Выпрямители и стабилизаторы напряжения.

Электроника, электрика / Не разобранное - электрика
Alexsandrs
1 985
7-10-2017, 16:11
0

Принципы работы простейших сетевых блоков питания. В бытовой сети 220В переменного напряжения с частотой 50Гц (бывает и по-другому, но рассмотрим именно это случай). Часто электронным устройствам для питания требуется постоянное напряжение, обычно от 5 до 50В, к тому же, обычно необходима (в целях безопасности и не только) гальваническая развязка по питанию. Полная гальваническая развязка означает, что напряжение (разность потенциалов) на выходе устройства зависит только от напряжения на входе и совершенно не зависит от абсолютного значения самих потенциалов. Т.е. если на входе устройства с гальванической развязкой напряжение относительно земли на одном входе +500В, а на втором +700В, на выходе будет, например 0В и +200В, даже если на входе напряжение станет –300В и -100В (разница постоянна), на выходе по-прежнему будет 0В и +200В. К тому же, для питания различных устройств обычно нужны напряжения, ниже чем в бытовой сети. Для решения этих задач (гальванической развязки и понижения напряжения) может применятся обычный понижающий трансформатор с двумя обмотками (первичной – на напряжение 220В и вторичной – на низкое напряжение). На выходе понижающего трансформатора получаем переменное напряжение той же формы и частоты что и на входе (сети), но более низкое по напряжению.
Выпрямители.

Рис 24.
Диодный однополупериодный выпрямитель (рис 24). Применяется только в случае очень малых токов, т.к. при работе большими токами требуются конденсаторы очень большой ёмкости, к тому же, трансформатор будет нагружен несимметрично, что может вызвать постоянное чрезмерное намагничивание сердечника и его насыщение.
На вторичной обмотке трансформатора будет переменное напряжение (чёрный график рис. 24 с)) с амплитудой в кв. корень из 2 (~1.4) больше, чем действующее напряжение. Диод, (рис. 24 а) пропустит только положительные полупериоды напряжения, в результате на нагрузке (Rнагр) будет напряжение изображенное на крсном графике (рис. 24 с)). Но нам нужно получить постоянное напряжение. Добавим в схему конденсатор (рис. 24. b)). Теперь, во время положительного полупериода конденсатор С заряжается током текущим через диод, а всё остальное время конденсатор разряжается через нагрузку. Чем выше ёмкость конденсатора (при постоянной частоте), тем меньшее он будет успевать разряжаться и напряжение на выходе будет более стабильно.
Конденсатор заряжается относительно небольшой промежуток времени (по сравнению со временем разряда), токи заряда будут во много раз больше тока, отдаваемого в нагрузку. Попробуем рассчитать на сколько падает напряжение в течение периода и примерный ток через диод при заряде конденсатора. Ток через конденсатор равен I= С * dU/dt, отсюда dU =I* dt/C. Конденсатор разряжается примерно 7/8 времени периода (при времени на заряд в 1/8 периода). При 50Гц полный период период =20mS. Время заряда ~ 2.5 mS, разряда – 17.5mS. Будем считать ток нагрузки постоянным. Получим, что при токе нагрузки в 1A и ёмкости конденсатора 5 000мкФ напряжение за период будет падать примерно на 3.5В. Если считать ток заряда постоянным (что на самом деле не совсем так), то средний ток заряда для нашего случая равен I= С * dU/dt = 5 000мкФ * 3.5В/2.5mS = 7A! Вторичная обмотка трансформатора и диод должны выдерживать ток заряда с некоторым запасом. На практике обычно применяют двухполупериодные выпрямители (диодный мост), позволяющие использовать энергию 2х- полупериодов (как положительного, так и отрицательного). Это позволяет как минимум в два раза сократить время разряда конденсатора в нагрузку, также в несколько раз сократить ток для заряда конденсатора.

Рис 25.
Рассмотрим принцип работы на рис 25. а). В каждый полупериод ток течёт только по двум диодам. Допустим, в данный момент времени на вторичной обмотке сверху -, снизу +. Ток будет течь через D1 и D2, на нагрузке будет положительное напряжение. В следующий полупериод, на обмотке – сверху +, снизу -. Ток течёт через диоды D3 и D4. На нагрузке снова будет положительное напряжение (см. график в точке А на рис 25. d). После подключения конденсатора (рис 25. b)), получим напряжение на выходе представленное на графике рис 25. e). Рассчитаем уровень пульсаций этого напряжение как и в прошлом примере. В нашем случае только изменились времена заряда/разряда конденсатора. Пусть как и в прошлом случае, конденсатор заряжается за тот же период времени, но учитывая, что заряд и разряд происходит 2 раза за период, будем считать что время заряда ~2mS, время разряда ~8ms. dU =I* dt/C = 1A * 8ms / 5 000 мкФ = 1.6В, ток при заряде конденсатора примерно I= С * dU/dt = 5 000мкФ * 1.6В/2mS = 4A. Т.е. при той же ёмкости конденсатора, пульсации уменьшились в 2 раза (по сравнению с однополупериодным выпрямителем), и максимальный ток через диод тоже уменьшился. Также часто применяется схема выпрямителя представленная на рис.25 с). Там трансформатор имеет отвод от середины вторичной обмотки. В ней в один полупериод ток течёт через один диод, второй – через другой.
Следует помнить, что выпрямленное напряжение будет почти равно амплитуде переменного напряжения, а не действующего значения.

Линейный стабилизатор напряжения.
Даже если в рассмотренных выше схемах до неприличия увеличивать ёмкость сглаживающего конденсатора, это снизит пульсации на выходе, сильно утяжелит и удорожит конструкцию, но стабильное напряжение на выходе мы не получим по нескольким причинам:
-ток нагрузки не постоянен, а сопротивление источника питания >0 Om, таким образом, при увеличении тока нагрузки, напряжение на выходе неизбежно упадёт
-на сколько бы мы не увеличивали ёмкость конденсатора (в разумных пределах), полностью избавиться от пульсаций не удастся
-напряжение в бытовой сети не очень постоянно и стабильно, иногда может быть как завышено, так и занижено, причём очень заметно.
Если устройству для питания требуется постоянное и стабильное напряжение, без стабилизатора не обойтись. Рассмотрим несколько вариантов стабилизаторов. За основу стабилизатора возьмём диод Зенера (стабилитрон), у которого есть свойство резко увеличивать ток при превышении напряжения стабилизации.

Рис 26.

На рис 26. a) представлен слаботочный простой стабилизатор напряжения. Работает он следующим образом: когда напряжение на входе больше напряжение стабилизации стабилитрона, через него начинает течь ток, причём величина этого тока будет сильно расти даже при небольшом увеличении напряжения на самом стабилитроне. В результате будет ограничение напряжения сверху на одном уровне(см. рис 26 b)). Если выбрать входное напряжение заведомо выше выходного, то в результате н выходе будем иметь постоянное напряжение. У этой схемы есть серьёзный недостаток – очень низкий КПД, особенно в случае с сильно изменяющейся нагрузкой или входным напряжением.
Допустим, у нас на входе напряжение меняется от 15В до 20В, на выходе нам нужно получить стабильных 12В до 1А, т.е. минимальное сопротивление нагрузки = 12 Om.
Пусть при минимальном входном напряжении (15В) и максимальном токе нагрузки (1A) весь ток идёт в нагрузку, и ток через стабилитрон близок к нулю. Тогда сопротивление R1 должно быть R1= (Uвх-Uвых)/Iнагр=3 Om, при этом, на нём будет выделяться мощность P=U*I = 3Вт. Теперь рассмотрим что же будет при максимальном входном напряжении (20В) и минимальном токе нагрузки (0A). Весь ток будет течь через стабилитрон. На выходе будет всегда постоянное напряжение =12В. Падение на R1= 8В, ток, текущий через R1 и стабилитрон равен 8В/3 Om ~ 2.6A. Мощность, выделяемая на R1 при этом составит 8В * 2.6А ~ 21 Вт. А мощность, выделяемая на стабилитроне 12В * 2.6А = 32 Вт. В итоге, наш стабилизатор впустую расходует почти 53Вт энергииЮ которая идёт на нагрев! К тому же, стабилитрон может работать только при определённом, хотя и достаточно широком диапазоне токов.
Поэтому такую схему применяют только в случае очень небольших токов (единицы – десятки миллиампер). Если нужно стабилизировать большие токи, то применяют разного рода усилитель тока (повторители напряжения). Например, с эмиттерным повторителем (рис 26 с)). Эталонное напряжение формируется на стабилитроне (ток через него относительно небольшой), затем усиливается по току биполярным транзистором. Один из недостатков этой схемы - напряжение на выходе будет немного ниже напряжения на стабилитроне за счёт падения напряжение на переходе база-эмиттер, к тому же оно будет не идеально стабильно, за счёт увеличения падения напряжения на транзисторе при увеличении тока нагрузки, но это изменение незначительно. Рассмотрим эту схему применительно прошлого случая: входное напряжение 15В-20В, макс. Ток нагрузки – 1А. Пусть коэфф. усиления транзистора – 100. Среднее падение напряжения на переходе база- эмиттер – 0.5В, для получения на выходе 12В, возьмём стабилитрон на 12.5В.
В случай минимального входного напряжения (15В) и максимальной нагрузки (1А): ток в базе = 1/100 = 10mA. На практике, для нормальной стабилизации через стабилитрон должен течь минимальный ток стабилизации, допустим для нашего стабилитрона он равен 5 mA. Падение на R1 = 2.5В, максимальное сопротивление R1 должно быть меньше 2.5В/(10mA+5mA) ~ 165 Om. Резистор и стабилитрон будут выделять мощность 2.5В*15mA + 12.5В*5mA=0,0375Вт + 0,0625Вт= 100мВт, что очень немного. Мощность на транзисторе равна (15В-12В)/1А = 3Вт. В случае максимального входного напряжения (20В) и минимальной нагрузки ток через танзистор течь не будет, через стабилитрон и резистор будет течь ток в (20-12.5)/165 = 45 mA. Выделяться на них будет менее 1Вт, что не очень много. В случае максимального входного напряжения и максимального тока нагрузки, мощность на транзисторе будет порядка (20В-12В)/1A = 8Вт. Это значительно меньше мощности, выделяемой стабилизатором в первом случае. Для повышения КПД схемы (рис 26 с)), выбирают транзисторы с максимальным коэф. усиления или ставят составные (для уменьшения токов управления). Стараются сделать так, чтобы минимально возможное напряжение на входе было как можно ближе к выходному напряжению (с учётом напряжения насыщения транзистора и возможности выставления токов управления), так же, чтобы диапазон питающих напряжений был как можно уже.
Существует большое количество подобных схем стабилизации, в основном они различаются способом усиления по току.

Простейший транзисторный фильтр постоянного напряжения.

Иногда бывают случаи, когда не требуется высокая стабильность питающего напряжения, но требуется хорошая фильтрация от пульсаций. Для этих целей можно применить схемку простейшего фильтра питания.

Рис 27.
Она очень похожа на схему стабилизатора (рис 26 с)), только в ней вместо стабилитрона стоит конденсатор и резистор. Эта схема в зависимости от соотношений резисторов R1 и R2 понижает напряжение, но при этом, учитывая что ток в цепи управления много меньше чем основной, конденсатор С1 достаточно стабильно держит напряжение на базе транзистора (сглаживает даже низкочастотные пульсации), соответственно и на эмиттере (выходе) напряжение будет достаточно стабильно. Конденсатор C2 дополнительно фильтрует питание (он особенно полезен при быстро изменяющейся нагрузке). Методика расчёта резисторов аналогично методике расчёта резистора в простейшем линейном стабилизаторе. Недостаток схемы – на ней всегда будет некоторое падение напряжения.

Источник: http://people.overclockers.ru

Обсудить на форуме