Вторичные источники питания
Назначение вторичных источников питания (ВИП) – преобразование сетевого напряжения в постоянные напряжения заданных номиналов, необходимые для обеспечения работоспособности электронных схем. Можно выделить две основные структурные схемы ВИП: классическую (сетевой трансформатор-выпрямитель-фильтр-стабилизатор постоянного напряжения) и импульсную (выпрямитель сетевого напряжения - высокочастотный преобразователь в импульсные напряжения необходимых номиналов – выпрямитель импульсного напряжения – сглаживающий фильтр – стабилизатор постоянного напряжения). Классическая схема, обладая простотой реализации, имеет существенный недостаток – громоздкий сетевой трансформатор, поэтому в настоящее время широкое применение получили импульсные ВИП, которые несмотря на большее число структурных блоков, в целом имеют меньшие габариты и вес поскольку эти параметры у высокочастотных трансформаторов на ферритовых сердечниках несравнимо лучше чем у сетевых трансформаторов с сердечниками из электротехнической стали. Структурная схема классического ВИП представлена на рис.82.
Рис. 82. Структура классического ВИП Трансформатор -преобразует сетевое напряжение в переменные напряжения, необходимые для формирования заданных уровней постоянных выходных напряжений. Выпрямитель - преобразует переменное напряжение в пульсирующее, содержащее постоянную составляющую и переменное напряжение пульсаций. Фильтр выполняет роль сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя, обычно это
Рис.89.Однозвенный сглаживающий LC-фильтр Стабилизатор предназначен для поддержания неизменным в заданных пределах выходного постоянного напряжения при колебаниях входного напряжения (поступающего с фильтра). Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации, определяемый как: Здесь D - знакопеременные приращения входного и выходного напряжений соответственно Принцип работы параметрического стабилизатора основан на свойстве полупроводникового элемента – стабилитрона сохранять неизменным напряжение обратимого пробоя (напряжение стабилизации) при колебаниях в известных пределах входного напряжения. Схема и вольт-амперная характеристика параметрического стабилизатора приведены на рис.90,91.
Рис. 90 Схема параметрического стабилизатора
Рис.91. Принцип работы параметрического стабилизатора. Uпр,Uобр,Iпр,Iобр – параметры вольтамперной характеристики стабилитрона, Рабочая точка находится на пересечении характеристики стабилитрона и нагрузочной прямой, угол наклона которой определяется величиной: Rэкв = (Rб*Rн)/(Rб+Rн). Колебания входного напряжения вызывают изменения тока через стабилитрон относительно номинального значения, при этом выходное напряжение стабилизатора остаётся почти неизменным. При этом нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе. Балластное сопротивление Rб служит для ограничения тока через стабилитрон,
Рис.92. Компенсационный стабилизатор VT1 – регулируемый транзистор (выполняет роль резистора, включенного последовательно с нагрузкой),
Для компенсации знакопеременных отклонений входного напряжения выходное напряжение устанавливается меньшим входного на 10 – 20% выбором стабилитрона VD1 и резистивным делителем R3,R4,R5, включенным параллельно нагрузке, при этом точная установка заданного номинала осуществляется переменным резистором R4.При колебаниях входного напряжения изменяется падение напряжения на регулируемом транзисторе VТ1, напряжение на нагрузке при этом практически неизменно. Благодаря усилительным свойствам транзистора VТ2 отслеживаются весьма малые колебания напряжения на нагрузке. Приведенный стабилизатор обладает высоким коэффициентом стабилизации -100 и более относительных единиц, при этом в практических схемах вместо VT2 применяется операционный усилитель, а также интегральное исполнение (ИС серии К142 ЕН). Недостатком схемы является непрерывный режим работы регулируемого транзистора, что увеличивает рассеиваемую на нём мощность, в связи с чем необходимо применять транзисторы повышенной мощности и теплоотводы.
Рис.93. Структура импульсного стабилизатора. РЭ – регулируемый элемент, Ф – сглаживающий Принцип работы релейного импульсного стабилизатора поясняется схемой, приведенной на рис.94.
Рис.94. Релейный импульсный стабилизатор
РЭ на схеме представлен транзистором VТ1, включенным по схеме с общим эмиттером, функции БС выполняет переменный резистор R4 делителя выходного напряжения (R2, R4, R6).Источником эталонного напряжения служит стабилитрон VD2, ИЭ выполнен на транзисторе VT2. Резисторы R1,R3, R5 обеспечивают допустимые режимы работы транзисторов, диод VD1 необходим для защиты VT1 от перенапряжений из-за э.д.с. самоиндукции дросселя фильтра, возникающей при снижении тока через индуктивность (в паузе между импульсами на эмиттере VT1). Временная диаграмма, поясняющая процесс регулирования напряжения на нагрузке при отклонениях входного напряжения относительно номинального значения, приведена на рис.95.
Рис.95. Процесс релейного регулирования в импульсном стабилизаторе. Нарастание Uн во время действия импульса Uэ.VT1 ограничено моментом равенства напряжения, снимаемого с движка R4 сумме напряжения пробоя стабилитрона и порогового напряжения открывания транзистора VT2. В паузе между импульсами конденсатор фильтра разряжается на сопротивление нагрузки до момента равенства Uн напряжению пробоя стабилитрона. Разность напряжений срабатывания блока сравнеия (гистерезис) определяет величину пульсаций относительно среднего значения напряжения на нагрузке. Достоинством приведенной схемы является относительная простота при приемлемом уровне коэффициента пульсаций, импульсный стабилизатор с ШИМ – регулированием схемотехнически сложнее, но имеет лучшие показатели качества выходного напряжения.
Структурная схема импульсного ВИП приведена на рис.96.
Рис.96. Импульсный вторичный источник питания
Новым элементом здесь является высокочастотный преобразователь постоянного напряжения в импульсную последовательность. В качестве такого преобразователя используются трансформаторные каскады, управляемые задающим импульсным генератором, или импульсные генераторы с самовозбуждением. Частота преобразования обычно находится в пределах 30 – 50 КГц. Остальные блоки приведенной выше структурной схемы импульсного ВИП принципиально не отличаются от таковых для ВИП, выполненного по классической схеме.
Биполярный транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя, расположенными на близком расстоянии параллельными pn - переходами. Конструкции биполярного транзистора схематически показаны на рис. 50, там же приведены соответствующие обозначения. Как видно из рис. 50, транзистор состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт. Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами, толщина базовой области должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, т.е. большая часть носителей, инжектированных эмиттером, не должна рекомбинировать по дороге к коллектору.
На границах между p и n областями возникает область пространственного заряда, причем электрические поля в эмиттерном и коллекторном переходах направлены так, что для pnp транзистора базовая область создает энергетический барьер для дырок, стремящихся перейти из эмиттера в коллектор, для npn транзистора базовая область создает аналогичный барьер для электронов эмиттерной области. При отсутствии внешнего смещения на переходах потоки носителей заряда через переходы скомпенсированы и токи через электроды транзистора отсутствуют. На рис. 1 представлена конструкция интегрального n-p-n транзистора.
Рис. 1. Интегральный транзистор
Принципиальная схема типового элемента 2И-НЕ диодно-транзисторной логики (ДТЛ) приведена на рис. 2. Если хотя бы на одном из входов (число которых может быть более двух) появляется уровень 0 (низкое напряжение), то соответствующий входной диод открывается и сигнал низкого напряжения практически закрывает транзистор Т1. При этом Т3 будет закрыт, а Т2 открыт и на выходе установится уровень 1 (высокий уровень). Для получения на выходе уровня 0 нужно, чтобы все входные диоды были закрыты, т.е. на входах должны быть уровни 1.
Рис. 2. Принципиальная схема ДТЛ Принципиальная схема типового элемента 2И-НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) приведена на рис. 3. В отличие от схемы ДТЛ роль входных диодов выполняют эмиттерные переходы многоэмиттерного транзистора Т1.
Рис. 3. Принципиальная схема ТТЛ Принципиальная схема типового элемента 2ИЛИ-НЕ эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) приведена на рис. 4. При подаче хотя бы на один из входов (число которых может быть более двух) уровня 1 (высокий уровень напряжения) соответствующий трназистор открывается, а Т3 закрывается. Эмиттерный повторитель на транзисторе Т6 повторяет на выходе 1 установившийся низкий уровень напряжения с коллектора открывшегося входного транзистора. На выходе 2 появляется инвертированный выходной сигнал.
Рис. 4. Принципиальная схема ЭСЛ
Транзисторный ключ служит для коммутации цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов. В соответствии с функциями ключа транзистор может находиться в одном из двух статических режимов: режим отсечки, когда транзистор закрыт и режим насыщения, когда транзистор открыт и насыщен. Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора отсутствие напряжения относительно эмиттера, транзистор закрыт, ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания, т.е. максимальный сигнал. Когда на базу транзистора поступает электрический сигнал, он открывается, возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, далее, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, соответственно уменьшается до низкого уровня. Транзисторные ключи применяются в широком спектре любой радиоэлектронной продукции, аналоговых и цифровых коммутаторах сигналов, системах автоматизации и контроля, системах управлений автоматики, бытовой радио и телеаппаратуре и многом другом.
Триггер на биполярных транзисторах: Триггеры представляют собой простейшие последовательные устройства, общим свойством которых является способность длительно оставаться в одном из двух возможных устойчивых состояний, которые распознаются по значению их выходных сигналов. В простейшем исполнении триггер представляет собой симметричную структуру из двух логических элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью. Свободные входы служат для управления и называются информационными или логическими. Один из выходов триггера называют прямым, а другой – инверсным. Смена состояний триггера производится внешними сигналами. Начало процесса переключения происходит с приходом положительного перепада напряжения на вход закрытого элемента. Входные сигналы в зависимости от выполняемой роли подразделяются на цифровые (логические), подготовительные (разрешающие) и исполнительные (командные). Сигналы на информационных входах определяют информацию, которая будет записана в триггер. Роль подготовительных и исполнительных сигналов – вспомогательная; с их помощью можно в нужный момент прервать действие триггера, сохранив информацию на выходе. Исполнительные сигналы задают момент приема входной информации триггером и служат для синхронизации работы ряда устройств, образующих функциональный узел. По способу ввода информации триггеры делятся на асинхронные и синхронные. У асинхронных имеются только информационные входы, а у синхронных еще и синхронизирующий сигнал.
См.вопр 64
|
