Компьютерная электроника Лекция 7. Применение диодов

Выпрямители Предназначены для преобразования переменного тока в постоянный ток. Однополупериодный выпрямитель Простейшая схема. В выпрямителях для питания радиоэлектронной аппаратуры генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор.

Выпрямители Рассмотрим работу выпрямителя. Пусть входной сигнал описывается по закону e = E m sin t и его выходным сопротивлением можно пренебречь. Во время положительного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R н падение напряжения. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и U Rн = 0. Таким образом, через нагрузочный резистор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками в полпериода

Выпрямители

Рассмотрим подробнее выпрямленное напряжение. Оно сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является постоянная составляющая или среднее значения U ср. Среднее значение за полупериод U ср = 2 U max / π = 0,636 U max. Так как во втором полупериоде напряжения совсем нет, то за весь период среднее значение вдвое меньше: U ср = U max / π = 0,318 U max. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать U max E m и U ср 0,3 E m.

Выпрямители Вычтем из выпрямленного напряжения его среднее значение, получим переменную составляющую U ~, которая имеет несинусоидальную форму. Переменная составляющая является «вредной» часть выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения применяют специальные сглаживающие фильтры. Переменная составляющая изображена отдельно. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

Выпрямители В простейшей схеме выпрямителя первая гармоника пульсаций очень велика. Ее амплитуда U m1 больше полезной постоянной составляющей: U m1 = 0,5 U max = 1,57 U ср. Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило, непригодно для практических целей. Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки R н. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость удовлетворяет условию 1 / ( ω С)

Выпрямители Во время положительной части полупериода через диод проходит ток, заряжающий конденсатор. В то время, когда диод закрыт, конденсатор разряжается через нагрузку R н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает. Заряд конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе пульсирует незначительно. Чем больше С и R н, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе U ср к E m. Если нагрузку вообще отключить (R н = ), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное E m.

Выпрямители Напряжение на диоде становится прямым только в течение части положительного полупериода. В эти небольшие промежутки времени через диод проходит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор. В течение остальной части положительного полупериода и во время отрицательного полупериода напряжение на диоде обратное, ток отсутствует и конденсатор разряжается на нагрузку R н.

Выпрямители Основной параметр выпрямителя – коэффициент пульсаций, который равен отношению амплитуды первой гармоники частоты пульсаций к среднему значению К п = U m1 / U ср = 1,57. Особенности однополупериодного выпрямителя: большое значение коэффициента пульсаций; простота конструктивной реализации; неэффективное использование трансформатора.

Выпрямители Двухполупериодный выпрямитель В один из полупериодов, когда потенциал точки А положителен, ток протекает по пути А VD1 R н. В следующий полупериод, когда потенциал точки Б положителен, ток протекает по пути Б VD2 R н. Через сопротивление нагрузки ток в оба полупериода проходит в одинаковом направлении, создавая на этом сопротивлении пульсирующее напряжения U Rн.

Выпрямители Особенности двухполупериодного выпрямителя: меньшее значение коэффициента пульсаций; большее количество диодов; сложность конструктивной реализации трансформатора.

Выпрямители Мостовой выпрямитель В один из полупериодов, когда потенциал точки А положителен, ток протекает по пути А VD1 R н VD4. В следующий полупериод, когда потенциал точки А отрицателен, ток протекает по пути А VD2 R н VD3. Через сопротивление нагрузки ток в оба полупериода проходит в одинаковом направлении, создавая на этом сопротивлении пульсирующее напряжения U Rн.

Выпрямители Особенности мостового выпрямителя: меньшее значение коэффициента пульсаций; большое количество диодов; простота конструктивной реализации трансформатора. На практике наиболее часто применяется мостовой выпрямитель из-за его существенного преимущества: простота конструктивной реализации трансформатора.

Расчет простейшего выпрямителя Рассмотрим однополупериодную схему выпрямления Постоянная времени разряда конденсатора фильтра много больше постоянной времени заряда, поскольку р R н *С ф, а з (R ист + r VD )*С ф. Напряжение на конденсаторе во время разряда уменьшается по закону: U c U мax *exp( -t/ р ). При малых значениях t/ р можно записать : exp( -t/ р ) (1 - t/ р ).

Расчет простейшего выпрямителя

Напряжение на конденсаторе после окончания его разряда равно U cк U мax *exp( -t р / р ), где t р в первом приближении t р T 1/f. Напряжение на конденсаторе уменьшится на величину: U р U мax - U ск = U мax - U мax * ( 1 - T/ р ) = U мax * T/ р. Амплитуда пульсаций в этом случае равна U m1 = U р / 2. В практическом большинстве случаев можно считать, что U ср = U мax. Поэтому коэффициент пульсаций описывается соотношением: К п = U m1 / U ср = T/ (2* р ). Откуда р R н *С ф = T /(2* К п ).

Расчет простейшего выпрямителя Обычно для расчета выпрямителя задают параметры: напряжение на нагрузке, U н ; ток нагрузки, I н ; коэффициент пульсаций, К п ; частоту входного сигнала, f д. Выбор диода осуществляют по справочнику после расчета его основных параметров: максимальный постоянный или средний прямой ток I п ; максимальный допустимый импульсный прямой ток за регламентированный временной интервал I и. max > (U н + U н *К п + N*r VD *I н + N*U пр )/(R ист + r VD ), где U пр - постоянное прямое напряжение на диоде при прямом токе I н ; N – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя; максимально допустимое обратное напряжение на диоде U обр max > 2*(U н + U н * К п + N*r VD * I н + N*U пр ). частота без снижения режима f max > 10* f д. Значение параметров по току и напряжению следует выбирать с коэффициентом запаса 0,8.

Расчет стабилизатора Схема стабилизатора представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора R 0 и стабилитрона VD. При изменении питающего напряжения Е напряжение на стабилитроне VD и нагрузке R н изменяется незначительно. Все изменения входного напряжения практически полностью компенсируются падением напряжения на R 0, а на выходе напряжение остается постоянным.

Расчет стабилизатора Пусть I н = const, тогда R o = (E - U ст.н )/( I ст.н + I н ). Максимальное напряжение на входе не может превышать значения E max = R o *( I н + I ст.max ) + U ст.max, а минимальное напряжение описывается соотношением: E min = R o *( I н + I ст.min ) + U ст.min. Запишем E = E max - E min R o *(I ст.max - I ст.min ), U ст = U ст.max - U ст.min r д *(I ст.max - I ст.min ).

Расчет стабилизатора Основной параметр стабилизатора напряжения - коэффициент стабилизации, который показывает во сколько раз относительное изменения напряжения на входе больше, чем относительное изменение напряжения на выходе. Рассчитаем коэффициент стабилизации напряжения: К ст = ( Е /Е)/( U ст /U ст ) или К ст = R o * U ст / (Е * r д ). Для увеличения коэффициента стабилизации применяют последовательное включение простейших стабилизаторов. В этом случае : К ст. = К 1 * К 2 * …. *К N. Для получения требуемого напряжения стабилизации допускается последовательное включение стабилитронов в прямом и обратном направлениях. Параллельное включение стабилитронов не рекомендуется из-за возникновения уравнивающих токов.