Электронные выпрямители их виды и характеристика

Электронные выпрямители их виды и  характеристика. 
 
 
Одним из основных источников энергии в быту и в промышленноти является электрический ток. Электрический ток бывает двух видов: постоянный и переменный. Переменный ток имеет следующие преимущества перед постоянным: 
 
1.Переменный ток в промышленном масштабе легче получить, так как генераторы переменного тока имеют более простое техничекое устройство, чем генераторы постоянного тока ( динамомашины ). 
 
2. Переменный ток легко транспортировать на любые расстояния без значительных потерь энергии. 
 
При необходимости переменный ток может быть преобразован в постоянный ток с помощью электронного устройства, который называется выпрямителем. 
 
Электронный выпрямитель - это электротехническое устройство для преобразования переменного тока в постоянный.

Последовательность такого преобразования показана на рисунке. 
    
    
    
   Для питания транзисторной аппаратуры в большинстве случаев используются напряжения, меньшие, чем сетевые. Это возможно при применении трансформатора, называемого силовым. Затем переменное напряжение надо преобразовать в постоянное. Постоянное напряжение получают в два этапа. 
   На первом этапе переменное напряжение преобразуется в пульсирующее, отличающееся от переменного тем, что оно изменяется только в одну сторону от нулевого значения. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называется выпрямителем. 
   Второй этап состоит в преобразовании с помощью электрического фильтра выпрямленного (пульсирующего) напряжения в постоянное.

Однополупериодный выпрямитель

 
   Для получения пульсирующего  напряжения из переменного используют  специальные элементы, обладающие  односторонней электропроводностью:  полупроводниковые и электровакуумные  диоды. 
   Самый простой выпрямитель можно построить на основе всего лишь одного выпрямительного элемента, например полупроводникового диода. 
 
 
 
   При подключении выпрямителя к источнику переменного напряжения U_BX в течение положительных полупериодов переменного напряжения диод VD оказывается включенным в прямом направлении, сопротивление его становится очень небольшим и через нагрузку R_H протекает ток, вызывающий на ней падение напряжения. 
   В течение отрицательных полупериодов диод включается в обратном направлении, его сопротивление становится очень большим, в результате чего ток, протекающий через диод и нагрузку, оказывается весьма малым. Таким образом, благодаря полупроводниковому диоду через нагрузку протекает пульсирующий ток. Поскольку этот ток протекает лишь в положительные полупериоды, а при отрицательных полупериодах очень мал, такой выпрямитель называют однополупериодным. Частота пульсаций однополупериодного выпрямителя равна частоте напряжения, подводимого к выпрямителю. 
   Пульсирующий ток, протекая через нагрузку, создает на ней пульсирующее напряжение, которое является источником сильных помех. Если от такого источника напряжения питать, например, радиоприемник, будет слышен сильный неприятный гул, называемый фоном.  
Чтобы его уменьшить, следует «сгладить» пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Для этого выпрямленное напряжение подают сначала на сглаживающее устройство — фильтр, а уже с фильтра — на нагрузку. 
   Простейшим фильтром может служить конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. В течение положительного полупериода входного напряжения ток протекает через нагрузку R_H и конденсатор С, заряжая его до некоторого максимального напряжения. В отрицательный полупериод диод закрывается, и конденсатор начинает разряжаться через нагрузку. Таким образом, через нагрузку ток протекает как в положительный, так и в отрицательный полупериоды входного напряжения. Источником тока, протекающего через нагрузку в отрицательный полупериод, является конденсатор. Вследствие того, что по мере разрядки конденсатора напряжение на нем уменьшается, будет уменьшаться и напряжение на нагрузке. Следовательно, напряжение на нагрузке при подключении параллельно ей конденсатора остается пульсирующим, но амплитуда пульсаций Uп меньшая, чем при отсутствии конденсатора. Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд будет накоплен им в положительный полупериод и тем больше времени потребуется для его разрядки. А это значит, что увеличение емкости конденсатора приводит к уменьшению пульсаций. 
   Отношение амплитуды пульсаций напряжения Uп к среднему значению выпрямленного напряжения U₀ называют коэффициентом пульсаций Кр. Из графиков видно, что подключение к выходу выпрямителя конденсатора приводит к уменьшению коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. 
   Однополупериодный выпрямитель прост по конструкции, однако обладает наименьшим по сравнению с другими видами выпрямителей коэффициентом полезного действия (КПД) и повышенными пульсациями выпрямленного напряжения. Амплитуда пульсаций значительно увеличивается при возрастании тока нагрузки, так как при этом увеличивается разрядный ток конденсатора С. Поэтому однополупериодные выпрямители с емкостным фильтром используются для питания маломощных приемников и других устройств с малым током потребления.

Двухполупериодные выпрямители 

 

 
   Для питания радиоаппаратуры  чаще всего используются выпрямители,  работающие по двухполупериодной  схеме. В одном из таких двухполупериодных  выпрямителей применяется средний вывод от вторичной обмотки трансформатора. Выпрямительные диоды VD1 и VD2 подключены к концам вторичной обмотки. Такой выпрямитель представляет собой как бы два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку R_H и фильтр С. 
   Действительно, когда на верхнем конце вторичной обмотки возникает положительное напряжение (положительный полупериод), на нижнем конце вторичной обмотки образуется отрицательное напряжение (отрицательный полупериод. Поэтому диод VD1 будет открыт, a VD2 закрыт, и ток нагрузки создается напряжением верхней половины вторичной обмотки трансформатора. 
   В следующий полупериод напряжение на верхнем конце вторичной обмотки трансформатора окажется отрицательным, а на нижнем — положительным. Диод VD1 будет закрыт, a VD2 — открыт, ток нагрузки вырабатывается нижней половиной IIб вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в данной схеме диоды VD1 и VD2 работают поочередно, и процесс выпрямления переменного тока идет непрерывно. 
   Частота пульсаций на выходе такого выпрямителя в 2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе. Это приводит к увеличению выпрямленного тока, что облегчает задачу сглаживания пульсаций, так как уменьшается время, в течение которого происходит разрядка конденсатора фильтра. 
   Коэффициент пульсаций в такой схеме оказывается в 2 раза меньше, чем в схеме однополупериодного выпрямителя. 
   Чаще всего двухполупериодный выпрямитель выполняют по мостовой схеме. 
 
 
 
 При этом приходится использовать не два, а четыре диода. Но зато трансформатор для такого выпрямителя изготовить проще: не надо делать дополнительного вывода от середины вторичной обмотки, и сама вторичная обмотка содержит в 2 раза меньшее число витков. Когда на верхнем конце вторичной обмотки образуется положительный полупериод («+»), а на нижнем — отрицательный («—»),ток протекает через диоды VD2, VD3 и нагрузку. 
Диоды VD1 и VD4 при этом закрыты. В следующий полупериод переменного напряжения на верхнем конце вторичной обмотки создается отрицательное напряжение, а на нижнем — положительное, и ток протекает через диоды VD1, VD4 и нагрузку Rн, а диоды VD2 и VD3 закрыты.

 

Электронные усилители (общие сведения и параметры). Схемы.

13.11.2011 18:35  

   Усилитель электрических сигналов - это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведенного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямоугольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, определяющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. - Обобщенная структурная схема усилителя    

Электрические колебания поступают от источника  сигнала на вход усилителя, к выходу которого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро - необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р_вх выходная мощность Р_вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р_вх < Р_вых < Ро. Следовательно, усилитель - это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполярных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других. 

    Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве случаев одного элемента недостаточно и в усилителе применяют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом. Усилитель состоит из активных и пассивных элементов: к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляющего сигнала на входных электродах. Пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необходимый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие параметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально необходимого набора активных и пассивных элементов.    

Структурная схема  типичного многокаскадного усилителя  приведена на рис. 2.

Рисунок 2. - Схема многокаскадного усилителя 

   Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощности (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления определяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.  

   Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД. 

   Источниками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, считывающие головки магнитных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических параметров в электрические.  

    Нагрузкой являются громкоговорители, электрические двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д. Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анодных цепях ламп; используется для поддержания заданных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов. 

Классификация усилительных устройств.

 

    Усилительные устройства классифицируют по различным признакам. 

    По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.     

По  ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители  подразделяются на следующие типы: 

   - Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты  = 0 до верхней рабочей частоты  . УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.  

    - Усилители напряжения, в свою очередь подразделяются на усилители низкой, высокой и сверхвысокой частоты.

По  ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

- избирательные усилители (усилители высокой частоты - УВЧ), для которых действительно отношение частот   / 1;

- широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот   / >>1 (например УНЧ - усилитель низкой частоты).    

- Усилители мощности - оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной R_{вн. к} = R_н, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).  

    По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микросхемы (ИМС).  

Показатели работы усилителей.

 

    К показателям работы усилителей относятся входные и выходные данные, коэффициент усиления, диапазон частот, коэффициент искажений, КПД и другие параметры, Характеризующие его качественные и эксплуатационные свойства.    

К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения U_вх=U₁, тока I_вх=I₁ или мощности P_вх=P₁), входное сопротивление, входная емкость или индуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное сопротивление R_вх  в сравнении с сопротивлением источника сигнала R_и предопределяет тип усилителя; в зависимости от их соотношения различают усилители напряжения (при R_вх >> R_и), усилители тока (при R_вх << R_и) или усилители мощности (при R_вх = R_и). Входная емкость С_вх, являясь реактивной компонентой сопротивления, оказывает существенное влияние на ширину рабочего диапазона частот. 

   Выходные данные — это номинальные значения выходного напряжения U_вых=U₂, тока I_вых=I₂, выходной мощности P_вых=P₂ и выходного сопротивления. Выходное сопротивление должно быть значительно меньшим, чем сопротивление нагрузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (индуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие

 

   Коэффициентом усиления называется отношение выходного параметра ко входному. Различают коэффициенты усиления по напряжению K_u=U₂/U₁, по току K_i=I₂/I₁ и мощности K_p=P₂/P₁.  

Характеристики усилителя.

 

    Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сигналы различной частоты и формы. К важнейшим характеристикам относятся амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная и переходная.

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты . Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, причем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех U_п, создаваемых самим усилителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна амплитуде входного U_вых=K*U_вх и амплитудная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика отличается от прямой.

Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за   присутствия в усилителе   реактивных   элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а выходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости   представлена на рисунке. Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.

Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.  

Обратные связи в усилителях.

 

    Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посредством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи усилителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке ниже.