Основные характеристики схем выпрямителей

значение вып­рямленного напря­жения; - прямое падение напряжения на диоде, - частота питающей сети, - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, - амплитуда напряжения с часто­той пульсаций на выходе выпрямителя.

Стабилизаторы напряжения, тока.Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РТУ, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

Стабилизатор одновременно со своими основными функциями осуществляет и подавление пульсаций. Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

. (17.1)

Качество стабилизации оценивается также относительной нестабильностью выходного напряжения

. (17.2)
Внутреннее сопротивление стабилизатора

. (17.3)

Коэффициент сглаживания пульсаций

, (17.4)

где U_вх~, U_вых~ - амплитуды пульсации входного и выходного
напряжений соответственно.

Для стабилизаторов тока важны следующие параметры:

- коэффициент стабилизации тока по входному напряжению

; (17.5)

- коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки ; (17.6)
- коэффициент полезного действия определяется для всех типов стабилизаторов по отношению входной и выходной активным мощностям . (17.7)

Широкое применение нашли стаби­лизаторы напряжения постоянного тока непрерывного действия двух видов: параметрические и ком­пенсационные.

Параметрические стабилизаторы напряжения. Они применя­ются при малых выходных токах, изменяющихся в узких пределах. Работа этих стабилизаторов основана на использовании свойств элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой. В качест­ве такого элемента наиболее часто используются стабилитроны - полупроводниковые приборы, действие которых основано на стаби­лиза­ции напряжения в результате пробоя р–n перехода. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рис.17.6,а. Стаби­лизация напряжения осуществляется при работе стабилитрона на обратной ветви ВАХ, когда обратное напряжение определенного значения приводит к пробою р–n перехода. При изменении тока через стабилитрон в широком диапазоне от мини­мального значения I_{ст min} до максимального I_{ст max} изменение падения напряжения на нём оказывается небольшим (рис.17.6,а), что и даёт возможность применять последний для стабилизации напряжения постоянного тока. В процессе пробоя рассеиваемая в стабилитроне мощность не должна превы­шать допу­стимую , (17.8)

где Т_{пер max} – максимально допустимая температура р–n перехода; Т_о.с температура окружающей среды; R_т – тепловое сопротивление стабилитрона.

Для ограничения тока пробоя обычно последовательно стабилитрону вклю­чают дополнительный резистор R₀ (рис.17.6,б), формируя схему параметрического стабилизатора.

Рис.17.6. Вольтамперная характеристика стабилитрона (а) и схема

параметрического стабилизатора (б)

Максимально до­пустимый ток пробоя определяется из вы­ражения

. (17.9)

Здесь U_ст – напряжение стабилизации, равное напряжению пробоя р–n перехода.

Величина напряжения стабилизации U_ст у различных типов стабилитронов находится в пределах от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт при то­ках стабилизации от долей миллиампера до единиц ампер.

Одной из основных характеристик стабилитрона является его температур­ный коэффициент напряжения (ТКН), который показывает смещение ВАХ стабилитрона при изменении температуры. При прямом токе абсолютный ТКН определяется выражением:

. (17.10)

Относительный ТКН,%/град, равен:

. (17.11)

При обратном токе абсолютный ТКН равен:

. (17.12)

Относительный ТКН,%/град, определяется как:

. (17.13)

Другой важной характеристикой стабилитрона является диф­ференциальное сопротивление, Ом, которое можно определить из выражения: . (17.14)

Для различных типов стабилитронов характер изменения диф­ференциального сопротивления от тока различен.

Для компенсации влияния температуры окружающей среды на ха­рактеристики стабилитрона используются термочувствительные компо­ненты схем с отрицательным ТКН или дополнительные ста­би­литроны, включенные в проводящем направлении последова­тельно со стабилизирующими стаби­ли­тронами. На рис. 17.7,а при­ведена схе­ма стабилиза­тора с термокомпенсацией при по­мощи тер­мочув­стви­тельного резистора R_т, ТКН которого противопо­ло­жен по знаку ТКН стабилитрона, а на рис.17.7,б представлена схема с одним стабилизирующим стабилитроном, включённым в обратном направлении, и

Рис.17.7. Схемы пара­мет­рической ста­били­за­ции с термокомпен­са­ци­ей: а - с термочувствительным ре­зис­то­ром; б – с одним стабилизи­рую­щим стабилитро­ном и тремя компен­си­ -

рующими

тремя ком­пенсирующими стаби­литронами (N=3). Напря­же­ние на выходе такой схемы:

, (17.15)

где: , .

При термокомпенсации коэффициент стабилизации уменьша­ется в несколько раз. Его можно увеличить за счет повышения входного напряжения и сопротивления ограничительного резисто­ра, что, однако, приводит к снижению КПД стабилизатора. Повы­шение коэффициента стабилизации без снижения КПД достигает­ся использованием стабилизатора тока вместо ограничительного резистора (рис. 17.8,а). Благодаря уменьшению отклонений тока через стабилитрон стабилизация выходного напряжения повыша­ется в 5-8 раз при изменении входного напряжения.

Рис.17.8. Схемы пара­метри­чес­ких стабили­заторов нап­ряжений со стабилизацией вход­ного тока (а) и с

эмит­терным повторителем (б)

Если необходимо увели­чить мощ­ность параметрического стабилизатора, то используют схему с эмиттерным по­вторителем (рис. 17.8,б). Коэффициент стабилизации в этой схеме не увеличива­ется и определяется из выражения:

, (17.16) где: ; r_Б, r_К, r_Э – сопротивление базы, коллектора и эмиттера соответственно; R_см – резистор смещения; h_21Э – коэффициент передачи тока транзистора.

Выходное напряжение определяется напряжением стабили­трона.

Рассмотрим пример расчета параметрического стабилизатора, выполненного по схеме, приведенной на рис.17,6,б.

Исходные данные:

- выходное напряжение U_вых=U_н=5,1В;

- ток нагрузки I_н=10 мА;

- нестабильность входного напряжения (U_вх.max-U_вх.min1)/U_вх..ном = ±20%;

- сопротивление нагрузки R_н=U_вых/I_н=5,1/10·10^-3=510 Ом, что соответствует номиналу стандартного ряда Е24 значений сопротивлений с величиной допуска на номинал в ±5%.

Решение:

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа 1N4733А в моделирующей программной оболочке Multisim 10 [13,14] (табл. 17.2) с выходным напряжением 5,1В.

Таблица 17.2