Как проектировать электронные схемы - Галле Клод. Страница 23

Типичные схемы выпрямителей приведены на рис. 2.68.

Первый вариант (с одиночным диодом, рис. 2.68а) применяется редко из-за низкого КПД и высоких пульсаций выходного напряжения. Наиболее популярен двухполупериодный мостовой выпрямитель, содержащий четыре диода (рис. 2.68б).

Многие трансформаторы имеют две вторичные обмотки, которые можно соединить параллельно, чтобы получить максимальную выходную мощность. Схема со средней точкой во вторичной обмотке и двумя диодами (рис. 2.68в) выполняет ту же функцию, что и мостовой выпрямитель. При этом она дешевле и занимает меньше места. На рис. 2.68 г показана форма сигналов в различных точках: до выпрямителя (А), на выходе однополупериодного (В) и двухполупериодного (С) выпрямителя.

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Повышение выходного напряжения

Интегральные схемы стабилизаторов напряжения с фиксированным выходным напряжением в основном нужны для широко используемых значений. Для промежуточных величин приходится применять регулируемые стабилизаторы, которые не всегда найдешь в нужный момент. Однако можно изменить уровень на выходе стабилизатора постоянного напряжения. Для этого надо сместить потенциал опорного электрода (для Т0220 это положительный вывод, расположенный посередине), присоединив к нему один или нескольких диодов (рис. 2.69а). Добавление каждого диода увеличивает выходное напряжение приблизительно на 0,6 В.

Таким образом, микросхема типа 7812 в сочетании с тремя диодами обеспечит выходное напряжение 13,8 В, необходимое для зарядки свинцового аккумулятора на 12 В.

Того же эффекта можно добиться при подключении делителя к опорному электроду (соответствующая схема и формула для расчета выходного напряжения показаны на рис. 2.69б). Регулировка коэффициента деления с использованием потенциометра дает возможность соответствующим образом изменять напряжение на выходе.

Выходной конденсатор

Хотя в стабилизаторе напряжения есть средства защиты от перегрузок в различных режимах (а также защита от перегрева), он может выйти из строя, если напряжение на выходе превысит напряжение на входе. Конденсатор большой емкости, включенный на выходе для сглаживания пульсаций напряжения, усиливает риск такой ситуации при малом потреблении выходного тока, особенно когда от входного напряжения стабилизатора питается другая часть схемы.

Аналогичный режим возникает, если стабилизатор используется для зарядки аккумуляторной батареи и в конце этого процесса происходит ее перезаряд. Конденсаторы, которые расположены после диодного моста, могут разрядиться прежде, чем это произойдет с конденсатором на выходе стабилизатора. В таком случае устройство может выйти из строя в течение десятых долей секунды. Поэтому на выходе всегда ставится конденсатор меньшей емкости, чем на входе. Для безопасной работы между входом и выходом можно поставить защитный диод, через который от выхода схемы будет отводиться избыточный ток (рис. 2.70).

Стабилизатор напряжения в качестве генератора тока

Простые схемы генератора тока приводились выше. Стабилизатор напряжения также может работать в режиме генератора тока. С этой целью предпочтительнее использовать регулируемую модель, например типа LM317, обладающую небольшим внутренним опорным напряжением высокой стабильности. В данном случае его величина составляет 1,2 В. Для задания тока достаточно включить последовательно с нагрузкой резистор, выбранный по формуле R = 1,2/I (рис. 2.71).

Следует иметь в виду, что в этом резисторе может выделяться значительная мощность. Генератор тока используется в самых разных областях, чаще всего он применяется для зарядки никель-кадмиевого аккумулятора.

Повышенное входное напряжение

Сегодня редко можно увидеть источник питания малой или средней мощности, в котором не использовался бы один из широко представленных на рынке интегральных стабилизаторов. Диапазон их параметров очень велик: модели с положительным и отрицательным выходным напряжением, постоянным или регулируемым, в корпусах типа Т0220 и ТОЗ. Входное напряжение этих достаточно надежных компонентов не должно превышать предельного значения, составляющего, как правило, 40 В для стабилизаторов с выходным напряжением 24 В и 35 В — для других типов.

С учетом рассеиваемой мощности правильнее говорить о допустимой разности напряжений между выходом и входом. Например, микросхема типа 7805, имеющая выходное напряжение 5 В и максимальный ток 1 А, при питании от входного напряжения 9 В рассеивает мощность, равную (9 В — 5 В) х 1 А — 4 Вт. Стабилизатор с входным напряжением 24 В и током 250 мА должен рассеивать мощность, приблизительно равную 4,75 Вт. При этом необходимо позаботиться об охлаждении устройства.

Схема, данная на рис. 2.72, позволяет использовать для питания стабилизатора напряжение, превышающее допустимое максимальное значение, за счет включения на входе дополнительного балластного резистора. При выборе типа резистора следует иметь в виду, что рассеиваемая им мощность также должна достигать значительной величины.

ИМПУЛЬСНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

В последнее время наблюдается значительный прогресс в области импульсной стабилизации напряжения. Новые устройства выгодно отличаются от традиционных (аналоговые схемы с последовательным включением регулирующего элемента). Современные силовые компоненты позволяют использовать весьма высокие рабочие частоты, благодаря чему можно существенно уменьшить размеры, вес и стоимость стабилизаторов при сохранении их основных характеристик. Импульсные источники питания широко применяются в различных радиоэлектронных устройствах и в современных компьютерах.

Принцип импульсной стабилизации используется не только в источниках, питающихся от электрической сети, но и в понижающих или повышающих преобразователях постоянного напряжения. Трансформаторы, работающие на частоте сети 50 Гц, имеют большие размеры и вес, причем эти параметры быстро увеличиваются с возрастанием выходной мощности. Такая же закономерность характерна и для других силовых элементов источника питания. Источник потребляет значительную мощность, поэтому он должен интенсивно охлаждаться. При увеличении рабочей частоты можно в значительной мере преодолеть эти недостатки. Вместо того чтобы управлять высоким выходным током при низком напряжении, гораздо эффективнее использовать импульсное управление более низким током на входе стабилизатора при питании постоянным напряжением от выпрямителя, подключенного к сети. В качестве управляющих элементов успешно используются мощные МОП транзисторы, описанные выше.

На рис. 2.73а представлена блок-схема классического источника питания, а на рис. 2.73б — схема его импульсного аналога.

В последнем случае к сети подключен мостовой выпрямитель с фильтрующим конденсатором, обеспечивающий постоянное напряжение около 310 В. Это напряжение, прерываемое электронным переключателем (МОП транзистором), подводится к понижающему трансформатору, во вторичную обмотку которого включен выпрямитель с фильтром. Устройство управления обеспечивает работу транзистора в ключевом режиме на значительной частоте (до нескольких десятков килогерц), что позволяет существенно снизить размеры трансформатора и потребляемую им мощность. Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем изменения длительности импульсов, поступающих на трансформатор. При разработке схемы необходимо добиться согласования потенциалов в различных ее частях. Кроме того, для подавления значительных импульсных помех устройство следует экранировать.