Elektronik üzerine mikro eğitim programı. 7. Bölüm

Doğrultucular ve voltaj stabilizatörleri.

En basit ağ güç kaynaklarının çalışma prensipleri. Bir ev ağında, 50Hz frekanslı 220V AC (farklı bir şekilde gerçekleşir, ancak bu özel durumu ele alacağız). Çoğu zaman, elektronik cihazlar, güç kaynağı için genellikle 5 ila 50V arasında sabit bir voltaj gerektirir, ayrıca, güç kaynağının galvanik izolasyonu genellikle gereklidir (yalnızca güvenlik nedeniyle değil). Tam galvanik izolasyon, cihazın çıkışındaki voltajın (potansiyel fark) sadece girişteki voltaja bağlı olduğu ve potansiyellerin mutlak değerinden tamamen bağımsız olduğu anlamına gelir. Şunlar. galvanik izolasyonlu bir cihazın girişinde bir girişte toprağa göre voltaj +500V ve ikinci +700V ise, girişteki voltaj değişse bile çıkış örneğin 0V ve +200V olacaktır. -300V ve -100V (fark sabittir), çıkışta yine 0V ve +200V olacaktır. Ek olarak, çeşitli cihazlara güç sağlamak için voltajlar genellikle bir ev ağındakinden daha düşüktür. Bu sorunları (galvanik izolasyon ve voltaj düşürme) çözmek için, iki sargılı (birincil 220V için ve ikincil düşük voltaj için) geleneksel bir düşürücü transformatör kullanılabilir. Transformatörler hakkında ve sadece iyi yazılmış değil
Makale Serj_ . Düşürücü transformatörün çıkışında, girişteki (ağ) ile aynı form ve frekansta, ancak voltajda daha düşük alternatif bir voltaj elde ederiz.

Doğrultucular.


Şekil 24.

Diyot yarım dalga doğrultucu (Şekil 24). Çünkü sadece çok küçük akımlarda kullanılır. yüksek akımlarla çalışırken, çok büyük kapasitörler gereklidir, ayrıca transformatör asimetrik olarak yüklenecektir, bu da çekirdeğin kalıcı olarak aşırı manyetizasyonuna ve doygunluğuna neden olabilir.

Transformatörün sekonder sargısında, kv cinsinden bir genliğe sahip alternatif bir voltaj (Şekil 24 c’deki siyah grafik) olacaktır. 2’nin kökü (~1.4) etkin voltajdan daha büyüktür. Diyot, (Şekil 24 a) sadece pozitif voltaj yarım döngülerini geçecektir, bunun sonucunda yük (Rload) kırmızı grafikte gösterilen voltaja sahip olacaktır (Şekil 24 c)). Ama sabit bir voltaj almamız gerekiyor. Devreye bir kapasitör ekleyelim (Şekil 24. b)). Şimdi, pozitif yarı çevrim sırasında, C kondansatörü diyottan akan akım tarafından yüklenir ve zamanın geri kalanında kapasitör yük yoluyla boşaltılır. Kondansatörün kapasitansı (sabit bir frekansta) ne kadar yüksek olursa, boşalmak için o kadar az zamanı olacak ve çıkış voltajı daha kararlı olacaktır.

Kondansatör nispeten kısa bir süre için şarj edilir (deşarj süresine kıyasla), şarj akımları yüke verilen akımdan çok daha büyük olacaktır. Periyot boyunca voltajın ne kadar düştüğünü ve kondansatör şarj edildiğinde diyottan geçen yaklaşık akımı hesaplamaya çalışalım. Kondansatörden geçen akım I \u003d C * dU / dt, dolayısıyla dU \u003d I * dt / C’dir. Kondansatör, döngü süresinin yaklaşık 7/8’ini boşaltır (1/8 döngü şarj süresiyle). 50Hz tam çevrim periyodunda =20mS. Şarj süresi ~ 2,5 mS, deşarj süresi – 17,5 mS. Yük akımının sabit olduğunu varsayıyoruz. 1A’lık bir yük akımı ve 5.000 mikrofaradlık bir kapasitör kapasitansı ile voltajın periyot başına yaklaşık 3.5V düşeceğini anlıyoruz. Şarj akımının sabit olduğunu düşünürsek (ki bu aslında tamamen doğru değildir), o zaman durumumuz için ortalama şarj akımı I \u003d C * dU / dt \u003d 5000uF * 3.5V / 2.5mS \u003d 7A! Transformatörün ve diyotun sekonder sargısı, şarj akımına bir miktar marjla dayanmalıdır. Uygulamada, genellikle 2 yarım döngünün (hem pozitif hem de negatif) enerjisini kullanmayı mümkün kılan tam dalga doğrultucular (diyot köprüsü) kullanılır. Bu, kapasitörün yüke deşarj süresinin en az iki kez azaltılmasına ve kapasitörün şarj edilmesi için akımın birkaç kez azaltılmasına izin verir.


Şekil 25.

Şekil 25’teki çalışma prensibini göz önünde bulundurun. a). Her yarım döngüde akım sadece iki diyottan geçer. Diyelim ki belirli bir zamanda yukarıdan ikincil sargıda -, aşağıdan +. Akım D1 ve D2 üzerinden akacak, yük boyunca pozitif bir voltaj olacaktır. Bir sonraki yarım döngüde, sargıda – üst +, alt -. Akım D3 ve D4 diyotlarından geçer. Yük yine pozitif bir voltaja sahip olacaktır (Şekil 25. d’de A noktasındaki grafiğe bakın). Kondansatörü bağladıktan sonra (Şekil 25. b)), Şekil 25’teki grafikte gösterilen çıkış voltajını elde ederiz. e). Bu voltajın dalgalanma seviyesini önceki örnekte olduğu gibi hesaplayalım. Bizim durumumuzda sadece kondansatörün şarj/deşarj süreleri değişmiştir. Önceki durumda olduğu gibi, kondansatör aynı süre boyunca şarj edilsin, ancak şarj ve deşarjın periyot başına 2 kez gerçekleştiği göz önüne alındığında, şarj süresinin ~ 2mS, deşarj süresinin ~ 8ms olduğunu varsayacağız. dU \u003d I * dt / C \u003d 1A * 8ms / 5000 uF \u003d 1,6V, kondansatör şarj edildiğinde akım yaklaşık olarak I \u003d C * dU / dt \u003d 5000uF * 1,6V / 2mS \u003d 4A’dır. Şunlar. kapasitörün aynı kapasitansı ile dalgalanma 2 kat azaldı (yarım dalga doğrultucuya kıyasla) ve diyottan geçen maksimum akım da azaldı. Şekil 25 c)’de gösterilen doğrultucu devre de sıklıkla kullanılır. Orada, transformatörün sekonder sargısının ortasından bir musluğu vardır. İçinde, bir yarım döngüde, akım bir diyottan, ikincisi – diğerinden akar.

Doğrultulmuş voltajın, etkin değere değil, alternatif voltajın genliğine neredeyse eşit olacağı unutulmamalıdır.

Doğrusal voltaj sabitleyici.

Yukarıda tartışılan devrelerde, yumuşatma kapasitörünün kapasitansını uygunsuz bir şekilde artırsa bile, bu çıkıştaki dalgalanmayı azaltacak, yapıyı çok daha ağır ve daha pahalı hale getirecek, ancak birkaç nedenden dolayı kararlı bir çıkış voltajı alamayacağız:

– yük akımı sabit değildir ve güç kaynağının direnci >0 Om’dir, bu nedenle yük akımındaki bir artışla çıkış voltajı kaçınılmaz olarak düşer

– kapasitörün kapasitansını ne kadar arttırırsak arttıralım (makul sınırlar içinde), dalgalanmalardan tamamen kurtulmak mümkün olmayacaktır.

– ev ağındaki voltaj çok sabit ve kararlı değil, bazen çok yüksek veya çok düşük olabilir ve çok fark edilebilir.

Bir cihaz, güç için sabit ve kararlı bir voltaj gerektiriyorsa, bir dengeleyici vazgeçilmezdir. Stabilizatörler için birkaç seçenek düşünün. Stabilizasyon voltajı aşıldığında akımı keskin bir şekilde artırma özelliğine sahip olan stabilizatörün temeli olarak Zener diyotu (zener diyotu) alıyoruz.


Şekil 26.

Şekil 26. a) düşük akımlı basit bir voltaj regülatörünü göstermektedir. Aşağıdaki gibi çalışır: giriş voltajı zener diyotun stabilizasyon voltajından daha büyük olduğunda, içinden bir akım akmaya başlar ve zener diyotun kendisindeki voltajda hafif bir artış olsa bile bu akımın değeri güçlü bir şekilde büyüyecektir. . Sonuç olarak, bir seviyede yukarıdan bir voltaj limiti olacaktır (bkz. Şekil 26 b)). Giriş voltajının çıkış voltajından açıkça daha yüksek olduğunu seçerseniz, sonuç olarak çıkışta sabit bir voltajımız olacaktır. Bu devrenin ciddi bir dezavantajı vardır – özellikle çok değişken bir yük veya giriş voltajı durumunda çok düşük verim.

Diyelim ki girişimizde voltaj 15V’den 20V’a değişiyor, çıkışta 12V ila 1A arasında kararlı olmamız gerekiyor, yani. minimum yük direnci = 12 ohm.

Minimum giriş voltajında ​​(15V) ve maksimum yük akımında (1A) tüm akımın yüke gitmesine ve zener diyottan geçen akımın sıfıra yakın olmasına izin verin. O zaman R1 direnci R1= (Uin-Uout)/Iload=3 Om olmalıdır, güç P=U*I = 3W ise bunun üzerine bırakılacaktır. Şimdi maksimum giriş voltajında ​​(20V) ve minimum yük akımında (0A) ne olacağını düşünün. Tüm akım zener diyot üzerinden akacaktır. Çıkış her zaman sabit bir voltaj = 12V olacaktır. R1= 8V üzerinden düşme, R1 ve zener diyottan geçen akım 8V/3 Om ~ 2.6A’dır. Bu durumda R1’e ayrılan güç 8V * 2.6A ~ 21W olacaktır. Ve zener diyotuna ayrılan güç 12V * 2.6A = 32 watt’tır. Sonuç olarak, stabilizatörümüz ısıya giden yaklaşık 53W enerji harcar! Ek olarak, bir zener diyot, oldukça geniş bir akım aralığında da olsa, yalnızca belirli bir akım aralığında çalışabilir.

Bu nedenle, böyle bir şema yalnızca çok küçük akımlarda (birim – onlarca miliamper) kullanılır. Büyük akımları stabilize etmek gerekirse, çeşitli türlerde akım yükselticileri (voltaj takipçileri) kullanılır. Örneğin, bir emitör takipçisi ile (Şekil 26 c)). Zener diyotta referans voltajı oluşturulur (içinden geçen akım nispeten küçüktür), daha sonra akım tarafından bir bipolar transistör tarafından yükseltilir. Bu devrenin dezavantajlarından biri, çıkış voltajının baz-verici bağlantısındaki voltaj düşmesi nedeniyle zener diyottaki voltajdan biraz daha düşük olacağı, ayrıca voltajdaki artış nedeniyle ideal olarak kararlı olmayacağıdır. artan yük akımı ile transistör boyunca voltaj düşüşü, ancak bu değişiklik önemsizdir. Bu devreyi önceki duruma göre düşünün: giriş gerilimi 15V-20V, maks. Yük akımı – 1A. katsayısı olsun transistör kazancı – 100. Taban-yayıcı bağlantısındaki ortalama voltaj düşüşü 0,5V’dir, çıkışta 12V elde etmek için 12,5V zener diyot alın.

Minimum giriş voltajı (15V) ve maksimum yük (1A) durumunda: baz akım = 1/100 = 10mA. Pratikte normal stabilizasyon için zener diyottan minimum stabilizasyon akımı geçmelidir, zener diyotumuz için 5 mA diyelim. R1 = 2.5V arasında düşüş, R1’in maksimum direnci 2.5V/(10mA+5mA) ~ 165 ohm’dan az olmalıdır. Direnç ve zener diyot 2.5V*15mA + 12.5V*5mA=0.0375W + 0.0625W= 100mW verir, bu çok azdır. Transistör üzerindeki güç (15V-12V) / 1A = 3W’dir. Maksimum giriş gerilimi (20V) ve minimum yük durumunda, transistörden akım geçmeyecek, zener diyot ve direnç üzerinden (20-12.5) / 165 = 45 mA akım geçecektir. Onlara 1W’dan daha az tahsis edilecek, ki bu çok fazla değil. Maksimum giriş voltajı ve maksimum yük akımı durumunda, transistördeki güç (20V-12V) / 1A = 8W mertebesinde olacaktır. Bu, ilk durumda dengeleyici tarafından serbest bırakılan güçten çok daha azdır. Devrenin verimliliğini artırmak için (Şekil 26 c)), maksimum katsayılı transistörleri seçin. amplifikasyon veya kompozit koymak (kontrol akımlarını azaltmak için). Mümkün olan minimum giriş voltajını çıkış voltajına mümkün olduğunca yakın hale getirmeye çalışırlar (transistörün doyma voltajını ve kontrol akımlarını ayarlama olasılığını dikkate alarak) ve ayrıca besleme voltajı aralığını mümkün olduğunca dar hale getirmeye çalışırlar.

Çok sayıda benzer stabilizasyon şeması vardır, bunlar esas olarak akımı yükseltme şekillerinde farklılık gösterir. Bazı şemaların açıklaması bu makalede bulunabilir.

Sabit voltaj için en basit transistör filtresi.

Bazen, besleme voltajının yüksek kararlılığının gerekli olmadığı, ancak iyi dalgalanma filtrelemesinin gerekli olduğu durumlar vardır. Bu amaçlar için, en basit güç filtresinin devresini uygulayabilirsiniz.


Şekil 27.

Stabilizatör devresine çok benzer (Şekil 26 c)), sadece bir zener diyot yerine bir kapasitör ve bir dirence sahiptir. Bu devre, R1 ve R2 dirençlerinin oranına bağlı olarak voltajı düşürür, ancak aynı zamanda, kontrol devresindeki akımın ana devreden çok daha az olduğu göz önüne alındığında, C1 kondansatörü voltajı tabanında oldukça sabit tutar. transistör (düşük frekanslı dalgalanmaları bile yumuşatır) ve vericide (çıkış) voltaj oldukça kararlı olacaktır. Kapasitör C2 ayrıca güç kaynağını da filtreler (özellikle hızla değişen bir yükte kullanışlıdır). Dirençleri hesaplama yöntemi, basit bir lineer stabilizatörde bir direnci hesaplama yöntemine benzer. Devrenin dezavantajı, üzerinde her zaman bir miktar voltaj düşüşü olacak olmasıdır.

Devam edecek.

Similar Posts

Leave a Reply

Your email address will not be published.