Диоды в источниках питания

1. Общие сведения

Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянного тока. В большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменного напряжения сети с помощью вторичных источников питания, включающих выпрямитель сетевого напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения (рис. I).

Рис.1 Структурная схема вторичного источника питания

В состав выпрямителя обычно входят:

силовой трансформатор, предназначен для получения необходимых величин переменного напряженияиз напряжения сети, а также для гальванической развязки с сетью;

вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока;

емкостная нагрузка вентильной группы, представляющая собой конденсатор относительно большой емкости, который можно также рассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения.

Если к выходному напряжению предъявляются высокие требования по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питания вводится стабилизатор напряжения.

На рис. 2а представлена схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым выпрямительным диодом V . Как известно, вольтамперная характеристика (BAX) выпрямительного диода имеет вид, представленный на рис. 3. Для упрощения практических расчетов ее часто представляют на основе кусочно-линейной аппроксимации двумя .участками прямых АВ и ВС , причем АВ идет по оси абсцисс, а наклон ВСопределяется средним, прямым сопротивлением диода.

 С целью дальнейшего упрощения иногда принимают U_gH » 0 и тогда точка В смещается в начало координат. Как следуетиз такой аппроксимация ВАX, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, его внутреннее сопротивление на участке ВА стремится к бесконечности, а на участке ВС сравнительно мало.

Рис. 2. Схемы выпрямителей: а - однополупериодного, б – двухполупериодного (мостового)

На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t₂ – t₁ , соответствующем изменению фазового угла wt₂ – wt₁ , диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора С . Постоянная времени заряда t_зар = С(R_H ||R_пот ) ,где сопротивление потерь

R_пот = Rпр.ср.+Rтр (Rтр - активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда R_пот £ R_H иt_зар @ С(R_H ||R_пот . В остальную часть периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжаетсяt_разр » С(R_H ||R_обр +R_тр )).

Поскольку у правильно выбранных диодов их обратное сопротивление R_обр ³R_тр +R_H , постоянная времени разряда t_разр » СR_H и t _разр <<t_зар -т.е. процессы заряда и разряда конденсатора С идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения U_c , на диоде обратное напряжение .может достигать величины U_обр =2U_2m . Поэтому диод выбирают с U_{обр.макс} >2U_2m . Фазовый угол, в течение которого диод открыт, обозначается 2q=wt₂ -wt₁ , где q - угол отсечка. Чем меньше q . тем больше U₀ и меньше пульсации. Поэтому q желательно уменьшать.

В установившемся режиме площади под кривыми тока заряда конденсатора J_сз и тока разряда J_cр одинаковы. Основные расчетные параметры выпрямителя являются функциями коэффициента 

 где m=1 для однополупериодного и m = 2 для двухполупериодного выпрямителей.

С помощью этого параметра определяют необходимые значения:

J_m - максимального импульса тока через диод;

J₂ - действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора;

E₂ - действующего значения ЭДС вторичной обмотки.

С помощью коэффициента A(q) при расчетах определяюти коэффициент пульсаций, равный отношению напряжения первой гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U₀ '

Выходное сопротивление 

где DU₀ и DJ₀ ,находят по нагрузочной характеристике источникаU₀ =f(J₀ ); U₀ и J₀ - напряжение и ток нагрузки.

На рис. 2(б) приведена схема двухполупериодного мостовоговыпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диода V2 и V3(пунктирные стрелки), в другом – через диоды V1 и V4 . Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в две раза U_{обр.макс} >2U_2m по сравнению с однополупериодной схемой. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в противоположных направлениях.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителем и нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе

Например, простой LC -фильтр, представляющий собой последовательно о нагрузкой включенный дроссель и параллельно c нагрузкой включенный конденсатор, существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U₀ сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора - к бесконечности, для пульсирующей - наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически без изменений, а пульсирующая существенно уменьшается.

Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить к_п , R_вых , а также зависимостьU₀ от колебаний напряжения сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации при постоянном токе нагрузки

где DU_вых - приращение U₀ при изменении U_вх на величину DU_вх ;

U_вх.ном ; U_{вых.ном} - номинальные значения напряжений

Рис. 5. Параметрический стабилизатор (а) и вольт-амперная характеристика стабилитрона (б)

Простейшим электронным стабилизатором является параметрический стабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления R_б и стабилитрона. Он устанавливается в источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром, если таковой имеется. В этой схеме используется свойство обратно смещенного стабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным при значительных избиениях протекающего через него тока (рис. 56, обратная ветвь ВДХ стабилитрона в области U_ст ). При отклонении U_вх от номинального значения почти все приращение входного напряжения падает на R_б , а выходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузки J₂ (U_вх – const) перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется Jcт ) почти без изменения общего тока J₁ . Следовательно, напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле

где r_g - динамическое сопротивление стабилитрона.

Выходное сопротивление стабилизатора R_вых =R_б ||r_g »r_g так как r_g <<R_б .