Григорьев Б.И. Элементная база и устройства аналоговой электроники. Учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
20
например, если в схеме на рис. 2.1,а сопротивление нагрузки
бесконечно велико, то выходное напряжение неизменно во
времени ( К
п
= 0 ) и равно амплитудному значению входного
напряжения ( u
вх
= U
m
). Та же ситуация реализуется и при
бесконечно большой емкости конденсатора. Если в схеме на
рис. 2.1,а отсутствует конденсатор, то u
вых
имеет вид
положительных полуволн входного напряжения и К
п
= 100%.
Другим важным параметром выпрямителя является
нагрузочная характеристика – зависимость среднего значения
выходного напряжения от сопротивления нагрузки:
. (2.6)
Нагрузочная характеристика показывает, какой ток можно
отбирать от выпрямителя во внешнюю электрическую цепь.
Вид нагрузочной характеристики приведен на рис. 2.2, из
которой следует, что при уменьшении сопротивления нагрузки
выходное напряжение может измениться до недопустимо
малых значений . Это связано с тем , что при уменьшении R
н
Рис. 2.2. Нагрузочная характеристика выпрямителя
возрастает ток, отбираемый от выпрямителя во внешнюю
электрическую цепь (в цепь сопротивления нагрузки R
н
).
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на
основе диодного моста приведена на рис. 2.3,а. Временные
диаграммы, поясняющие работу этого выпрямителя, показаны
на рис. 2.3,б. Здесь диоды D
1
– D
4
соединены по мостовой
схеме. Работа выпрямителя состоит в следующем. При подаче
напряжения u(t) на вход выпрямителя, за несколько периодов
этого напряжения конденсатор заряжается до значения,
близкого к максимальному значению U
m
входного напряжения
u
вх
. При этом при положительных полуволнах входного
напряжения, ток i
0
, заряжающий конденсатор, замыкается по
контуру 1 – D
2
– C – D
3
– 2, а при отрицательных полуволнах –
по контуру 2 – D
4
– C – D
1
– 1 . Видно , что как при
21
Рис. 2.3. Схема (а) и временные диаграммы работы (б) однофазного
двухполупериодного выпрямителя напряжения на основе диодного моста
положительной, так и при отрицательной полуволнах входного
напряжения , ток i
0
протекает через конденсатор в одном и
том же направлении и только в те короткие промежутки
времени, когда u
вх
> u
вых
. Таким образом, в
двухполупериодном выпрямителе частота подзаряда
конденсатора вдвое выше, нежели в однополупериодном, и, как
следствие, лучше качество выпрямления входного
синусоидального напряжения. В промежутках времени, когда
диоды моста закрыты, конденсатор разряжается по контуру
(+) – C – R
н
– (-) С.
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на
основе трансформатора со средней точкой приведена на рис.
2.4. Временные диаграммы, поясняющие работу этого
выпрямителя, те же, что и на рис. 2.3,б. При положительной
полуволне входного напряжения , ток i
0
, заряжающий
22
конденсатор, замыкается по контуру 1 – D
1
– C – 0, а при
отрицательной – по контуру 2 – D
2
– C – 0. Качество
выпрямления входного синусоидального напряжения этим
выпрямителем такое же, как и у выпрямителя на основе
диодного моста.
Отметим,что при прочих равных условиях, выпрямители,
собранные по схемам на рис. 2.1,а и 2.4, обладают меньшими
достижимыми значениями выходного напряжения, нежели
выпрямители с мостовой схемой соединения диодов.
Рис. 2.4. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя
напряжения на основе трансформатора со средней точкой
Действительно, в схеме на рис.2.3,а в промежутках времени,
когда диоды закрыты, выходное напряжение прикладывается в
обратном направлении к парам диодов, а не к одному, как в
однополупериодном выпрямителе и в выпрямителе на основе
трансформатора со средней точкой. Поэтому, с практической
точки зрения, выпрямитель на основе диодного моста является
предпочтительным,
по сравнению с другими выпрямителями,
рассмотренными выше.
Ограничители напряжения
предназначены для установки
постоянного или переменного входного напряжения на
заданном уровне при возможных колебаниях входного
напряжения в известных пределах. Широкое распространение
получили диодные ограничители напряжения и ограничители
напряжения на основе стабилитронов. По функциональному
назначению указанные ограничители делят на односторонние и
двухсторонние. Применительно к постоянным входным
напряжениям используют, естественно, только односторонние
ограничители напряжения, а применительно к переменным
напряжениям – оба вида ограничителей. Число диодов и
стабилитронов в ограничителях обусловлено решаемой
23
технической задачей и задается схемотехническими способами,
например, такими, как на рис. 1.11 – 1.13.
Схемы и временные диаграммы работы перечисленных
видов ограничителей напряжения содержатся в файлах С9_051,
С9_052, С9_061 и С9_062. В этих схемах генератор импульсов
напряжения формирует входные напряжения трех форм –
синусоидальной, пилообразной и меандр, а резистор 1 кОм
ограничивает на допустимом уровне
ток через диод или
стабилитрон ограничителя напряжения.
Схема одностороннего диодного ограничителя напряжения
приведена на рис. 2.5,а. Временные диаграммы, поясняющие
его работу , показаны на рис. 2.5, б . Здесь u
вх
– входное
Рис. 2.5. Схема (а) и временные диаграммы работы (б) одностороннего
диодного ограничителя напряжения
напряжение, u
вых
– ограниченное на заданном уровне (уровне
U
оп
) выходное напряжение, R
огр
– резистор, ограничивающий
ток в цепи D
оп
– U
оп
; U
оп
– опорный источник постоянного
напряжения, D
оп
– диод в цепи этого источника, D – диод,
компенсирующий в составе выходного напряжения падение
напряжения на диоде D
оп
; R
н
– сопротивление нагрузки
24
( потребитель электрической энергии ); i
н
– ток нагрузки, т.е.
ток, отбираемый от ограничителя во внешнюю электрическую
цепь . Параметры входного линейно нарастающего
напряжения следующие:
и
, (2.7)
где а – скорость нарастания входного напряжения. В интервале
времени 0 ≤ t ≤ t
1
u
вх
< (U
оп
+U
Dоп
), диод D
оп
закрыт, ток
нагрузки
(2.8)
и выходное напряжение
(2.9)
повторяет форму входного напряжения, т.е. нарастает по
линейному закону. В интервале времени t
1
≤ t≤ t
2
u
вх
>
>(U
оп
+U
Dоп
), диод D
оп
открыт и потенциал (·)а
, , (2.10)
где U
Dоп
- падение напряжения на открытом диоде D
оп
. При
этом ток нагрузки
(2.11)
и
, (2.12)
т.е. ограничено на уровне напряжения опорного источника. В
момент времени t
2
u
вх
скачком уменьшается до нуля, а u
вых
еще
некоторое время сохраняется неизменным, после чего так же
уменьшается до нуля. Это обусловлено инерционными
свойствами диода D
оп
, который из открытого состояния в
запертое мгновенно перейти не может.
25
Если на вход рассмотренного ограничителя подать
постоянное напряжение U
вх
> ( U
оп
+U
Dоп
) , то выходное
напряжение
(2.13)
будет так же неизменным во времени. В подавляющем
большинстве случаев U
оп
>> U
Dоп
. Поэтому в приведенных
выше соотношениях напряжением U
Dоп
можно пренебречь, а
диод D в схему на рис. 2.5,а не включать.
Схема двухстороннего диодного ограничителя напряжения
приведена на рис. 2.6,а. Временные диаграммы, поясняющие
его работу , показаны на рис. 2.6,б . Здесь цепь D
оп1
– U
оп1
ограничивает положительную полуволну синусоидального
входного напряжения на уровне U
оп1
, а цепь D
оп2
– U
оп2
–
Рис. 2.6. Схема (а) и временные диаграммы работы (б) двухстороннего
диодного ограничителя напряжения
- отрицательную полуволну на уровне U
оп2
.
Схема одностороннего ограничителя напряжения на основе
26
стабилитрона приведена на рис. 2.7 , а . Временные
диаграммы , поясняющие его работу, показаны на рис. 2.7,б. В
этой схеме входное напряжение прямоугольной формы u
вх
Рис. 2.7. Схема (а) и временные диаграммы работы (б) одностороннего
ограничителя напряжения на основе стабилитрона
ограничивается стабилитроном D на уровне
,
(2.14)
где U
ст
– напряжение стабилизации стабилитрона. Если на вход
этого ограничителя подать постоянное напряжение U
вх
> U
ст
, то
(2.15)
будет так же неизменным во времени.
Схема двустороннего ограничителя напряжения на основе
стабилитронов приведена на рис. 2.8,а. Временные диаграммы,
поясняющие его работу , показаны на рис. 2.8 ,б . На
временных диаграммах U
ст1
и U
ст2
– напряжения стабилизации
27
Рис. 2.8. Схема (а) и временные диаграммы работы (б) двухстороннего
ограничителя напряжения на основе стабилитронов
стабилитронов D
1
и D
2
, U
D1
и U
D2
– падения напряжения на
этих стабилитронах при их включении в прямом направлении.
Положительную полуволну входного пилообразного
напряжения ограничивает стабилитрон D
1
на уровне
, (2.16)
а отрицательную – стабилитрон D
2
на уровне
. (2.17)
В заключение отметим, что диодные ограничители
напряжения целесообразно применять в тех случаях, когда в
нагрузку от ограничителя отбираются относительно большие
токи, а ограничители напряжения на основе стабилитронов – в
электронных устройствах , где требуется высокое качество
28
выходного напряжения. Один из вариантов подобных схем
показан на рис. 2.9, где В – однофазный однополупериодный
выпрямитель, ОН – ограничитель напряжения, П – потребитель
электрической энергии (сопротивление нагрузки R
н
). В схеме
на рис . 2.9 выходное напряжение в точности равно
а)
Рис. 2.9. Блок-схема (а) и развернутая схема (б) преобразователя
синусоидального напряжения u
вх
в постоянное напряжение U
вых
с
заданным значением и высоким качеством
напряжению стабилизации стабилитрона D
1
и не зависит от
пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Протекающий
через ограничительный резистор ток
, (2.18)
а ток нагрузки
, ,
(2.19)
где U
с
– напряжение на выходе выпрямителя (на конденсаторе
С), I
D1
– ток, замыкающийся в цепь стабилитрона D
1
. Если в
схеме на рис. 2.9 стабилитрон заменить на последовательное
соединение стабилитронов, то можно получить несколько
значений выходных напряжений, не зависящих от пульсации
29
напряжения на выходе выпрямителя. Этот вариант
преобразователя показан на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Преобразователь синусоидального напряжения в несколько
значений постоянного напряжения
Порядок выполнения работы
1. Однополупериодный выпрямитель
1.1. Открыть файл С9_031 со схемой однополупериодного
выпрямителя, содержащейся в этом файле. Здесь
вспомогательный источник формирует синусоидальное
напряжение амплитудой 100 В , которое посредством
трансформатора преобразуется во входное синусоидальное
напряжение u
вх
. Осциллографы XSC1 и XSC2 не входят,
естественно, в состав выпрямителя, а служат для визуального
наблюдения протекающих в нем переходных процессов и
измерения его основных параметров. На канал A осциллографа
XSC1 подается u
вх
, а на канал В – выходное напряжение u
вых
; на
канал A осциллографа XSC2 – u
вых
, а на канал B – напряжение,
пропорциональное току подзаряда конденсатора. Ток подзаряда
i
0
определяется косвенным методом, аналогично тому, как в п.
4.2.1 лабораторной работы №1 (см. примечание п. 4.2.1).
Зарисовать схему реального однополупериодного
выпрямителя, отличающуюся от схемы в файле С9_031
отсутствием осциллографов и измерительного резистора и
имеющую вид, показанный на рис. 2.1,а.
1.2. Включить схему и осциллографы, на экранах которых
отобразятся временные диаграммы переходных процессов,
протекающих в выпрямителе. Выключив схему, зафиксировать
эти диаграммы на экранах осциллографов. Зарисовать
временные диаграммы u
вх
, u
вых
и i
0
, расположив их в этой же
последовательности одну под другой, как это показано на рис.