6.6. Внешние характеристики выпрямителей

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значения напряжения, подводимого к нагрузке, от среднего значения тока нагрузки. В выпрямителе без фильтра эта характеристика близка к линейной зависимости, для которой справедливо уравнение

U_H = U_do - - I_H , (6.10)

где - ЭДС выпрямителя без учета в нем потерь,- падение напряжения на одновременно открытых диодах, которое весьма слабо зависит от величины протекающего тока,- внутреннее активное сопротивление выпрямителя, определяемое в основном сопротивлением обмоток трансформатора. Для выпрямителя с нулевым отводомN =1, для мостовой схемы N=2.

Рисунок 6.11. Внешние характеристики выпрямителей

При рассмотрении принципа работы выпрямителей пренебрегалось падением напряжения в обмотках трансформатора и диодах, что справедливо в отсутствии тока в цепи нагрузки. Таким образом, соотношение (6.2) определяет напряжение на выходе выпрямителя в режиме холостого хода, что отражено обозначением первого слагаемого правой части соотношения (6.10). На рис. 6.11 прямой "1" представлена внешняя характеристика выпрямителя без фильтра, построенная с учетом того, что « . Малый угол наклона внешней характеристики к оси токов обусловлен малой величиной внутреннего сопротивления выпрямителя.

Прямая «2» на рис. 6.11 соответствует внешней характеристике выпрямителя, работающего с индуктивным фильтром. Кроме индуктивного, реальный фильтр имеет и активное сопротивление. Поскольку индуктивный фильтр с нагрузкой включен последовательно, наличие этой компоненты сопротивления фильтра эквивалентно увеличению значения внутреннего сопротивления выпрямителя, то есть сомножителя в третьем слагаемом правой части соотношения (6.10). Поэтому внешняя характеристика выпрямителя с индуктивным фильтром представляется прямой линией, но имеющей больший наклон, чем характеристика без фильтра.

Как отмечалось в предыдущем разделе, в режиме холостого хода напряжение на выходе выпрямителя с емкостным фильтром равно амплитуде переменного напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора при мостовой схеме или с одной из ее половин при схеме с нулевым отводом, т.е. при нулевом токе нагрузки напряжение равно. С увеличением тока нагрузки напряжениебудет уменьшаться по двум причинам. Во- первых, из-за падения напряжения на элементах схемы выпрямителя, что имеет место и при отсутствии фильтра. Во-вторых, из-за уменьшения среднего напряжения на конденсаторе фильтра при его разряде. Вторая причина при емкостном фильтре является преобладающей и это объясняет более быстрое уменьшение среднего напряжения в нагрузке с увеличением тока, то есть при уменьшении сопротивления нагрузки. На рис. 6.11 кривая "3" отражает ход внешней характеристики выпрямителя с емкостным фильтром. Очевидно, уменьшение емкости конденсатора фильтра способствует более быстрому уменьшению напряжения.

6.7. Стабилизатор напряжения

Известны два типа стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные. В стабилизаторе первого типа используются свойства электронных приборов, вольт-амперная характеристика которых обеспечивает малые изменения напряжения при существенном изменении тока. К числу таких приборов относится стабилитрон. В стабилизаторах второго типа осуществляется автоматическое поддержание неизменным значения выходного напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения существенно проще схемы компенсационного. Это определяет целесообразность рассмотрения принципа стабилизации выпрямленного напряжения на примере параметрического стабилизатора.

Рисунок 6.12. Параметрический стабилизатор на стабилитроне:

а – схема построения, б – эквивалентная схема

Рисунок 6.13. Построения, иллюстрирующие стабилизацию выходного

напряжения при изменении напряжения на входе

параметрического стабилизатора

Схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения, использующая стабилитрон, приведена на рис. 6.12,а. На рис. 6.13 представлена его вольт-амперная характеристика, которая обозначена цифрой "1". Стабилитрон подключен параллельно нагрузке, так что его напряжение определяет напряжение нагрузки. Для обеспечения стабильности выходного напряжения при изменении выходного тока необходимо, чтобы сопротивление нагрузки было существенно больше выходного сопротивления стабилизатора, последнюю величину можно определить с использованием эквивалентной схемы, приведенной на рис. 6.12,б. С учетом малой величины внутреннего сопротивления источника напряжения (то есть выходного сопротивления выпрямителя), а также малой величины статического сопротивления стабилитрона по сравнению с сопротивлениемможно записать

≈.

Следовательно, статическое сопротивление стабилитрона для достижения наибольшей стабилизации напряжения при изменении тока нагрузки должно быть много меньше сопротивления нагрузки.

Электрический режим стабилитрона, характеризуемый током I_СТО и напряжением U_СТО, находится при решении уравнения состояния, записанного по второму закону Кирхгофа для контура, включающего стабилитрон и балластное сопротивление

, (6.11)

где и- ток и напряжение электрического режима прибора,U_ВХ – напряжение, поступающее на вход стабилизатора. Величины токов исвязаны между собой так

, (6.12)

где - статическое сопротивление стабилитрона.

Поскольку величина статического сопротивления стабилитрона много меньше сопротивления нагрузки, уравнение (6.11) можно записать в виде:

. (6.13)

Напряжение , а, следовательно, и выходное напряжение являются функцией тока стабилитрона, которая определяется вольт-амперной характеристикой прибора. Решение уравнения (6.13) удобно проводить методом пересечения характеристик, для чего оно должно быть переписано следующим образом

. (6.14)

Графическое решение этого уравнения представлено на рис. 6.13. Правая часть уравнения (6.14) соответствует прямой, пересекающей ось напряжения в точке и проходящей под углом к оси токов, тангенс которого равен. На рис. 6.13 данная прямая обозначена цифрой "2". Точка пересечения прямой "2" и вольт-амперной характеристики стабилитрона "1" определяет значения тока и напряжения прибора (I_СТО и U_СТО) при заданной величине входного напряжения.

С помощью построений, представленных на рис. 6.13, можно проиллюстрировать стабилизирующее действие схемы на рис. 6.12,а. Пусть входное напряжение увеличивается на величину , что приводит к изменению режима работы стабилитрона. В частности, напряжение стабилитрона, а, следовательно, инапряжение на выходе стабилизатора увеличивается на величину относительно первоначального значения. Как видно из рис. 6.13,а, это увеличение существенно меньше увеличения входного напряжения

.

Количественным показателем качества стабилизации напряжения является коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительных изменений входного и выходного напряжений.

К_СТ = (6.15)

Величина этого коэффициента усиления для схемы на рис. 6.12,а может быть получено из рассмотрения подобных треугольников, получающихся при построении на рис. 6.13,а. Участок этого рисунка, обведенный окружностью, в увеличенном масштабе представлен на рис. 6.13,б. Величина изменения тока стабилитрона, обусловленная изменением входного напряжения, может быть выражена формулой

, (6.16)

где - динамическое сопротивление стабилитрона. Аналогичная величина при идеальной стабилизации напряжения (нулевой величине динамического сопротивления стабилитрона) может быть рассчитана по формуле

. (6.17)

Из подобия треугольников на рис. 6.13,б следует:

.

После подстановки в это уравнение соотношений (6.16) и (6.17) нетрудно получить:

. (6.18)

Откуда видно, что для обеспечения стабилизации выходного напряжения должно выполняться условие

.

Тогда коэффициент стабилизации согласно определению (6.15):

. (6.19)

Для типовых полупроводниковых стабилитронов величина динамического сопротивления находится в пределах от единиц до нескольких сотен Ом. Величина коэффициента стабилизации, обеспечивающаяся схемой рис. 6.12,а, обычно не превышает 20÷40. Для получения более высокой стабильности напряжения необходимо использовать компенсационные стабилизаторы.