Типы генератора прямоугольных импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов

Генераторы.

Тема 4.1. Генераторы прямоугольных импульсов. Основ­ные определения. Параметры выходных импульсов, разновидно­сти схем генераторов.

Применение запоминающих логических элементов в электронике.

Самостоятельная работа.

4 Е.А. Зельдин. «Триггеры». М. Энергоатомиздат 1983г.

5 В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. «Электроника». М. Высшая школа 1991г.

Раздел 4. Функциональные узлы электронной техники.

Генераторами называются электронные устройства преобразующие энергию источника питания в изменяющееся во времени напряжение (или ток) в соответствии с функцией sin? и cost для гармонических генераторов или импульсы напряжения (тока), которые могут иметь прямоугольную, тре­угольную или пилообразную форму.

Генераторы прямоугольных импульсов используются для создания непрерывно повторяющейся последовательности импульсов напряжения или тока с определенными значениями длительности импульса (t_u), длительности паузы (t_n) и периода следования Т (Следования)- Импульсом называется кратко­временное отклонение наблюдаемой величины напряжения (или тока) от не­которого установленного значения (например нулевого потенциала) по своей длительности много меньшего периода наблюдения этих сигналов. Для им­пульса напряжения установлены следующие параметры:

Основные параметры импульсного сигнала:

Амплитуда сигнала U_m

1. Длительность импульса t_n

2. Период следования импульсов T_f =1/T

3. Частота повторения

1. Длительность переднего фронта импульса на уровне 0,lU_m; 0,9U_m; t_Ф

2. Длительность спада на уровне 0,lU_m; 0,9U_m; t_cn

3. Спад плоской вершины DU

Производные параметры:

А при необходимости также некоторые другие параметры, например крутизна S фронта, мощность импульса, амплитуда положительного выброса переднего фронта, амплитуда отрицательного выброса спада и т.п.

При построении временных диаграмм функционирования различных устройств переходные процессы как правило не учитываются, а используют­ся только основные параметры.

Изображенные на рисунке 84 импульсы прямоугольной формы имеют резкие перепады напряжения и тока во время формирования фронта и спада. Генераторы, которые вырабатывают такие колебания называются релаксаци­онными. Широкое распространение получили релаксационные генераторы на основе усилителей с положительной обратной связью. В релаксационных ге­нераторах имеются разделительные конденсаторы, которые обеспечивают рассогласование фаз между входными и выходными напряжениями двух усилителей, охваченных положительной обратной связью. В качестве усили­теля может быть, например, использован транзисторный усилитель с коллек­торной нагрузкой, работающий в режиме ключа. Если входы и выходы двух токах усилителей соединить при помощи RC цепи то получится генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов, называемый муль­тивибратором.

Мультивибратор — это генератор прямоугольных импульсов релакса­ционного типа не имеющий устойчивых состояний. Для получения мульти­вибратора на транзисторах работающего надежно и устойчиво требуются транзисторы с одинаковыми параметрами, поэтому в настоящее время муль­тивибраторы реализуются на микросхемах: логических элементах или опера­ционных усилителях.

Дата добавления: 2014-01-03 ; Просмотров: 1621 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Генераторы импульсов

Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц. Здесь приводятся простые схемы генераторов, в том числе на элементах цифровой «логики», которые широко используются в более сложных схемах как частотозадающие узлы, переключатели, источники образцовых сигналов и звуков.

На рис. 1 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки S1 (то есть он не является автогенератором, схемы которых приводятся далее). На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки S1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 — напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке — наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.

На рис. 2 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор — цикл повторяется.

Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду. Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых эффектов. Его недостаток — необходимость использования конденсатора значительной емкости.

На рис. 3 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада. Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15. 17 В и токе 20. 50 мА.

В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 4, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 — длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1. 2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 — 10. 15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303. Микросхема — К155ЛА3, ее питание составляет 5В стабилизированного напряжения. Можно использовать КМОП микросхемы серий К561, К564, К176, питание которых лежит в пределах 3 … 12 В, цоколевка таких микросхем другая и показана в конце статьи.

При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора. Схема приведена на рис. 5. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют переключателем S1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1. 10 000 Гц. Микросхема — К561ЛН2.

Если нужна высокая стабильность генерируемой частоты, то такой генератор можно сделать «кварцованным» — включить кварцевый резонатор на нужную частоту. Ниже показан пример кварцованного генератора на частоту 4,3 МГц:

На рис. 6 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью.

Скважность – отношение периода следования импульсов (Т) к их длительности (t):

Скважность импульсов высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.

Генератор, схема которого приведена на рисунке ниже, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 формируются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение. Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов. Микросхема — К561ЛН2.

Цифровые микросхемы в генераторах взаимозаменяемы в большинстве случаев и можно использовать в одной и той же схеме как микросхемы с элементами «И-НЕ», так и «ИЛИ-НЕ», или же просто инверторы. Вариант таких замен показан на примере рисунка 5, где была использована микросхема с инверторами К561ЛН2. Точно такую схему с сохранением всех параметров можно собрать и на К561ЛА7, и на К561ЛЕ5 (или серий К176, К564, К164), как показано ниже. Нужно только соблюдать цоколевку микросхем, которая во многих случаях даже совпадает.

Если требуется повысить нагрузочную способность какого либо узла (чтобы, например, подключить динамик или другую нагрузку), можно применить на выходе усилитель на транзисторе, как в схеме на рис. 6, или же включить несколько элементов микросхемы параллельно, как показано на рисунке ниже:

Универсальная печатная макетная плата для двух микросхем. На таких платах удобно собирать несложные схемы с небольшим количеством деталей, как, например, приведенные в этой статье. Детали паяются к контактным площадкам и при необходимости соединятся перемычками. Размеры платы 100 х 55 мм.

На рисунке ниже приводится цоколевка некоторых широко применяемых цифровых логических микросхем КМОП — технологии с элементами «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ» и инверторов. Микросхемы серий К564, К176 имеют аналогичную цоколевку, цоколевка же микросхем серии К155 отличается от указанной (но такие уже давно не применяются). Питание указанных микросхем, как уже говорилось выше, может быть от 3 до 15 В (кроме серии К176, которая более критична к напряжению питания и нормально работает при 9В).

Источник

Генераторы прямоугольных импульсов

Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связью (ПОС), действующей в широкой полосе частот. К этим устройствам относятся так называемые релаксационные генераторы. Релаксационные генераторы, в которых ПОС создается с помощью RC – цепей, называют мультивибраторами. Если ПОС создается с помощью импульсного трансформатора, то такие релаксационные генераторы называют блокинг – генераторами. Эти генераторы могут работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации или деления частоты.

В ждущем (заторможенном) режиме генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные изменения, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего восстанавливается исходное устойчивое состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора.

Основными требованиями к ждущим генераторам являются стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие генераторы применяют, прежде всего, для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса, а также для расширения импульсов и других целей.

В автоколебательном режиме генератор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния; в этом режиме без какого – либо внешнего воздействия генератор последовательно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом генерируются сигналы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяются в основном только параметрами генератора.

Основным требованием, предъявляемым к автоколебательным генераторам, является стабильность частоты автоколебаний. Между тем в результате изменений питающих напряжений, схемы и старения элементов, воздействия других факторов (температура, наводки и т.п.) стабильность частоты автоколебаний генератора обычно невелика.

В режиме синхронизации или деления частота повторения генерируемых импульсов определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения (синусоидального или импульсного), подаваемого в схему генератора: частота повторения импульсов равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения.

Мультивибраторы могут быть построены на дискретных, логических элементах или на операционных усилителях. Мультивибраторы на основе логических элементов обычно применяют в цифровой аппаратуре, так как при этом наиболее полно обеспечивается унификация элементной базы. Кроме того, не требуется согласования по уровням сигналов релаксационных генераторов и других устройств аппаратуры.

Ждущие мультивибраторы на интегральных логических элементах могут быть построены с использованием времязадающей дифференцирующей RC-цепи или элемента задержки (чаще всего интегрирующей RC-цепи) и RS-триггера.

Ждущий мультивибратор с дифференцирующей времязадающей RC – цепью.Принципиальная схема ждущего мультивибратора и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, приведены на рис. 5.9.

В исходном состоянии напряжение на входе элемента D2 при соответствующем выборе сопротивления резистора R

_,

поэтому элемент D2 закрыт, так как на обоих его входах действуют сигналы логического нуля.

Запуск мультивибратора осуществляется положительными импульсами U_ЗАП через формирователь, состоящий из дифференцирующей цепи C1R1 и инвертора на элементе D3. В момент времени t₁ с выхода формирователя на вход элемента DI поступает короткий отрицательный запускающий импульс (сигнал 0), и элемент D1 запирается, на его выходе формируется положительный перепад напряжения, который передается через конденсатор С на вход элемента D2. Последний отпирается, на его выходе устанавливается сигнал логического 0, который поддерживает элемент D1 в закрытом состоянии и после окончания действия запускающего импульса.

Таким образом, в результате действия запускающего импульса мультивибратор перешел в состояние квазиравновесия, когда элемент D1 закрыт, а элемент D2 открыт. В этом состоянии происходит заряд конденсатора С через выходное сопротивление элемента D1 и резисторы R_ОГР и R. По мере заряда конденсатора С убывают ток заряда и напряжение на резисторе R, а, следовательно, и напряжение на входе элемента D2. При уменьшении напряжения на входе элемента D2 до порогового уровня U_ПОР элемент D2 начинает закрываться, формирование импульса заканчивается.

В состоянии квазиравновесия напряжение на входе элемента D2 стремится измениться от величины

(5.3)

где – напряжение на входе элемента D2 в момент начала состояния квазиравновесия;

(5.4)

— напряжение на конденсаторе С в исходном устойчивом состоянии;

– выходное сопротивление закрытого элемента D1;

до величины (5.5)

Длительность формируемого импульса можно найти из выражения

, (5.6)

где — постоянная заряда конденсатора С;

— пороговое напряжение логического элемента.

Поэтому длительность формируемого импульса с учетом выражений (5.3), (5.5) и (5.6) можно представить в виде

(5.7)

После окончания формирования импульса развивается регенеративный процесс, приводящий к быстрому запиранию элемента D2 и отпиранию элемента D1. Далее происходит процесс восстановления исходного устойчивого состояния, связанный с разрядом конденсатора С через выходное сопротивление открытого элемента D1, ограничивающий резистор и диод VD. Диод включается для уменьшения времени восстановления и защиты от пробоя по входу элемента D2 отрицательным выбросом напряжения. Резистор ставится для ограничения тока, протекающего через открытый элемент D1 при разряде конденсатора С, до допустимой величины.

Время восстановления можно оценить из выражения

(5.8)

где – выходное сопротивление открытого элемента D1;

— сопротивление открытого диода;

при условии, что сопротивление резистора R и входное сопротивление элемента D2 во много раз больше сопротивления открытого диода.

Ждущий мультивибратор с RS – триггером. Принципиальная схема ждущего мультивибратора на RS- триггере с RC – элементом задержки и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, приведены на рис. 5.10.

Ждущий мультивибратор включает в себя RS – триггер на элементах D1 и D2, интегрирующую RC – цепь задержки с инвертором на элементе D4 и формирователь коротких импульсов запуска на элементе D3.

В исходном устойчивом состоянии элемент D1 RS- триггера открыт, а элемент D2 закрыт. Действительно, на входах элемента D2 действуют (см. рис. 5.10 ) взаимно инвертированные сигналы, а на входах элемента D1 – сигналы, соответствующие уровню логической единицы. Конденсатор С в исходном состоянии заряжен через выходное сопротивление закрытого элемента D4 и сопротивление R до напряжения ,

где – напряжение логической 1 на входе элемента D4.

В момент t₁ на вход элемента D1 RS – триггера (вход S) поступает с формирователя на элементе D3 короткий отрицательный импульс, соответствующий уровню логического 0. Под действием этого импульса RS- триггер переходит в новое устойчивое состояние, когда элемент D1 закрыт, а элемент D2 открыт, что соответствует состоянию квазиравновесия в мультивибраторе. При этом элемент D4 открывается и начинается разряд конденсатора С через резистор R и малое выходное сопротивление Rº_вых элемента D4. Напряжение на конденсаторе С при разряде стремится уменьшится до величины , где – напряжение логического 0 на выходе элемента D4.

В некоторый момент времени t₂ напряжение на конденсаторе С а, следовательно, и на входе элемента D2 (R — вход RS – триггера) достигнет порогового уровня U_ПОР и элемент D2 начинает закрываться. RS – триггер опрокидывается в исходное устойчивое состояние, когда элемент D1 открыт, а элемент D2 закрыт. Состояние квазиравновесия в мультивибраторе заканчивается.

После этого происходит процесс восстановления исходного устойчивого состояния, связанный с зарядом конденсатора С через выходное сопротивление элемента D4 и сопротивление резистора R. Для уменьшения времени восстановления часто резистор R шунтируют цепочкой, состоящей из диода VD и резистора . Резистор вводится для ограничения тока, протекающего через элемент D4 при заряде конденсатора С, до допустимой величины.

Длительность формируемого импульса можно оценить из выражения

, (5.9)

где — постоянная разряда конденсатора С;

– выходное сопротивление открытого элемента D4.

Время восстановления исходного состояния в схеме равно

(5.10)

где – выходное сопротивление закрытого элемента D4;

— сопротивление открытого диода.

Ждущий мультивибратор на RS – триггере обладает рядом достоинств по сравнению с ждущими мультивибраторами с дифференцирующей RC- цепью в цепи обратной связи:

· времязадающая цепь непосредственно не связана ни с одним из выходов и подключение нагрузки к любому из них не влияет на длительность формируемых импульсов;

· на обоих выходах формируются импульсы, форма которых близка к прямоугольной форме;

· отсутствуют нежелательные выбросы напряжения; особенно важно отсутствие отрицательных выбросов, так как режим работы большинства логических элементов с отрицательными входными выбросами не допускается техническими условиями.

Автоколебательный мультивибратор на логических элементах. На рис. 5.11, представлена принципиальная схема автоколебательного мультивибратора на ИМС, реализующих логическую функцию И-НЕ. Логические схемы D3 и D4 имеют вспомогательное назначение и служат для создания режима мягкого самовозбуждения колебаний в схеме. При включении питания и возможном появлении на обоих выходах элементов D1 и D2 сигналов логической единицы срабатывают элементы D3 и D4_.. На вход D2 поступает высокий уровень напряжения, который вызывает переключение D2 в состояние логического нуля на выходе и приводит к возникновению режима автоколебаний.

Временные диаграммы, характеризующие работу схемы в режиме автоколебаний, приведены на рис. 5.11. В момент времени t₁ напряжение достигает порогового значения , при котором происходит переключение элемента D2. Напряжение изменяется от уровня , соответствующего логическому нулю, до уровня логической единицы. Так как конденсатор С1 представляет собой в момент времени t₁ цепь, замкнутую накоротко (напряжение на конденсаторе скачком измениться не может), то и, следовательно, .

Скачок напряжения от до через конденсатор С2 передается на вход элемента D2 и создает нежелательный отрицательный выброс напряжения . Чтобы исключить отрицательные выбросы на входах D1 и D2, резисторы R1 и R2 шунтируют диодами VD1 и VD2.

После момента времени t₁ конденсатор С1 начинает заряжаться с постоянной времени , а напряжение стремится к нулю с той же постоянной времени. По достижении напряжением порогового значения , при котором переключается элемент D1, напряжение скачком изменяется до значения, соответствующего логической единице, т.е. , что приводит к изменению напряжения , а, следовательно, . Таким образом, мультивибратор переходит в следующее квазиустойчивое состояние, за время которого происходят заряд конденсатора С2 и изменение напряжение с постоянной времени . При мультивибратор переходит в новое квазиустойчивое состояние, во время которого заряжается конденсатор С1, т.е. цикл повторяется.

В соответствии с временными диаграммами (рис. 5.11) длительность импульсов выходного напряжения U_вых2 определяется формулой

Длительность паузы между соседними выходными импульсами напряжения

,

где , — падение напряжения на резисторах R1, R2 от протекания входного тока элемента при низком уровне выходного напряжения ( ; );

– выходное сопротивление элемента при высоком уровне выходного напряжения. Обычно выбирают R1 = R2 = R.

Автоколебательный мультивибратор на операционном усилителе. Принципиальная схема и временные диаграммы работы автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе приведены на рис. 5.12.

При включении питания дифференциальное напряжение смещения, возникающее на входе ОУ за счет действия ПОС, образованной резисторами R1 и R2, скачком переводит операционный усилитель в режим ограничения выходного сигнала.

Пусть в момент времени t₀ на выходе ОУ устанавливается положительное максимальное напряжение . Вход 1 в момент времени t₀ оказывается заземленным по переменному току, так как напряжение на конденсаторе С при включении питания скачком измениться не может, т.е. . Напряжение на входе 2 определяется сопротивлениями резисторов R1 и R2 и равно .

После момента t₀ конденсатор заряжается с постоянной времени τ=RC и напряжение на нем, а следовательно, и на входе 1 ОУ изменяется, стремясь от нуля к значению . Напряжение на входе 2 остается неизменным. В момент времени t₁ напряжение достигает значения , т.е. , изменяется знак дифференциального входного напряжения ОУ, а выходное напряжение его скачком достигает своего отрицательного предела — .

Напряжение становится отрицательным и удерживает схему в состоянии ограничения, когда . Конденсатор С перезаряжается, а напряжение на нем стремится к . При происходит скачок выходного напряжения к положительному пределу.

Длительности квазиустойчивых состояний схемы определяются из формул:

;

Таким образом, схема генерирует импульсы со скважностью, равной двум. Для изменения частоты и скважности выходных импульсов можно: подключить резистор R2 к источнику напряжения или зашунтировать резистор R цепью, состоящей из последовательно соединенных резистора и диода VD (на рис. 5.13 эта цепочка показана пунктиром).

Вопросы для самопроверки.

1.Какие существуют типы генераторов?

2.Сформулируйте необходимые и достаточные условия существования автоколебательного режима работы в генераторах гармонических колебаний.

3.Приведите схему LC-генератора гармонических колебаний и поясните назначение ее элементов.

4.Приведите схему RC-генератора гармонических колебаний и поясните назначение ее элементов.

5.Какие устройства называют мультивибраторами?

6.Какую роль в мультивибраторах выполняют конденсаторы?

7.Приведите схему ждущего мультивибратора на логических элементах и укажите элементы схемы, которые определяют длительность, формируемых импульсов.

8.Что понимают под временем восстановления в ждущем мультивибраторе?

9. Какие существуют принципиальные отличия между схемами ждущих и автоколебательных мультивибраторов?

10. Приведите схему автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе и поясните принцип его работы.

Глава шестая

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Основные положения.

Вторичные источники питания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств. Предполагается, что вторичные источники в свою очередь получают энергию от первичных источников питания, вырабатывающих электричество — от генераторов, аккумуляторов и т. д. Питать электронные устройства непосредственно от первичных источников обычно нельзя.

Вторичные источники питания являются одними из наиболее важных устройств электроники. Например, часто надежность того или иного устройства электроники существенно зависит от того, насколько надежен его вторичный источник питания. Общепринято вторичные источники называть источниками питания.

Рассмотрим типичные структурные схемы источников питания, получающих энергию от промышленной сети с частотой 50 Гц.

Рассмотрим вначале источник питания без преобразователя частоты, структурная схема которого представлена на рис. 6.1.

Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения. Обычно трансформатор является понижающим. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее). Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает изменения напряжения на нагрузке (стабилизирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой.

Напряжение в сети обычно может изменяться в диапазоне +15. — 20% от номинального значения.

Рассмотренный источник питания является источником питания без преобразования частоты. Такие источники питания ранее использовались широко, однако в последнее время вместо них все чаще используют источники с преобразованием частоты. Причиной этого является то, что в источниках без преобразования частоты вес и габариты трансформатора, работающего на частоте 50 Гц, а также сглаживающего фильтра оказываются довольно большими. Тем не менее, рассматриваемые источники питания используются и в настоящее время.

Рассмотрим источник питания с преобразователем частоты (рис. 6.2.).

В этих источниках напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1. На выходе сглаживающего фильтра 1 создается постоянное напряжение, которое вновь преобразуется в переменное с помощью так называемого инвертора. Полученное переменное напряжение имеет частоту, значительно превышающую 50 Гц (обычно используют частоты в десятки килогерц). Затем напряжение передается через трансформатор, выпрямляется и фильтруется. Так как трансформатор в этой схеме работает на повышенной частоте, то его вес и габариты, а также вес и габариты сглаживающего фильтра 2 оказываются очень незначительными. Как и в предыдущей схеме, основная роль трансформатора состоит в гальванической развязке сети и нагрузки. Инвертор, трансформатор и выпрямитель 2 образуют конвертор — устройство для изменения уровня постоянного напряжения.

Необходимо отметить, что в такой схеме инвертор выполняет роль стабилизатора напряжения. В качестве активных приборов в инверторе используются транзисторы (биполярные или полевые). Иногда применяются тиристоры. В любом случае активные приборы работают в ключевом режиме (например, транзистор или включен и находится в режиме насыщения, или выключен и находится в режиме отсечки), поэтому источники питания с преобразованием частоты называют также импульсными. Однако следует иметь в виду, что и в источниках без преобразования частоты могут использоваться импульсные стабилизаторы, в которых транзисторы работают в ключевом режиме.

Рассматриваемые источники питания широко используются в современных устройствах электроники, в частности в компьютерах. Они обладают, как правило, значительно лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с рассмотренными выше источниками без преобразования частоты.

Перейдем теперь к рассмотрению отдельных элементов структурных схем источников питания.

Выпрямители.

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источниках целесообразно применять трехфазные выпрямители.

Выпрямители имеют следующие основные параметры:

а) среднее значение выходного напряжения

;

где Т — период напряжения сети (для промышленной сети — 20 мс);

б) среднее значение выходного тока

;

в) коэффициент пульсаций выходного напряжения

,

где — амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения.

Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.

Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.

При проектировании выпрямителя широко применяются также следующие параметры, характеризующие его внутренние особенности:

а) действующее значение входного напряжения выпрямителя;

б) максимальное обратное напряжение на отдельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение ;

в) среднее значение тока отдельного вентиля;

г) максимальное (амплитудное) значение тока отдельного вентиля.

Токи и принято выражать через . Значение используется для выбора вентиля по напряжению. Значения и используются для выбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малой тепловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его средний ток мал, но велик максимальный ток .

Однофазный однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, приведенную на рис.6.3,а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 6.3.б).

Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:

, ,

, ,

, ,

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Кроме прочего, характерной отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через трансформатор, как показано на рис. 6.3, в, то наличие указанной постоянной составляющей тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (рис. 6.4, а). Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 6.4, б).

Основные параметры такого выпрямителя получим аналогично тому, как это делалось ранее:

,

где — действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки;

, ,

, ,

, .

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. При его проектировании полезно помнить о сравнительно большом обратном напряжении на диодах.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 6.5, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора. Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара — это диоды D1 и D2, а другая — D3 и D4. Таким образом, к примеру, диоды D1 и D2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 6.5, б). Если не забывать мысленно, заменять каждый включенный диод закороткой, а каждый выключенный — разрывом цепи, то анализ работы этой схемы оказывается совсем нетрудным.

Основные параметры выпрямителя следующие:

, ,

, ,

, ,

.

Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.

Сглаживающие фильтры.

Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры — устройства, уменьшающие эти пульсации. Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания. По определению , причем и определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фактически совпадают, под понимают коэффициент пульсаций до подключения фильтра, а под — коэффициент пульсаций после его подключения. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации.На выходе фильтра напряжение оказывается хорошо сглаженным, а коэффициент пульсаций может иметь значения в диапазоне 0,001 . 0,00003.

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 6.6). Емкостной фильтр подключают параллельно нагрузке (рис. 6.6, а).

На отрезке времени t1. t2 диод открыт и конденсатор заряжается (рис. 6.6, б). На отрезке t2. t3 диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной времени . Ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t1. t2) . Чем короче отрезок t1. t2, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость очень велика, то отрезок t1. t2 оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может выйти из строя. Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел.

В качестве фильтра можно использовать и индуктивность. Легко доказать, что индуктивный фильтр (L-фильтр) практически не дает полезного эффекта в однофазном однополупериодном выпрямителе. Рассмотрим работу индуктивного фильтра на примере однофазного мостового выпрямителя. Индуктивный фильтр включают последовательно с нагрузкой (рис. 6.7, а). Часто используют катушку индуктивности (реактор) на магнитном сердечнике с зазором.

Предположим, что постоянная времени , определяемая выражением , достаточно велика (как это обычно бывает на практике). Тогда ток нагрузки оказывается практически постоянным (рис. 6.7, б).

Такой фильтр широко используется в выпрямителях, особенно мощных. Режим работы диодов (и соответствующих электрических цепей) не является тяжелым.

На практике используют также следующие типы фильтров (рис. 6.8): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RC-фильтр (б), П-образный LC-фильтр (в), П-образный RС-фильтр (г).

Обычно Г- и П-образные RС-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике применяют и другие, более сложные фильтры.

Рассмотрим внешние характеристики выпрямителей с фильтрами. Внешняя характеристика — это зависимость среднего значения выходного напряжения (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). При увеличении выходного тока выходное напряжение уменьшается из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра.

Рассмотрим типичные внешние характеристики (рис. 6.9), которые получают, изменяя сопротивление нагрузки, подключенное к выходу фильтра. Наклон внешней характеристики при том или ином токе , характеризуют выходным сопротивлением , которое определяется выражением

Чем меньше величина , тем меньше выходное напряжение зависит от выходного тока, что обычно и требуется.

Как следует из рис. 6.9, выпрямитель с RC-фильтром характеризуется повышенным выходным сопротивлением. Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.

Стабилизаторы напряжения.

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации , выходное сопротивление и коэффициент полезного действия .

Коэффициент стабилизации определяют из выражения

,

где , , — постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора;

— изменение напряжения ,

— изменение напряжения , соответствующее изменению напряжения .

Таким образом, коэффициент стабилизации — это отношение относительного изменения напряжения на входе к соответствующему относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора. Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного напряжения. У простейших стабилизаторов величина составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением

,

где — изменение постоянного напряжения на выходе стабилизатора;

— изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Источник