Электронные выпрямители, стабилизаторы

Выпрямитель — статическое устройство, служащее для преобразования переменного тока источника электроэнергии (сети) в постоянный. Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра (Рис.8).

Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение сети Uвх до значения U1 необходимого для выпрямления, электрически отделяет нагрузку Н от сети, преобразует число фаз переменного тока. Вентильная группа ВГ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправленный.

Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения (тока) до значения, допустимого для работы нагрузки. Трансформатор Тр и сглаживающий фильтр СФ не являются обязательными элементами схемы выпрямителя.

Структурная схема выпрямителя

Рисунок 8 – Структурная схема выпрямителя

Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются:

  • средние значения выпрямленного (выходного) напряжения Uср и тока Iср;
  • частота пульсаций fп выходного напряжения (тока)
  • коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения. Вместо коэффициента пульсаций р часто используют коэффициент пульсаций по первой гармонике равный отношению амплитуды первой гармоники выходного напряжения к его среднему значению;
  • внешняя характеристика – зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока;
  • к. п. д. (η).

η = Pполезн / Pпотр = Pполезн / (полезн + Ртр + Рвг + Рф),

где Ртр, Рвг, Рф — мощность потерь в трансформаторе, в вентильной группе и сглаживающем фильтре.

Работа выпрямителя (вентильной группы) основана на свойствах вентилей — нелинейных двухполюсников, пропускающих ток преимущественно в одном (прямом) направлении. В качестве вентилей используют обычно полупроводниковые диоды. Вентиль, обладающий нулевым сопротивлением для прямого тока и имеющий бесконечно большое сопротивление для обратного тока, называют идеальным.

Вольт-амперные характеристики реальных вентилей приближаются к в. а. х. идеального вентиля. Для работы в выпрямителях вентили выбирают по эксплуатационным параметрам, к которым относятся:

  • наибольший (прямой) рабочий ток I срmaх — предельно допустимое среднее значение выпрямленного тока, протекающего через вентиль при его работе в однополупериодной схеме на активную нагрузку (при нормальных для данного вентиля условиях охлаждения и температуры, не превышающей предельного значения);
  • наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда) Uобрmaх — обратное напряжение, которое вентиль выдерживает в течение длительного времени. Как правило, напряжение Uобрmaх равно половине напряжения пробоя;
  • прямое падение напряжения Uпр — среднее значение прямого напряжения в однополупериодной схеме выпрямления, работающей на активную нагрузку при номинальном токе;
  • обратный ток Iобр — значение тока, протекающего через вентиль, при приложении к нему допустимого обратного напряжения;
  • максимальная мощность Рmах — максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна вентилем.

Схемы выпрямления

Наиболее распространенные схемы выпрямления показаны на рисунках 9 – 13, где приняты следующие обозначения: mс — число фаз напряжения сети, m1 — число фаз напряжения на входе схемы выпрямления (на выходе трансформатора), m = fп / fc — коэффициент, равный отношению частоты пульсации выходного напряжения к частоте напряжения сети.

В качестве вентилей везде изображены полупроводниковые диоды.

Самые распространенные схемы выпрямления и формы выходного напряжения при работе на активную нагрузку:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Рисунок 9 – Однофазная однополупериодная схема выпрямления (mc=1, m1=1, m=1)

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления

Рисунок 10 – Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (мостовая схема выпрямления mc=1, m1=1, m=2)

 

Однофазная схема выпрямления с выводом средней точки

Рисунок 11 – Однофазная схема выпрямления с выводом средней точки (mc=1, m, m=2)

Трехфазная схема выпрямления с выводом нейтрали

Рисунок 12 – Трехфазная схема выпрямления с выводом нейтрали (mc=3, m1, m=3)

Трехфазная мостовая схема выпрямления

Рисунок 13 – Трехфазная мостовая схема выпрямления (mc=3, m1, m=6)

Зачастую сглаживающих фильтров недостаточно для надёжного энергоснабжения телекоммуникационных и мобильных систем. Чтобы минимизировать влияние отрицательных факторов таких как колебания напряжений или частоты сети, применяются устройства под названием стабилизатор.

Для начала рассмотрим что же такое стабилизатор – это прибор, который предназначен для автоматического поддержания напряжения или тока на нагрузке с определённой точностью и уменьшения влияния дестабилизирующих факторов.

Выделим следующие дестабилизирующие факторы, которые отрицательно влияют на изменение напряжения или тока на нагрузке:

  • колебания напряжения питания;
  • частота тока питающей сети;
  • температура окружающей среды;
  • изменение потребляемой мощности на нагрузке.

На рисунке 14 представлена характеристика работы устройства. На вход поступает дестабилизированное напряжение, с выхода получаем стабилизированное. Главным предназначением стабилизатора является ослабление выше перечисленных факторов.

Характеристика работы стабилизатора

Рисунок 14 — Характеристика работы стабилизатора

Стабилизирующие устройства можно разделить в зависимости от вида напряжения или тока протекающего через него на стабилизаторы переменного и постоянного тока или напряжения. И также их можно подразделить по типу: параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы строятся на основе таких нелинейных элементов, как транзисторы, стабилитроны и стабисторы и т. п. Это обусловлено тем, что благодаря их характеристикам (вольт-амперных, ампервольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.) ток или напряжения могут быть стабилизированы на определённом уровне. Более подробно будут рассмотрены в следующих статьях.

Компенсационные стабилизаторы – это устройство, которое выполнено в виде системы автоматического регулирования, или другим словом содержит цепь отрицательной обратной связи.

За счёт изменения параметров регулирующего элемента посредством воздействия на него сигнала обратной связи и происходит стабилизация напряжения. Схема и принцип действия более подробно будут рассмотрены в следующих статьях.

Стабилизация тока или напряжения происходит при помощи регулирующего элемента (РЭ), который, в свою очередь, может быть расположен относительно нагрузки последовательно или параллельно. Следовательно стабилизаторы можно подразделить на схемы с последовательным включением регулирующего элемента и на схемы с параллельным включением регулирующего элемента. Пример схем с вариантом включения РЭ представлен на рисунке 15.

При последовательном соединении регулирующего элемента с нагрузкой, регулирование напряжения на выходе происходит за счёт изменения сопротивления в регулирующем элементе. Выходное напряжение при таком соединении будет равно Uвых=Uвх+ΔUрэ..

При параллельном соединении регулирующего элемента с нагрузкой, регулировка напряжения на выходе достигается за счёт изменения тока, протекающего через регулирующий элемент. В свою очередь, стабилизация напряжения на выходе осуществляется за счёт изменения напряжения на балластном резисторе Rб.

Ток на балластном резисторе можно найти исходя из первого закона Кирхгофа: сумма сходящихся токов в одном узле равна нулю.

Последовательное и параллельное включение регулирующего элемента

Рисунок 15 — Последовательное и параллельное включение регулирующего элемента

Следовательно ток на Rб будет равен Iб=Iрэ+Iн. Главное преимущество параллельного соединения заключается в устойчивости к перегрузкам по току и выдерживание короткого замыкания в цепи нагрузки.

Для определения какой следует применить стабилизатор стоит исходить из требований, предъявляемых к качеству питающих напряжений.

Основные параметры, по которым оцениваются рассматриваемые устройства следующие: качественные, массогабаритные и энергетические. По данным параметрам можно судить о массе и удельном объёме устройства.

1. Режимы, характеристики и параметры электронных приборов

Электронным прибором (ЭП) называют устройство, в котором в результате взаимодействия свободных или связанных носителей заряда с электрическим, магнитным и переменным электромагнитным полем обеспечивается преобразование информационного сигнала или преобразование вида энергии.

Основными признаками классификации разнообразных по принципу действия, назначению, технологии изготовления, свойствам и параметрам можно считать: вид преобразования сигнала; вид рабочей среды и тип носителей заряда; структуру (устройство) и число электродов; способ управления.

По виду преобразования сигнала все ЭП можно разбить на две большие группы. К первой группе относятся ЭП, в которых используется преобразование одного вида энергии в другой.

В эту группу входят электросветовые ЭП (преобразование типа электрический сигнал в световой), фотоэлектронные приборы (световой сигнал в электрический), электромеханические (электрический сигнал в механический), механоэлектрические ЭП (механический сигнал в электрический), оптопары (электрический сигнал в световой и затем снова в электрический) и др.

Ко второй группе обычно относятся электропреобразовательные приборы, в которых изменяются параметры электрического сигнала (например, амплитуда, фаза, частота и др.).

По виду рабочей среды и типу носителей заряда различают следующие классы электронных приборов: электровакуумные (вакуум, электроны), газоразрядные (разреженный газ, электроны и ионы), полупроводниковые (полупроводник, электроны и дырки), хемотронные (жидкость, ионы и электроны).

Электроды электронного прибора – это элементы его конструкции, которые служат для формирования рабочего пространства прибора и связи его с внешними цепями. Число электродов и их потенциалы определяют физические процессы в приборе. Наиболее наглядно это в электронных лампах: двухэлектродные (диоды), трехэлектродные (триоды), четырехэлектродные (тетроды) и пятиэлектродные (пентоды).

Совокупность условий, определяющих состояние или работу электронного прибора, принято называть режимом электронного прибора, а любую величину, характеризующую этот режим (к примеру, ток или напряжение), – параметрами режима. Эти понятия важны потому, что определяют свойства электронного прибора, связанные с выполнением определенных функций в радиоэлектронной аппаратуре.

Говорят об усилительных, импульсных, частотных, шумовых, температурных и механических свойствах, о надежности и т.п. Количественные сведения об этих свойствах называют параметрами прибора (а не режима!). К ним, например, относят коэффициенты передачи токов, характеристические частоты, коэффициент шума, интенсивность отказов, ударную стойкость и др.

Конечно, свойства прибора, а следовательно, и параметры прибора зависят от его режима работы и параметров режима. Может быть поэтому, в справочниках они не разделяются, а даются вперемежку под общим названием «Параметры».

Вначале остановимся на понятиях статического и динамического режимов приборов.

Статическим называют режим, когда прибор работает при постоянных («статических») напряжениях на электродах. В этом режиме токи в цепях электродов не изменяются во времени и распределения зарядов и токов в приборе также постоянны во времени. Другими словами, в статическом режиме все параметры режима не изменяются во времени.

Однако, если хотя бы один из параметров режима, например напряжение на каком-то электроде, изменяется во времени, режим называется динамическим.

В динамическом режиме, как мы выясним позже, поведение прибора существенно зависит от скорости или частоты изменения воздействия (например, напряжения). У большинства приборов эта зависимость объясняется инерционностью физических процессов в приборе, например конечным временем пролета носителей заряда через рабочее пространство или конечным временем жизни носителей.

Конечность времени пролета приводит к тому, что мгновенное значение тока электрода, к которому движутся носители, в выбранный момент времени будет определяться не только значением напряжения на электроде в этот момент, но, естественно, и предысторией, т.е. всеми значениями напряжения от момента начала движения в приборе до прихода носителя заряда к рассматриваемому электроду.

Следовательно, связь мгновенных значений тока и напряжения в динамическом режиме должна отличаться от связи постоянных значений тока и напряжения в статическом режиме. Однако если время пролета значительно меньше периода изменения переменного напряжения, то это отличие во взаимосвязи будет несущественным, т.е. связь мгновенных значений будет практически такой же, как постоянных величин в статическом режиме.

Указанная разновидность динамического режима называется квазистатическим режимом («квази» – означает «как бы» или «как будто»). Обычно динамический режим получается в результате внешнего воздействия, например входного сигнала. Входной сигнал может быть синусоидальным или импульсным.

Проще всего рассмотреть крайние случаи: синусоидальный сигнал и периодический импульсный сигнал прямоугольной формы. Форма выходного сигнала (на нагрузке) может или совпадать с формой входного сигнала (нет искажения сигнала) или не совпадать (есть искажение сигнала). Так как искажение сигнала зависит также от амплитуды входного сигнала, то и здесь рассматриваются два крайних случая: режим малого сигнала (малые амплитуды) и режим большого сигнала (большие амплитуды).

Малым называют такой сигнал, при котором наблюдается линейная связь (прямая пропорциональность) между амплитудами выходного и входного сигналов. При увеличении сигнала в приборах линейность связи нарушается, и это отклонение от линейности можно использовать в качестве критерия величины сигнала.

Линейная связь между амплитудами выходного и входного сигналов означает, что и параметры режима, зависящие от отношения этих величин, также остаются неизменными, например коэффициент усиления синусоидального сигнала.

Поэтому условно амплитуду сигнала считают достаточно малой, если при уменьшении амплитуды входного сигнала в 2 раза значение измеряемого параметра (например, коэффициента усиления) изменяется менее чем на величину основной погрешности измерений (например, ±10 %).

В качестве примера использования большого сигнала можно привести ключевые схемы. В этих схемах роль электронного прибора сводится к подключению или отключению цепи нагрузки с помощью импульсных управляющих (входных) сигналов.

2. Эксплуатационные условия и применение электронных приборов

Номинальные значения параметров электронных приборов могут быть реализованы только при определенных условиях их эксплуатации. Эксплуатация электронных приборов должна осуществляться в соответствии с требованиями Технического условия (ТУ) и стандартами-руководствами по применению электронных приборов (общие положения) и руководством для конкретного класса приборов.

В процессе эксплуатации окружающая среда может оказывать сильные воздействия на электронные приборы, изменяя их параметры и характеристики. Влияние окружающей среды определяется механическими (вибрации, удары, ускорения и т. п.) и климатическими (температура, давление, влага, атмосферный воздух, радиация, пары химически активных веществ и т. п.) воздействиями.

Свойства приборов при наличии указанных воздействий характеризуются следующими основными параметрами: механической устойчивостью, прочностью, климатической устойчивостью, радиационной стойкостью и рядом других.

Механическая устойчивость определяется виброустойчивостью, ударной устойчивостью и устойчивостью к воздействиям постоянных ускорений.

Виброустойчивостью называется способность электронного прибора сохранять электрические параметры под воздействием вибраций в пределах норм, установленных техническими условиями. Вибрации характеризуются частотой и ускорением. Наибольшим вибрационным воздействиям подвергается радиоэлектронная аппаратура, устанавливаемая на борту летательных аппаратов.

Частотный диапазон наиболее интенсивных вибраций на современном самолете простирается от единиц Гц до 5 кГц, а полный диапазон вибраций превышает 10 кГц. При наибольших амплитудах вибраций ускорения достигают 15 20. Вибрации могут носить резонансный характер.

Ударная устойчивость (ударостойкость) — это способность приборов противостоять механическим ударным воздействиям, при которых отклонения параметров прибора не превышают установленной нормы. Этот параметр характеризуется значением ударного ускорения и числом ударов, выдерживаемых прибором.

Устойчивость к воздействию постоянных ускорений оценивается величиной постоянных ускорений, реализуемых обычно посредством центрифуги. Ускорения при оценке механической устойчивости выражаются в единицах £.

Прочность — это способность прибора (изделия) противостоять разрушающему воздействию вибрации и ударов. Соответственно различают вибропрочность и ударную прочность. Эти параметры определяются предельными ускорениями (в единицах g) и длительностью воздействий, после которых прибор выполняет свои функции, регламентируемые ТУ. Значения ускорений, устанавливаемые ТУ для аппаратуры, работающей в наиболее тяжелых условиях, достигают 40 и более £.

Климатическая устойчивость — это способность прибора выполнять свои функции под воздействием таких факторов, как температура, влага, пыль, газ, давление окружающей среды и т. д. Для характеристики климатической устойчивости используют такие параметры, как термостабильность, влагостойкость, водостойкость и др.

Термостабильность приборов характеризуется температурным коэффициентом (ТК) того или иного параметра. ТК определяет обратимое изменение параметров прибора. Необратимые изменения параметров прибора определяются температурным коэффициентом нестабильности (ТКН).

Влагостойкость и водостойкость определяют способность приборов выдерживать соответственно воздействие влажности воздуха (окружающей среды) и воды. Для защиты полупроводниковых приборов от влияния окружающей среды используют герметизацию корпусов приборов. При использовании приборов в аппаратуре, работающей в условиях повышенной влажности, платы с полупроводниковыми диодами и транзисторами подвергаются многослойному покрытию специальными лаками или заливаются компаундами. Микросхемы и микросборки с бескорпусными приборами подвергаются общей герметизации. При применении заливки плат компаундами и покрытии их лаками необходимо учитывать ухудшение теплоотвода.

Радиационная стойкость характеризует способность электронных приборов работать под воздействием проникающего ионизирующего излучения с сохранением изменений основных параметров в пределах норм, регламентированных ТУ. Наибольшее влияние оказывает у-излучение, при этом различают воздействия, носящие как обратимый, так и необратимый характер.

В справочниках обычно приводятся значения параметров приборов, которые гарантируются техническими условиями для оптимальных (номинальных) или предельных режимов эксплуатации. Электронные приборы являются, как правило, устройствами универсального применения. Они могут быть использованы не только по прямому назначению, но и в других случаях. Однако набор параметров и характеристик, приводимых в справочнике, соответствует в первую очередь прямому назначению прибора. Значения большинства параметров зависят от рабочего режима и температуры, поэтому обычно в литературе даются усредненные величины параметров и, кроме того, устанавливается интервал их изменения. Этот интервал соответствует или минимальным, или максимальным значениям разброса параметров.

На практике изменения токов и напряжений могут происходить в большом диапазоне значений. Ограничением возможности применения приборов служат значения параметров предельно допустимых режимов. Даже кратковременные превышения параметров предельно допустимых режимов могут приводить к выходу из строя приборов, особенно полупроводниковых, поэтому при работе необходимо принимать во внимание нестабильности источников питания, значение и характер нагрузки, амплитуды и длительности сигналов на выходе и т. д.

Превышение предельной температуры, особенно в мощных приборах, может вызвать тепловой пробой р—n перехода, поэтому необходимо стремиться улучшать теплоотвод от прибора. Хороший и правильный тепловой режим работы приборов снижает интенсивность отказов транзисторов, улучшает стабильность параметров аппаратуры. В аппаратуре теплоотвод от приборов обеспечивается радиаторами или соответствующей конструкцией элементов и узлов.