар-ра определяют необходимые значения:

Im-макс-го импульса тока через диод;

I₂ - действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора;

Е₂ - действующего значения ЭДС вторичной обмотки.

С помощью коэф. А(q) при расчетах определяют и коэффициент пульсации, равный отношению амплитуды напряжения первой гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U₀: .

Выходное сопротивление , где ∆U₀ и ∆I₀ находят по нагрузочной характеристике источника U₀=f(I₀); U₀ и I₀ –напряжение и ток нагрузки.

На рис. 2 б приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диоды V2 и V3 (пунктирные стрелки), в другом - через диоды V1 и V4. Частота пульсации выпрямленного тока выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в два раза сравнению с однополупериодной схемой, поэтому необходимо обеспечить U_{обр.макс}>U_2m. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в противоположных направлениях.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителем и нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе

Например, простой LC-фильтр, представляющий собой последовательно с нагрузкой включенный дроссель и параллельно с нагрузкой включенный конденсатор, существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U₀ сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора - к бесконечности, для переменной- наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически без изменений, а переменная существенно уменьшается.

Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить К_п, R_вых. а также зависимость U₀ от колебаний напряжения в сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оценивается коэф. стабилизации при пост. токе нагрузки

где ∆Uвых - приращение U₀ при изменении Uвх на величину ∆Uвх; Uвх.ном, Uвых.ном - номинальные значения напряжений.

Простейшим электронным стабилизатором является параметрический стабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления Rб и стабилитрона. Он устанавливается в источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром, если таковой имеется. В этой схема используется свойство обратно смещенного стабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным при значительных изменениях протекающего через него тока (рис. 5 6, обратная ветвь ВАХ стабилитрона в области Uст). При отклонении Uвх от номинального значения почти все приращение входного напряжения падает на Rб, а выходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузка I₂(Uвх=const) происходит перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется Iст) почти без изменения общего тока I₁ . Следовательно, напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле

где rд - динамическое сопротивление стабилитрона.

Выходное сопротивление стабилизатора , так как rд<<Rб