Электроника в вопросах и ответах

Что такое выпрямление электрических колебаний?

Это процесс, в результате которого переменное входное электрическое колебание преобразуются в выходное колебание только одного знака (рис. 6.1). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.

Рис. 6.1. Выпрямление синусоидального колебания:

_{а, в — однополупериодное; б — двухполупериодное}

На каком принципе осуществляется выпрямление?

Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.

Какие электронные элементы используют для выпрямления?

Применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) диоды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны, кремниевые и селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными свойствами в зависимости от применения, значений выпрямленных, напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных электронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полупроводниковые диоды.

Что называется выпрямителем?

Название «выпрямитель» используется прежде всего для схем, преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем называется также и сам элемент с однонаправленными свойствами, используемый в процессе выпрямления.

Что называется однополупериодным выпрямителем?

Однополупериодным выпрямителем называется такой выпрямитель, на выходе которого после процесса выпрямления остаются колебания одного знака. Схема однополупериодного выпрямителя, возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схема одпополупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным напряжением от трансформатора (а) и внешнего источника (б)

Диод включен таким образом, что проводит ток только при положительных полупериодах входного колебания, т. е. когда напряжение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение U_cр колебания, полученного в результате выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением U и максимальным значением U_m (см. рис. 4.4), равно

Например, при выпрямлении напряжения с действующим значением U = 220 В после выпрямления получаем среднее напряжение U_cр ~= 100 В. В отрицательный полупериод диод не проводит ток и все подведенное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обратное напряжение выпрямителя. При изменении направления включения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не проводить в положительные. Рассматриваемая схема выпрямителя называется последовательной. Название связано с тем, что нагрузка включается последовательно с нелинейным элементом (вентилем).

Что называется двухполупериодным выпрямителем?

Двухполупериодным выпрямителем называют такой выпрямитель, в котором после процесса выпрямления остаются участки входного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака добавляются участки, имеющие противоположный знак. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным напряжением от трансформатора

В периоды времени, когда на аноде диода Д₁ действует положительное напряжение, на аноде диода Д₂ присутствует отрицательное и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке диод Д₁ пропускает ток, а диод Д₂ не пропускает. При отрицательной полуволне положительное напряжение действует на диоде Д₂, который при этом проводит, а диод Д₁, смещенный в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряжения, полученного на выходе двухполупериодного выпрямителя, как легко заметить, в 2 раза больше напряжения, полученного на выходе однополупериодного выпрямителя.

Что такое выпрямитель на мостовой схеме?

Выпрямитель на мостовой схеме, называемой иногда схемой Гретца, является двухполупериодным выпрямителем с четырьмя диодами, соединенными, как это показано на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя

Когда мгновенная полярность напряжения на вторичной обмотке такая, как это показано на рисунке, то проводит диод Д₁, а диод Д₂ не проводит. В это же время в другой ветви проводит диод Д₃, а диод Д₄ не проводит. При этом в один полупериод входного напряжения ток протекает следующим путем: вывод трансформатора, находящийся при отрицательном потенциале («нижний»), диод Д₃, нагрузка, диод Д₁, вывод трансформатора, находящийся при положительном потенциале («верхний»), В данный момент — это однополупериодный выпрямитель с двумя диодами Д₃ и Д₁, соединенными последовательно. В следующий полупериод полярность входного напряжения изменяется. Проводят диоды Д₂ и Д₄ и не проводят Д₁ и Д₃. Теперь ток течет от верхнего вывода трансформатора через диод Д₄, нагрузку и диод Д₂ к нижнему выводу трансформатора. Схема также работает как однополупериодный выпрямитель, и ток, текущий, через нагрузку, имеет то же самое направление, что и в предыдущий полупериод. Следовательно, ток течет через нагрузку в течение обоих полупериодов, и в сумме мостиковый выпрямитель работает как двухполупериодный выпрямитель.

Что называется коэффициентом пульсаций выпрямителя?

Коэффициентом пульсаций выпрямителя называется отношение максимального значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляющей на этом выходе. В большинстве применении желательно, чтобы коэффициент пульсации был как можно меньше (например, меньше чем 0,002). Уменьшение пульсаций достигается путем применения соответствующих фильтров.

Что называется коэффициентом использования трансформатора в выпрямительной схеме?

Использование трансформатора, работающего в выпрямительной схеме, характеризуется коэффициентом, определенным как отношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.

Что называется коэффициентом полезного действия выпрямителя?

Это параметр, характеризующий эффективность схемы выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное.

Коэффициент полезного действия (КПД) выпрямителя выражается отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного действия определяется для резистивной нагрузки.

Что называется частотой пульсаций выпрямителя?

Это основная частота переменной составляющей, существующей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Фильтрация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсаций.

Что следует из сравнения основных схем выпрямителей?

Существенным является сравнение с точки зрения технических параметров. При сравнении допустим, что действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, питающего выпрямитель, во всех схемах одинаково и равно U, и его частота составляет 50 Гц. Трансформаторы влияют на напряжение U и тем самым на выпрямленное напряжение. Простыми расчетами можно показать, что параметры отдельных схем такие, как указано в табл. 6.1. Из сопоставления следует, что наиболее выгодным с точки зрения технических параметров является выпрямитель по мостиковой схеме. Однако следует помнить, что в этой схеме применяют четыре диода или другие выпрямительные элементы.

Какую роль играют фильтры, расположенные на выходе выпрямителей?

Задачей фильтра, размещенного на выходе выпрямителя, является уменьшение пульсаций в выпрямленном напряжении. Выходное напряжение выпрямителя представляет собой полусинусоиду, мгновенное значение которой изменяется от нуля до максимального значения. Такое напряжение имеет определенную постоянную составляющую, которая, однако, не подходит для питания транзисторов и ламп из-за наличия «нежелательной» переменной составляющей.

Переменная составляющая в напряжении питания вызывает неустойчивость рабочей точки и проникает в полезный сигнал, проходящий через схемы, питаемые этим «нежелательным» колебанием. Из-за использования фильтра на выходе выпрямителя получают постоянное напряжение с относительно небольшой переменной составляющей, значение которой может быть настолько малым, что его можно использовать для питания транзисторов и ламп, т. е. в качестве напряжения питания. Переменная составляющая в питающем напряжении должна быть во много раз меньше полезного сигнала, проходящего через данную схему. Поэтому при питании выпрямленным напряжением схем, работающих при малых сигналах, необходимо применять фильтры с достаточной эффективностью фильтрации.

Какие типы фильтров используются на выходе выпрямителей?

Это фильтры нижних частот, пропускающие с малым затуханием постоянную составляющую (с частотой, равной 0 Гц) и с большим затуханием переменную составляющую (в случае выпрямителей сетевого напряжения с частотой 50, 100 Гц и более), причем ослабление пульсаций тем больше, чем больше частота переменной составляющей. В однополупериодных сетевых выпрямителях частота основной составляющей пульсаций равна 50, в двухполупериодных — 100 Гц. Из этого следует, что эффективней подавляются пульсации, возникающие на выходе двухполупериодного выпрямителя. Помимо основной частоты в выпрямленном колебании имеется ряд гармонических частот.

Типы фильтров, используемых на выходе выпрямителей, представлены на рис. 6.5–6.10. Они отличаются не только электрической схемой, но и эффективностью фильтрации и влиянием на работу выпрямителя. Используемые на выходе выпрямителей фильтры обычно подразделяют на две группы: с емкостным и индуктивным входами.

Рис. 6.5. Простейшие типы фильтров с емкостным (а) и индуктивным (б) входами

Рис. 6.6. Однополупериодный выпрямитель с простым фильтром, имеющим емкостный вход (а), и форма напряжения на выходе (б):

_{1 — заряд емкости С; 2 — разряд; 3 — выходное напряжение на конденсаторе; 4 — постоянное напряжение на выходе}

Рис. 6.7. Выпрямитель с простым фильтром и индуктивным входом (а) и форма напряжения на выходе (б):

_{1 — форма выходного напряжения; 2 — постоянная составляющая выходного напряжения}

Рис. 6.8. LC-фильтр с индуктивным (а) и емкостным (б) входами

Рис. 6.9. П-образный фильтр

Рас. 6.10. Примеры многозвенных фильтров

Что называется фильтром с емкостным входом?

Фильтром с емкостным входом называется фильтр, на входе которого параллельно схеме выпрямителя включен конденсатор (см. рис. 6.5, а). Существуют несколько вариантов такого фильтра. Рассмотрим сначала простейший фильтр (см. рис. 6.6, а).

Конденсатор фильтра, включенный параллельно как с выпрямителем, так и с нагрузкой, заряжается в то время, когда диод проводит ток. Вторичная обмотка трансформатора, диод и конденсатор образуют цепь зарядки. Постоянная времени зарядки мала, поскольку как сопротивление обмотки, так и сопротивление диода в открытом состоянии малы. Благодаря этому конденсатор очень быстро заряжается до пикового значения напряжения, попадающего на фильтр. Если мгновенное значение напряжения начинает убывать, то конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки. Постоянная времени разряда, зависящая при заданной емкости конденсатора в основном от сопротивления нагрузки, относительно велика, поэтому разряд происходит медленно. Напряжение на конденсаторе имеет небольшие изменения, а его среднее значение велико. Это означает, что конденсатор фильтра уменьшает пульсации (сглаживает выходное колебание) и одновременно увеличивает постоянную составляющую по сравнению с постоянной составляющей колебания в отсутствие этого конденсатора. При очень большой постоянной времени разряда, которую получают при большом сопротивлении нагрузки, постоянная составляющая близка к максимальному значению напряжения.

Так же велико влияние фильтрующего конденсатора на обратное напряжение, действующее на выпрямительном диоде во время запирания. В схеме без конденсатора обратное напряжение, например для однополупериодного выпрямителя, равно максимальному входному напряжению. В схеме с фильтром с емкостным входом напряжение на конденсаторе приближенно равно максимальному значению и направлено таким образом, что катод диода смещен положительно. В то же самое время на аноде диода действует отрицательное напряжение, также равное максимальному входному напряжению. Поэтому в схеме с рассматриваемым фильтрующим конденсатором на диоде действует результирующее напряжение, равное двойному максимальному выпрямляемому напряжению. Следует также обратить внимание на тот факт, что во время заряда фильтрующего конденсатора (например, во время включения выпрямителя в сеть) импульс зарядного тока очень велик и будет тем большим, чем больше емкость. Зарядный ток должен обеспечиваться диодом, приспособленным для работы при больших импульсах тока.

Для защиты диода от перегрузки излишне большим током часто последовательно с диодом (особенно в случае полупроводникового диода) включают ограничивающий ток резистор с сопротивлением примерно 100 Ом.

Что называется фильтром с индуктивным входом?

Фильтром с индуктивным входом называется фильтр, на входе которого последовательно с нагрузкой включен дроссель (см. рис. 6.5, б). Рассмотрим фильтр в простейшей схеме, представленной на рис. 6.7. Индуктивность накапливает энергию в виде магнитного поля в периоды, когда ток в цепи нарастает, и отдает энергию в цепь, когда ток исчезает. Таким образом, индуктивность противодействует резким изменениям тока в цепи. Благодаря действию индуктивности фильтра постоянная составляющая выпрямленного колебания увеличивается, а пульсации уменьшаются. Эффективность фильтра тем больше, чем больше индуктивность. Однако увеличение индуктивности приводит к значительному увеличению габаритных размеров дросселя.

Что такое фильтры нижних частот типов RC и LC и каково их применение?

В большинстве применений простые фильтры нижних частот с емкостным или индуктивным входом (см. рис. 6.5) не могут обеспечить достаточно низких пульсаций, поскольку это потребовало бы использования слишком больших конденсаторов (что создает трудности с подбором диодов, выдерживающих большие импульсы зарядного тока) либо больших и дорогостоящих дросселей. При большом значении тока, отбираемого от выпрямителя, применяют схемы фильтров нижних частот типа LC, такие как показано на рис. 6.8.

Объединение действия дросселя и конденсатора в LC-фильтре увеличивает ослабление пульсаций по сравнению с пульсацией в простом фильтре типа L или С. LC-фильтр может иметь две конфигурации: с емкостным или индуктивным входом. LC-фильтр с емкостным входом дает большую постоянную составляющую напряжения из-за зарядки конденсатора до максимального напряжения, однако требует большого тока от выпрямительного элемента при зарядке конденсатора.

Часто применяют составной фильтр с емкостным входом — П-образный фильтр (см. рис. 6.9). В этой схеме емкость конденсатора C₁ определяет в основном постоянную составляющую напряжения, в то время как L и С₂ образуют фильтр нижних частот, влияющий прежде всего на уменьшение коэффициента пульсаций.

Применяют также многозвенные фильтры (см. рис. 6.10), состоящие из нескольких LC- и П-образных звеньев. При малых токах нагрузки, когда протекающий через сопротивление фильтра ток нагрузки вызывает уменьшение постоянного напряжения на нагрузке и, кроме того, создает потери мощности в резисторе, вместо дросселей используют резисторы.

Какие номиналы элементов L, R и С применяются в фильтрах?

В фильтрах выпрямителей, предназначенных для питания маломощных (до нескольких сотен ватт) транзисторных или ламповых схем и работающих от напряжения сети 220 В, обычно используют емкости от десятков до нескольких сотен микрофарад и более (электролитические конденсаторы), а также индуктивности от единиц до нескольких десятков генри. Сопротивление нагрузки чаще всего составляет от 100 до нескольких тысяч ом. При выборе элементов фильтров обычно пользуются формулами, определяющими зависимость коэффициента пульсаций от номиналов элементов. Например, для однополупериодного выпрямителя с фильтром типа LC (см. рис. 6.9) t = 1,19·L·C, причем L выражается в генри, а С в микрофарадах.

Что такое активный фильтр?

Это фильтр, в котором активный элемент играет существенную роль в процессе подавления переменной составляющей, например путем увеличения фильтрующей емкости. Для этой цели можно использовать как лампы, так и транзисторы. Достоинством фильтра с активными элементами является прежде всего уменьшение габаритных размеров питающих устройств. Широкое применение нашли активные фильтры с транзисторами, в особенности в случаях относительно большого отбора мощности от схемы выпрямителя.

Что такое активный фильтр с транзистором?

Схема простого активного фильтра с транзистором показана на рис. 6.11. Транзистор работает в схеме эмиттерного повторителя. Сопротивление нагрузки включено в цепь эмиттера. Подавление пульсаций осуществляется делителем, образованным большим сопротивлением коллектор — эмиттер (для переменной составляющей) и небольшим входным сопротивлением емкостного характера. Благодаря этому конденсатор С, включенный в цепь базы транзистора, преобразуется в цепь эмиттера емкостью, примерно в К_1э раз большей. Коэффициент К_1э для обсуждаемой схемы и типового транзистора составляет обычно 100. При использовании конденсатора С с емкостью 100 мкФ достигается фильтрующее действие, соответствующее конденсатору с емкостью 10 000 мкФ.

Рис. 6.11 Простая схема активного транзисторного фильтра

Что такое нагрузочная характеристика выпрямителя?

Это график, представляющий зависимость падения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки от тока нагрузки. Значение постоянного напряжения на нагрузке всегда уменьшается при росте тока нагрузки. Это следует из того, что отбираемый от выпрямителя ток протекает как через нагрузку, так и через выпрямительный элемент, всегда обладающий некоторым сопротивлением.

Падение напряжения на этом сопротивлении вычитается из напряжения, существующего на выходе ненагруженного выпрямителя, и тем самым уменьшает падение напряжения на нагрузке.

Что следует из сравнения нагрузочных характеристик выпрямителей?

На рис. 6.12 представлен типичный вид нагрузочной характеристики однополупериодных выпрямителей с подключенным фильтром (с емкостным и индуктивным входом). Изменение тока нагрузки достигалось путем изменения нагрузочного сопротивления. Легко заметить, что большее постоянство выходного напряжения достигается при использовании фильтра с индуктивным входом. Однако недостатком такого фильтра является применение дросселя, который обычно намного дороже электролитического конденсатора. Фильтр с емкостным входом дает спад напряжения при росте нагрузки и одновременно быстрый рост пульсаций, особенно при малых емкостях конденсаторов. Возможность увеличения фильтрующей емкости ограничивается током, отбираемым от выпрямительного элемента во время дозарядки. Значение постоянного напряжения выпрямителя в интервале средних токов нагрузки больше у схемы с фильтром с емкостным входом. П-образный фильтр позволяет получить большие выпрямленные напряжения, чем Г-образный фильтр L-типа, однако изменения этого напряжения при росте тока нагрузки больше, чем при использовании фильтра с индуктивным входом.

Рис 6.12. Типичные нагрузочные характеристики выпрямителей с фильтрами:

_{а — емкостный; б — индуктивный}

Что такое выпрямитель по параллельной схеме?

Это выпрямитель, работающий по схеме, в которой нагрузка включена параллельно выпрямительному элементу (диоду) (рис. 6.13). В такой схеме заряд конденсатора происходит через малое сопротивление диода во время его отпирания, разряд — через сопротивление, соответствующее параллельному соединению сопротивления нагрузки и сопротивления запертого диода.

Достоинством выпрямителя по параллельной схеме является возможность заземления одного из электродов диода и то, что постоянная составляющая выпрямленного напряжения в этой схеме не протекает через источник входного напряжения, а это весьма важно для некоторых применений. Недостатком такого выпрямителя является относительно малое сопротивление схемы со стороны источника, связанное с тем фактом, что к сопротивлению нагрузки выпрямителя параллельно подключается внешнее нагрузочное сопротивление.

Выпрямитель по параллельной схеме часто используют для демодуляции (детектирования) амплитудно-модулированных сигналов в измерительной технике и подачи смещения на управляющие сетки электронных ламп.

Рис. 6.13. Однополупериодный выпрямитель по параллельной схеме

Что такое умножитель напряжения?

Это выпрямительная схема, выходное напряжение которой во много раз больше пикового входного напряжения. Удвоитель напряжения дает двукратное увеличение напряжения, утроитель — трехкратное и т. д. Умножители напряжения используют для питания схем, потребляющих относительно небольшой ток при высоком напряжении, например для питания осциллографических трубок, кинескопов.

Что такое схема удвоителя напряжения?

Схема удвоителя напряжения содержит два выпрямительных элемента и два конденсатора, включенных, как показано на рис. 6.14, а. В такой схеме нагрузка R_н включена параллельно конденсаторам. В момент, когда полярность входного напряжения соответствует показанной на рисунке, диод Д₁ отперт и конденсатор С₂ заряжается до пикового значения входного напряжения, а затем при изменении полярности очень медленно разряжается. Изменение полярности вызывает отпирание диода Д₂ и заряд конденсатора С₂. Напряжение на обоих конденсаторах, включенных последовательно, почти в 2 раза больше, чем пиковое значение входного напряжения. Оно полностью действует на сопротивлении нагрузки.

Разряд конденсаторов, а следовательно, и напряжение на нагрузочном сопротивлении зависят от тока, отбираемого нагрузкой, так как он одновременно является и током разряда конденсаторов. При малых сопротивлениях нагрузки напряжение на нагрузочном сопротивлении убывает быстрее. Конденсаторы одновременно действуют как элементы сглаживающего фильтра. Из рассмотренного принципа работы следует, что это схема двухполупериодного удвоителя,

Рис. 6.14. Схемы двухполупериодного (а) и однополупериодного (б) удвоителя напряжения (каскадная схема)

На рис. 6.14, б представлена другая схема удвоителя — каскадная. При такой полярности, как показано на рисунке, происходит заряд конденсатора C₁ через диод Д₁. При обратной полярности отперт диод Д₂. Напряжение, подведенное к этому диоду и к конденсатору С₂, представляет собой сумму входного напряжения и напряжения на конденсаторе С₁. Следовательно, конденсатор С₂ заряжается до двойного пикового значения входного напряжения. Во время разряда С₂ конденсатор С₁ заряжается. На нагрузке, подключенной параллельно к С₂, действует удвоенное напряжение, «пополняемое» каждый второй полупериод. Это однополупериодный удвоитель, пульсации в котором больше, чем в рассмотренном выше двухполупериодном удвоителе.

Что такое схемы многократных умножителей напряжения?

Это схемы, созданные путем каскадного соединения удвоителей. На рис. 6.15 представлена схема утроителя, представляющая схему удвоителя с дополнительно введенными конденсатором С₃ и диодом Д₃. При отпирании диода Д₃ на конденсаторе создается напряжение, равное удвоенному пиковому значению входного напряжения. Напряжение на нагрузке равно сумме напряжений на конденсаторах C₁ и С₃, т. е. почти утроенному пиковому значению входного напряжения. Подключение дополнительных секций к cxемe, изображенной на рис. 6.15, позволяет получить умножители напряжения в 4, 5 раз и более.

Рис. 6.15. Схема однополупериодного утроителя напряжения

Что такое управляемый выпрямитель и как он работает?

Это выпрямительная схема, допускающая плавную регулировку напряжения и выпрямленного тока. В таких схемах чаще всего используются тиратроны или тиристоры. В маломощных электронных устройствах, требующих чаще всего питания низким напряжением при относительно больших токах, как правило, применяют тиристоры.

На рис. 6.16 представлена простейшая схема выпрямителя на тиристоре.

Рис. 6.16. Схема управляемого выпрямителя с тиристором:

_{1 — входное напряжение; 2 — ток в нагрузке; 3 — задержка по фазе}

Схема работает следующим образом. Ток через нагрузку тиристора протекает только тогда, когда напряжение на аноде тиристора и управляющее напряжение на его затворе имеют соответствующие положительные значения. При подведении к тиристору синусоидального переменного напряжения протекание тока через нагрузку происходит только в течение положительной полуволны (однополупериодное выпрямление). Если затвор управляется синусоидальным напряжением, то время, в течение которого тиристор находится в состоянии пропускания, будет зависеть от фазового сдвига между переменным напряжением на аноде и на затворе. Если этот сдвиг равен нулю, то тиристор проводит в течение времени, соответствующего длительности почти всей положительной полуволны синусоидального напряжения. В этом случае среднее значение тока, протекающего через нагрузку, максимально. Если фазовый сдвиг между напряжениями увеличивается, то время отпирания тиристора уменьшается, поскольку отрезок времени, в течение которого напряжения на аноде и затворе одновременно положительны, сокращается. В связи с этим средний ток, протекающий через нагрузку, уменьшается. Регулировка фазового сдвига между напряжением, управляющим затвором, и входным напряжением, подведенным к тиристору, дает возможность регулировать протекающий через нагрузку ток и, следовательно, напряжение на этой нагрузке. Регулировку фазового сдвига осуществляют путем использования фазосдвигающих цепей типа LR или RC, в которых сопротивление резистора R устанавливается потребителем. В двухполупериодных выпрямительных схемах с регулировкой выходного тока необходимо использовать два тиристора.

Какое применение в выпрямителях находит симметричный тиристор?

Симметричный тиристор не является выпрямительным элементом и находит применение лишь для регулировки переменного тока в нагрузке.

Что такое стабилизирующие схемы?

Стабилизирующие схемы — это схемы, предназначенные для поддержания постоянного выходного напряжения или тока, например от выпрямителя при изменениях напряжения, питающего этот выпрямитель, или изменениях сопротивления нагрузки.

При питании транзисторов задачей стабилизирующих схем часто является поддержание постоянной рабочей точки, несмотря на изменение параметров транзисторов, вызванных, например, влиянием температуры. В некоторых применениях важной проблемой является обеспечение постоянной рабочей точки транзистора даже при замене одного транзистора другим того же типа, несмотря на значительный разброс параметров у отдельных экземпляров. Эту задачу выполняют также соответствующие схемы стабилизации.

На каком принципе работает стабилизатор напряжения?

В простейшем варианте стабилизацию напряжения получают на основе использования полупроводникового стабилитрона или газоразрядного диода с холодным катодом (другие названия — лампа тлеющего разряда, ионная лампа или стабиливольт), т. е. элементов, характеризующихся нелинейной зависимостью между падением напряжения на этом элементе и протекающим через него током. В определенном, относительно большом интервале изменений тока напряжение на элементе меняется незначительно. В более сложных схемах стабилизацию получают, используя транзисторы, иногда с дополнительными каскадами усиления и с использованием обратной связи. Транзистор в качестве стабилизирующего элемента в этих схемах действует как переменное сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой или параллельно с ней.

Что такое стабилизатор напряжения с лампой тлеющего разряда?

Схема стабилизатора напряжения с лампой тлеющего разряда представлена на рис. 6.17. Лампа и нагрузка включены параллельно. Последовательно с лампой включен резистор R. Ток нагрузки протекает через нагрузку и резистор R, а ток лампы — через лампу и резистор R, следовательно, падение напряжения на резисторе R определяется суммой тока нагрузки и лампы.

Рис. 6.17. Стабилизатор лампой тлеющего разряда

Стабилизация происходит следующим образом. При мгновенном увеличении тока нагрузки возникает мгновенное увеличение падения напряжения на резисторе R, и в результате этого напряжение на нагрузке и на лампе мгновенно снижается. Это вызывает уменьшение тока лампы, поэтому в итоге протекающей через резистор R ток и падение напряжения на нем изменяются незначительно. При возникновении мгновенного уменьшения тока нагрузки происходит рост тока лампы, противодействующий изменению тока нагрузки.

Стабилизация осуществляется также при изменениях входного напряжения, поскольку рост (или убывание) напряжения вызывает рост (или убывание) протекающего через лампу тока. Например, при использовании лампы тлеющего разряда, предназначенной для работы при напряжении 105 В, и изменениях протекающего через лампу тока в интервале 5—30 мА напряжение на электродах, а следовательно, и на нагрузке, изменяется не более чем на ± 1 В.

Лампы тлеющего разряда (газотроны) выпускают для работы при различных напряжениях (70—150 В). Для стабилизации больших напряжений можно соединить последовательно несколько ламп тлеющего разряда. Следует подчеркнуть, что газотроны в схемах стабилизаторов используются все реже.

Что такое стабилизатор напряжения с полупроводниковым стабилитроном?

Схема стабилизатора напряжения с полупроводниковым стабилитроном представлена на рис. 6.18. Его работа аналогична работе стабилизатора с лампой тлеющего разряда. Изменения тока, протекающего через диод в нормальном диапазоне работы, велики, а напряжение на диоде почти постоянно, поэтому небольшие изменения вызывают большие изменения тока, благодаря чему протекающий через нагрузку ток и падение напряжения на ней остаются почти неизменными.

Полупроводниковые стабилитроны выпускаются в широком ассортименте для работы при различных напряжениях стабилизации, а также для стабилизации малых напряжений, для которых лампы тлеющего разряда не выпускаются.

Рис. 6.18. Стабилизатор напряжения с полупроводниковым стабилитроном

Что такое последовательный стабилизатор с электронной лампой?

Схема последовательного стабилизатора с электронной лампой показана на рис. 6.19. В этой схеме лампа работает как переменное сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. Сопротивление зависит от смещения на сетке, устанавливаемого падением напряжения на резисторе R. При мгновенном изменении напряжения на нагрузке изменяется также падение напряжения на резисторе R, тогда как падение напряжения на ионной лампе, подключенной к сетке лампы, поддерживается На постоянном уровне. Например, увеличение напряжения на сопротивлении R вызывает рост напряжения смещения, а следовательно, и рост сопротивления лампы, что приводит к увеличению падения напряжения на ней. Рост последнего вызывает уменьшение падения напряжения на нагрузке и возврат этого напряжения к его номинальному значению. При мгновенном уменьшении напряжения на нагрузке изменения падений напряжения будут происходить в направлении, противоположном описанному выше, а также вызовут возвращение напряжения на нагрузке до его номинального значения. На том же самом принципе основан процесс стабилизации при изменениях входного напряжения.

Рис. 6.19. Последовательный стабилизатор с электронной лампой и лампой тлеющего разряда (газотрон)

Что такое последовательный стабилизатор с регулировкой напряжения?

Схема подобного стабилизатора представлена на рис. 6.20. Напряжение на выходе регулируют изменением напряжения смещения на сетке лампы с помощью переменного резистора.

Рис. 6.20. Последовательным стабилизатор с регулировкой выходного напряжения

Что такое последовательный стабилизатор на транзисторе?

Схема такого стабилизатора представлена на рис. 6.21, а. Она соответствует схеме с лампой, показанной на рис. 6.19, с той разницей, что лампа тлеющего разряда заменена полупроводниковым стабилитроном, питаемым через резистор R. Разность между напряжениями на нагрузке и базе равна напряжению смещения перехода эмиттер — база. Последовательный стабилизатор на транзисторе с регулировкой напряжения показан на рис. 6.21, б. В нижнем положении движка потенциометра база соединена с массой (землей) и напряжение на нагрузке равно нулю. В верхнем положении движка переход коллектор — база закорачивается, а переход эмиттер — база представляет собой малое сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. При этом напряжение на нагрузке максимально.

Рис. 6.21. Последовательный стабилизатор с транзистором и полупроводниковым стабилитроном (а) и с регулировкой выходного напряжения (б)

Что такое последовательный стабилизатор с дополнительным усилителем?

Задачей дополнительного усилителя в схеме последовательного стабилизатора является усиление мгновенных изменений выходного напряжения, подводимого к сетке регулирующей лампы или к базе транзистора. Благодаря этому достигается значительно большее постоянство выходного напряжения, тем большее, чем больше коэффициент усиления усилителя. Иногда для увеличения усиления применяют дополнительные усилители, например двухкаскадные.

Что такое импульсный стабилизатор?

Импульсный стабилизатор — это схема, в которой элемент, включенный последовательно с нагрузкой (например, транзистор), периодически переключается в состоянии отпирания и запирания. Время отпирания элемента и, следовательно, выходное напряжение на нагрузке, подключенной только во время отпирания, зависят от мгновенного отклонения выходного напряжения от номинального значения. Таким образом достигается стабилизация постоянного выходного напряжения. На выходе такого стабилизатора необходимо применять фильтры, исключающие переменную составляющую, которая возникает в результате работы в прерывистом режиме. Полученное таким способом постоянное напряжение подводится к схеме, питаемой от подобного стабилизатора. Импульсный стабилизатор характеризуется большим КПД и малыми потерями энергии на тепло.

Как термистор применяется в схемах стабилизации?

Термистор является полупроводниковым резистором, сопротивление которого убывает с ростом температуры. На температуру термистора непосредственно влияет температура окружающей среды и косвенно — ток, протекающий через термистор. Чем больше ток, тем больше температура элемента и меньше сопротивление. Это позволяет использовать подобный элемент для стабилизации напряжения на нагрузке при изменениях температуры окружающей среды или выходного напряжения.

В схеме, представленной на рис. 6.22, уменьшение выходного напряжения вызывает уменьшение протекающего через термистор тока и, следовательно, рост его сопротивления. В свою очередь это вызывает рост тока, протекающего через сопротивление нагрузки, что препятствует уменьшению падения напряжения на нагрузке, несмотря на уменьшение выходного напряжения. Тем самым достигается стабилизация напряжения, действующего на нагрузке.

Рис. 6.22. Схема стабилизации напряжения термистором

Где в схемах стабилизации используют варисторы?

Варистор — это нелинейный резистор, сопротивление которого зависит от напряжения. Протекающий через варистор ток в определенном интервале возрастает пропорционально 4—5-й степени подводимого напряжения. Варисторы, в частности, используются для стабилизации напряжения, действующего на нагрузке, при изменениях отбираемого этой нагрузкой тока (рис. 6.23, а) или для стабилизации напряжения на нагрузке при изменениях входного напряжения (рис. 6.23, б). По схеме рис. 6.23, а рост тока нагрузки увеличивает на мгновение падение напряжения на варисторе, в результате чего снижается его сопротивление и напряжение на нагрузке почти не изменяется. По схеме рис. 6.23, б увеличение входного напряжения вызывает рост тока варистора и убывание его сопротивления в такой степени, что выходное напряжение остается почти постоянным.

Рис. 6.23. Схемы стабилизации напряжения с варистором при изменениях:

_{а — тока нагрузки; б — выходного напряжения}

Что такое стабилизатор на магнитном усилителе?

Это стабилизатор переменного напряжения, использующий магнитный усилитель — устройство, состоящее из магнитного сердечника и обмоток переменного и постоянного тока. Стабилизацию выходного напряжения получают благодаря изменению магнитной проницаемости магнитного усилителя.

Что такое ферромагнитные и феррорезонансные стабилизаторы?

Это стабилизаторы переменного напряжения, действующие на принципе использования нелинейной характеристики намагничивания магнитных сердечников с обмоткой. При работе сердечника в режиме насыщения выходное напряжение изменяется в небольших пределах при относительно больших изменениях входного напряжения. В резонансных стабилизаторах используется явление последовательного или параллельного резонанса в цепи с дросселем с сердечником, работающим в области насыщения.

На каком принципе работает стабилизатор тока?

На таком же принципе, что и стабилизатор напряжения. Точно так же регулирующие элементы, применяемые для стабилизации тока, аналогичны тем, которые применяются для стабилизации напряжения. Другой является только схема взаимосоединений между нагрузкой и регулирующим элементом. Стабилизаторы тока в электронике применяются значительно реже, чем стабилизаторы напряжения, и чаще всего для измерения и в специальных целях. Их задачей является поддержание на постоянном уровне тока, протекающего через нагрузку, при изменениях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Какая схема у стабилизатора тока?

Схема стабилизатора тока с транзистором и полупроводниковым стабилитроном показана на рис. 6.24. При росте входного напряжения или уменьшений сопротивления нагрузки ток, протекающий через нагрузку, остается почти постоянным. Это следует из того факта, что напряжение база — коллектор транзистора поддерживается на постоянном уровне, в то же время изменяется напряжение между коллектором и эмиттером. При увеличении входного напряжения или уменьшении сопротивления нагрузки напряжение между коллектором и эмиттером возрастает настолько, что ток эмиттера и ток, протекающий через нагрузку, остаются практически постоянными. Рассматриваемый стабилизатор представляет собой для нагрузки источник тока.

Рис. 6.24. Схема стабилизации выходного тока на транзисторе и полупроводниковом стабилитрона

Какие методы защиты применяются в схемах питания?

Применяются различные методы защиты. Широкое применение находят плавкие предохранители, прерывающие протекание тока в схеме питания при длительной перегрузке или замыкании (повреждении) в цепи нагрузки. Часто используются инерционные предохранители, иначе называемые предохранителями с замедленным временем срабатывания. Они не вызывают перерыва в протекании тока в нагрузку во время коротких перегрузок, возникающих, например, в момент включения.

Применяются также схемы, автоматически ограничивающие отбираемый от схемы питания ток и не допускающие тем самым возникновения токовых перегрузок. Такие решения особенно пригодны при питании транзисторных схем и интегральных микросхем, которые на перегрузки реагируют быстрее, чем предохранители. Ограничение отбираемого транзисторными схемами тока защищает транзисторы от выхода из строя. Защитные схемы подобного типа иногда состоят из нескольких транзисторов.

Разработаны схемы, защищающие от появления перенапряжении в питающем напряжении, которые вызываются, например, искрением. Искрения особенно опасны для интегральных микросхем.

На чем основан процесс, обратный выпрямлению переменного напряжения?

Обратный процесс должен состоять в преобразовании постоянного напряжения в переменное. Подобная необходимость может возникать тогда, когда имеется источник в виде аккумулятора, а для питания устройства требуется переменное напряжение (электродвигатель переменного тока, устройство с сетевым трансформатором). Часто в том случае, когда необходимо увеличить постоянное напряжение, его сначала преобразуют в переменные колебания, затем с помощью трансформатора повышают, а потом выпрямляют.

Устройства, которые служат для преобразования постоянных напряжений и токов в переменные колебания, называются преобразователями постоянного тока. Существует несколько методов преобразования постоянного тока в переменный. Часто используются вибропреобразователи. Они состоят из колеблющегося прерывателя тока, который приводится в движение электромагнитом. Чаще применяются транзисторные преобразователи вибрационного типа, в которых не возникают механические колебания и связанное с этим искрение контактов. В этих преобразователях постоянный ток запускает генератор переменных колебаний. Напряжение генератора может быть повышено с помощью трансформатора. Часто транзисторный преобразователь применяется для преобразования постоянного тока одного значения в постоянный ток другого. При этом полученное с генератора-преобразователя переменное напряжение после повышения в трансформаторе подвергается выпрямлению.