ТЕОРЕТИЧНІ ЕЛЕКТРОНІЧНІ СХЕМИ
C1.1 Перший підхід
C1.2 Ролі та загальні обмеження
Як тільки ми почуємо про електронні пристрої або схеми, ми обов’язково зустрінемо всередині силову частину. Насправді ми можемо навіть змінити міркування. Як тільки потрібне джерело живлення, нам доводиться мати справу з електронним пристроєм або ланцюгом.
Жодна електронна схема не може нічого забезпечити, якщо вона не може звідкись взяти електричну енергію! Стаціонарні пристрої, відомі як "стіл", отримують електричну енергію через електричну мережу, тоді як переносні пристрої отримують її від батарейок або акумуляторів.
На наведеній вище схематичній схемі вже висвітлено перше обмеження на ланцюгах живлення:
Вся електрична енергія, а отже, і вся електрична потужність, наявна на виході пристрою (або схеми), виводиться назовні і проходить через ланцюги, що складають джерело живлення.
Важливо, щоб силові схеми були розмірені так, щоб витримувати цю транзитну потужність, і перш за все, щоб вони приносили лише мінімум втрат. Як вчить нас фізика, будь-яка втрата перетворюється на тепло. Поняття ефективності буде важливим для конструкторів схем.
C1.3 Основні частини
За винятком деяких двигунів та великих промислових машин, всі електронні схеми потребують постійних напруг (або струмів). Однак переважна більшість "настільних" пристроїв підключені до електричної мережі, ми на практиці говоримо, що вони підключені до "сектору".
Напруга електричної мережі в нашій області становить 230 В. змінна, коливається з частотою 50 Гц. Це накладає на ланцюги живлення систему випрямлення напруги (або струму).
Трансформатор може бути присутнім для подачі декількох змінних напруг різних значень і для здійснення гальванічного розділення. Гальванічне розділення полягає у відокремленні сектору металевих частин рами апарату, званого "рамою" або "масою" апарату. Ми говоримо про "гарячий кадр", коли немає розділення або холодним чином. Гальванічне розділення також дозволяє підключати шасі до зовнішніх з'єднань пристрою.
Завжди присутній перший конденсатор безпосередньо на виході випрямляча, який називається буферним конденсатором. Це запобігає зниженню випрямленого чергування до нульових вольт. Це збільшує середню напругу постійного струму і, отже, зменшує залишкову напругу пульсацій.
Нарешті, електронні схеми не задовольняються будь-яким джерелом живлення, але для належної роботи їм потрібна безперервна напруга (або струм) з дуже великою стабільністю. Ось чому ми стикаємося зі схемами стабілізації або регулювання. Часові подання, які можна переглянути за допомогою осцилографа, ілюструють це обмеження: Рівень постійної напруги сигналу 1 дорівнює нулю Вольт U DCIN = 0В. Це приклад мережі 230 В/50 Гц.
Випрямлена напруга U DCMOY2 має більшу пульсацію, ніж напруга U DCMOY3 .
Але саме співвідношення U/U/DCMOY повинно бути якомога нижчим.
Потреба в дуже стабільному електроживленні вимагає ланцюгів живлення навіть у портативних пристроях, які, однак, живляться від безперервних генераторів (батарей або акумуляторів).
Три основні схеми випрямлень, описані нижче, дають огляд переважної більшості механізмів, що зустрічаються на практиці.
C1.4 Напівхвильове випрямлення
Це випрямлення отримують за допомогою діода послідовно з опором навантаження R ch. Це найпростіша схема випрямляча, з якою ми можемо зіткнутися.
Під час позитивної напівхвилі вхідної напруги діод D проводить і має на своїх затискачах 0,6 В. Вхідна напруга подається на опір навантаження R ch. Струм у R ch буде коштувати Î Rch = Û - 0,6/R ch .
якщо Û >> U j, то Î Rch = Û/R ch
Безперервне середнє значення, яке ми можемо виміряти на R ch:
U DCavg = (Û-0,6). 1/стор
а якщо Û >> 0,6 В, то U DCavg = Û. 1/стор
Під час негативної напівхвилі вхідної напруги діод D блокується і не дає струму протікати. Отже, напруга на R ch буде 0 В і на діоді
U D INV-MAX = Û.
C1.5 Полноволновое випрямлення
C1.5.1 Схема з двома діодами та трансформатором із середньою точкою
На цій першій блок-схемі показано монтаж, для якого потрібен трансформатор. Вторинна обмотка виконана з додатковим з'єднанням, що називається середньою точкою. Ця система випрямлення називається повнохвильовою випрямкою з двома діодами та трансформатором середньої точки.
Трансформатор слід розглядати як подвійний генератор змінних напруг, вихідні напруги яких U S1 = U S2, однакової полярності одночасно.
Для діодів, з іншого боку, напруга U AM є позитивною на аноді D 1, тоді як напруга U BM є негативною на аноді D 2 .
Під час позитивної напівхвилі U AM діод D 1 проводить, а ланцюг замикається R ch і середньою точкою трансформатора. Струм у R ch буде вартий
Î Rch = Û S1 - 0,6/R ch
а якщо Û >> U j, то Î Rch = Û S1/R ch
Середня пряма напруга на опорі навантаження R ch в цій системі випрямлення коштує вдвічі більше, ніж напівхвильове випрямлення, тобто
U DCavg = Û S1. 2/р (якщо U S1 >> 0,6 В)
Під час негативної напівхвилі діод D 1 блокується (U D INV. = Û S1), і діод D 2 вмикається. Схема замикається на R ch та середню точку. Струм у R ch має таке ж значення та той же напрямок, що і для позитивної напівхвилі.
Для роботи цієї збірки трансформатор є обов’язковим.
C1.5.2 Чотири діодна схема мосту, що називається мостом GRAETZ.
У цьому випадку, найбільш часто для великих струмів, два діоди проводять одночасно, тоді як два інших блокуються.
Два чергування знайдені на R ch і однакової полярності. Два чергування випрямлені, як і в попередньому випадку.
Діоди повинні витримувати зворотну напругу, рівну піковій напрузі U DINV = Û, а значення середньої напруги на резисторі навантаження дорівнює
U DCavg = (Û - 1,2). 2/стор
і U DCavg = Û. 2/р (якщо Û >> 1,2 В)
Кожна з цих схем випрямляча має свої переваги та недоліки, і всі ми зустрічаємо їх в аудіо-відео пристроях.
Робочі межі цих збірок визначаються максимальним прямим струмом діодів, а також максимальною зворотною напругою. Якщо будь-яка з цих двох характеристик перевищена, діод, про який йде мова, руйнується, або ламається, або закорочується.
C1.6 Схеми фільтрування Фільтрування джерела живлення полягає у зменшенні залишкових змін системи випрямлення або інших причин. Роль першого конденсатора (званого головним конденсатором або буферним конденсатором) полягає у запобіганні перетину нуля випрямленої напруги, як показано на малюнках нижче.
Ми говоримо про напругу пульсацій U і для вираження цієї зміни, а середню напругу постійного струму (U DC avg або U avg) для вираження прямої напруги, виміряної на вольтметрі. Ми часто приймаємо як наближення відношення Uond @ Ich/w × C
Призначення комірок RC або LC фільтра полягає у зменшенні напруги пульсацій. Відношення вхідної напруги пульсацій до вихідної пульсації називається коефіцієнтом фільтрування S. Якщо перевести у формулу, це дає S = U і вхід/U і вихід. Чим вищий коефіцієнт, тим краща фільтрація і менша вихідна напруга пульсацій.
RC-схеми є найпростішими і менш дорогими, але мають недолік зменшення середньої вихідної напруги. Підходить лише для слабких струмів.
Коефіцієнт фільтрації вартий:
LC-ланцюги мають кращий коефіцієнт фільтрації, але ефективні лише для відносно великих струмів (> 20-30 мА).
Коефіцієнт фільтрації вартий:
Для подачі пристрою, в якому проходить сигнал, зазвичай дуже малий на вході і великий на виході, фільтрація здійснюється послідовно. Хороша фільтрація повинна поглинати різні витрати на наступних стадіях.
Наприклад, джерело живлення 3-го етапу не повинно змінюватися незалежно від потужності, що подається на гучномовець.
Ми спостерігаємо, що фільтрація джерела живлення каскаду потужності (потужність HP) складається лише з буферного конденсатора. Перша комірка RC фільтрує джерело живлення на 2-й ступені, а додаткова комірка RC фільтрує 3-й ступінь. Як правило, напруга живлення постійного струму не має пульсацій, які не перевищують 1% від значення сигналу: хвиля U/сигнал U £ 1% .
C1.7 Схеми стабілізації напруги або стабілітрона
Якщо споживча стадія (Rch) прямого постачання вимагає дуже стабільної напруги, незважаючи на раптові або повільні коливання споживання. Це одне з частих застосувань стабілітронів, яке полягає у отриманні постійної напруги, незважаючи на зміну вхідної напруги та/або змінне споживання навантаження. Схема така:
Для роботи агрегату важливо, щоб стабілітрон працював у зоні пробою.
I ZMIN Z ZMAX з U Z @ U ZNOM = U Rch
Для цього потрібно буде перевірити, чи є достатня напруга на вході, та відстежувати, щоб струм на стабілітроні не опускався нижче мінімуму, що призведе до блокування діода. Регламент працює наступним чином:
а) Зміна вхідної напруги
Збільшення вхідної напруги спричиняє різке збільшення струму стабілітрона таким чином, що збільшення вхідної напруги + D u E відображається на послідовному резисторі RS (+ D u E = + D u RS). Тому напруга на навантаженні не змінюється.
б) Змінення струму зарядки
Збільшення сили струму в навантаженні призводить до зменшення сили струму на стабілітроні, який підтримує постійне падіння напруги в R S, а отже напруга на навантаженні не змінюється.
Ціною, яку потрібно заплатити, є потужність, що розсіюється діодом, який повинен витримувати зміни струмів, більші за зміни споживання резистора навантаження. Стабілізаційні схеми стабілізації знайдені для електронних схем малого сигналу, як вхідні, вимірювальні або керуючі схеми.
C1.8 Від простого регулятора до принципу регульованого живлення
Регульоване джерело живлення підтримує постійну вихідну напругу на резисторі навантаження, незважаючи на зміни опору навантаження та незважаючи на зміни вхідної напруги постійного струму. Стабілізація за допомогою стабілітрона не дозволяє протікати дуже високим струмам. Щоб подолати цей недолік, транзистор вставляється послідовно з резистором навантаження. Він діє як генератор керованого струму.
-
V + = U Z - U BE
C1.10 Аналіз регульованих транзисторних джерел живлення На наведеній нижче схемі наведено приклад реалізації регулятора напруги. Вихідна напруга регулюється. Перш за все, ми намагаємось розмежувати різні частини, що складають цю дієту. Потенціал випромінювача T 2 фіксується стабілітроном. (= U ref) Базовий потенціал T 2 залежить від V + і співвідношення дільника вимірювання R S1 - R pot -R S2 (= U mes)
Струм в резисторі R 3 залежить від I BT1 і, перш за все, від I CT2. Зміни I CT2 викликають зміну падіння напруги в R 3, що змінює напругу базового випромінювача транзистора T 2. Якщо струм, який вимагає навантаження, збільшується (R ch зменшується), транзистор T 2 буде проводити менше, а базовий потенціал T 1 збільшується. Підтримання вихідної напруги на постійному рівні діє безперервно. Це сам принцип регулювання. Тоді ми можемо легко розрахувати граничні значення вихідної напруги:
Оскільки потенціометр дозволяє змінювати відношення R 1/R 2, ми можемо легко розрахувати значення V + для обох кінців потенціометра. У прикладі схеми вище ми отримуємо такі граничні значення вихідної напруги:
U SMAX = 10,8 В і U SMIN = 9,3 В
C1.11 Обмеження вихідного струму
Збірка покращується шляхом вставки резистора низького значення R S послідовно зі струмом навантаження I Rch
Падіння напруги на цьому резисторі U RS дає показник напруги U ind пропорційний вихідному струму I Rch. Коли напруга U RS (= U BE3) перевищує 0,6 В, транзистор T 3 проводить, а напруга U BE1 транзистора T 1 зменшується. Це зменшення може спричинити блокування транзистора T 1 .
Ще один приклад схеми, яка працює з операційним підсилювачем. Це забезпечує керуючу напругу U BT1, пропорційну варіаціям вхідної напруги операційного підсилювача U EOP .
(U EOP = V E + - V E -) .
Зверніть увагу на зміну принципової схеми глави C 1.9 шляхом додавання блоку, який називається захистом.
C1.12 Вбудовані регулятори Це схеми регулювання, виготовлені в одній коробці невеликого обсягу, яка не потребує налаштування. Сьогодні найбільш часто зустрічаються регулятори - це триконтактні схеми. Приклад: джерело живлення 5 В/1 А Вхідний конденсатор, як правило, розташований поблизу регулятора, щоб запобігти коливанню інтегральної схеми. Вихідний конденсатор допомагає зменшити короткі пульсації (перехідні процеси). Інтегральна схема (IC) забезпечує стабільну напругу між вихідною клемою (2) і проміжною клемою (3), напруга називається U рег. ІС підтримує цю регульовану напругу, якщо вхідна напруга щонайменше на 2-3 вольта перевищує регулюючу напругу U рег .
У цьому випадку формула для розрахунку вихідної напруги має вигляд:
і якщо хвостовий струм I Q незначний порівняно з I Rch, формула стає:
Струм I Q є дуже низьким струмом порівняно з основним струмом I Rch. Це дозволяє сказати, що потужність, що розсіюється інтегральною схемою, коштує приблизно:
Залежно від зовнішнього підключення можна отримати два різні способи використання:
Регульована вихідна напруга Регульований струм заряду
Дві ланцюги часто використовуються для розділених джерел живлення (+ 15 В і -15 В, наприклад), або чотиритермінальної схеми:
Нарешті, перетворювачі постійного струму постійного струму, вхідна напруга яких подає квадратний генератор (генератор 20 кГц), який приводить в дію трансформатор з подальшим випрямленням та регулюванням ІС. Збірка, звичайно, повинна пропускати весь струм, який вимагає навантаження, що часто призводить до значного розсіювання потужності. Вихідна напруга може бути вище вхідної напруги. Нижче наведено приклад інтегрованого регулятора LM 723, який при такому підключенні дозволяє отримати позитивну або негативну змінну напругу. Він поставляється в упаковці TO-5 або DIL. Тут, хоча і старої конструкції, ми маємо джерело живлення, яке забезпечує + 10 В/600 мА.
C1.13 Помножувачі напруги Помножувачі напруги, як правило, використовуються для отримання високих напруг від декількох сотень до декількох тисяч вольт. Принцип заснований на заряді конденсатора через діод під час чергування вхідної змінної напруги. Повторюючи цю збірку, ми отримуємо дублери, триплери або навіть множники напруги.