Электронные компоненты

 

 

Трёхфазные  выпрямители

 
      Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления  переменного тока – меньшим коэффициентом  пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в  трёхфазном электрическом токе синусоиды  разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз  не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз  входного напряжения.

 
      На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

      

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину  пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с  «нулевым» выводом от трансформатора.  
      На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

      

За счёт использования положительной  и перевернутой отрицательной полуволны  трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую  маленькую глубину пульсаций  выходного напряжения по сравнению  со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме  подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и  «треугольник».

 

 
      При конструировании  блоков питания для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:  
      - максимальное обратное напряжение диода – U_обр ;  
      - максимальный ток диода – I_max ;  
      - прямое падение напряжения на диоде – U_пр .

 
      Необходимо выбирать все эти перечисленные  параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.  
      Максимальное обратное напряжение диода U_обр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора. В противном случае возможен обратный пробой p-n, который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.  
      Значение максимального тока I_max выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.  
      Прямое падение напряжения на диоде – U_пр, это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.

 

 
      Схемы выпрямителей предназначены  для преобразования переменного - изменяющего  полярность напряжения в однополярное - не изменяющее полярность. Но этого  недостаточно для превращения переменного  напряжения в постоянное. Для того, чтобы оно преобразовалось в  постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания, устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.

 

Сглаживающие  фильтры питания

 

 

      Сглаживающие  фильтры питания предназначены  для уменьшения пульсаций выпрямленного  напряжения. Принцип работы простой  – во время действия полуволны  напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время  отсутствия, либо малого по амплитуде  напряжения.

 

Основные  схемы сглаживающих фильтров питания

1. Ёмкость	2. Г-образный	3. Т-образный	4. П-образный

 

      Простейшим  методом сглаживания пульсаций  является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление  нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

1 / (ωС) << Rн      

Во время действия синусоидального  сигнала, когда напряжение на диоде  выпрямителя прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. Когда  напряжение на выходе диодного выпрямителя  оказывается меньше напряжения заряда конденсатора, конденсатор разряжается  через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается по мере разряда конденсатора через нагрузку. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.  
      Чем больше емкость С и сопротивление нагрузки R_н, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе среднее значение выходного напряжения U_ср к максимальному значению синусоиды U_max. Если нагрузку вообще отключить, то в режиме холостого хода на конденсаторе получится постоянное напряжение равное U_max, без всяких пульсаций.  
      Работа простейшего сглаживающего фильтра на конденсаторе в цепи однополупериодного выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

 
      Красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающего  конденсатора, а синим – при  его наличии.  
      Если пульсации должны быть малыми, или сопротивление нагрузки R_н мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится использовать более сложный сглаживающий фильтр.  
      Работа сглаживающего Г-образного фильтра на конденсаторе и дросселе в цепи двухполупериодного мостового выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

 
      Как и в примере с однополупериодным  выпрямителем, красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без  сглаживающих элементов (конденсатора и дросселя), а синим – при  их наличии.  
      Логично следует, что чем больше ёмкости и индуктивности фильтров, и чем больше в нём реактивных элементов (сложнее фильтр), тем меньше коэффициент пульсаций такого выпрямителя.  
      В качестве сглаживающих конденсаторов используются электролитические конденсаторы. Чем больше ёмкость, тем лучше. Кроме того, для надёжности, конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в полтора-два раза превышающее выходное напряжение диодного моста.

 

Определение выходного напряжения выпрямителя  и выбор сглаживающего фильтра  для блока вторичного питания

 
      К описанному в статье, следует  добавить важную информацию, используемую для конструирования источников (блоков) питания постоянного тока:  
      1. Любой p-n переход, любого полупроводникового прибора, в том числе диода имеет характеристику – падение напряжения на переходе. Это напряжение обычно указывают в справочниках. Для германиевых диодов оно может быть от 0,3 вольт до 0,5 вольт, а для кремниевых диодов – от 0,6 вольт до 1,5 вольт.  
      Это значит, что если мы возьмём трансформатор с выходным напряжением 6,3 вольта, выпрямим его однофазным двухполярным мостовым выпрямителем (диодным мостом) у которого на каждом диоде по справочнику падает по 1 вольту (U_пр.= 1 В), то на выходе выпрямителя мы получим всего лишь 4,3 вольта. Напряжение в 2 вольта «потеряется» на 2-х диодах по пути прохождения тока. Начинающие радиолюбители обычно этого не учитывают, потому и недоумевают, почему на выходе маленькое напряжение.  
      2. Переменный электрический ток измеряется приборами, которые, как правило, показывают его среднее значение, а не максимальное. Максимальное значение переменного напряжения это – значение электрического напряжения соответствующее его максимальному значению синусоиды.  
      Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = U_max / π = 0,318 * U_max

 
      Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует  значению:

U_ср = 2 U_max / π = 0,636 * U_max

 
      Значение среднего напряжения - 0,636 за счёт особенностей конструкции измерительных  приборов округляется и принимается  равной 0,7.  
      3. Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, который справедлив в том случае, когда нагрузка на блок питания маленькая. Обратите внимание на рисунки ниже.       

Выходное напряжение выпрямителей с фильтром питания:  
      а) с большой нагрузкой :       

б) с маленькой нагрузкой :       

Эти рисунки поясняют, что  при малой нагрузке выходное напряжение выпрямителя с фильтром питания  равно максимальной амплитуде синусоиды  поступающей на выпрямитель, за вычетом  падения напряжения на диодах.

 

Пример  определения выходного напряжения, и подбора сглаживающего конденсатора для источника вторичного питания

 
      Рассмотрим случай со средним переменным напряжением на выходе трансформатора, измеренным мультиметром равным 6,3 вольта, и нагрузкой (сопротивлением нагрузки) равной 200 Ом.  
      Выходное напряжение c мостового выпрямителя будет определено следующим образом:  
   - максимальное напряжение на выходе трансформатора:  
      U_max = U_изм / 0,7 = 6,3в / 0,7 = 9 вольт  
   - максимальное выходное напряжение на выходе выпрямителя:  
      U_вых. = U_max – U_VD1 – U_VD2 = 9 – 1 – 1 = 7 вольт  
   - емкость сглаживающего конденсатора выбираем из условия:  
      1 / (2*π*f*С) << R_н , откуда 1 / (2*π*f *R_н) << С  
   - подставим данные:  
      1/(2*3,14*50*200) = 1,59*10^-5 (Фарад) = 159 мкФ  
   - учитывая условие, при котором емкость конденсатора должна быть намного больше полученному по приведенному условию, выбираем конденсатор ёмкостью более чем в пять раз больше расчётного значения - 1000 мкФ*16 вольт.

 

 

      Схема, состоящая из трансформатора, выпрямителя  и сглаживающего фильтра является источником нестабилизированного питания. От таких источников можно питать любые устройства, потребляющие слабый ток, не критичные к наличию пульсаций  и нестабильности питающего напряжения. Для максимального подавления пульсаций  и стабилизации питающего напряжения применяют Стабилизаторы напряжения.

 

Простые стабилизаторы напряжения и их расчёт

 

 

      В этой статье пойдёт речь о стабилизаторах постоянного напряжения на полупроводниковых  приборах. Рассмотрены наиболее простые  схемы стабилизаторов напряжения, принципы их работы и правила расчёта. Изложенный в статье материал полезен для  конструирования источников вторичного стабилизированного питания.       

Начнём с того, что для  стабилизации любого электрического параметра  должна быть схема слежения за этим параметром и схема управления этим параметром. Для точности стабилизации необходимо наличие «эталона», с  которым стабилизируемый параметр сравнивается. Если в ходе сравнения  оказывается, что параметр больше эталонного значения, то схема слежения (назовём  её схемой сравнения) даёт команду на схему управления «уменьшить» значение параметра. И наоборот, если параметр оказывается меньше эталонного значения, то схема сравнения даёт команду  на схему управления «увеличить»  значение параметра. На этом принципе работают все схемы автоматического  управления всех устройств и систем, которые нас окружают, от утюга, до космического аппарата, разница лишь в способе контроля и управления параметром. Точно так же работает стабилизатор напряжения.  
      Структурная схема такого стабилизатора изображена на рисунке.  
      Работу стабилизатора можно сравнить с регулировкой воды, бегущей из водопроводного крана. Человек подходит к крану, открывает его, а потом, наблюдая за потоком воды, регулирует его подачу в большую, или меньшую сторону, добиваясь оптимального для себя потока. Сам человек выполняет функцию схемы сравнения, в качестве эталона выступает представление человека о том, какой поток воды должен быть, а в качестве схемы управления выступает водопроводный кран, который управляется схемой сравнения (человеком). Если человек изменит своё представление об эталоне, решив, что поток воды, бегущий из крана недостаточный, то он откроет его больше. В стабилизаторе напряжения точно так же. Если у нас появляется желание изменить выходное напряжение, тогда мы можем изменить эталонное (опорное) напряжение. Схема сравнения, заметив изменение эталонного напряжения, самостоятельно изменит и выходное напряжение.  
      Резонным будет вопрос: Зачем нам такое нагромождение схем, если можно на выходе использовать источник уже «готового» эталонного напряжения? Дело в том, что источник эталонного (далее по тексту – опорного) напряжения – слаботочный (низкоамперный), поэтому не способен питать мощную (низкоомную) нагрузку. Такой источник опорного напряжения можно использовать в качестве стабилизатора для питания схем и устройств, потребляющих малый ток – КМОП-микросхем, слаботочных усилительных каскадов и др.  
      Схема источника опорного напряжения (слаботочного стабилизатора) изображена ниже. По своей сути – это специальный делитель напряжения, описанный в статье Делитель напряжения, отличие его в том, что в качестве второго резистора используется специальный диод – стабилитрон. В чём особенность стабилитрона? Простыми словами, стабилитрон, это такой диод, который в отличие от обычного выпрямительного диода, при достижении определённого значения обратно приложенного напряжения (напряжения стабилизации) пропускает ток в обратном направлении, а при его дальнейшем повышении, уменьшая своё внутреннее сопротивление, стремится удержать его на определённом значении.  
      На вольтамперной характеристике (ВАХ) стабилитрона режим стабилизации напряжения изображен в отрицательной области прикладываемого напряжения и тока.  
      По мере увеличения обратного напряжения, прикладываемого к стабилитрону, он сначала «сопротивляется» и ток, протекающий через него минимален. При определённом напряжении, ток стабилитрона начинает увеличиваться. Достигается такая точка вольтамперной характеристики (точка 1), после которой дальнейшее увеличение напряжения на делителе «резистор – стабилитрон» не вызывает увеличения напряжения на p-n переходе стабилитрона. На этом участке ВАХ происходит увеличение напряжения лишь на резисторе. Ток, проходящий через резистор и стабилитрон продолжает расти. От точки 1, соответствующей минимальному току стабилизации, до определённой точки 2 вольтамперной характеристики, соответствующей максимальному току стабилизации стабилитрон работает в требуемом режиме стабилизации (зелёный участок ВАХ). После точки 2 вольтамперной характеристики стабилитрон теряет свои «полезные» свойства, начинает греться и может выйти из строя. Участок от точки 1 до точки 2 является рабочим участком стабилизации, на котором стабилитрон выступает в качестве регулятора.  
      Зная, как рассчитывается простейший делитель напряжения на резисторах можно элементарно рассчитать цепь стабилизации (источник опорного напряжения). Как и в делителе напряжения, в цепи стабилизации протекают два тока – ток делителя (стабилизатора) I_ст и ток нагрузочной цепи I_нагр . В целях «качественной» стабилизации последний должен быть на порядок меньше первого.  
      Для расчётов цепи стабилизации используются значения параметров стабилитронов, публикуемые в справочниках: