Основы электроники \

ника. Диаграмма соответствует такой частоте, при которой модуль реактивного сопротивления конденсатора равен R, т. е. f=\l2uRC. Из диаграммы видно, что отношение выходного напряжения ко входному составляет 1/2, т. е. -3 дБ.

Угол между векторами определяет фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением. Например, в точке 3 дБ выходная амплитуда равна входной, поделенной на/ 2, а сам выходной сигнал опережает входной по фазе на 45°. Графически метод дает наглядное представление о величинах амплитуд и соотношении фаз в /LC-цепях. Например, с помонхью этого метода можно определить характеристику фильтра высоких частот, которую мы уже получили раньше с помощью алгебраических преобразований.

Упражнение 1.22. Пользуясь методом векторной диаграммы, получите характеристику /?С-фильтра высоких частот:

Упражнение 1.23. На какой частоте ослабление /?С-фильтра низких частот будет равно 6 дБ (выходное напряжение равно половине входного)? Чему равен фазовый сдвиг на этой частоте?

Упражнение 1.24. Папьзуясь методом векторной диаграммы, получите характеристику фильтра низких частот, выведенную выше алгебраическим путем.

В следующей главе (разд. 2.08) приводится интересный пример использования векторной диаграммы для построения фазосдвигающей схемы, дающей постоянную амплитуду.

1.21. Полюсы и иаклои в пределах октавы

Еще раз рассмотрим характеристику ?С-фильтра низких частот (рис. 1.55). Вправо от точки перегиба графика выходная амплитуда убывает пропорционально 1 . В пределах одной октавы (одна октава как в музыке, соответствует изменению частоты вдвое) выходная ам плитуда уменьшается вдвое, т. е. ослабление составляет -6 дБ; еле довательно, простой /?С-фильтр обеспечивает ослабление 6 дБ/октаву Можно конструировать фильтры, состоящие из нескольких ?С-сек ций: тогда получим значения спада 12 дБ/октава (для двух /?С-секций) 18 дБ/октава (для трех секций) и т. д. Так обычно описывают поведе ние фпльтра на частотах, лежащих за пределами полосы пропускания Если фильтр состоит, например, из трех /?С-секций, то его часто назы вают трехполюсным . (Слово полюс связано с методом анализа схем который не рассматривается в этой книге. В нем используется коми лексная передаточная функция на комплексной частотной плоскости которую инженеры называют s-плоскостью.)

При работе с многокаскадными фильтрами следует учитывать одну особенность. Каждый новый каскад существенно нагружает предыдущий (так как они идентичны между собой), и это приводит к тому, что результирующая характеристика не является простой совокуп-

Г лат 7

ностью характеристик составляющих каскадов. Напомним, что при выводе характеристики простого /?С-фильтра мы условились, что источник имеет нулевой импеданс, а нагрузка - бесконечный. Один из способов устранения влияния каскадов друг на друга состоит в том, чтобы каждый последующий каскад имел значительно больший импеданс, чем предыдущий. Еще эффективнее использовать в качестве межкаскадных буферов активные схемы на транзисторах или операционных усилителях (ОУ), т. е. строить активные фильтры. ЭтИ!У1 вопросам посвящены гл. 2-4.

1,22. Резонансные схемы и активные фильтры

Конденсаторы, которые используются в специальных схемах, называемых активными фильтрами, а также в сочетании с индуктивно-стями, позволяют заострять частотную характеристику схемы (по сравнению с пологой характеристикой /?С-фильтра характеристика такой схемы на некоторой частоте имеет большой резкий всплеск). Подобные схемы находят применение в устройствах, работающих в диапазоне звуковых частот и радиочастот. Итак, познакомимся с LC-цепями (подробному анализу этих цепей и активных фильтров посвящены гл. 4 и приложение 3).

Начнем со схемы, представленной на рис. 1.57. На частоте / реактивное сопротивление LC-контура равно

1 1,1 1 I \

или Zic=: [(l/cDL)-соС].

LC-контур в сочетании с резистором R образует делитель напряжения; в связи с тем что индуктивность и конденсатор противоположным

1,0г

-ii:=>

ВЫХ

Х-

Рис. 1.57.

Рис. 1.58.

образом реагируют на изменение частоты, импеданс параллельной LC-цепи на частоте /о=1/2л (LC)/ стремится к бесконечности - на характеристике при этом значении частоты должен наблюдаться резкий всплеск. График такой характеристики представлен на рис. 1.58.

В действительности пик характеристики сглажен за счет потерь в индуктивности и конденсаторе, однако если схема сконструирована Корошо, то эти потери очень невелики. Если же хотят специально сгла-

дить характеристику, то в схему включают дополнительный резистор, ухудшающий добротность контура Q. Такая схема называется параллельным резонансным £С-контуром или избирательной схемой. Она широко используется в радиотехнике для выделения из всего частотного диапазона сигналов некоторой частоты усиления {L или С могут быть переменными, и с их помощью можно настраивать резонансный контур на определенную частоту). Чем выше импеданс источника, тем острее пик характеристики; как вы вскоре убедитесь, в качестве источника принято использовать устройство типа источника тока. Коэффициент добротности Q позволяет оценивать характеристику контура: чем больше добротность, тем острее характеристика. Добротность равна резонансной частоте, поделенной на ширину пика, определенную по точкам -3 дБ.

Другой разновидностью LC-схем является последовательна^] LC-схема (рис. 1.59). Используя выражения для импеданса, можно пока-

вых

S1,0

=l/ZW-(iC)

Рис. 1.59.

Рис. 1.6

зать, что импеданс последовательной LC-схемы стремится к нулю на частоте/о= l/2n{LCy; такая схема на резонансной частоте или вблизи нее как бы захватывает сигнал и заземляет его. Эта схема, так же как и предыдущая, применяется в основном в радиотехнике. На рис. 1.60 изображена ее характеристика.

Упражнение 1.25. Выведите выражение для характеристики (определяющей зависимость отношения Свыхвх от частоты) схемы с последовательным £С-КонтуроМ( показанной на рис. 1.56.

1.23. Другие примеры использования конденсаторов

Конденсаторы являются необходимым компонентом не только для фильтров, резонансных, дифференцирующих и интегрирующих схем, но и для ряда других немаловажных схем. Более подробно мы поговорим об этих схемах позже, а сейчас просто ознакомимся с ними.

Шунтирование. Импеданс конденсатора уменьшается с увеличением частоты. На этом основано использование конденсатора в качестве шунта. Бывают такие случаи, что на некоторых участках схемы должно присутствовать только напряжение постоянного или медленно меняющегося тока. Если к этому участку схемы (обычно резистору) параллельно подключить конденсатор, то все сигналы переменного

1.24. Обобщенная теорема Тевенииа об эквивалентном преобразовании (эквивалентном генераторе)

Для схем, включающих конденсаторы и индуктивности, теорема об эквивалентном преобразовании должна быть сформулирована следующим образом: всякая схема, имеющая два вывода и содержащая резисторы, конденсаторы, индуктивности и источники сигналов, эквивалентна цепи, представляющей собой последовательное соединение одного комплексного импеданса и одного источника сигнала. Как и прежде, эквивалентный импеданс и источник определяют по выходному напряжению разомкнутой цепи и по току короткого замыкания.

тока на резисторе будут устранены. Конденсатор выбирают так, чтобы его импеданс был малым для шунтируемого сигнала. В последующих главах вы встретите множество примеров шунтирования сигналов с помощью конденсатора.

Фильтрация в источниках питания. Обычно, говоря о фильтрации в источниках питания, имеют ввиду накопление энергии. Практически при фильтрации происходит шунтирование сигналов. В электронных схемах обычно используют напряжение постоянного тока, которое получают путем выпрямления напряжения переменного тока сети (процесс выпрямления мы рассмотрим дальше в этой главе). Часть составляющих входного напряжения, которое имело частоту 60 (50) Гц, остается и в выпрямленном напряжении, от них можно избавиться, если предусмотреть шунтирование с помощью больших конденсаторов. Шунтирующие конденсаторы - это как раз те круглые блестящие элементы, которые можно увидеть внутри большинства электронных приборов. О том, как конструировать источники питания и фильтры, мы поговорим позже в этой главе, а затем, в гл. 5, еще раз вернемся к этому вопросу.

Синхронизация и генерация сигналов. Если через конденсатор протекает постоянный ток, то при заряде конденсатора формируется линейно нарастающий сигнал. Это явление используют в генераторах линейно изменяющихся и пилообразных сигналов, в генераторах функций, схемах развертки осциллографов, в аналого-цифровых преобразователях и схемах задержки. Для синхронизации используют также ДС-пепи, и на их основе строят цифровые схемы задержки (ждущие мультивибраторы). Во многих областях электроники используют конденсаторы для синхронизации и генерации сигналов, и именно об этих применениях конденсаторов вы более подробно узнаете из гл. 3, 4, 8 и 9.

ДИОДЫ и ДИОДНЫЕ СХЕМЫ 1.25. Диоды

Элементы, которые мы рассматривали до сих пор, относятся к лм-нейным. Это значит, что удвоение приложенного сигнала (скажем, напряжения) вызывает удвоение отклика (скажем, тока). Этим свойством обладают даже реактивные элементы, конденсаторы и индуктивности. Рассмотренные элементы являются также пассивными, т. е. они не имеют встроенного источника энергии. И, кроме того, все эти элементы имеют по два вывода.

Днод 1 Катод р^, 1 д,

д1юд (рис. 1.61) представляет собой пассивный нелинейный элемент сдв>мя выводами. Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 1.62. (Придерживаясь принятого нами подхода, не будем объяснять физику явлений, определяющих функционирование этого элемента.)

На условном обозначении направление стрелки диода (так обозначают анод элемента) совпадает с направлением тока. Обратный ток для диодов общего применения измеряется в наноамперах (обратите внимание на разный масштаб измерений по оси абсцисс для прямого н обратного тока), и его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока напряжение на диоде не достигнет значения напряжения пробоя (это напряжение называют также пиковым обратным напряжением). Для диодов общего назначения типа 1N914 напряжение пробоя составляет обычно 75 В. (Как правило, на диод подают такое напря-20мДр, жение, которое не может вызвать про-

бой; исключение составляет уггомя-путый ранее зенеровский диод.) Ча-10мА- /п Ще всего падение напряжения па

ткрыт диоде, обусловленное прямым током -JOO В -50 В / через него, составляет от 0,5 до 0,8 Б.

J-. \У г 1 Таким падением напряжения можно

1мкА

2мкА

ib 2б пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении. К другим важнейшим характеристикам, отличающим существующие типы диодов друг от друга, относят: р^ J g2 максимальный прямой ток, емкость, ток утечки и время восстановления об-

ратного сопротивления (см. табл. 1.1, в которой приведены характеристики некоторых типов диодов).

Прежде чем начинать рассматривать схемы, содержащие диоды, отметим два момента: 1) диод не обладает сопротивлением в указанном выше смысле (не подчиняется закону Ома); 2) схему, содержащую диоды, нельзя заменить эквивалентной.

Диоды

Таблцца 1.1

Тип

< а: г

Средние значения за неограниченный интервал времени

Е

Класс

Примечания

PAD-1

FJT1100 IN3595 IN914 \ IN4148/

IN6263

IN3062

IN4305 IN4002 IN4007 IN5625

1N1183A

30 150

75 100 1000 400

1 пА при

20 В

0,001 3

50 50 50 50

1000

0,75 0,4

<1.0

0,6 0.9 0,9 М

10 10

20 I

1000 1000 5000

40000

Самый малый ток /обр Очень малый ток /обр

Малый ток / обр

Сигнальный диод широкого применения

Диод Шоттки: малое напряжение 6прям

Сигнальный днод, малая емкость

1 Гарантируется U j, (Выпрямительный на 1 А Выпрямительный на 5 А

Выпрямитель на большие токи

Siliconix

1 пА при 5 В; 10 пА при 15 В

1 нА при 125 В

Промышленный стандарт

1,0 пФ при О В

1 Группа из 7 диодов ,Для проводного монтажа

Выпрямитель противоположной Полярности INlSRA-)

Cjjgp (макс.)-значение допустимого периодического пикового напряжения при 2i°C и токе утечки ЮмкА, Г^ (макс.) -максимальный обратный ток при напряжении (макс.) и температуре окружаючей среды 100°С. Мощные диоды INI183A и INU83RA реверсированы

конструктивно -у одного иа корпусе + , у другого- - -Ярил ред.

Основы э.гектропыки

1.26. Выпрямление

Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный; выпрямительные схемы являются самыми простыми и наиболее полезными в практическом отношении диодными схемами (иногда диоды даже называют выпрямителями). Простейшая выпрямительная схема показана на рис. 1.63. Для синусоидального входного напряжения, значительно

I-О ►! о--,

г

о--->

Рис. 1.63.

Рис. 1.61.

превышающего прямое напряжение диода (обычно в выпрямителях используют кремниевые диоды, для которых прямое напряжение составляет 0,6 В), выходное напряжение будет иметь вид, показанный на рис. 1.64. Если вы вспомните, что диод - это проводник, пропускающий ток только в одном направлении, то нетрудно понять, как работает схема выпрямителя. Представленная схема называется однополупери-одным выпрямителем, так как она использует только половину входного сигнала (половину периода).

На рис. 1.65 представлена схема двухполупериодного выпрямителя, а на рис. 1.66 показан ее выходной сигнал. Из графика видно, что

входной сигнал используется при выпрямлении полностью. На графике выходного напряжения наблюдаются интер-

Рис. 1.65.

Рис, 1.66.

валы с нулевым значением напряжения, они обусловлены прямым напряжением диодов. В рассматриваемой схеме два диода всегда подключены последовательно к входу; об этом следует помнить при разработке низковольтных источников питания.

1.27. Фильтрация в источниках питания

Выпрямленные сигналы, полученные в предыдущем разделе, еще не могут быть использованы как сигналы постоянного тока. Дело в том, что их можно считать сигналами постоянного тока только в том отношении, что они не изменяют свою полярность. На самом деле в них

Двухполу-период-ный мост

Перем. -

±: С Нагрузка

Рис. 1.67.

присутствует большое количество пульсаций (периодических колеба-иип напряжения относительно постоянного значенпя), которые необходимо сгладить для того, чтобы получить настояш,ее напряжение постоянного тока. Для этого схему выпрямителя нужно дополнить фильтром низких частот (рис. 1.67), Вообще говоря, последовательный резистор здесь не нужен, и его, как правило, не включают в схему (если же

резистор присутствует, то он имеет очень маленькое сопротивление и служит для ограничения пикового тока выпрямителя). Дело в том, что диоды предотвращают протекание тока разряда конденсаторов, и последние служат скорее как накопители энергии, а не как элементы классического фильтра низких частот. Энергия, накопленная конденсатором, определяется выражением W-UCU. Если емкость С измеряется в фарадах, а напряжение U - в вольтах, то энергия W будет измеряться в джоулях (в ваттах в 1 с).

Конденсатор подбирают так, чтобы выполнялось условие R C%4/f (где / - частота пульсаций, в нашем случае 120 Гц), тогда будет обеспечено ослабление пульсаций. В следующем разделе мы поясним эго утверждение.

Определение напряжения пульсаций. Приблизительно определить напряжение пульсаций нетрудно, особенно если оно невелико гю сравнению с напряжением постоянного тока (рис. 1.68). Нагрузка вызывает разряд конденсатора,

Двойная амплитуда пульсаций

1 Выходной сигнал,

-к фильтру подключена нагрузка

выходной сигнал /в отсутствие Z-конденса-t тора

Рис. 1.68.

который происходит в промежутке между циклами (или половинами циклов для двух-полупериодного выпрямления) выходного сигнала. Если предположить, что ток через нагрузку остается постоянным (это справедливо для небольших пульсаций), то

Л(У=( С)А/ (напомним, что I=C{dU/dt)). Подставим значение 1 (или 1/2/ для двухполупернодного выпрямления) вместо А/ (такая замена допустима, так как конденсатор начинает снова заряжаться меньше, чем через половину цикла). Получим

Д(/ =: / згр С (однополупериодное выпрямление), = (двухполупериодное выпрямление).

Если воспользоваться экспоненциальной функцией, определяющей изменение напряжения на конденсаторе при его разряде, то результат получим неправильным по следующим причинам:

1. Разряд конденсатора описывается экспоненциальной зависимостью только в том случае, если нагрузка резистивна; в большинстве случаев это не так, Часто на выходе выпрямителя устанавливают стабилизатор напряжения, который обеспечивает постоянство выпрямленного напряжения - он выступает в роли нагрузки, через которую протекает постоянный ток.

2. Для источников питания используют, как правило, конденсаторы с точностью 20% и более. При разработке схем следует учитывать разброс параметров компонентов и для страховки производить расчет для наиболее неблагоприятного сочетания их значений.

В таком случае, если считать, что в начальный момент разряд конденсаторов происходит по линейному закону, приближение будет весьма точным, особенно если пульсации невелики. Неточности приближения приводят лишь к некоторой перестраховке - они проявляются в завышении расчетного напряжения пульсаций по сравнению с его истинным значением.

Упражнение 1.26. Разработайте схему двух полу пернодного выпрямителя, обеспечивающего на выходе напряжение постоянного тока с амплитудой 10 В. Напряжение пульсаций пе должно превышать 0,1 В (двойной амгглитуды). Ток в нагрузке составляет 10 мА. Выберите соответствующее входное напряжение переменного тока, учитывая, что падение напряжения на диоде составляет 0,6 В. При расчете правильно задайте частоту пульсации.

1.28. Схемы выпрямителей для источников питания

Двух полу периодная мостовая схема. На рис. 1.69 показана схема источника питания постоянного тока с мостовым выпрямителем, который мы только что рассмотрели. Промышленность изготавливает

115В (перем шока)

(изпрямение пергм. тока)

Рис. 1.69.

Рис. 1.70.

мостовые схемы в виде функциональных модулей. Маленькие мостовые модули рассчитаны иа предельный ток 1 А и напряжение пробоя от 100 до 600 В, а иногда до 1000 В. Для больших мостовых выпрямителей предельный ток равен 25 А и выше. В табл. 5.4 приведены параметры нескольких типов таких модулей.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель. Схема двухполупериодного однофазного выпрямителя приведена на рис. 1.70.

Выходное напряжение здесь в 2 раза меньше, чем в схеме мостового вьшря.\п1теля. Схема двухполупернодного однофазного выпрямителя не является эффективной с точки зрения использования трансформатора, так как каждая половина вторичной обмотки используется только в одном полупериоде. В связи с эти.м ток в обмотке за этот интервал времени в 2 раза больше, чем в простой двухполупериодной схе.ме. Согласно закону Ома, температура нагрева обмотки пропорциональна произведению IR, значит, за время в 2 раза меньшее нагрев будет в 4 раза больше или в среднем больше по сравнению с эквивалентной двухполупериодной схемой. Трансформатор для этой схемы следует выбирать так, чтобы его предельный ток был в 1,4 (в )/2) раз больше, чем у трансформатора мостовой схемы, в противном случае такой выпрямитель будет более дорогим и более громоздким, чем мостовой.

2,0 А О

-1 мс

Рис. 1.71.

Упражнение 1.27. Это упражнение поможет вам разобраться в механизме нагрева обмотки, пропорционального IR, и в чем проявляется недостаток однофазного выпрямителя. На какое предельное минимальное значение тока должен быть рассчитан плавкий предохранитель, чтобы в цепи мог протекать ток, изменяющийся согласно графику, показанному на рис. 1.71, и имеющий среднюю ампли-туду 1А? Подсказка: предохранитель перегорает , когда в цепи начинает протекать ток, превышающий предельное значение тока предохранителя. При этом в предохранителе расплавляется металлический проводник (температура его нагрева пропорциональна Я/?). Допустим, что в нашем случае температурная постоянная времени для плавкого предохранителя значительно больше, чем период прямоугольных колебаний, т. е. предохрани-тель реагирует на значение Я, осредненное за несколько периодов входного сигнала.

Расщепление напряжения питания. Широко распространена мостовая однофазная двухполупериодная схема выпрямителя, показанная на рис. .72. Она позволяет расш,еплять напряжение питания

(напряжение лерем.

Рис. 1.72.

(получать на выходе одинаковые напряжения положительной и отрицательной полярности). Эта схема эффективна, так как в каждом полупериоде входного сигнала используются обе половины вторичной обмотки.