Основные характеристики схем выпрямителей
Характеристика | Тип выпрямителя | |||
Однофазный со средней точкой | Однофазный мостовой | Трехфазный с нулевой точкой | Трехфазный мостовой | |
Действующее напряжение вторичной обмотки (фазное), U2 | 2×1,11Uн | 1,11Uн | 0,855Uн | 0,43Uн |
Действующий ток вторичной обмотки, I2 | 0,785 Iн | 1,11 Iн | 0,58 Iн | 0,82 Iн |
Действующий ток первичной обмотки, I1 | 1,11 Iн/n | 1,11 Iн/n | 0,48 Iн/n | 0,82 Iн/n |
Расчетная мощность трансформатора, Ртр | 1,48 Pн | 1,23Pн | 1,35Pн | 1,045Pн |
Обратное напряжение на диоде, Uобр | 3,14Uн | 1,57 Uн | 2,1 Uн | 1,05 Uн |
Среднее значение тока диода, Iд.ср | 0,5 Iн | 0,5 Iн | 0,33 Iн | 0,33 Iн |
Действующее значение тока диода, Iд | 0,785 Iн | 0,785 Iн | 0,587 Iн | 0,58 Iн |
Амплитудное значение тока диода, Iдm | 1,57 Iн | 1,57 Iн | 1,21 Iн | 1,05 Iн |
Частота основной гармоники пульсации | 2ƒс | 2ƒс | 3ƒс | 6ƒс |
Коэффициент пульсаций выходного напряжения, Kп | 0,67 | 0,67 | 0,25 | 0,057 |
значение выпрямленного напряжения; - прямое падение напряжения на диоде, - частота питающей сети, - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, - амплитуда напряжения с частотой пульсаций на выходе выпрямителя.
Стабилизаторы напряжения, тока.Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РТУ, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения.
Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.
Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.
Стабилизатор одновременно со своими основными функциями осуществляет и подавление пульсаций. Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:
. (17.1)
Качество стабилизации оценивается также относительной нестабильностью выходного напряжения
. (17.2)
Внутреннее сопротивление стабилизатора
. (17.3)
Коэффициент сглаживания пульсаций
, (17.4)
где Uвх~, Uвых~ - амплитуды пульсации входного и выходного
напряжений соответственно.
Для стабилизаторов тока важны следующие параметры:
- коэффициент стабилизации тока по входному напряжению
; (17.5)
- коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки ; (17.6)
- коэффициент полезного действия определяется для всех типов стабилизаторов по отношению входной и выходной активным мощностям . (17.7)
Широкое применение нашли стабилизаторы напряжения постоянного тока непрерывного действия двух видов: параметрические и компенсационные.
Параметрические стабилизаторы напряжения. Они применяются при малых выходных токах, изменяющихся в узких пределах. Работа этих стабилизаторов основана на использовании свойств элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой. В качестве такого элемента наиболее часто используются стабилитроны - полупроводниковые приборы, действие которых основано на стабилизации напряжения в результате пробоя р–n перехода. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рис.17.6,а. Стабилизация напряжения осуществляется при работе стабилитрона на обратной ветви ВАХ, когда обратное напряжение определенного значения приводит к пробою р–n перехода. При изменении тока через стабилитрон в широком диапазоне от минимального значения Iст min до максимального Iст max изменение падения напряжения на нём оказывается небольшим (рис.17.6,а), что и даёт возможность применять последний для стабилизации напряжения постоянного тока. В процессе пробоя рассеиваемая в стабилитроне мощность не должна превышать допустимую , (17.8)
где Тпер max – максимально допустимая температура р–n перехода; То.с температура окружающей среды; Rт – тепловое сопротивление стабилитрона.
Для ограничения тока пробоя обычно последовательно стабилитрону включают дополнительный резистор R0 (рис.17.6,б), формируя схему параметрического стабилизатора.
Рис.17.6. Вольтамперная характеристика стабилитрона (а) и схема
параметрического стабилизатора (б)
Максимально допустимый ток пробоя определяется из выражения
. (17.9)
Здесь Uст – напряжение стабилизации, равное напряжению пробоя р–n перехода.
Величина напряжения стабилизации Uст у различных типов стабилитронов находится в пределах от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт при токах стабилизации от долей миллиампера до единиц ампер.
Одной из основных характеристик стабилитрона является его температурный коэффициент напряжения (ТКН), который показывает смещение ВАХ стабилитрона при изменении температуры. При прямом токе абсолютный ТКН определяется выражением:
. (17.10)
Относительный ТКН,%/град, равен:
. (17.11)
При обратном токе абсолютный ТКН равен:
. (17.12)
Относительный ТКН,%/град, определяется как:
. (17.13)
Другой важной характеристикой стабилитрона является дифференциальное сопротивление, Ом, которое можно определить из выражения: . (17.14)
Для различных типов стабилитронов характер изменения дифференциального сопротивления от тока различен.
Для компенсации влияния температуры окружающей среды на характеристики стабилитрона используются термочувствительные компоненты схем с отрицательным ТКН или дополнительные стабилитроны, включенные в проводящем направлении последовательно со стабилизирующими стабилитронами. На рис. 17.7,а приведена схема стабилизатора с термокомпенсацией при помощи термочувствительного резистора Rт, ТКН которого противоположен по знаку ТКН стабилитрона, а на рис.17.7,б представлена схема с одним стабилизирующим стабилитроном, включённым в обратном направлении, и
Рис.17.7. Схемы параметрической стабилизации с термокомпенсацией: а - с термочувствительным резистором; б – с одним стабилизирующим стабилитроном и тремя компенси -
рующими
тремя компенсирующими стабилитронами (N=3). Напряжение на выходе такой схемы:
, (17.15)
где: , .
При термокомпенсации коэффициент стабилизации уменьшается в несколько раз. Его можно увеличить за счет повышения входного напряжения и сопротивления ограничительного резистора, что, однако, приводит к снижению КПД стабилизатора. Повышение коэффициента стабилизации без снижения КПД достигается использованием стабилизатора тока вместо ограничительного резистора (рис. 17.8,а). Благодаря уменьшению отклонений тока через стабилитрон стабилизация выходного напряжения повышается в 5-8 раз при изменении входного напряжения.
Рис.17.8. Схемы параметрических стабилизаторов напряжений со стабилизацией входного тока (а) и с
эмиттерным повторителем (б)
Если необходимо увеличить мощность параметрического стабилизатора, то используют схему с эмиттерным повторителем (рис. 17.8,б). Коэффициент стабилизации в этой схеме не увеличивается и определяется из выражения:
, (17.16) где: ; rБ, rК, rЭ – сопротивление базы, коллектора и эмиттера соответственно; Rсм – резистор смещения; h21Э – коэффициент передачи тока транзистора.
Выходное напряжение определяется напряжением стабилитрона.
Рассмотрим пример расчета параметрического стабилизатора, выполненного по схеме, приведенной на рис.17,6,б.
Исходные данные:
- выходное напряжение Uвых=Uн=5,1В;
- ток нагрузки Iн=10 мА;
- нестабильность входного напряжения (Uвх.max-Uвх.min1)/Uвх..ном = ±20%;
- сопротивление нагрузки Rн=Uвых/Iн=5,1/10·10-3=510 Ом, что соответствует номиналу стандартного ряда Е24 значений сопротивлений с величиной допуска на номинал в ±5%.
Решение:
1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа 1N4733А в моделирующей программной оболочке Multisim 10 [13,14] (табл. 17.2) с выходным напряжением 5,1В.
Таблица 17.2
Технические параметры 1N4733А
№№ | Параметры | Значение |
Мощность рассеивания, Вт | ||
Номинальное напряжение стабилизации, В | 5.1 | |
Номинальный ток стабилитрона Iст.ном, мА | ||
Ма Максимальный ток стабилитрона Iст.max.,мА | ||
Рабочая температура, oС | -55…200 |
2. Проверяем необходимое условие выбора стабилитрона - превышение или в худшем случае равенство тока стабилитрона току нагрузки: Iст.ном =49 мА>Iн=10 мА.
3. Для инженерного расчёта параметрического стабилизатора можно задаться определённой величиной падения напряжения ΔU на балластном сопротивлении R0 в процентах от выходного напряжения, исходя из желаемой величины коэффициента полезного действия схемы. Увеличение падения напряжения ΔU приводит к повышению коэффициента стабилизации схемы, но снижает КПД её работы. Для большей величины КПД зададимся ∆U=50% от Uвых, то есть ΔU=2,55В. Тогда R0=∆U/(Iн+Iст.ном) =2,55В/(0,01+0,049)А=43,22Ом, величину которого округляем до ближайшего целого значения в 43 Ом стандартного ряда Е24 шкалы номиналов резисторов.
4. Определяем необходимое входное напряжение:
Uвх.ном=Uвых.ном+R0(Iст.ном+Iн)=5,1+2,55=7,65 В.
5. Проверка работы параметрического стабилизатора по рис.17.6,б выполнена в моделирующей оболочке Multisim 10 (рис.17.9). Резисторы R3 и R4 выполняют функции ограни-
Рис.17.9. Схема экспериментальной проверки параметрического стабилизатора в моделирующей оболочке
Multisim 10
чивающего сопротивления и сопротивления нагрузки. Мультиметры XMM1 и XMM2 измеряют токи стабилитрона и нагрузки, XMM3 показывает величину выходного напряжения.
Работа схемы проверялась при изменении входного напряжения на ±20% от рассчитанного номинала в 7.65 В. Результаты эксперимента сведены в табл. 17.3.
Таблица 17.3
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 2488;