ку и диод VD3. При этом изменится также направление тока через нагрузку, а следовательно, и знак выходного напряжения.

При работе фазочувствительного усилителя на дифференциальную (со средней точкой) нагрузку (обмотки дифференциального реле, обмотки управления магнитных усилителей и т. д.) широко распространена схема усилителя, данная на рис. 8.15.

Ecoswt

Рис. 8 16

В отсутствие входного сигнала (напряжение С/бэ 0) коллекторные токи транзисторов малы. В положительный полупериод переменного опорного напряжения ( -)- в точке а, - в точке б) в зависимости от фазы входного сигнала, протекает ток через VT, или VT2. При этом на выходе схемы создается напряжение, полярность которого зависит от фазы входного сигнала. В отрицательный полупериод опорного сигнала ( -Ь в точке б, - в точке а) запираются диоды VDi и VD2, препятствуя прохождению тока через транзисторы в обратном направлении

Расчет фазочувствительного усилителя (рис. 8.15) производится по одному из плеч схемы, представляющего собой усилитель среднего значения тока (рис. 8.16, а).

Предположим, что напряжение питания транзистора изменяется по косинусоидальному закону е„кт=иопПтр=Е cosat (рис. 8.16, б). Так как на нагрузочном конденсаторе Сн поддерживается постоянное напряжение, а напряжения е„яг и Uho в течение проводящего полупериода направлены встречно, то коллекторный ток протекает только в пределах угла отсечки G. В остальное время проводящего полупериода диод в коллекторной цепи транзистора заперт и коллекторный ток отсутствует. Угол отсечки можно определить из формулы

cos B = UJE. > (8.43)

среднее значение коллекторного тока / о найдем из формулы

/ 0= 1/2я Г cos wtdut = IJn sin б. (8.44)

Записав f/ o = £cos6, найдем мощность в нагрузке усилителя среднего тока

Я = (£созб)2/;? . (8.45)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, определяемся из формулы

+е

Як j (£ cos - t/но) 4 cos 4>td4>t.

зяв интеграл, получим

Я =0,25/но/но f 1------] (8.46)

но но 2 sin 26 sin в У

Формулы (8.44), (8.45) и (8.46) позволяют выбрать оптимальный угол отсечки G. Действительно, из формулы (8.44) следует, что при небольших углах отсечки для обеспечения заданного /ио потребуется большая амплитуда коллекторного тока. При больших значениях G возрастает амплитуда напряжения питания, необходимая для обеспечения заданной мощности Рц и напряжения и.о.

Формула (8.46) показывает, что мощность рассеяния уменьшается при 6<; (30... 40)°. Поэтому углы 0 = 30-40° являются оптимальными при расчете параметров усилителя среднего тока.

Недостатком схемы фазочувствительного усилителя (см. рис. 8.15) является ее нечувствительность к малым входным сигналам из-за нелинейности входной характеристики транзистора. Для устранения этого недостатка одну из обмоток трансформатора опорного напряжения включают в базовую цепь транзисторов, создавая напряжение смещения, обеспечивающее достаточное значение базовых токов транзисторов, зависящих от амплитуды и фазы входного сигнала.

§ 8.5. Управляемые выпрямители и инверторы

В источниках питания выпрямленное напряжение, как правило, постоянно. При необходимости регулировку выпрямленного напряжения можно осуществить с помощью автотрансформатора, включенного в цепь переменного тока, или потенциометра в цепи выпрямленного тока. Такие способы регулирования просты, но Имеют много недостатков, главными из которых являются гро-

моздкость и малая надежность регулировочных элементов, значительное потребление энергии и соответственно малый коэффициент полезного действия.

Устранить эти недостатки позволяют схемы выпрямителей, построенные на управляемых вентилях - тиристорах. Такие схемы широко распространены для питания устройств, у которых значение выпрямленного напряжения изменяется часто и в широких пределах, например в электроприводе.

Схема однополупериодного управляемого выпрямителя представлена на рис. 8.17, а.

Тиристор включается в момент подачи на управляющий электрод импульса напряжения. При этом сопротивление тиристора уменьшается и выходное напряжение повторяет форму входного напряжения (рис. 8.17, б).

Регулировка выпрямленного напряжения заключается в изменении момента включения тиристора. Угол сдвига фаз между напряжением включения тиристора и входным напряжением называется углом управления а.

Управление величиной угла а в схеме рис. 8.17, а осуществляют с помощью фазовращающей ЯС-п,еик, состоящей из резисторов /?1 и /?2 и конденсатора С.

Представленная схема иллюстрирует принцип управления тиристором, однако на практике используется очень редко, так как управляющее напряжение нарастает плавно и момент включения тиристора фиксируется нечетко, что отражается на качестве регулирования.

В высококачественных преобразовательных установках для выработки и перемещения во времени переключающих импульсов, осуществляющих изменение угла управления а служат специальные схемы, называемые системами управления.

Основными элементами систем управления выпрямителей являются: 1) входное устройство, предназначенное для синхронизации управляющего напряжения с напряжением сети; 2) фазосдви-гающее устройство, перемещающее управляющий сигнал во времени на угол а относительно входного напряжения; 3) выходное устройство, которое формирует и усиливает, если это необходимо, управляющий импульс требуемой амплитуды и формы.

Схема двухполупериодного управляемого выпрямителя и временные диаграммы его работы приведены на рис. 8.18, а, б. В интервале времени от О до оба тиристора выключены, и ток через них не протекает .(рис. 8.18, б). При поступлении управляющего импульса в момент времени ti, соответствующий фазному углу а,

включается тиристор VDi, напряжение на нем падает до значения Щст^О и остается равным {/ост до момента времени t2, соответствующему (ot=n. В момент времени ti тиристор VDi выключается. В интервале времени от t2 до /з оба тиристора остаются выключенными. В момент поступления управляющего импульса ta включается тиристор VDj. В дальнейшем процессы повторяются.

Рис. 8 18

Среднее значение выпрямленного напряжения в схеме рис. 8.18, а при угле управления а

Uo, = il/n) [-/2172 sin 4>tdwt =

/2С/2

(1-f COS a)=U,

00

1 -f- cos a

(8.47)

где {/2 = /2= f/2 - эффективное значение напряжения вторич-

2 Y2

ной полуобмотки трансформатора; IJqo=-t/j-значение вы-

прямленного напряжения при а = 0.

Выражение (8.47) позволяет построить зависимость Loa от а, которая называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя (рис. 8.19). Из рисунка видно, что при чисто активной нагрузке предельный угол управления, соответствующий i/oa = 0, равен 180°.

Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре при

равно двойной амплитуде напряжения на вторичной полуобмотке трансформатора:

(8.48) 177

Рис. 8.19

так как при включении тиристора, например, VD, к выключенному тиристору VDa прикладывается сумма мгновенных значений напряжений вторичных полуобмоток трансформатора, т. е. Uotp -

Задавая определенный режим, управляемый выпрямитель можно использовать в качестве инвертора.

Выпрямитель

Рнс. 8 20

Рис 8 21

Инвертор - устройство, преобразующее постоянный ток в переменный заданного значения и частоты. Применяется для передачи энергии постоянного тока, в электроприводе постоянного тока, для преобразования частоты и т. д.

В выпрямительном режиме работы преобразователя мощность из сети переменного тока поступает к потребителю постоянного тока, а в инверторном мощность из сети постоянного тока поступает к потребителю переменного тока.

Рассмотрим возможность перехода от выпрямительного режима к инверторному схемы двухполупериодного управляемого выпрямителя (рис. 8.20, а), нагрузкой которого является электро-

двигатель постоянного тока с противо-ЭДС Ео. Для упрощения анализа пренебрежем активными потерями и индуктивностью рассеяния в обмотках трансформатора. Временные диаграммы напряжения и токов на рис. 8.21, а иллюстрируют работу преобразователя в качестве выпрямителя. При углах управления а-<90° среднее значение выпрямленного напряжения преобразователя Uoa. положительно (на рис. 8.20, а -)- в точке а, - в точке б) и превышает значение ЭДС Ео, которая направлена встречно напряжению f/oa. Следовательно, направление тока через нагрузку (двигатель) будет определяться направлением напряжения f/oa, т. е. преобразователь будет отдавать мощность в нагрузку, а электродвигатель- являться потребителем мощности. При а=90° напряжение (Уоа равно нулю (рис. 8.21, б) и преобразователь отдает в нагрузку только реактивную мощность.

Чтобы перейти от выпрямительного режима к инверторному, необходимо изменить на противоположные полярности напряжения на выходе преобразователя и ЭДС электродвигателя £ 0. При этом ток /о должен протекать под действием ЭДС £0 в сторону, противоположную действию напряжения [/ор. Тогда электродвигатель становится генератором постоянного тока, который отдает мощность, а преобразователь - потребителем мощности. Изменение полярности ЭДС электродвигателя осуществляется путем изменения направления тока в обмотке возбуждения при работе двигателя от источника механической энергии.

Изменить полярность напряжения преобразователя можно установкой такого угла управления, при котором тиристоры включались бы при отрицательном напряжении на трансформаторных обмотках.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу преобразователя в инверторном режиме (см. рис. 8.20, б), представлены на рис. 8.21, в, г.

При 90°-<а<180° среднее значение напряжения преобразователя [/ов отрицательно ( + в точке б, - в точке а) и преобразователь работает как инвертор. При анализе инверторного режима обычно пользуются так называемым углом опережения р = = л-а, отсчет которого ведут от момента времени (о<=я.

В инверторном режиме время выключения тиристора /выкл не должно превышать времени, соответствующего значению Pmin. Иначе произойдет повторное включение тиристора, например в момент времени й<=я, когда напряжение на нем станет положительным (рис. 8.21, в).

При p>Pmin осуществляется поочередная работа тиристоров, так как напряжение на включаемом тиристоре выше напряжения на выключаемом.

Влияние индуктивности рассеяния обмоток трансформатора на работу инверторов заключается в том, что токи включаемого и выключаемого тиристоров будут изменяться не скачком, а посте-

пенно в течение времени, соответствующего некоторому углу коммутации у. Это приводит к тому, что напряжение инвертора увеличивается, так как в течение времени, соответствующего углу коммутации, оба тиристора работают одновременно и инвертор создает напряжение, равное полусумме напряжений обмоток трансформатора.

Рис. 8 22

О^ Тс

го, а

чви\ го.

2Г

Рис. 8 23

В рассмотренной схеме инвертора коммутация тиристоров производится с частотой сети от системы управления (СУ), т. е. частота напряжения инвертора задается сетью переменного тока. Такие инверторы называются инверторами, ведомыми сетью.

Если инвертор работает на автономную нагрузку, а частота коммутации тиристоров определяется частотой управляющих импульсов специальной сети управления, то такой инвертор называется автономным.

Различают инверторы тока и напряжения. Инверторы тока питаются от источника постоянного напряжения £0 через дроссель с большой индуктивностью (рис. 8.22, а). Поэтому ток /о во входной цепи инвертора практически не изменяется при коммутации тиристоров.

При поочередном переключении пар тиристоров VDi, VD4 и VD2, VD3 в нагрузку поступает ток прямоугольной формы (при Loo). Значение и форма выходного напряжения зависят от нагрузки 2н (рис. 8.22, б).

Питание инвертора напряжения осуществляется непосредственно от источника напряжения Ео (рис. 8.23, а). Для обеспечения

постоянства питающего напряжения при коммутации тиристоров параллельно входу инвертора подключают конденсатор большой емкости.

При поочередном переключении пар тиристоров VDi, VD4 и VD2, VD3 с нагрузки снимается напряжение прямоугольной формы (при С-оо), а значение и форма выходного тока зависят от нагрузки 2н (рис. 8.23, б).

Вопросы и задачи для самопроверки

1. Определить максимальное значение тока / т, протекающего через нагрузку Rh=100 Ом однополупериодной схемы выпрямителя иа полупроводниковом диоде (рис. 8.4, а). Амплитуда синусоидального напряжения вторичной обмотки входного трансформатора {)вх2=6 В. Прямое сопротивление диода Гпр=20 Ом. Обратное сопротивление следует считать очень большим. Ответ. /чт = 0,05 А.

2. Определить значение и направление тока, протекающего через нагрузку i?n=10 кОм однополупериодной схемы выпрямителя на полупроводниковом диоде во второй полупериод, когда диод закрыт. Амплитуда синусоидального напряжения входной (первичной) обмотки трансформатора (/вх=100 В. Обратное сопротивление диода / обр=40 кОм. Коэффициент трансформации nip=0,l. Ответ. / =0,2 мА.

3. Доказать, что полупроводниковый диод с максимально допустимым током /доп=100 мА и напряжением t/o6pmax=100 В, прямым сопротивлением / пр=50 Ом можно использовать в схеме однополупериодного выпрямителя, работающего яа активную нагрузку /? = 250 Ом. Амплитуда синусоидального входного сигнала /вх = 5 В. Числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно равны 1 = 100, 2=200.

4. Определить максимальное значение тока, протекающего через нагрузку /?н = Э5 Ом двухполупериодной схемы выпрямления на полупроводниковых диодах (рнс 8 5, а) Амплитуда синусоидальною входного сигнала t/Bx=10 В. Коэффициент трансформации Лтр=2. Прямое сопротивление диода / пр=5 Ом. Обратное сопротивление очень большое Ответ. /итах = 0,1 А

5. Определить максимальное значение выходного напряжения двухполупериодной схемы выпрямителя на полупроводниковых диодах Амплитуда синусоидального входного сигнала (/вх = 6 В. Числа витков первичной и вторичной обмоток входного трансформатора соответственно равны Ш1 = 100, и.2 = 200 Сопротивление резистора нагрузки 7?н=100 Ом, прямое сопротивление диода Гпр= =20 Ом. Влияние обратного сопротивления диода на выходной сигнал можно не

учитывать. Ответ. t/ max=10 В.

6. Доказать, что полупроводниковый диод с максимально допустимым обратным напряжением Uoep max можно использовать только в однополупериодной схемы выпрямителя. Амплитуда выходного напряжения (/ тах = 50 В. Влиянием прямого и обратного сопротивлений диода на выходное напряжение можно пренебречь.

7. Определить максимально возможную амплитуду синусоидального входного сигнала двухполупериодной схемы выпрямления на полупроводниковых диодах с допустимым обратным напряжением (/обртах=20 В. Коэффициент трансформации равен 4. Ответ. L/ixim = 5 В.

8. Определить постоянную составляющую выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя, если амплитуда выпрямленного напряжения равна 25 В. Ответ. (/0=16 В,

9. Определить максимальное значение тока в нагрузке R =80 Ом мостовой схемы (рис. 8.6, а). Прямое сопротивление диодов схемы Гпр=10 Ом. Влияние обратного сопротивления диодов на выходной сигнал можно не учитывать. Коэффициент трансформации равен 2. Амплитуда синусоидального входного сигнала £/вх = 5 В. Ответ, /н max = 0,1 А.

10. Определить максимальное значение выходного напряжения мостовой схемы выпрямления, выполненной на полупроводниковых диодах. Прямое сопро. тивлеиие диодов Гпр=10 Ом, сопротивление резистора нагрузки 7? =100 Ом, амп'. литуда синусоидального входного сигнала 2 В. Числа витков первичной и вто! ричиой обмоток входного трансформатора соответственно равны 20 и 120. Ой. ратное сопротивление диода считать большим. Ответ. t/ max = 10 В.

11. Какое максимально допустимое обратное напряжение должны иметь полупроводниковые диоды, работающие в мостовой схеме выпрямления, если максимальная амплитуда входного напряжения равна 100 В?

12. Определить прямое сопротивление полупроводниковых диодов, работающих в мостовой схеме выпрямления, если при амплитуде синусоидального напряжения на вторичной обмотке входного трансформатора C/bi2 = 16 В ток в нагрузке R = 50 Ом равен 0,2 А. Ответ. г„р=15 Ом.

13. Почему емкостный фильтр включается параллельно нагрузке (рис. 8.8, а)? Какое условие необходимо выполнить для обеспечения хорошего сглаживания выходного напряжения?

14. Определить емкость конденсатора, подключенного к выходу двухполупериодной схемы выпрямления для обеспечения коэффициента сглаживания Кс = = 100. Частота входного сигнала fi = 50 Гц, сопротивление резистора нагрузки Rh=\ кОм. Ответ. СфЗЗЗ мкФ.

15. Определить коэффициент пульсаций на выходе мостовой схемы выпрямления, работающей на активно-емкостную нагрузку /? =10 кОм, С„=15 мкФ. Частота входного сигнала =50 Гц. Ответ. йпн=0,014.

16. Почему индуктивный фильтр включается последовательно с нагрузкой (рис. 8.8, б)? Какое условие необходимо выполнить для обеспечения хорошего сглаживания выходного напряжения с помощью индуктивного фильтра?

17. Определить индуктивность дросселя, подключенного к выходу выпрямителя для обеспечения коэффициента сглаживания Кс = 50. Частота входного сигнала }i = 50 Гц, сопротивление резистора нагрузки j? = 100 Ом. Ответ. Ьф16 Гн.

18. Определить коэффициент пульсаций иа выходе двухполупериодной схемы выпрямления, работающей на нагрузку, состоящую из последовательно соединенных дросселя L = 2 Гн и резистора /? = 60 Ом. Частота входного сигнала /i=50 Гц. Ответ. йп = 0,064.

19. Какой тип фильтра целесообразно использовать при работе выпрямителя на активную нагрузку: а) R =10 кОм, б) /? =40 Ом?

20. Определить коэффициент сглаживания Г-образного фильтра, имеющего параметры La = 6 Гн, Сф=25 мкФ. Частота входного сигнала /i = 50 Гц. Ответ. /(с =150.

21. Определить частоту входного сигнала двухполупериодного выпрямителя, необходимую для обеспечения коэффициента сглаживания /Сс=99, если к выходу выпрямителя подключен Г-образный сглаживающий фильтр с параметрами Ьф = =4 Гн, Сф=4- Ю-* Ф. Ответ. /i40 Гц.

ГЛАВА 9 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

§ 9.1. Параметрические стабилизаторы

Стабилизаторы напряжения. При проектировании источников питания электронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности питающего напряжения. Как медленные, так*и быстрые колебания (пульсации) напряжения питания существенно изменяют режим и параметры электронной схемы. При-

чинами нестабильности могут быть колебания напряжения и частоты питающей сети, изменения нагрузки, пульсации выпрямленного напряжения, колебания нагрузки и влажности окружающей среды. Например, для питания измерительных устройств, работающих с точностью 0,1%, требуется стабильность напряжения питания не хуже 0,01%.

Основные параметры стабилизаторов напряжения следующие:

1) коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности

- = Я„/Язх-(н/ )/(вх/вх); (9.1)

2) коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора AUbx/Ubx к относительному приращению напряжения на нагрузке AUh/U при постоянной нагрузке:

К„= tUjU: A;/ / l/?=const; (9.2)

3) выходное сопротивление, показывающее, во сколько раз изменится напряжение на выходе стабилизатора Д{/н при изменении тока нагрузки

п и,

Авых -~Г

При питании усилителей большое выходное сопротивление стабилизатора приводит к появлению паразитных обратных связей через источник питания, вызывающих изменения параметров усилителей и даже самовозбуждение. Поэтому снижение выходного сопротивления стабилизатора является важной задачей.

Высокую стабильность напряжения питания позволяют получить схемы стабилизаторов напряжения, использующие нелинейные элементы, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где напряжение слабо зависит от тока. Такую вольт-амперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис. 9.1, б).

Схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, приведена на рис. 9.1, а. Свойства такого стабилизатора определяются в основном параметрами стабилитрона.

В этой схеме колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят только к изменению тока через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, остается почти неизменным.

Действительно, входное напряжение распределяется в схеме Между балластным резистором и стабилитроном, т. е.

Ubx=UrU , (9.4)

Де t jg=(/ -l-/g)/?6 падение напряжения на резисторе Rt от иротекания токов стабилитрона /ст и нагрузки /д.