Электронные схемы - Краткое руководство

В электронике есть разные компоненты, которые служат разным целям. Существуют различные элементы, которые используются во многих типах схем в зависимости от приложений.

Электронные компоненты

Подобно кирпичу, из которого строится стена, компонент является основным кирпичом схемы. АComponent является основным элементом, который способствует развитию идеи в circuit для исполнения.

Каждый компонент имеет несколько основных свойств и ведет себя соответствующим образом. Их использование для построения задуманной схемы зависит от девиза разработчика. На следующем изображении показано несколько примеров электронных компонентов, которые используются в различных электронных схемах.

Чтобы получить представление, давайте посмотрим на типы компонентов. Они могут бытьActive Components или же Passive Components.

Активные компоненты

• Активные компоненты - это те, которые проводят при подаче некоторой внешней энергии.

• Активные компоненты производят энергию в виде напряжения или тока.

• Examples - Диоды, транзисторы, трансформаторы и др.

Пассивные компоненты

• Пассивные компоненты - это компоненты, которые начинают свою работу после подключения. Для их работы не требуется никакой внешней энергии.

• Пассивные компоненты хранят и поддерживают энергию в виде напряжения или тока.

• Examples - резисторы, конденсаторы, индукторы и др.

У нас также есть другая классификация как Linear и Non-Linear элементы.

Линейные компоненты

• Линейные элементы или компоненты - это те, которые имеют линейную зависимость между током и напряжением.

• Параметры линейных элементов не меняются по току и напряжению.

• Examples - Диоды, транзисторы, трансформаторы и др.

Нелинейные компоненты

• Нелинейные элементы или компоненты - это те, которые имеют нелинейную зависимость между током и напряжением.

• Параметры нелинейных элементов изменяются по току и напряжению.

• Examples - резисторы, конденсаторы, индукторы и др.

Это компоненты, предназначенные для различных целей, которые в совокупности могут выполнять предпочтительную задачу, для которой они созданы. Такое сочетание различных компонентов известно какCircuit.

Электронные схемы

Определенное количество компонентов при соединении с определенной целью определенным образом делает circuit. Схема - это сеть из различных компонентов. Существуют разные типы схем.

На следующем изображении показаны различные типы электронных схем. На нем показаны печатные платы, которые представляют собой группу электронных схем, соединенных на плате.

Электронные схемы можно сгруппировать по разным категориям в зависимости от их работы, подключения, структуры и т. Д. Давайте подробнее обсудим типы электронных схем.

Активная цепь

• Схема, построенная с использованием активных компонентов, называется Active Circuit.

• Обычно он содержит источник питания, из которого схема забирает больше мощности и передает ее нагрузке.

• Дополнительная мощность добавляется к выходу и, следовательно, выходная мощность всегда больше, чем подаваемая входная мощность.

• Прирост мощности всегда будет больше единицы.

Пассивная схема

• Схема, построенная с использованием пассивных компонентов, называется Passive Circuit.

• Даже если он содержит источник питания, схема не извлекает энергию.

• Дополнительная мощность не добавляется к выходу и, следовательно, выходная мощность всегда меньше подаваемой входной мощности.

• Прирост мощности всегда будет меньше единицы.

Электронные схемы также можно классифицировать как Analog, Digital, или же Mixed.

Аналоговая схема

• Аналоговая схема может иметь линейные компоненты. Следовательно, это линейная схема.

• Аналоговая схема имеет входы аналогового сигнала, которые находятся в непрерывном диапазоне напряжений.

Цифровая схема

• Цифровая схема может быть такой, в которой есть нелинейные компоненты. Следовательно, это нелинейная схема.

• Он может обрабатывать только цифровые сигналы.

• Цифровая схема имеет входы цифровых сигналов, которые представляют собой дискретные значения.

Цепь смешанного сигнала

• Схема со смешанным сигналом может иметь как линейные, так и нелинейные компоненты. Следовательно, это называется схемой смешанного сигнала.

• Эти схемы состоят из аналоговых схем вместе с микропроцессорами для обработки ввода.

В зависимости от типа подключения цепи можно классифицировать как Series Circuit или же Parallel Circuit. Последовательная цепь - это цепь, которая соединена последовательно, аparallel circuit это тот, у которого его компоненты соединены параллельно.

Теперь, когда у нас есть базовое представление об электронных компонентах, давайте продолжим и обсудим их назначение, которое поможет нам создавать более совершенные схемы для различных приложений. Какой бы ни была цель электронной схемы (обрабатывать, отправлять, получать, анализировать), процесс осуществляется в виде сигналов. В следующей главе мы обсудим сигналы и типы сигналов, присутствующих в электронных схемах.

А Signalможет пониматься как «представление, которое дает некоторую информацию о данных, имеющихся в источнике, из которого они созданы». Обычно это время меняется. Следовательно, сигнал может бытьsource of energy which transmits some information. Это легко представить на графике.

Примеры

• Будильник подает сигнал, что пора.
• Свисток плиты подтверждает, что еда приготовлена.
• Красный свет сигнализирует об опасности.
• Светофор указывает на ваше движение.
• Звонит телефон, сигнализируя о том, что вам звонят.

Сигнал может быть любого типа, который передает некоторую информацию. Этот сигнал, создаваемый электронным оборудованием, называетсяElectronic Signal или же Electrical Signal. Обычно это временные варианты.

Типы сигналов

Сигналы можно разделить на аналоговые или цифровые, в зависимости от их характеристик. Аналоговые и цифровые сигналы можно дополнительно классифицировать, как показано на следующем рисунке.

Аналоговый сигнал

Непрерывный изменяющийся во времени сигнал, который представляет изменяющуюся во времени величину, можно назвать Analog Signal. Этот сигнал продолжает изменяться во времени в соответствии с мгновенными значениями представляющей его величины.

Цифровой сигнал

Сигнал, который discrete в природе или который non-continuous по форме можно назвать Digital signal. Этот сигнал имеет отдельные значения, обозначенные отдельно, которые не основаны на предыдущих значениях, как если бы они были получены в этот конкретный момент времени.

Периодический сигнал и апериодический сигнал

Любой аналоговый или цифровой сигнал, который повторяет свой образец в течение определенного периода времени, называется Periodic Signal. Этот сигнал имеет повторяющуюся структуру, и его легко предположить или рассчитать.

Любой аналоговый или цифровой сигнал, который не повторяет свой образец в течение определенного периода времени, называется Aperiodic Signal. Этот сигнал имеет свой паттерн, но паттерн не повторяется, и его не так легко предположить или рассчитать.

Сигналы и обозначения

Среди Periodic Signals, наиболее часто используемыми сигналами являются синусоидальная волна, косинусная волна, треугольная форма волны, прямоугольная волна, прямоугольная волна, зубчатая волна, импульсная волна или последовательность импульсов и т. д., давайте взглянем на эти формы волны.

Сигнал шага устройства

Сигнал единичного шага имеет значение от одной единицы от источника до одной единицы по оси X. В основном это используется как тестовый сигнал. Изображение сигнала единичного шага показано ниже.

Функция единичного шага обозначается как $u\left ( t \right )$. Это определяется как -

$$ u \ left (t \ right) = \ left \ {\ begin {matrix} 1 & t \ geq 0 \\ 0 & t <0 \ end {matrix} \ right. $$

Импульсный сигнал блока

Единичный импульсный сигнал имеет значение в одну единицу в своем источнике. Его площадь составляет одну единицу. Изображение единичного импульсного сигнала показано ниже.

Единичная импульсная функция обозначается ẟ(t). Он определяется как

$$\delta \left ( t \right )=\left\{\begin{matrix} \infty \:\:if \:\:t=0\\0 \:\:if \:\:t\neq 0\end{matrix}\right.$$

$$\int_{-\infty }^{\infty }\delta \left ( t \right )d\left ( t \right )=1$$

$$\int_{-\infty }^{t }\delta \left ( t \right )d\left ( t \right )=u\left ( t \right )$$

$$\delta \left ( t \right )=\frac{du\left ( t \right )}{d\left ( t \right )} $$

Сигнал линейного изменения агрегата

Значение единичного линейного сигнала возрастает по экспоненте от источника. Изображение сигнала линейного изменения агрегата показано ниже.

Единичная функция линейного изменения обозначается как u(t). Это определяется как -

$$\int_{0}^{t}u\left ( t \right ) d\left ( t \right )=\int_{0}^{t} 1 dt =t=r\left ( t \right )$$

$$u\left ( t \right )=\frac{dr\left ( t \right )}{dt}$$

Единичный параболический сигнал

Единичный параболический сигнал имеет свое значение, изменяющееся, как парабола в его начале. Изображение единичного параболического сигнала показано ниже.

Единичная параболическая функция обозначается через $u\left ( t \right )$. Это определяется как -

$$\int_{0}^{t}\int_{0}^{t}u\left ( t \right )dtdt=\int_{0}^{t}r\left ( t \right )dt=\int_{0}^{t} t.dt=\frac{t^{2}}{2}dt=x\left ( t \right )$$

$$r\left ( t \right )=\frac{dx\left ( t \right )}{dt}$$

$$u\left ( t \right )=\frac{d^{2}x\left ( t \right )}{dt^{2}}$$

Сигнум Функция

Значение функции Signum равномерно распределено как в положительной, так и в отрицательной плоскости от ее источника. Изображение функции Signum показано ниже.

Функция Signum обозначается sgn(t). Он определяется как

$$ sgn \ left (t \ right) = \ left \ {\ begin {matrix} 1 \: \: для \: \: t \ geq 0 \\ - 1 \: \: для \: \: t <0 \ end {matrix} \ right. $$

$$sgn\left ( t \right )=2u\left ( t \right ) -1$$

Экспоненциальный сигнал

Экспоненциальный сигнал имеет значение, экспоненциально изменяющееся от источника. Экспоненциальная функция имеет вид -

$$x\left ( t \right ) =e^{\alpha t}$$

Форма экспоненты может быть определена как $\alpha$. Эту функцию можно понять в 3 случаях

Case 1 -

Если $\alpha = 0\rightarrow x\left ( t \right )=e^{0}=1$

Case 2 -

Если $ \ alpha <0 $, то $x\left ( t \right )=e^{\alpha t}$ где $\alpha$отрицательный. Эта форма называетсяdecaying exponential.

Case 3 -

Если $\alpha > 0$ тогда $x\left ( t \right )=e^{\alpha t}$ где $\alpha$положительный. Эта форма называетсяraising exponential.

Прямоугольный сигнал

Прямоугольный сигнал имеет свое значение, распределенное в прямоугольной форме как в положительной, так и в отрицательной плоскостях от его источника. Изображение прямоугольного сигнала показано ниже.

Прямоугольная функция обозначается через $x\left ( t \right )$. Он определяется как

$$x\left ( t \right )=A \:rect\left [ \frac{t}{T} \right ]$$

Треугольный сигнал

Прямоугольный сигнал имеет свое значение, распределенное в треугольной форме как в положительной, так и в отрицательной плоскостях от источника. Изображение треугольного сигнала показано ниже.

Треугольная функция обозначается$x\left ( t \right )$. Он определяется как

$$x\left ( t \right )=A \left [ 1-\frac{\left | t \right |}{T} \right ]$$

Синусоидальный сигнал

Синусоидальный сигнал имеет значение, синусоидально изменяющееся от его источника. Изображение синусоидального сигнала показано ниже.

Синусоидальная функция обозначается x (t). Это определяется как -

$$x\left ( t \right )=A \cos \left ( w_{0} t\pm \phi \right )$$

или же

$$x\left ( t \right )=A sin\left ( w_{0}t\pm \phi \right )$$

где $T_{0}=\frac{2 \pi}{w_{0}}$

Функция Sinc

Значение сигнала Sinc изменяется в соответствии с определенным соотношением, как в приведенном ниже уравнении. Он имеет максимальное значение в начале координат и продолжает уменьшаться по мере удаления. Изображение сигнала функции Sinc показано ниже.

Функция Sinc обозначается через sinc(t). Это определяется как -

$$sinc\left ( t \right )=\frac{sin\left ( \pi t \right )}{\pi t}$$

Итак, это различные сигналы, с которыми мы чаще всего сталкиваемся в области электроники и связи. Каждый сигнал можно определить в математическом уравнении, чтобы упростить анализ сигнала.

Как упоминалось ранее, каждый сигнал имеет определенную форму волны. Формирование волны может изменить содержание сигнала. В любом случае, решение о том, изменять ли волну для какой-либо конкретной схемы, должен принимать инженер-проектировщик. Но для изменения формы волны есть несколько методов, которые будут обсуждаться в следующих разделах.

Сигнал также можно назвать Wave. Каждая волна имеет определенную форму, когда она представлена ​​на графике. Эта форма может быть разных типов, таких как синусоидальная, квадратная, треугольная и т. Д., Которые меняются в зависимости от периода времени, или они могут иметь некоторые случайные формы без учета периода времени.

Типы формирования волны

Существует два основных типа формирования волн. Они -

• Формирование линейной волны
• Нелинейное формирование волны

Формирование линейной волны

Линейные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, используются для формирования сигнала при таком линейном формировании волны. Вход синусоидальной волны имеет выход синусоидальной волны, и поэтому несинусоидальные входы чаще используются для понимания линейного формирования волны.

Filtering представляет собой процесс ослабления нежелательного сигнала или воспроизведения выбранных частей частотных составляющих конкретного сигнала.

Фильтры

Если в процессе формирования сигнала некоторые части сигнала кажутся нежелательными, их можно отсечь с помощью схемы фильтра. A Filter is a circuit that can remove unwanted portions of a signal at its input. Процесс уменьшения силы сигнала также называютAttenuation.

У нас есть несколько компонентов, которые помогают нам в методах фильтрации.

• А Capacitor имеет свойство allow AC и чтобы block DC

• An Inductor имеет свойство allow DC но blocks AC.

Используя эти свойства, эти два компонента особенно используются для блокировки или разрешения AC или же DC. Фильтры могут быть разработаны в зависимости от этих свойств.

У нас есть четыре основных типа фильтров -

• Фильтр низких частот
• Фильтр высоких частот
• Полосовой фильтр
• Полосовой стоп-фильтр

Давайте теперь обсудим эти типы фильтров подробно.

Фильтр низких частот

Схема фильтра, которая допускает набор частот ниже заданного значения, может быть названа Low pass filter. Этот фильтр пропускает нижние частоты. Принципиальная схема фильтра нижних частот с использованием RC и RL показана ниже.

Конденсаторный фильтр или RC и фильтр индуктивности, или фильтр RL действуют как фильтры нижних частот.

• The RC filter- Поскольку конденсатор включен в шунт, переменный ток, который он допускает, заземляется. Это пропускает все высокочастотные компоненты, в то время как на выходе допускается постоянный ток.

• The RL filter- Поскольку катушка индуктивности включена последовательно, на выходе допускается постоянный ток. Индуктор блокирует переменный ток, недопустимый на выходе.

Символ фильтра низких частот (ФНЧ) приведен ниже.

Частотный отклик

Частотная характеристика практического фильтра показана ниже, а частотная характеристика идеального фильтра нижних частот, когда не учитываются практические аспекты электронных компонентов, будет следующей.

Частота среза любого фильтра - критическая частота $f_{c}$для которых фильтр предназначен для ослабления (отсечения) сигнала. Идеальный фильтр имеет идеальную отсечку, тогда как практический имеет несколько ограничений.

Фильтр RLC

Зная о фильтрах RC и RL, можно подумать, что было бы хорошо добавить эти две схемы, чтобы получить лучший отклик. На следующем рисунке показано, как выглядит схема RLC.

Сигнал на входе проходит через индуктор, который блокирует переменный ток и допускает постоянный ток. Теперь этот выход снова проходит через конденсатор в шунте, который заземляет оставшуюся составляющую переменного тока, если таковая имеется, присутствует в сигнале, позволяя постоянному току на выходе. Таким образом, мы имеем на выходе чистый DC. Это лучшая схема нижних частот, чем они оба.

Фильтр высоких частот

Схема фильтра, которая допускает набор частот, которые above a specified value можно назвать High pass filter. Этот фильтр пропускает более высокие частоты. Принципиальная схема фильтра высоких частот с использованием RC и RL показана ниже.

Конденсаторный фильтр или RC фильтр и фильтр индуктивности или RL оба фильтра действуют как фильтры высоких частот.

RC фильтр

Поскольку конденсатор включен последовательно, он блокирует компоненты постоянного тока и позволяет компонентам переменного тока выводиться на выход. Следовательно, высокочастотные составляющие появляются на выходе через резистор.

Фильтр RL

Поскольку катушка индуктивности помещена в шунт, допускается заземление постоянного тока. Оставшаяся составляющая переменного тока появляется на выходе. Символ фильтра высоких частот (HPF) приведен ниже.

Частотный отклик

Частотная характеристика практического фильтра показана ниже, а частотная характеристика идеального HPF, когда не учитываются практические аспекты электронных компонентов, будет следующей.

Частота среза любого фильтра - критическая частота $f_{c}$для которых фильтр предназначен для ослабления (отсечения) сигнала. Идеальный фильтр имеет идеальную отсечку, тогда как практический имеет несколько ограничений.

Фильтр RLC

Зная о фильтрах RC и RL, можно подумать, что было бы хорошо добавить эти две схемы, чтобы получить лучший отклик. На следующем рисунке показано, как выглядит схема RLC.

Сигнал на входе проходит через конденсатор, который блокирует постоянный ток и пропускает переменный ток. Теперь этот выход снова проходит через катушку индуктивности в шунте, который заземляет оставшуюся составляющую постоянного тока, если таковая имеется, присутствует в сигнале, позволяя перем. Таким образом, мы имеем на выходе чистый переменный ток. Это лучшая схема верхних частот, чем они оба.

Полосовой фильтр

Схема фильтра, которая допускает набор частот, которые between two specified values можно назвать Band pass filter. Этот фильтр пропускает полосу частот.

Поскольку нам нужно исключить несколько низких и высоких частот, чтобы выбрать набор указанных частот, нам нужно каскадировать HPF и LPF, чтобы получить BPF. Это легко понять даже по кривым частотных характеристик.

Принципиальная схема полосового фильтра показана ниже.

Вышеупомянутая схема также может быть построена с использованием схем RL или схем RLC. Вышеупомянутая схема RC выбрана для простоты понимания.

Символ полосового фильтра (BPF) приведен ниже.

Частотный отклик

Частотная характеристика практического фильтра показана здесь ниже, а частотная характеристика идеального BPF, когда практические соображения электронных компонентов не принимаются во внимание, будет следующей.

Частота среза любого фильтра - критическая частота $f_{c}$для которых фильтр предназначен для ослабления (отсечения) сигнала. Идеальный фильтр имеет идеальную отсечку, тогда как практический имеет несколько ограничений.

Полосовой стоп-фильтр

Схема фильтра, которая блокирует или ослабляет набор частот, которые between two specified values можно назвать Band Stop filter. Этот фильтр отклоняет полосу частот, поэтому его также можно назватьBand Reject Filter.

Поскольку нам нужно исключить несколько низких и высоких частот, чтобы выбрать набор указанных частот, нам нужно каскадировать LPF и HPF, чтобы получить BSF. Это легко понять даже по кривым частотных характеристик.

Принципиальная схема полосового заградительного фильтра показана ниже.

Вышеупомянутая схема также может быть построена с использованием схем RL или схем RLC. Вышеупомянутая схема RC выбрана для простоты понимания.

Символ полосового заградительного фильтра (BSF) приведен ниже.

Частотный отклик

Частотная характеристика практического фильтра показана ниже, а частотная характеристика идеального BSF, когда не учитываются практические аспекты электронных компонентов, будет следующей.

Частота среза любого фильтра - критическая частота $f_{c}$для которых фильтр предназначен для ослабления (отсечения) сигнала. Идеальный фильтр имеет идеальную отсечку, тогда как практический имеет несколько ограничений.

Цепи фильтров нижних и верхних частот используются в качестве специальных схем во многих приложениях. Фильтр нижних частот (ФНЧ) может работать какIntegrator, тогда как фильтр высоких частот (HPF) может работать как Differentiator. Эти две математические функции возможны только с этими схемами, что сокращает усилия инженера-электронщика во многих приложениях.

Фильтр низких частот как интегратор

На низких частотах емкостное реактивное сопротивление стремится к бесконечности, а на высоких частотах реактивное сопротивление становится равным нулю. Следовательно, на низких частотах LPF имеет конечный выход, а на высоких частотах выход равен нулю, что аналогично схеме интегратора. Следовательно, можно сказать, что фильтр нижних частот работает какintegrator.

Чтобы ФНЧ работал как интегратор

$$\tau \gg T$$

где $\tau = RC$ постоянная времени цепи

Тогда изменение напряжения в C очень мало.

$$V_{i}=iR+\frac{1}{C} \int i \:dt$$

$$V_{i}\cong iR$$

$$Since \:\: \frac{1}{C} \int i \:dt \ll iR$$

$$i=\frac{V_{i}}{R}$$

$$ Since \:\: V_{0}=\frac{1}{C}\int i dt =\frac{1}{RC}\int V_{i}dt=\frac{1}{\tau }\int V_{i} dt$$

$$Output \propto \int input$$

Следовательно, ФНЧ с большой постоянной времени дает выходной сигнал, пропорциональный интегралу входа.

Частотный отклик

Частотная характеристика практического фильтра нижних частот, когда он работает как интегратор, показана ниже.

Форма выходного сигнала

Если на схему интегратора подается синусоидальный вход, на выходе будет косинусоидальная волна. Если входной сигнал представляет собой прямоугольную волну, выходная волна меняет свою форму и выглядит так, как показано на рисунке ниже.

Фильтр высоких частот как дифференциатор

На низких частотах выход дифференциатора равен нулю, тогда как на высоких частотах его выход имеет некоторое конечное значение. Это то же самое, что и для дифференциатора. Следовательно, говорят, что фильтр высоких частот ведет себя как дифференцирующий элемент.

Если постоянная времени RC HPF намного меньше периода времени входного сигнала, тогда схема ведет себя как дифференциатор. Тогда падение напряжения на R очень мало по сравнению с падением на C.

$$V_{i}=\frac{1}{C}\int i \:dt +iR$$

Но $iR=V_{0}$ маленький

$$since V_{i}=\frac{1}{C}\int i \:dt$$

$$i=\frac{V_{0}}{R}$$

$$Since \: V_{i} =\frac{1}{\tau }\int V_{0} \:dt$$

где $\tau =RC$ постоянная времени цепи.

Дифференцируя с обеих сторон,

$$\frac{dV_{i}}{dt}=\frac{V_0}{\tau }$$

$$V_{0}=\tau \frac{dV_{i}}{dt}$$

$$Since \:V_{0}\propto \frac{dV_{i}}{dt}$$

Выходной сигнал пропорционален разности входного сигнала.

Частотный отклик

Частотная характеристика практического фильтра верхних частот, когда он работает как дифференциатор, показана ниже.

Форма выходной волны

Если на схему дифференциатора подается синусоидальный вход, на выходе будет косинусоидальная волна. Если входной сигнал представляет собой прямоугольную волну, выходная волна меняет свою форму и выглядит так, как показано на рисунке ниже.

Эти две схемы в основном используются в различных электронных приложениях. Схема дифференциатора вырабатывает постоянное выходное напряжение, когда входной сигнал имеет тенденцию к постоянному изменению. Схема интегратора создает постоянно изменяющееся выходное напряжение, когда приложенное входное напряжение является постоянным.

Наряду с резисторами, нелинейные элементы типа diodesиспользуются в схемах нелинейного формирования сигналов для получения требуемых измененных выходных сигналов. Либо форма волны ослабляется, либо уровень постоянного тока волны изменяется в нелинейном формировании волны.

Процесс создания несинусоидальной формы выходной волны из синусоидального входа с использованием нелинейных элементов называется nonlinear wave shaping.

Схемы машинки для стрижки

Схема клиппера - это схема, rejects the part входной волны заданной пока allowing the remainingчасть. Часть волны выше или ниже определенного напряжения отсечки отсекается или отсекается.

Схемы ограничения состоят из линейных и нелинейных элементов, таких как резисторы и диоды, но не из элементов накопления энергии, таких как конденсаторы. У этих схем ограничения есть много применений, поскольку они выгодны.

• Основным преимуществом схем ограничения является устранение нежелательного шума, присутствующего в амплитудах.

• Они могут работать как преобразователи прямоугольных сигналов, поскольку они могут преобразовывать синусоидальные волны в прямоугольные волны путем отсечения.

• Амплитуду желаемой волны можно поддерживать на постоянном уровне.

Среди диодных машинок есть два основных типа: positive и negative clippers. Мы обсудим эти два типа машинок для стрижки в следующих двух главах.

Схема ограничителя, которая предназначена для ослабления положительных частей входного сигнала, может быть названа Positive Clipper. Среди положительных схем ограничителя диодов у нас есть следующие типы:

• Машинка для стрижки Positive Series
• Клипер серии Positive с положительным $V_{r}$ (Опорное напряжение)
• Машинка для стрижки положительной серии с отрицательной $V_{r}$
• Положительный шунтирующий клиппер
• Положительный шунтирующий клипер с положительным $V_{r}$
• Положительный шунтирующий клиппер с отрицательным $V_{r}$

Обсудим подробно каждый из этих типов.

Машинка для стрижки Positive Series

Схема ограничителя, в которой диод соединен последовательно с входным сигналом и который ослабляет положительные части формы волны, называется Positive Series Clipper. На следующем рисунке представлена ​​принципиальная схема ограничителя положительного ряда.

Positive Cycle of the Input- Когда подается входное напряжение, положительный цикл входа делает точку A в цепи положительной по отношению к точке B. Это вызывает обратное смещение диода и, следовательно, ведет себя как разомкнутый переключатель. Таким образом, напряжение на нагрузочном резисторе становится равным нулю, поскольку через него не протекает ток и, следовательно,$V_{0}$ будет ноль.

Negative Cycle of the Input- Отрицательный цикл входа делает точку A в цепи отрицательной по отношению к точке B. Это делает диод смещенным вперед и, следовательно, он ведет себя как замкнутый переключатель. Таким образом, напряжение на нагрузочном резисторе будет равно приложенному входному напряжению, так как оно полностью появляется на выходе.$V_{0}$.

Формы волны

Если на приведенных выше рисунках наблюдаются формы сигналов, мы можем понять, что только часть положительного пика была обрезана. Это из-за напряжения на V0. Но идеального результата не должно было быть. Давайте посмотрим на следующие цифры.

В отличие от идеального выхода, на практическом выходе присутствует битовая часть положительного цикла из-за напряжения проводимости диода, которое составляет 0,7 В. Следовательно, будет разница в практических и идеальных формах выходных сигналов.

Клипер серии Positive с положительным $V_{r}$

Схема клиппера, в которой диод подключен последовательно к входному сигналу и смещен положительным опорным напряжением. $V_{r}$ и который ослабляет положительные части формы волны, называется Positive Series Clipper with positive $V_{r}$. На приведенном ниже рисунке представляет собой принципиальную схему для положительной серии машинки для стрижки, когда применяется опорное напряжение является положительным.

Во время положительного цикла входного диода получает обратное смещение и появляется опорное напряжение на выходе. Во время отрицательного цикла диод смещен в прямом направлении и ведет себя как замкнутый переключатель. Следовательно, форма выходного сигнала выглядит так, как показано на рисунке выше.

Машинка для стрижки положительной серии с отрицательной $V_{r}$

Схема клиппера, в которой диод подключен последовательно к входному сигналу и смещен отрицательным опорным напряжением. $V_{r}$ и который ослабляет положительные части формы волны, называется Positive Series Clipper with negative $V_{r}$. На приведенном ниже рисунке представляет собой схему для положительной серии машинки для стрижки, когда опорное напряжение, приложенное отрицательный.

Во время положительного цикла входного диода получает обратное смещение и появляется опорное напряжение на выходе. В качестве опорного напряжения является отрицательным, то же напряжение с амплитудой постоянной показано. Во время отрицательного цикла диод смещен в прямом направлении и ведет себя как замкнутый переключатель. Следовательно, входной сигнал, который больше, чем опорное напряжение, появляется на выходе.

Положительный шунтирующий клиппер

Схема ограничителя, в которой диод соединен шунтом с входным сигналом и который ослабляет положительные части формы волны, называется Positive Shunt Clipper. На следующем рисунке представлена ​​принципиальная схема ограничителя положительного шунта.

Positive Cycle of the Input- Когда подается входное напряжение, положительный цикл входа делает точку A в цепи положительной по отношению к точке B. Это приводит к прямому смещению диода и, следовательно, он ведет себя как замкнутый переключатель. Таким образом, напряжение на нагрузочном резисторе становится равным нулю, поскольку через него не протекает ток и, следовательно,$V_{0}$ будет ноль.

Negative Cycle of the Input- Отрицательный цикл входа делает точку A в цепи отрицательной по отношению к точке B. Это вызывает обратное смещение диода и, следовательно, ведет себя как разомкнутый переключатель. Таким образом, напряжение на нагрузочном резисторе будет равно приложенному входному напряжению, так как оно полностью появляется на выходе.$V_{0}$.

Формы волны

Если на приведенных выше рисунках наблюдаются формы сигналов, мы можем понять, что только часть положительного пика была обрезана. Это из-за напряжения на$V_{0}$. Но идеального результата не должно было быть. Давайте посмотрим на следующие цифры.

В отличие от идеального выхода, на практическом выходе присутствует битовая часть положительного цикла из-за напряжения проводимости диода, которое составляет 0,7 В. Следовательно, будет разница в практических и идеальных формах выходных сигналов.

Положительный шунтирующий клипер с положительным $V_{r}$

Схема ограничителя, в которой диод шунтируется к входному сигналу и смещен положительным опорным напряжением. $V_{r}$ и который ослабляет положительные части формы волны, называется Positive Shunt Clipper with positive $V_{r}$. На приведенном ниже рисунке представляет собой схема для положительных шунтирующих машинок для стрижки, когда применяется опорное напряжение является положительной.

Во время положительного цикла входного диода получает вперед предвзятым и ничего, кроме опорного напряжения появляется на выходе. Во время отрицательного цикла диод получает обратное смещение и ведет себя как разомкнутый переключатель. На выходе появляется весь ввод. Следовательно, форма выходного сигнала выглядит так, как показано на рисунке выше.

Положительный шунтирующий клиппер с отрицательным $V_{r}$

Схема ограничителя, в которой диод шунтируется к входному сигналу и смещен отрицательным опорным напряжением. $V_{r}$ и который ослабляет положительные части формы волны, называется Positive Shunt Clipper with negative $V_{r}$.

На приведенном ниже рисунке представляет собой схему для положительных шунтирующих машинок для стрижки, когда опорное напряжение, приложенным отрицательный.

Во время положительного цикла ввода, диод получает смещен в прямом направлении, и появляется опорное напряжение на выходе. В качестве опорного напряжения является отрицательным, то же напряжение с амплитудой постоянной показано. Во время отрицательного цикла диод получает обратное смещение и ведет себя как разомкнутый переключатель. Следовательно, входной сигнал, который больше, чем опорное напряжение, появляется на выходе.

Схема ограничителя, которая предназначена для ослабления отрицательных частей входного сигнала, может быть названа Negative Clipper. Среди схем ограничителя отрицательных диодов у нас есть следующие типы.

• Машинка для стрижки отрицательной серии
• Машинка для стрижки отрицательной серии с положительным $V_{r}$ (Опорное напряжение)
• Машинка для стрижки отрицательной серии с отрицательной $V_{r}$
• Клипер отрицательного шунта
• Отрицательный Shunt Clipper с положительным $V_{r}$
• Отрицательный Shunt Clipper с отрицательным $V_{r}$

Обсудим подробно каждый из этих типов.

Машинка для стрижки отрицательной серии

Схема клиппера, в которой диод подключен последовательно к входному сигналу и который ослабляет отрицательные части формы волны, называется Negative Series Clipper. На следующем рисунке представлена ​​принципиальная схема ограничителя отрицательного ряда.

Positive Cycle of the Input- Когда подается входное напряжение, положительный цикл входа делает точку A в цепи положительной по отношению к точке B. Это вызывает прямое смещение диода и, следовательно, действует как замкнутый переключатель. Таким образом, входное напряжение полностью появляется на нагрузочном резисторе, создавая выходной сигнал.$V_{0}$.

Negative Cycle of the Input- Отрицательный цикл входа делает точку A в цепи отрицательной по отношению к точке B. Это вызывает обратное смещение диода и, следовательно, действует как разомкнутый переключатель. Таким образом, напряжение на нагрузочном резисторе будет равно нулю,$V_{0}$ нуль.

Формы волны

Если на приведенных выше рисунках наблюдаются формы сигналов, можно понять, что только часть отрицательного пика была обрезана. Это из-за напряжения на$V_{0}$. Но идеального результата не должно было быть. Давайте посмотрим на следующие цифры.

В отличие от идеального выхода, на практическом выходе присутствует битовая часть отрицательного цикла из-за напряжения проводимости диода, которое составляет 0,7 В. Следовательно, будет разница в практических и идеальных формах выходных сигналов.

Машинка для стрижки отрицательной серии с положительным $V_{r}$

Схема клиппера, в которой диод подключен последовательно к входному сигналу и смещен положительным опорным напряжением. $V_{r}$ и который ослабляет отрицательные части формы волны, называется Negative Series Clipper with positive $V_{r}$. На приведенном ниже рисунке представляет собой принципиальную схему для отрицательной серии машинки для стрижки, когда применяется опорное напряжение является положительным.

Во время положительного цикла входа диод начинает проводить только тогда, когда значение напряжения анода превышает значение напряжения катода диода. Поскольку напряжение катода равно опорного напряжения, подаваемого на выходе будет, как показано на рисунке.

Машинка для стрижки отрицательной серии с отрицательной $V_{r}$

Схема клиппера, в которой диод подключен последовательно к входному сигналу и смещен отрицательным опорным напряжением. $V_{r}$ и который ослабляет отрицательные части формы волны, называется Negative Series Clipper with negative $V_{r}$. На приведенном ниже рисунке представляет собой схему для отрицательной серии машинки для стрижки, когда опорное напряжение, приложенное отрицательный.

Во время положительного цикла входа диод смещается в прямом направлении, и на выходе появляется входной сигнал. Во время отрицательного цикла диод получает обратное смещение и, следовательно, не проводит ток. Но опорное напряжение отрицательное применяется, появляется на выходе. Следовательно, отрицательный цикл выходного сигнала получает подрезан после этого опорного уровня.

Клипер отрицательного шунта

Схема ограничителя, в которой диод соединен шунтом с входным сигналом и который ослабляет отрицательные части формы волны, называется ограничителем отрицательного шунта. На следующем рисунке представлена ​​принципиальная схема дляnegative shunt clipper.

Positive Cycle of the Input- Когда подается входное напряжение, положительный цикл входа делает точку A в цепи положительной по отношению к точке B. Это вызывает обратное смещение диода и, следовательно, ведет себя как разомкнутый переключатель. Таким образом, напряжение на нагрузочном резисторе равно приложенному входному напряжению, поскольку оно полностью появляется на выходе.$V_{0}$

Negative Cycle of the Input- Отрицательный цикл входа делает точку A в цепи отрицательной по отношению к точке B. Это делает диод смещенным вперед и, следовательно, он ведет себя как замкнутый переключатель. Таким образом, напряжение на нагрузочном резисторе становится равным нулю, поскольку через него не течет ток.

Формы волны

На приведенных выше рисунках, если наблюдаются формы сигналов, мы можем понять, что только часть отрицательного пика была обрезана. Это из-за напряжения на$V_{0}$. Но идеального результата не должно было быть. Давайте посмотрим на следующие цифры.

В отличие от идеального выхода, на практическом выходе присутствует битовая часть отрицательного цикла из-за напряжения проводимости диода, которое составляет 0,7 В. Следовательно, будет разница в практических и идеальных формах выходных сигналов.

Отрицательный Shunt Clipper с положительным $V_{r}$

Схема ограничителя, в которой диод шунтируется к входному сигналу и смещен положительным опорным напряжением. $V_{r}$ и который ослабляет отрицательные части формы волны, называется Negative Shunt Clipper with positive $V_{r}$. На приведенном ниже рисунке представляет собой схема для отрицательных шунтирующих машинок для стрижки, когда применяется опорное напряжение является положительной.

Во время положительного цикла входа диод смещается в обратном направлении и ведет себя как разомкнутый переключатель. Таким образом, весь входного напряжения, который больше, чем применяется опорное напряжение, появляется на выходе. Сигнала ниже уровня опорного напряжения получает обрезаны.

Во время отрицательного полупериода, когда диод смещается в прямом направлении и цикл завершается, выход отсутствует.

Отрицательный Shunt Clipper с отрицательным $V_{r}$

Схема ограничителя, в которой диод шунтируется к входному сигналу и смещен отрицательным опорным напряжением. $V_{r}$ и который ослабляет отрицательные части формы волны, называется Negative Shunt Clipper with negative $V_{r}$. На приведенном ниже рисунке представляет собой схему для отрицательных шунтирующих машинок для стрижки, когда опорное напряжение, приложенного отрицательный.

Во время положительного цикла входа диод смещается в обратном направлении и ведет себя как разомкнутый переключатель. Таким образом, все входное напряжение появляется на выходе$V_{o}$. Во время отрицательного полупериода диод смещается вперед. Отрицательное напряжение до опорного напряжения, попадет на выходе, а остальной сигнал получает обрезан.

Двусторонняя машинка для стрижки

Это положительный и отрицательный ограничитель с опорным напряжением. $V_{r}$. Входное напряжение ограничивается двухсторонним как положительной, так и отрицательной частью входного сигнала с двумя опорными напряжениями. Для этого два диода$D_{1}$ и $D_{2}$ вместе с двумя опорными напряжениями $V_{r1}$ и $V_{r2}$ включены в цепь.

Эта схема также называется Combinational Clipperцепь. На приведенном ниже рисунке показана схема двусторонней или комбинационной ограничительной схемы вместе с формой выходного сигнала.

Во время положительной половины входного сигнала диод $D_{1}$ проводит ток, составляющие опорного напряжения $V_{r1}$появляются на выходе. Во время отрицательной половины входного сигнала диод$D_{2}$ проводит ток, составляющие опорного напряжения $V_{r1}$появляются на выходе. Следовательно, оба диода проводят попеременно, ограничивая выход во время обоих циклов. Выходной сигнал берется через нагрузочный резистор.

На этом мы закончили с основными схемами клиперов. Давайте рассмотрим схемы фиксаторов в следующей главе.

Схема фиксатора - это схема, которая добавляет уровень постоянного тока к сигналу переменного тока. Фактически, положительные и отрицательные пики сигналов могут быть размещены на желаемых уровнях с помощью схем ограничения. Когда уровень постоянного тока смещается, фиксирующая цепь называетсяLevel Shifter.

Цепи фиксаторов состоят из элементов аккумулирования энергии, таких как конденсаторы. Простая схема фиксатора состоит из конденсатора, диода, резистора и, при необходимости, батареи постоянного тока.

Цепь зажима

Цепь фиксатора может быть определена как цепь, состоящая из диода, резистора и конденсатора, которая сдвигает форму волны до желаемого уровня постоянного тока без изменения фактического внешнего вида подаваемого сигнала.

Чтобы сохранить временной период формы волны, tau должно быть больше половины периода времени (время разряда конденсатора должно быть медленным).

$$\tau = Rc$$

где

• R - сопротивление используемого резистора.
• C - емкость используемого конденсатора

Постоянная времени заряда и разряда конденсатора определяет выход цепи фиксатора.

• В схеме фиксатора вертикальный сдвиг вверх или вниз имеет место в форме выходного сигнала по отношению к входному сигналу.

• Нагрузочный резистор и конденсатор влияют на форму сигнала. Значит, время разряда конденсатора должно быть достаточно большим.

Составляющая постоянного тока, присутствующая на входе, отклоняется, когда используется сеть с конденсаторной связью (как конденсаторные блоки постоянного тока). Следовательно, когдаdc должно быть restored, используется зажимная цепь.

Типы зажимов

Есть несколько типов цепей фиксаторов, например

• Положительный зажим
• Положительный зажим с положительным $V_r$
• Положительный зажим с отрицательным $V_r$
• Отрицательный зажим
• Отрицательный зажим с положительным $V_{r}$
• Отрицательный зажим с отрицательным $V_{r}$

Разберем их подробно.

Цепь положительного фиксатора

Цепь ограничения восстанавливает уровень постоянного тока. Когда отрицательный пик сигнала поднимается выше до нулевого уровня, то говорят, что сигналpositively clamped.

Схема положительного фиксатора состоит из диода, резистора и конденсатора и сдвигает выходной сигнал на положительную часть входного сигнала. На рисунке ниже поясняется конструкция цепи положительного фиксатора.

Первоначально при подаче входного сигнала конденсатор еще не заряжен и диод имеет обратное смещение. Результат на данный момент не рассматривается. Во время отрицательного полупериода при пиковом значении конденсатор заряжается отрицательным зарядом на одной пластине и положительным - на другой. Конденсатор заряжен до пикового значения.$V_{m}$. Диод смещен в прямом направлении и имеет большую проводимость.

В течение следующего положительного полупериода конденсатор заряжается до положительного напряжения Vm, в то время как диод смещается в обратном направлении и замыкается в разомкнутой цепи. Выход схемы в этот момент будет

$$V_{0}=V_{i}+V_{m}$$

Следовательно, сигнал фиксируется положительно, как показано на рисунке выше. Выходной сигнал изменяется в соответствии с изменениями на входе, но сдвигает уровень в соответствии с зарядом конденсатора, поскольку он добавляет входное напряжение.

Положительный зажим с положительным V _r

Положительная цепь фиксатора, если она смещена некоторым положительным опорным напряжением, это напряжение будет добавлено к выходу для повышения уровня ограничения. Используя это, схема положительного фиксатора с положительным опорным напряжением строится, как показано ниже.

В течение положительного полупериода, опорное напряжение подается через диод на выходе и в качестве входных напряжение увеличивается, напряжение катод диода увеличение по отношению к напряжению анода и, следовательно, он прекращает проведение. Во время отрицательного полупериода диод смещается вперед и начинает проводить. Напряжение на конденсаторе и опорного напряжения вместе поддерживать уровень выходного напряжения.

Положительный зажим с отрицательным $V_{r}$

Положительная цепь фиксатора, если смещена некоторым отрицательным опорным напряжением, это напряжение будет добавлено к выходу, чтобы поднять уровень ограничения. Используя это, схема положительного фиксатора с положительным опорным напряжением строится, как показано ниже.

В течение положительного полупериода, напряжение на конденсаторе и опорное напряжение вместе поддерживать уровень выходного напряжения. Во время отрицательного полупериода диод проводит, когда катодное напряжение становится меньше анодного. Эти изменения делают выходное напряжение таким, как показано на рисунке выше.

Отрицательный зажим

Схема отрицательного фиксатора - это схема, которая состоит из диода, резистора и конденсатора и которая сдвигает выходной сигнал на отрицательную часть входного сигнала. На рисунке ниже поясняется конструкция цепи отрицательного фиксатора.

Во время положительного полупериода конденсатор заряжается до своего пикового значения. $v_{m}$. Диод смещен в прямом направлении и проводит ток. Во время отрицательного полупериода диод смещается в обратном направлении и замыкается. Выход схемы в этот момент будет

$$V_{0}=V_{i}+V_{m}$$

Следовательно, сигнал ограничивается отрицательно, как показано на рисунке выше. Выходной сигнал изменяется в соответствии с изменениями на входе, но сдвигает уровень в соответствии с зарядом конденсатора, поскольку он добавляет входное напряжение.

Отрицательный зажим с положительным V _r

Отрицательная цепь фиксатора, если она смещена некоторым положительным опорным напряжением, это напряжение будет добавлено к выходу для повышения уровня ограничения. Используя это, схема отрицательного фиксатора с положительным опорным напряжением строится, как показано ниже.

Несмотря на то, выходное напряжение отрицательно зажимается, часть выходного сигнала повышается до положительного уровня, так как приложенное опорное напряжение является положительным. В течение положительного полупериода, диод проводит ток, но выход равен применяется положительное опорное напряжение. Во время отрицательного полупериода диод работает как разомкнутый, и напряжение на конденсаторе формирует выход.

Отрицательный зажим с отрицательным V _r

Отрицательная цепь фиксатора, если она смещена некоторым отрицательным опорным напряжением, это напряжение будет добавлено к выходу для повышения уровня ограничения. Используя это, схема отрицательного фиксатора с отрицательным опорным напряжением строится, как показано ниже.

Катод диода соединен с отрицательным опорным напряжением, которое меньше нулевого и анодного напряжения. Следовательно, диод начинает проводить в течение положительного полупериода до нулевого уровня напряжения. Во время отрицательного полупериода на выходе появляется напряжение на конденсаторе. Таким образом, форма волны ограничена отрицательной частью.

Приложения

Есть много приложений для машинок для стрижки и зажимов, таких как

Машинки для стрижки

• Используется для генерации и формирования сигналов
• Используется для защиты цепей от всплесков
• Используется для восстановителей амплитуды
• Используется как ограничитель напряжения
• Используется в телевизионных сетях
• Используется в FM-передатчиках

Зажимы

• Используется в качестве реставраторов постоянного тока
• Используется для устранения искажений
• Используется как умножитель напряжения
• Используется для защиты усилителей
• Используется как испытательное оборудование
• Используется как стабилизатор базовой линии

Наряду с цепями формирования сигнала, такими как ограничители и фиксаторы, диоды используются для построения других цепей, таких как ограничители и умножители напряжения, которые мы обсудим в этой главе. У диодов есть еще одно важное применение, известное как выпрямители, о котором мы поговорим позже.

Ограничители

Другое название, которое мы часто встречаем при использовании этих машинок для стрижки и зажима, - это схема лимитера. Аlimiter Под схемой можно понимать схему, которая ограничивает выходное напряжение от превышения заданного значения.

Это более или менее схема ограничителя, которая не позволяет превышать указанное значение сигнала. На самом деле отсечение можно назвать крайней степенью ограничения. Следовательно, ограничение можно понимать как плавное отсечение.

На следующем изображении показаны некоторые примеры схем ограничителя -

Рабочие характеристики схемы ограничителя можно понять по ее кривой передаточной характеристики. Пример такой кривой следующий.

Нижний и верхний пределы указаны на графике, который показывает характеристики ограничителя. Выходное напряжение для такого графика можно понимать как

$$V_{0}= L_{-},KV_{i},L_{+}$$

где

$$L_{-}=V_{i}\leq \frac{L_{-}}{k}$$

$$ KV_ {i} = \ frac {L _ {-}} {k} <V_ {i} <\ frac {L _ {+}} {k} $$

$$L_{+}=V_{i}\geq \frac{L_{+}}{K}$$

Типы ограничителей

Есть несколько типов ограничителей, таких как

• Unipolar Limiter - Эта схема ограничивает сигнал одним способом.

• Bipolar Limiter - Эта схема ограничивает сигнал двумя способами.

• Soft Limiter - Выходной сигнал в этой цепи может измениться даже при небольшом изменении входа.

• Hard Limiter - Выход не будет легко изменяться при изменении входного сигнала.

• Single Limiter - В этой схеме используется один диод для ограничения.

• Double Limiter - В этой схеме используются два диода для ограничения.

Множители напряжения

Есть приложения, где в некоторых случаях необходимо умножить напряжение. Это легко сделать с помощью простой схемы с использованием диодов и конденсаторов. Если напряжение удвоится, такая схема называется удвоителем напряжения. Это может быть расширено, чтобы сделать Учетверитель Напряжения или Учетверитель Напряжения, или так далее, чтобы получить высокие напряжения постоянного тока.

Чтобы лучше понять, давайте рассмотрим схему, которая умножает напряжение в 2 раза. Эту схему можно назвать Voltage Doubler. На следующем рисунке показана схема удвоителя напряжения.

Подаваемое входное напряжение будет сигналом переменного тока, имеющим форму синусоиды, как показано на рисунке ниже.

За работой

Схему умножителя напряжения можно понять, анализируя каждый полупериод входного сигнала. Каждый цикл заставляет диоды и конденсаторы работать по-разному. Попробуем разобраться в этом.

During the first positive half cycle - При подаче входного сигнала конденсатор $C_{1}$ заряжается и диод $D_{1}$смещен вперед. Пока диод$D_{2}$ имеет обратное смещение, и конденсатор $C_{2}$не получает никакой оплаты. Это делает вывод$V_{0}$ быть $V_{m}$

Это можно понять из следующего рисунка.

Следовательно, с 0 по $\pi$, создаваемое выходное напряжение будет $V_{max}$. Конденсатор$C_{1}$ заряжается через диод с прямым смещением $D_{1}$ чтобы дать результат, а $C_{2}$не заряжается. Это напряжение появляется на выходе.

During the negative half cycle - После этого, когда наступит отрицательный полупериод, диод $D_{1}$ получает обратное смещение и диод $D_{2}$становится предвзятым. Диод$D_{2}$ получает заряд через конденсатор $C_{2}$который заряжается во время этого процесса. Затем ток течет через конденсатор.$C_{1}$который разряжается. Это можно понять из следующего рисунка.

Следовательно, во время $\pi$ к $2\pi$, напряжение на конденсаторе $C_{2}$ будет $V_{max}$. Пока конденсатор$C_{1}$который полностью заряжен, имеет тенденцию к разрядке. Теперь на выходе появляются напряжения от обоих конденсаторов вместе, что составляет$2V_{max}$. Итак, выходное напряжение$V_{0}$ в течение этого цикла $2V_{max}$

During the next positive half cycle - Конденсатор $C_{1}$ заряжается от источника питания и диода $D_{1}$становится предвзятым. Конденсатор$C_{2}$ держит заряд так как не находит выхода для разряда и диод $D_{2}$получает обратное смещение. Теперь выходное напряжение$V_{0}$ этого цикла получает напряжения от обоих конденсаторов, которые вместе появляются на выходе, что составляет $2V_{max}$.

During the next negative half cycle - Следующий отрицательный полупериод делает конденсатор $C_{1}$ снова разрядить от полного заряда и диод $D_{1}$ изменить предвзятость, пока $D_{2}$ вперед и конденсатор $C_{2}$для дальнейшей зарядки для поддержания напряжения. Теперь выходное напряжение$V_{0}$ этого цикла получает напряжения от обоих конденсаторов, которые вместе появляются на выходе, что составляет $2V_{max}$.

Следовательно, выходное напряжение $V_{0}$ поддерживается как $2V_{max}$ на протяжении всей его работы, что делает схему удвоителем напряжения.

Умножители напряжения в основном используются там, где требуется высокое постоянное напряжение. Например, электронно-лучевые трубки и компьютерный дисплей.

Делитель напряжения

В то время как диоды используются для увеличения напряжения, набор последовательных резисторов может быть преобразован в небольшую сеть для разделения напряжения. Такие сети называютсяVoltage Divider сети.

Делитель напряжения - это схема, которая преобразует большее напряжение в меньшее. Это делается с помощью резисторов, включенных последовательно. Результатом будет часть ввода. Выходное напряжение зависит от сопротивления нагрузки, которую он управляет.

Попробуем разобраться, как работает схема делителя напряжения. На рисунке ниже показан пример простой сети с делителем напряжения.

Если мы попытаемся нарисовать выражение для выходного напряжения,

$$V_{i}=i\left ( R_{1}+R_{2} \right )$$

$$i=\frac{V-{i}}{\left ( R_{1}+R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=i \:R_{2}\rightarrow \:i\:=\frac{V_{0}}{R_{2}}$$

Сравнивая оба,

$$\frac{V_{0}}{R_{2}}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

Это выражение для получения значения выходного напряжения. Следовательно, выходное напряжение делится в зависимости от значений сопротивления резисторов в сети. Добавляются дополнительные резисторы, чтобы иметь разную долю различных выходных напряжений.

Давайте рассмотрим пример задачи, чтобы лучше понять делители напряжения.

пример

Рассчитайте выходное напряжение сети с входным напряжением 10 В с двумя последовательными резисторами 2 кОм и 5 кОм.

Выходное напряжение $V_{0}$ дан кем-то

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

$$=\frac{10}{\left ( 2 + 5 \right )k\Omega }5k\Omega$$

$$=\frac{10}{7}\times 5=\frac{50}{7}$$

$$=7.142v$$

Выходное напряжение $V_0$ для вышеуказанной проблемы - 7,14 В

Диод - это двухконтактный PN переход, который может использоваться в различных приложениях. Одно из таких приложений - электрический выключатель. PN-переход при прямом смещении действует как замкнутый, а при обратном смещении действует как разомкнутый. Следовательно, изменение состояния прямого и обратного смещения заставляет диод работать как переключатель,forward будучи ON и reverse будучи OFF штат.

Электрические переключатели вместо механических переключателей

Электрические переключатели предпочтительнее механических переключателей по следующим причинам:

• Механические переключатели склонны к окислению металлов, а электрические переключатели - нет.
• Механические переключатели имеют подвижные контакты.
• Они более подвержены нагрузкам и нагрузкам, чем электрические выключатели.
• Износ механических переключателей часто влияет на их работу.

Следовательно, электрический переключатель более полезен, чем механический.

Работа диода как переключателя

Всякий раз, когда заданное напряжение превышается, сопротивление диода увеличивается, что приводит к обратному смещению диода, и он действует как размыкающий переключатель. Всякий раз, когда напряжение, приложенное ниже опорного напряжения, сопротивление диода получает уменьшается, что делает диод смещен в прямом направлении, и он действует как замкнутый переключатель.

Следующая схема объясняет, как диод работает как переключатель.

Переключающий диод имеет PN-переход, в котором P-область слабо легирована, а N-область сильно легирована. Вышеупомянутая схема символизирует, что диод включается, когда положительное напряжение смещает диод вперед, и выключается, когда отрицательное напряжение смещает диод в обратном направлении.

Звон

Поскольку прямой ток течет до этого момента, с внезапным обратным напряжением, обратный ток течет, например, вместо того, чтобы немедленно отключаться. Чем выше ток утечки, тем больше потери. Поток обратного тока, когда диод внезапно смещен в обратном направлении, иногда может создавать небольшие колебания, называемыеRINGING.

Это состояние звонка является потерей и, следовательно, должно быть минимизировано. Для этого следует понимать времена переключения диода.

Время переключения диодов

При изменении условий смещения диод испытывает transient response. Реакция системы на любое внезапное изменение положения равновесия называется переходной реакцией.

Внезапное переключение с прямого на обратное и с обратного на прямое смещение влияет на схему. Время, необходимое для реакции на такие внезапные изменения, является важным критерием для определения эффективности электрического переключателя.

• Время, необходимое до того, как диод вернется в устойчивое состояние, называется Recovery Time.

• Интервал времени, необходимый диоду для переключения из состояния обратного смещения в состояние прямого смещения, называется Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

• Интервал времени, необходимый диоду для переключения из состояния с прямым смещением в состояние с обратным смещением, называется Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Чтобы понять это более четко, давайте попробуем проанализировать, что происходит, когда напряжение подается на переключающий диод PN.

Концентрация носителя

Концентрация неосновных носителей заряда уменьшается экспоненциально, если смотреть вдали от перехода. При подаче напряжения из-за состояния прямого смещения большинство носителей одной стороны движутся по направлению к другой. Они становятся миноритарными носителями другой стороны. Эта концентрация будет больше на стыке.

Например, если рассматривается N-тип, избыток дырок, которые входят в N-тип после приложения прямого смещения, добавляет к уже присутствующим неосновным носителям материала N-типа.

Рассмотрим несколько обозначений.

• Большинство носителей в P-типе (дырки) = $P_{po}$
• Большинство носителей в N-типе (электроны) = $N_{no}$
• Неосновные носители в P-типе (электроны) = $N_{po}$
• Большинство носителей в N-типе (дырки) = $P_{no}$

During Forward biased Condition- Неосновные носители более близки к стыку и менее удалены от стыка. График ниже объясняет это.

Избыточный заряд неосновного носителя в P-типе = $P_n-P_{no}$ с участием $p_{no}$ (значение устойчивого состояния)

Избыточный заряд неосновного носителя в N-типе = $N_p-N_{po}$ с участием $N_{po}$ (значение устойчивого состояния)

During reverse bias condition- Большинство носителей не проводят ток через переход и, следовательно, не участвуют в текущем состоянии. Переключающий диод ведет себя, например, как короткозамкнутый в обратном направлении.

Неосновные носители пересекают переход и проводят ток, который называется Reverse Saturation Current. Следующий график представляет состояние при обратном смещении.

На приведенном выше рисунке пунктирная линия представляет значения равновесия, а сплошные линии представляют фактические значения. Поскольку ток неосновных носителей заряда достаточно велик, чтобы проводить, цепь будет включена до тех пор, пока этот избыточный заряд не будет удален.

Время, необходимое диоду для перехода от прямого смещения к обратному смещению, называется Reverse recovery time ($t_{rr}$). Следующие ниже графики подробно поясняют время переключения диодов.

Из рисунка выше рассмотрим график тока диода.

В $t_{1}$диод внезапно переводится в выключенное состояние из включенного состояния; это известно как время хранения.Storage timeвремя, необходимое для снятия избыточного заряда неосновного носителя. Отрицательный ток, протекающий от материала типа N к материалу P, имеет значительную величину во время хранения. Этот отрицательный ток

$$-I_R= \frac{-V_{R}}{R}$$

Следующий временной период - это transition time" (из $t_2$ к $t_3$)

Время перехода - это время, за которое диод полностью перейдет в состояние разомкнутой цепи. После$t_3$диод будет в установившемся состоянии обратного смещения. До$t_1$ диод находится в установившемся состоянии прямого смещения.

Итак, время, необходимое для полного перехода в состояние разомкнутой цепи, равно

$$Reverse \:\:recovery\:\: time\left ( t_{rr} \right )= Storage \:\:time \left ( T_{s} \right )+Transition \:\: time \left ( T_{t} \right )$$

В то время как для перехода в состояние ВКЛ из ВЫКЛ требуется меньше времени, называемого Forward recovery time. Время обратного восстановления больше, чем время прямого восстановления. Диод работает как лучший переключатель, если это время обратного восстановления сделать меньше.

Определения

Давайте просто пройдемся по определениям обсуждаемых периодов времени.

• Storage time - Период времени, в течение которого диод остается в состоянии проводимости даже в состоянии обратного смещения, называется Storage time.

• Transition time - Время, прошедшее до возврата в состояние непроводимости, то есть установившееся обратное смещение, называется Transition time.

• Reverse recovery time - Время, необходимое диоду для перехода от прямого смещения к обратному смещению, называется Reverse recovery time.

• Forward recovery time - Время, необходимое диоду для перехода от обратного смещения к прямому смещению, называется Forward recovery time.

Факторы, влияющие на время переключения диодов

Есть несколько факторов, которые влияют на время переключения диодов, например:

• Diode Capacitance - Емкость PN-перехода изменяется в зависимости от условий смещения.

• Diode Resistance - Сопротивление, предлагаемое диодом для изменения своего состояния.

• Doping Concentration - Уровень легирования диода влияет на время переключения диода.

• Depletion Width- Чем уже ширина обедненного слоя, тем быстрее будет переключение. У стабилитрона более узкая область истощения, чем у лавинного диода, что делает его лучшим переключателем.

Приложения

Есть много приложений, в которых используются схемы переключения диодов, например:

• Высокоскоростные выпрямительные схемы
• Цепи высокоскоростной коммутации
• Радиоприемники
• Приложения общего назначения
• Потребительские приложения
• Автомобильные приложения
• Телекоммуникационные приложения и т. Д.

Эта глава представляет собой новый старт в отношении другого раздела диодных схем. Это дает представление о схемах электропитания, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Любое электронное устройство состоит из блока питания, который обеспечивает необходимое количество постоянного или переменного тока для различных частей этого электронного устройства.

Потребность в источниках питания

В электронных устройствах, таких как компьютер, телевизор, электронно-лучевой осциллограф и т. Д., Присутствует множество небольших секций, но все эти секции не требуют питания 230 В переменного тока, которое мы получаем.

Вместо этого для одной или нескольких секций может потребоваться 12 В постоянного тока, а некоторым другим может потребоваться 30 В постоянного тока. Чтобы обеспечить необходимое постоянное напряжение, входящий источник переменного тока 230 В должен быть преобразован в чистый постоянный ток для использования. ВPower supply units служат той же цели.

Практичный блок питания выглядит как на следующем рисунке.

Давайте теперь рассмотрим различные части, из которых состоит блок питания.

Части источника питания

Типовой блок питания состоит из следующего.

• Transformer - Входной трансформатор для понижения напряжения питания 230 В переменного тока.

• Rectifier - Схема выпрямителя для преобразования компонентов переменного тока, присутствующих в сигнале, в компоненты постоянного тока.

• Smoothing - Схема фильтрации для сглаживания колебаний выпрямленного выхода.

• Regulator - Схема регулятора напряжения для регулирования напряжения до желаемого выходного уровня.

• Load - Нагрузка, которая использует чистый выход постоянного тока регулируемого выхода.

Блок-схема блока питания

Блок-схема регулируемого блока питания показана ниже.

Из приведенной выше схемы видно, что трансформатор присутствует на начальной стадии. Хотя мы уже рассмотрели концепцию трансформаторов в учебнике BASIC ELECTRONICS, давайте взглянем на нее.

Трансформатор

Трансформатор имеет primary coil которому input дан и secondary coil откуда outputсобрано. Обе эти катушки намотаны на материал сердечника. Обычно изолятор образуетCore трансформатора.

На следующем рисунке показан практический трансформатор.

Из рисунка выше видно, что некоторые обозначения являются общими. Они следующие -

• $N_{p}$ = Количество витков в первичной обмотке

• $N_{s}$ = Количество витков вторичной обмотки

• $I_{p}$ = Ток, протекающий в первичной обмотке трансформатора

• $I_{s}$ = Ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора

• $V_{p}$ = Напряжение на первичной обмотке трансформатора

• $V_{s}$ = Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

• $\phi$ = Магнитный поток вокруг сердечника трансформатора

Трансформатор в цепи

На следующем рисунке показано, как трансформатор представлен в цепи. Первичная обмотка, вторичная обмотка и сердечник трансформатора также представлены на следующем рисунке.

Следовательно, когда трансформатор включен в цепь, входное питание подается на первичную катушку, так что он создает переменный магнитный поток с этим источником питания, и этот поток индуцируется во вторичной катушке трансформатора, что создает изменяющуюся ЭДС переменный поток. Поскольку магнитный поток должен изменяться, для передачи ЭДС от первичной обмотки к вторичной трансформатор всегда работает от переменного тока переменного тока.

В зависимости от количества витков вторичной обмотки трансформатор можно классифицировать как Step-up или Step-down трансформатор.

Повышающий трансформатор

Когда вторичная обмотка имеет большее количество витков, чем первичная обмотка, трансформатор называется трансформатором. Step-upтрансформатор. Здесь наведенная ЭДС больше входного сигнала.

На рисунке ниже показан символ повышающего трансформатора.

Понижающий трансформатор

Когда вторичная обмотка имеет меньшее количество витков, чем первичная обмотка, трансформатор называется трансформатором. Step-downтрансформатор. Здесь наведенная ЭДС меньше входного сигнала.

На рисунке ниже показан символ понижающего трансформатора.

В наших цепях питания мы используем Step-down transformer, так как нам нужно уменьшить мощность переменного тока до постоянного. Выход этого понижающего трансформатора будет меньше по мощности, и он будет использоваться в качестве входа для следующей секции, называемойrectifier. О выпрямителях мы поговорим в следующей главе.

Когда возникает необходимость преобразовать переменный ток в постоянный, на помощь приходит выпрямительная схема. Простой диод с PN-переходом действует как выпрямитель. Условия прямого смещения и обратного смещения диода делают выпрямление.

Исправление

Переменный ток имеет свойство непрерывно изменять свое состояние. Это можно понять, наблюдая за синусоидой, по которой обозначен переменный ток. Он повышается в положительном направлении, переходит к пиковому положительному значению, затем снижается до нормального и снова переходит в отрицательную часть, достигает отрицательного пика и снова возвращается к норме и продолжается.

Во время своего путешествия в формировании волны мы можем наблюдать, что волна идет в положительном и отрицательном направлениях. На самом деле он полностью изменяется, отсюда и название переменного тока.

Но в процессе выпрямления этот переменный ток превращается в постоянный постоянный ток. Волна, которая до этого времени течет как в положительном, так и в отрицательном направлении, будет ограничивать свое направление только положительным направлением при преобразовании в постоянный ток. Следовательно, ток может течь только в положительном направлении и сопротивляться в отрицательном направлении, как показано на рисунке ниже.

Схема, которая выполняет выпрямление, называется Rectifier circuit. Диод используется в качестве выпрямителя, чтобы построить схему выпрямителя.

Типы выпрямительных схем

Существует два основных типа выпрямительных схем в зависимости от их выхода. Они есть

• Полупериодный выпрямитель
• Двухполупериодный выпрямитель

Схема полуволнового выпрямителя выпрямляет только положительные полупериоды входного питания, тогда как схема двухполупериодного выпрямителя выпрямляет как положительные, так и отрицательные полупериоды входного питания.

Полуволновой выпрямитель

Само название полуволнового выпрямителя гласит, что rectification делается только для halfцикла. Сигнал переменного тока подается через входной трансформатор, который повышается или понижается в зависимости от использования. В выпрямительных схемах в основном используется понижающий трансформатор, чтобы снизить входное напряжение.

Входной сигнал, подаваемый на трансформатор, проходит через диод с PN переходом, который действует как выпрямитель. Этот диод преобразует переменное напряжение в пульсирующее постоянное только в течение положительных полупериодов входа. В конце цепи подключается нагрузочный резистор. На рисунке ниже представлена ​​схема однополупериодного выпрямителя.

Работа HWR

T Входной сигнал подается на трансформатор, который снижает уровни напряжения. Выходной сигнал трансформатора подается на диод, который действует как выпрямитель. Этот диод загорается (проводит) в течение положительных полупериодов входного сигнала. Следовательно, в цепи течет ток, и на нагрузочном резисторе будет падение напряжения. Диод отключается (не проводит) для отрицательных полупериодов и, следовательно, выход для отрицательных полупериодов будет,$i_{D} = 0$ и $V_{o}=0$.

Следовательно, выход присутствует только в течение положительных полупериодов входного напряжения (без учета обратного тока утечки). Этот выходной сигнал будет пульсирующим, который проходит через нагрузочный резистор.

Формы сигналов HWR

Формы сигналов на входе и выходе показаны на следующем рисунке.

Следовательно, на выходе полуволнового выпрямителя пульсирует постоянный ток. Давайте попробуем проанализировать приведенную выше схему, понимая несколько значений, которые получаются на выходе полуволнового выпрямителя.

Анализ полуволнового выпрямителя

Для анализа схемы однополупериодного выпрямителя рассмотрим уравнение входного напряжения.

$$v_{i}=V_{m} \sin \omega t$$

$V_{m}$ - максимальное значение напряжения питания.

Допустим, диод идеальный.

• Сопротивление в прямом направлении, т.е. во включенном состоянии, равно $R_f$.
• Сопротивление в обратном направлении, т.е. в состоянии ВЫКЛ. $R_r$.

Электрический ток i в диоде или нагрузочном резисторе $R_L$ дан кем-то

$i=I_m \sin \omega t \quad for\quad 0\leq \omega t\leq 2 \pi$

$ i=0 \quad\quad\quad\quad for \quad \pi\leq \omega t\leq 2 \pi$

где

$$I_m= \frac{V_m}{R_f+R_L}$$

Выходной постоянный ток

Средний ток $I_{dc}$ дан кем-то

$$I_{dc}=\frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2 \pi} i \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ \int_{0}^{\pi}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+\int_{0}^{2 \pi}0\: d\left ( \omega t \right )\right ]$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ I_m\left \{-\cos \omega t \right \}_{0}^{\pi} \right ]$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ I_m\left \{ +1-\left ( -1 \right ) \right \} \right ]=\frac{I_m}{\pi}=0.318 I_m$$

Подставляя значение $I_m$, мы получили

$$I_{dc}=\frac{V_m}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

Если $R_L >> R_f$, тогда

$$I_{dc}=\frac{V_m}{\pi R_L}=0.318 \frac{V_m}{R_L}$$

Выходное напряжение постоянного тока

Выходное напряжение постоянного тока определяется выражением

$$ V_{dc}=I_{dc}\times R_L=\frac{I_m}{\pi}\times R_L$$

$$=\frac{V_m\times R_L}{\pi\left (R_f+R_L \right )}=\frac{V_m}{\pi\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Если $R_L>>R_f$, тогда

$$V_{dc}=\frac{V_m}{\pi}=0.318 V_m$$

RMS ток и напряжение

Значение среднеквадратичного тока определяется выражением

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2\pi} i^{2} d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2\pi}I_{m}^{2} \sin^{2}\omega t \:d\left (\omega t \right ) +\frac{1}{2\pi}\int_{\pi}^{2\pi} 0 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{2 \pi}\int_{0}^{\pi}\left ( \frac{1-\cos 2 \omega t}{2} \right )d\left ( \omega t \right ) \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi}\left \{ \left ( \omega t \right )-\frac{\sin 2 \omega t}{2} \right \}_{0}^{\pi}\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi}\left \{ \pi - 0 - \frac{\sin 2 \pi}{2}+ \sin 0 \right \} \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi} \right ]^{\frac{1}{2}}=\frac{I_m}{2}$$

$$=\frac{V_m}{2\left ( R_f+R_L \right )}$$

Действующее значение напряжения на нагрузке составляет

$$V_{rms}=I_{rms} \times R_L= \frac{V_m \times R_L}{2\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{V_m}{2\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Если $R_L>>R_f$, тогда

$$V_{rms}=\frac{V_m}{2}$$

КПД выпрямителя

Любая схема должна быть эффективной в своей работе для лучшего выхода. Чтобы вычислить эффективность полуволнового выпрямителя, необходимо учитывать отношение выходной мощности к входной.

КПД выпрямителя определяется как

$$\eta =\frac{d.c.power\:\: delivered \:\: to \:\: the \:\: load}{a.c.input \:\: power\:\:from\:\:transformer\:\:secondary}=\frac{P_{ac}}{P_{dc}}$$

В настоящее время

$$P_{dc}=\left ( {I_{dc}} \right )^2 \times R_L=\frac{I_m R_L}{\pi^2}$$

В дальнейшем

$$P_{ac}=P_a+P_r$$

где

$P_a = power \:dissipated \:at \:the \:junction \:of \:diode$

$$=I_{rms}^{2}\times R_f=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_f$$

И

$$P_r = power \:dissipated \:in \:the \:load \:resistance$$

$$=I_{rms}^{2}\times R_L=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_L$$

$$P_{ac}=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_f+\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_L =\frac{I_{m}^{2}}{4}\left ( R_f+R_L \right )$$

Из обоих выражений $P_{ac}$ и $P_{dc}$, мы можем написать

$$\eta =\frac{I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/4}=\frac{4}{\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{4}{\pi^2}\frac{1}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}=\frac{0.406}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

КПД выпрямителя в процентах

$$\eta =\frac{40.6}{\lbrace1+\lgroup\: R_{f}/R_{L}\rgroup\rbrace}$$

Теоретически максимальное значение выпрямительного КПД полуволнового выпрямителя составляет 40,6% при $R_{f}/R_{L} = 0$

Далее КПД можно рассчитать следующим образом

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (I_{dc} \right )^2R_L}{\left ( I_{rms} \right )^2R_L}=\frac{\left ( V_{dc}/R_L \right )^2R_L}{\left (V_{rms}/R_L \right )^2R_L} =\frac{\left ( V_{dc} \right )^2}{\left ( V_{rms} \right )^2}$$

$$=\frac{\left ( V_m/ \pi \right )^2}{\left ( V_m/2 \right )^2}=\frac{4}{\pi^2}=0.406$$

$$=40.6\%$$

Фактор пульсации

Выпрямленный выход содержит некоторое количество переменного тока, присутствующего в нем, в виде пульсаций. Это можно понять, наблюдая за формой выходного сигнала полуволнового выпрямителя. Чтобы получить чистый постоянный ток, нам нужно иметь представление об этом компоненте.

Коэффициент пульсации дает волнистость выпрямленного выхода. Обозначается онy. Это можно определить как отношение действующего значения переменной составляющей напряжения или тока к прямому значению или среднему значению.

$$\gamma =\frac{ripple \: voltage}{d.c \:voltage} =\frac{rms\:value\:of\: a.c.component}{d.c.value\:of\:wave}=\frac{\left ( V_r \right )_{rms}}{v_{dc}}$$

Вот,

$$\left ( V_r \right )_{rms}=\sqrt{V_{rms}^{2}-V_{dc}^{2}}$$

Следовательно,

$$\gamma =\frac{\sqrt{V_{rms}^{2}-V_{dc}^{2}}}{V_{dc}}=\sqrt{\left (\frac{V_{rms}}{V_{dc}} \right )^2-1}$$

В настоящее время,

$$V_{rms}=\left [ \frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi} V_{m}^{2} \sin^2\omega t\:d\left ( \omega t \right ) \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=V_m\left [ \frac{1}{4\pi} \int_{0}^{\pi}\left ( 1- \cos2 \:\omega t \right )d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}=\frac{V_m}{2}$$

$$V_{dc}=V_{av}=\frac{1}{2\pi}\left [ \int_{0}^{\pi}V_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+\int_{0}^{2\pi} 0.d\left ( \omega t \right )\right ]$$

$$=\frac{V_m}{2 \pi}\left [ -\cos \omega t \right ]_{0}^{\pi}=\frac{V_m}{\pi}$$

$$\gamma =\sqrt{\left [ \left \{ \frac{\left ( V_m/2 \right )}{\left ( V_m/\pi \right )} \right \}^2-1 \right ]}=\sqrt{\left \{ \left ( \frac{\pi}{2} \right )^2-1 \right \}}=1.21$$

Коэффициент пульсации также определяется как

$$\gamma =\frac{\left ( I_r \right )_{rms}}{I_{dc}}$$

Поскольку значение коэффициента пульсаций в полуволновом выпрямителе равно 1,21, это означает, что величина переменного тока на выходе равна $121\%$ постоянного напряжения

Регулирование

Ток через нагрузку может варьироваться в зависимости от сопротивления нагрузки. Но даже в таких условиях мы ожидаем, что выходное напряжение, снимаемое с нагрузочного резистора, будет постоянным. Итак, наше напряжение нужно регулировать даже при разных условиях нагрузки.

Изменение выходного постоянного напряжения с изменением постоянного тока нагрузки определяется как Regulation. Процентное регулирование рассчитывается следующим образом.

$$Percentage\:regulation=\frac{V_{no \:load}-V_{full\:load}}{V_{full\:load}} \times 100\%$$

Чем ниже процентное регулирование, тем лучше будет блок питания. В идеальном блоке питания регулирование будет нулевым.

Коэффициент использования трансформатора

Мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку в цепи выпрямителя, определяет номинальные характеристики трансформатора, используемого в цепи.

Итак, коэффициент использования трансформатора определяется как

$$TUF=\frac{d.c.power\:to\:be\:delivered\:to\:the\:load}{a.c.rating\:of\:the\:transformer\:secondary}$$

$$=\frac{P_{d.c}}{P_{a.c\left ( rated \right )}}$$

Согласно теории трансформатора, номинальное напряжение вторичной обмотки будет

$$V_m/\sqrt{2}$$

Фактическое действующее значение напряжения, протекающего через него, будет

$$I_m/2$$

Следовательно

$$TUF=\frac{\left ( I_m/\pi \right )^2\times R_L}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right )\times\left ( I_m/2 \right )}$$

Но

$$V_m=I_m\left ( R_f+R_L \right )$$

Следовательно

$$TUF=\frac{\left ( I_m/\pi \right )^2\times R_L}{\left \{ I_m\left ( R_f+R_L \right )/\sqrt{2} \right \}\times \left ( I_m/2 \right )}$$

$$=\frac{2\sqrt{2}}{\pi^2}\times \frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2\sqrt{2}}{\pi^2} = 0.287$$

Пиковое обратное напряжение

Диод при обратном смещении должен работать при контролируемом уровне напряжения. Если это безопасное напряжение будет превышено, диод повредится. Следовательно, очень важно знать об этом максимальном напряжении.

Максимальное обратное напряжение, которое диод может выдержать без разрушения, называется Peak Inverse Voltage. Коротко,PIV.

Здесь PIV - это не что иное, как Vm

Фактор формы

Это можно понимать как математическое среднее абсолютных значений всех точек сигнала. Вform factorопределяется как отношение среднеквадратичного значения к среднему значению. Обозначается онF.

$$F=\frac{rms\:value}{average\:value}=\frac{I_m/2}{I_m/\pi}=\frac{0.5I_m}{0.318I_m}=1.57$$

Пиковый фактор

Чтобы узнать, насколько эффективно выпрямление, необходимо учитывать значение пика пульсации. Значение пикового фактора также является важным фактором.Peak factor определяется как отношение пикового значения к среднеквадратичному значению.

Следовательно

$$Peak Factor=\frac{Peak\:value}{r.m.s\:value}=\frac{V_m}{V_m/2}=2$$

Все это важные параметры, которые следует учитывать при изучении выпрямителя.

Схема выпрямителя, которая выпрямляет как положительные, так и отрицательные полупериоды, может быть названа двухполупериодным выпрямителем, поскольку она выпрямляет полный цикл. Конструкция двухполупериодного выпрямителя может быть двух типов. Они есть

• Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом
• Мостовой двухполупериодный выпрямитель

У обоих есть свои достоинства и недостатки. Давайте теперь рассмотрим их конструкцию и работу с формами волн, чтобы узнать, какая из них лучше и почему.

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

Схема выпрямителя, у которой вторичная обмотка трансформатора отводится для получения желаемого выходного напряжения, с использованием поочередно двух диодов для выпрямления полного цикла, называется Center-tapped Full wave rectifier circuit. Трансформатор здесь отводится по центру, в отличие от других случаев.

Особенности трансформатора с центральным отводом:

• Отвод осуществляется путем проведения провода в средней точке вторичной обмотки. При этом обмотка делится на две равные половины.

• Напряжение в средней точке отвода равно нулю. Это формирует нейтральную точку.

• Центральный отвод обеспечивает два отдельных выходных напряжения, равных по величине, но противоположных по полярности.

• Для получения различных уровней напряжения можно вытянуть несколько лент.

Трансформатор с центральным отводом с двумя выпрямительными диодами используется в конструкции Center-tapped full wave rectifier. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя с отводом по центру показана ниже.

Работа CT-FWR

Работу двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом можно понять по рисунку выше. Когда подается положительный полупериод входного напряжения, точка M на вторичной обмотке трансформатора становится положительной по отношению к точке N. Это заставляет диод$D_1$смещен в прямом направлении. Следовательно, текущий$i_1$ протекает через нагрузочный резистор от A к B. Теперь у нас есть положительные полупериоды на выходе

Когда подается отрицательный полупериод входного напряжения, точка M на вторичной обмотке трансформатора становится отрицательной по отношению к точке N. Это делает диод $D_2$смещен в прямом направлении. Следовательно, текущий$i_2$ протекает через нагрузочный резистор от A к B. Теперь у нас есть положительные полупериоды на выходе, даже во время отрицательных полупериодов на входе.

Формы сигналов CT FWR

Формы входных и выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом следующие.

Из приведенного выше рисунка видно, что выходной сигнал получается как для положительного, так и для отрицательного полупериода. Также наблюдается, что выход через резистор нагрузки находится вsame direction для обоих полупериодов.

Пиковое обратное напряжение

Поскольку максимальное напряжение на половине вторичной обмотки составляет $V_m$, все вторичное напряжение появляется на непроводящем диоде. Следовательноpeak inverse voltage вдвое больше максимального напряжения на вторичной обмотке, т. е.

$$PIV=2V_m$$

Недостатки

У двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом есть несколько недостатков, таких как:

• Расположение отводов затруднено
• Выходное напряжение постоянного тока небольшое
• PIV диодов должен быть высоким

Следующий тип схемы двухполупериодного выпрямителя - это Bridge Full wave rectifier circuit.

Мостовой полноволновой выпрямитель

Это такая схема двухполупериодного выпрямителя, в которой используются четыре диода, соединенные в виде моста, чтобы не только обеспечивать выходной сигнал в течение полного цикла ввода, но также устранять недостатки схемы двухполупериодного выпрямителя с центральным ответвлением.

В этой схеме нет необходимости в промежуточном отводе трансформатора. Четыре диода называются$D_1$, $D_2$, $D_3$ и $D_4$используются при построении сети мостового типа, так что два диода проводят в течение одного полупериода, а два - в течение другого полупериода входного питания. Схема мостового двухполупериодного выпрямителя показана на следующем рисунке.

Работа мостового полноволнового выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами, подключенными по мостовой схеме, используется для получения лучшего двухполупериодного выходного отклика. Когда задан положительный полупериод входного питания, точка P становится положительной по отношению к точкеQ. Это делает диод$D_1$ и $D_3$ смещенный вперед, в то время как $D_2$ и $D_4$обратное смещение. Эти два диода теперь будут включены последовательно с нагрузочным резистором.

На следующем рисунке это показано вместе с обычным течением тока в цепи.

Следовательно, диоды $D_1$ и $D_3$проводите в течение положительного полупериода входного питания, чтобы получить выходной сигнал через нагрузочный резистор. Поскольку два диода работают для получения выходного сигнала, напряжение будет в два раза превышать выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с центральным ответвлением.

Когда задан отрицательный полупериод входного питания, точка P становится отрицательной по отношению к точке Q. Это делает диод$D_1$ и $D_3$ обратное смещение в то время как $D_2$ и $D_4$смещен в прямом направлении. Эти два диода теперь будут включены последовательно с нагрузочным резистором.

На следующем рисунке это показано вместе с обычным течением тока в цепи.

Следовательно, диоды $D_{2}$ и $D_{4}$проводите в течение отрицательного полупериода входного питания, чтобы получить выходной сигнал через нагрузочный резистор. Здесь также два диода работают для создания выходного напряжения. Ток течет в том же направлении, что и во время положительного полупериода входа.

Формы сигналов моста FWR

Формы входных и выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом следующие.

Из приведенного выше рисунка очевидно, что выход получается как для положительного, так и для отрицательного полупериода. Также наблюдается, что выход через резистор нагрузки находится вsame direction для обоих полупериодов.

Пиковое обратное напряжение

Когда два диода параллельны вторичной обмотке трансформатора, максимальное вторичное напряжение на трансформаторе появляется на непроводящих диодах, что создает PIV схемы выпрямителя. Следовательноpeak inverse voltage - максимальное напряжение на вторичной обмотке, т.е.

$$PIV=V_m$$

Преимущества

Мостовой двухполупериодный выпрямитель имеет много преимуществ, таких как:

• Нет необходимости нажимать на центр.
• Выходное напряжение постоянного тока в два раза больше, чем у FWR с центральным отводом.
• PIV диодов в два раза меньше, чем у центрального ответвителя FWR.
• Конструкция схемы проще с лучшим выходом.

Теперь проанализируем характеристики двухполупериодного выпрямителя.

Анализ полноволнового выпрямителя

Чтобы проанализировать схему двухполупериодного выпрямителя, предположим, что входное напряжение $V_{i}$ в виде,

$$V_{i}=V_m \sin \omega t$$

Электрический ток $i_1$ через нагрузочный резистор $R_L$ дан кем-то

$$i_1=I_m \sin \omega t \quad for \quad0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_1=\quad0 \quad\quad\quad for \quad \pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

где

$$I_m=\frac{V_m}{R_f+R_L}$$

$R_f$ сопротивление диода во включенном состоянии.

Точно так же текущий $i_2$ протекает через диод $D_2$ а нагрузочный резистор RL определяется выражением

$$i_2=\quad\:0 \quad\quad\quad for \quad 0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_2=I_m \sin \omega t \quad for \quad\pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

Полный ток, протекающий через $R_L$ это сумма двух токов $i_1$ и $i_2$ т.е.

$$i=i_1+i_2$$

Постоянный или средний ток

Среднее значение выходного тока, которое покажет амперметр постоянного тока, определяется как

$$I_{dc}=\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} i_1 \:d\left ( \omega t \right )+\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi}i_2 \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2\pi\int_{0}^{\pi}}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+0+0+$$

$$\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi}I_m \sin \omega t\:d\left ( \omega t \right ) $$

$$=\frac{I_m}{\pi}+ \frac{I_m}{\pi} =\frac{2I_m}{\pi}=0.636I_m$$

Это вдвое больше, чем у полуволнового выпрямителя.

Выходное напряжение постоянного тока

Выходное напряжение постоянного тока на нагрузке определяется выражением

$$V_{dc}=I_{dc}\times R_L = \frac{2I_mR_L}{\pi}=0.636I_mR_L$$

Таким образом, выходное напряжение постоянного тока в два раза больше, чем у полуволнового выпрямителя.

RMS ток

Среднеквадратичное значение тока определяется выражением

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi} t^2 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

Поскольку ток в двух половинах имеет одинаковую форму

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{\pi} \int_{0}^{\pi }\sin^2 \omega t\:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\frac{I_m}{\sqrt{2}}$$

КПД выпрямителя

КПД выпрямителя определяется как

$$\eta=\frac{P_{dc}}{P_{ac}}$$

В настоящее время,

$$P_{dc}=\left (V_{dc} \right )^2/R_L=\left ( 2V_m/\pi \right )^2$$

И,

$$P_{ac}=\left (V_{rms} \right )^2/R_L=\left (V_m/\sqrt{2} \right )^2$$

Следовательно,

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (2V_m/\pi \right )^2}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right )^2}=\frac{8}{\pi^2}$$

$$=0.812=81.2\%$$

Эффективность выпрямителя можно рассчитать следующим образом:

Выходная мощность постоянного тока,

$$P_{dc}=I_{dc}^{2}R_L=\frac{4I_{m}^{2}}{\pi^2}\times R_L$$

Входная мощность переменного тока,

$$P_{ac}=I_{rms}^{2}\left (R_f+R_L \right )=\frac{I_{m}^{2}}{2}\left ( R_f+R_L \right )$$

Следовательно,

$$\eta=\frac{4I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/2}=\frac{8}{\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{0.812}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Следовательно, процентная эффективность равна

$$=\frac{0.812}{ 1+\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=81.2\% \quad if\: R_f=0$$

Таким образом, двухполупериодный выпрямитель имеет эффективность вдвое больше, чем полуволновой.

Фактор пульсации

Форм-фактор выпрямленного выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя определяется выражением

$$F=\frac{I_{rms}}{I_{dc}}=\frac{I_m/\sqrt{2}}{2I_m/\pi}=1.11$$

Фактор пульсации $\gamma$ определяется как (используя теорию цепей переменного тока)

$$\gamma =\left [ \left ( \frac{I_{rms}}{I_{dc}} \right )-1 \right ]^{\frac{1}{2}}=\left ( F^2 -1\right )^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \left ( 1.11 \right )^2 -1\right ]^\frac{1}{2}=0.48$$

Это большое улучшение по сравнению с коэффициентом пульсации полуволнового выпрямителя, который составлял 1,21.

Регулирование

Выходное напряжение постоянного тока определяется выражением

$$V_{dc}=\frac{2I_mR_L}{\pi}=\frac{2V_mR_L}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2V_m}{\pi}\left [ 1-\frac{R_f}{R_f+R_L} \right ]=\frac{2V_m}{\pi}-I_{dc}R_f$$

Коэффициент использования трансформатора

TUF полуволнового выпрямителя составляет 0,287

В выпрямителе с центральным отводом есть две вторичные обмотки, и, следовательно, TUF двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом составляет

$$\left ( TUF \right )_{avg}=\frac{P_{dc}}{V-A\:rating\:of\:a\:transformer}$$

$$=\frac{\left ( TUF \right )_p+\left ( TUF \right )_s+\left ( TUF \right )_s}{3}$$

$$=\frac{0.812+0.287+0.287}{3}=0.693$$

Полуволновой против полноволнового выпрямителя

Пройдя через все значения различных параметров двухполупериодного выпрямителя, давайте просто попробуем сравнить и сопоставить характеристики однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей.

сроки	Полуволновой выпрямитель	FWR с центральной резьбой	Мост FWR
Количество диодов	$1$	$2$	$4$
Отвод трансформатора	$No$	$Yes$	$No$
Пиковое обратное напряжение	$V_m$	$2V_m$	$V_m$
Максимальная эффективность	$40.6\%$	$81.2\%$	$81.2\%$
Средний / постоянный ток	$I_m/\pi$	$2I_m/\pi$	$2I_m/\pi$
Напряжение постоянного тока	$V_m/\pi$	$2V_m/\pi$	$2V_m/\pi$
RMS ток	$I_m/2$	$I_m/\sqrt{2}$	$I_m/\sqrt{2}$
Фактор пульсации	$1.21$	$0.48$	$0.48$
Выходная частота	$f_{in}$	$2f_{in}$	$2f_{in}$

Блок-схема источника питания четко объясняет, что после схемы выпрямителя необходима схема фильтра. Выпрямитель помогает преобразовывать пульсирующий переменный ток в постоянный, который течет только в одном направлении. До сих пор мы видели разные типы выпрямительных схем.

Выходы всех этих выпрямительных схем содержат некоторый коэффициент пульсаций. Мы также заметили, что коэффициент пульсаций у полуволнового выпрямителя больше, чем у полнополупериодного выпрямителя.

Зачем нужны фильтры?

Пульсация в сигнале означает наличие некоторой составляющей переменного тока. Этот компонент переменного тока необходимо полностью удалить, чтобы получить чистый выход постоянного тока. Итак, нам нужна схема, котораяsmoothens выпрямленный выход в чистый сигнал постоянного тока.

А filter circuit это тот, который удаляет компонент переменного тока, присутствующий в выпрямленном выходе, и позволяет компоненту постоянного тока достигать нагрузки.

На следующем рисунке показаны функции схемы фильтра.

Схема фильтра состоит из двух основных компонентов: катушки индуктивности и конденсатора. Мы уже изучили в руководстве по базовой электронике, что

• Индуктор позволяет dc и блоки ac.

• Конденсатор позволяет ac и блоки dc.

Попробуем построить несколько фильтров, используя эти два компонента.

Индукторный фильтр серии

Поскольку катушка индуктивности пропускает постоянный ток и блокирует переменный ток, фильтр называется Series Inductor Filterможет быть сконструирован путем последовательного подключения катушки индуктивности между выпрямителем и нагрузкой. На рисунке ниже показана схема последовательного индуктивного фильтра.

Выпрямленный выход при прохождении через этот фильтр, индуктор блокирует компоненты переменного тока, присутствующие в сигнале, чтобы обеспечить чистый постоянный ток. Это простой первичный фильтр.

Фильтр шунтирующего конденсатора

Поскольку конденсатор пропускает через него переменный ток и блокирует постоянный ток, фильтр называется Shunt Capacitor Filter может быть сконструирован с использованием конденсатора, подключенного шунтом, как показано на следующем рисунке.

Выпрямленный выход при прохождении через этот фильтр, компоненты переменного тока, присутствующие в сигнале, заземляются через конденсатор, который допускает компоненты переменного тока. Остальные компоненты постоянного тока, присутствующие в сигнале, собираются на выходе.

Рассмотренные выше типы фильтров построены с использованием катушки индуктивности или конденсатора. Теперь давайте попробуем использовать их оба, чтобы сделать фильтр лучше. Это комбинационные фильтры.

LC фильтр

Схема фильтра может быть построена с использованием как катушки индуктивности, так и конденсатора, чтобы получить лучший выходной сигнал, когда можно использовать эффективность как катушки индуктивности, так и конденсатора. На рисунке ниже показана принципиальная схема LC-фильтра.

Выпрямленный выход при подаче на эту схему, индуктор позволяет компонентам постоянного тока проходить через него, блокируя компоненты переменного тока в сигнале. Теперь, из этого сигнала, еще несколько компонентов переменного тока, если они есть, заземлены, так что мы получаем чистый выход постоянного тока.

Этот фильтр также называют Choke Input Filterпоскольку входной сигнал сначала попадает в катушку индуктивности. Выход этого фильтра лучше, чем у предыдущих.

Π- Фильтр (фильтр Pi)

Это еще один тип схемы фильтра, который очень часто используется. На входе он имеет конденсатор, поэтому его также называютCapacitor Input Filter. Здесь два конденсатора и один индуктор соединены в виде π-образной цепи. Конденсатор, включенный параллельно, затем последовательно включенный индуктор, а затем еще один конденсатор, включенный параллельно, образуют эту цепь.

При необходимости к нему могут быть добавлены несколько одинаковых секций, согласно требованиям. На рисунке ниже показана схема для$\pi$ фильтр (Pi-filter).

Работа фильтра Pi

В этой схеме у нас есть конденсатор, включенный параллельно, затем последовательно включенный индуктор, а затем еще один конденсатор, включенный параллельно.

• Capacitor C₁- Этот конденсатор фильтра обеспечивает высокое сопротивление по постоянному току и низкое реактивное сопротивление по сигналу переменного тока. После заземления компонентов переменного тока, присутствующих в сигнале, сигнал проходит на катушку индуктивности для дальнейшей фильтрации.

• Inductor L- Эта катушка индуктивности обеспечивает низкое реактивное сопротивление к компонентам постоянного тока, блокируя при этом компоненты переменного тока, если они проходят через конденсатор C ₁ .

• Capacitor C₂ - Теперь сигнал дополнительно сглаживается с помощью этого конденсатора, так что он разрешает любую составляющую переменного тока, присутствующую в сигнале, которую индуктивность не смогла заблокировать.

Таким образом, мы получаем желаемый чистый выход постоянного тока на нагрузке.

Следующая и последняя ступень перед нагрузкой в ​​системе питания - это Регулятор. Давайте теперь попробуем понять, что такое регулятор и для чего он нужен.

Часть электроники, которая занимается управлением и преобразованием электроэнергии, может быть названа Power Electronics. Когда дело касается силовой электроники, регулятор является важным устройством, так как он регулирует выходную мощность.

Необходимость в регуляторе

Для источника питания, обеспечивающего постоянное выходное напряжение, независимо от изменений входного напряжения или колебаний тока нагрузки, необходим регулятор напряжения.

А voltage regulatorпредставляет собой такое устройство, которое поддерживает постоянное выходное напряжение вместо каких-либо колебаний подаваемого входного напряжения или любых изменений тока, потребляемого нагрузкой. Следующее изображение дает представление о том, как выглядит практичный регулятор.

Типы регуляторов

Регуляторы можно разделить на разные категории в зависимости от их работы и типа подключения.

Depending upon the type of regulation, регуляторы в основном делятся на два типа: линейные и нагрузочные.

• Line Regulator - Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы оно оставалось постоянным, несмотря на колебания входной линии, он называется Line regulator.

• Load Regulator - Регулятор, регулирующий постоянное выходное напряжение, несмотря на колебания нагрузки на выходе, называется Load regulator.

Depending upon the type of connectionЕсть два типа регуляторов напряжения. Они есть

• Регулятор напряжения серии
• Шунтирующий регулятор напряжения

Их расположение в цепи такое же, как на следующих рисунках.

Давайте посмотрим на другие важные типы регуляторов.

Стабилитрон напряжения стабилизатора

Стабилизатор напряжения Зенера - это тот, который использует стабилитрон для регулирования выходного напряжения. Мы уже обсуждали детали, касающиеся стабилитрона, в учебнике BASIC ELECTRONICS.

При срабатывании стабилитрона в пробое или Zener region, напряжение на нем существенно constant для large change of currentчерез это. Эта характеристика делает стабилитронgood voltage regulator.

На следующем рисунке показано изображение простого стабилитрона.

Приложенное входное напряжение $V_i$ при превышении напряжения стабилитрона $V_z$, то стабилитрон работает в области пробоя и поддерживает постоянное напряжение на нагрузке. Последовательный ограничительный резистор$R_s$ ограничивает входной ток.

Работа стабилитрона стабилизатора напряжения

Стабилитрон поддерживает напряжение на нем постоянным, несмотря на колебания нагрузки и колебания входного напряжения. Таким образом, мы можем рассмотреть 4 случая, чтобы понять работу стабилизатора напряжения Зенера.

Case 1 - Если ток нагрузки $I_L$ увеличивается, то ток через стабилитрон $I_Z$ уменьшается, чтобы поддерживать ток через последовательный резистор $R_S$постоянный. Выходное напряжение Vo зависит от входного напряжения Vi и напряжения на последовательном резисторе.$R_S$.

Это можно записать как

$$V_o=V_{in}-IR_{s}$$

где $I$постоянно. Следовательно,$V_o$ также остается постоянным.

Case 2 - Если ток нагрузки $I_L$ уменьшается, то ток через стабилитрон $I_Z$ увеличивается, поскольку текущая $I_S$через резистор серии RS остается постоянным. Хотя нынешний$I_Z$ за счет увеличения стабилитрона поддерживает постоянное выходное напряжение $V_Z$, который поддерживает постоянное напряжение нагрузки.

Case 3 - Если входное напряжение $V_i$ увеличивается, то текущий $I_S$через последовательный резистор RS увеличивается. Это увеличивает падение напряжения на резисторе, т.е.$V_S$увеличивается. Хоть ток через стабилитрон$I_Z$ увеличивается с этим, напряжение на стабилитроне $V_Z$ остается постоянным, поддерживая постоянным выходное напряжение нагрузки.

Case 4 - Если входное напряжение уменьшается, ток через последовательный резистор уменьшается, что делает ток через стабилитрон. $I_Z$уменьшается. Но стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение благодаря своим свойствам.

Ограничения стабилитрона стабилизатора напряжения

Для стабилизатора напряжения на стабилитроне есть несколько ограничений. Они -

• Он менее эффективен при больших токах нагрузки.
• Импеданс стабилитрона незначительно влияет на выходное напряжение.

Следовательно, стабилизатор напряжения Зенера считается эффективным для приложений с низким напряжением. Теперь давайте рассмотрим другие типы регуляторов напряжения, которые сделаны на транзисторах.

Регулятор напряжения серии транзисторов

Этот регулятор имеет транзистор, подключенный последовательно к стабилитрону и оба параллельно нагрузке. Транзистор работает как переменный резистор, регулирующий напряжение своего коллектора-эмиттера, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. На рисунке ниже показан транзисторный стабилизатор напряжения.

В зависимости от условий работы входа изменяется ток через базу транзистора. Это влияет на напряжение на переходе база-эмиттер транзистора.$V_{BE}$. Выходное напряжение поддерживается напряжением Зенера.$V_Z$что постоянно. Поскольку оба они поддерживаются равными, любое изменение входного питания указывается изменением напряжения базы эмиттера.$V_{BE}$.

Следовательно, выходное напряжение Vo можно понимать как

$$V_O=V_Z+V_{BE}$$

Работа регулятора напряжения серии транзисторов

Следует учитывать работу последовательного регулятора напряжения при изменении входа и нагрузки. Если входное напряжение увеличивается, выходное напряжение также увеличивается. Но это, в свою очередь, делает напряжение на коллекторно-базовом переходе$V_{BE}$ уменьшаться, поскольку напряжение стабилитрона $V_Z$остается постоянным. Проводимость уменьшается по мере увеличения сопротивления в области коллектора эмиттера. Это дополнительно увеличивает напряжение на коллекторно-эмиттерном переходе VCE, тем самым снижая выходное напряжение.$V_O$. Это будет аналогично при уменьшении входного напряжения.

Когда происходит изменение нагрузки, что означает, что если сопротивление нагрузки уменьшается, увеличивается ток нагрузки $I_L$, выходное напряжение $V_O$ уменьшается, увеличивая напряжение базы эмиттера $V_{BE}$.

При увеличении напряжения базы эмиттера $V_{BE}$проводимость увеличивается, уменьшая сопротивление коллектора эмиттера. Это, в свою очередь, увеличивает входной ток, который компенсирует уменьшение сопротивления нагрузки. Это будет аналогично при увеличении тока нагрузки.

Ограничения регулятора напряжения серии транзисторов

Регуляторы напряжения серии транзисторов имеют следующие ограничения:

• Напряжения $V_{BE}$ и $V_Z$ подвержены влиянию повышения температуры.
• Невозможно хорошее регулирование больших токов.
• Рассеиваемая мощность высокая.
• Рассеиваемая мощность высокая.
• Менее эффективными.

Чтобы минимизировать эти ограничения, используется транзисторный шунтирующий стабилизатор.

Транзисторный шунтирующий регулятор напряжения

Схема транзисторного шунтирующего стабилизатора формируется путем соединения резистора последовательно с входом и транзистора, база и коллектор которого соединены стабилитроном, который регулирует, оба параллельно с нагрузкой. На рисунке ниже показана принципиальная схема транзисторного шунтирующего стабилизатора.

Работа транзисторного шунтирующего регулятора напряжения

Если входное напряжение увеличивается, $V_{BE}$ и $V_O$также увеличивается. Но это происходит изначально. Собственно, когда$V_{in}$ увеличивается, текущий $I_{in}$также увеличивается. Этот ток, когда протекает через RS, вызывает падение напряжения.$V_S$ через последовательный резистор, который также увеличивается с $V_{in}$. Но это делает$V_o$уменьшать. Теперь это уменьшение$V_o$компенсирует первоначальное увеличение, поддерживая его постоянным. Следовательно$V_o$поддерживается постоянным. Если вместо этого выходное напряжение уменьшается, происходит обратное.

Если сопротивление нагрузки уменьшается, должно происходить уменьшение выходного напряжения. $V_o$. Ток через нагрузку увеличивается. Это приводит к уменьшению тока базы и коллектора транзистора. Напряжение на последовательном резисторе становится низким из-за сильного протекания тока. Входной ток будет постоянным.

Выходное напряжение будет разницей между приложенным напряжением. $V_i$ и падение последовательного напряжения $V_s$. Следовательно, выходное напряжение будет увеличиваться для компенсации начального снижения и, следовательно, оставаться постоянным. Обратное происходит, если сопротивление нагрузки увеличивается.

Регуляторы IC

Регуляторы напряжения сегодня доступны в виде интегральных схем (ИС). Вкратце их называют регуляторами IC.

Наряду с функциональностью обычного регулятора, регулятор IC имеет встроенные в устройство свойства, такие как тепловая компенсация, защита от короткого замыкания и защита от перенапряжения.

Типы регуляторов IC

Регуляторы IC могут быть следующих типов -

• Регуляторы постоянного положительного напряжения
• Регуляторы постоянного отрицательного напряжения
• Регулируемые регуляторы напряжения
• Стабилизаторы напряжения с двойным слежением

Давайте теперь обсудим их подробно.

Регулятор постоянного положительного напряжения

Выход этих регуляторов фиксируется на определенном значении, и значения являются положительными, что означает, что предоставленное выходное напряжение является положительным напряжением.

Наиболее используемая серия - это серия 7800, а ИС будут такими же, как IC 7806, IC 7812, IC 7815 и т. Д., Которые обеспечивают выходное напряжение +6 В, + 12 В и + 15 В соответственно. На рисунке ниже показана микросхема IC 7810, подключенная для получения фиксированного положительного стабилизированного выходного напряжения 10 В.

На приведенном выше рисунке входной конденсатор $C_1$ используется для предотвращения нежелательных колебаний, а выходной конденсатор $C_2$ действует как сетевой фильтр для улучшения переходной характеристики.

Фиксированный регулятор отрицательного напряжения

Выход этих регуляторов фиксируется на определенном значении, и значения являются отрицательными, что означает, что предоставленное выходное напряжение является отрицательным.

Наиболее часто используемая серия - это серия 7900, а ИС будут такими же, как IC 7906, IC 7912, IC 7915 и т. Д., Которые обеспечивают -6 В, -12 В и -15 В соответственно в качестве выходного напряжения. На рисунке ниже показана микросхема IC 7910, подключенная для обеспечения фиксированного отрицательного регулируемого выходного напряжения 10 В.

На приведенном выше рисунке входной конденсатор $C_1$ используется для предотвращения нежелательных колебаний, а выходной конденсатор $C_2$ действует как сетевой фильтр для улучшения переходной характеристики.

Регулируемые регуляторы напряжения

Регулируемый регулятор напряжения имеет три клеммы IN, OUT и ADJ. Входные и выходные клеммы являются общими, в то время как регулируемая клемма снабжена переменным резистором, который позволяет изменять выходной сигнал в широком диапазоне.

На приведенном выше рисунке показан нерегулируемый источник питания, приводящий в действие регулируемый IC-регулятор LM 317, который обычно используется. LM 317 представляет собой трехконтактный регулируемый стабилизатор напряжения с положительной полярностью и может подавать ток нагрузки 1,5 А в регулируемом диапазоне выходных сигналов от 1,25 до 37 В.

Стабилизаторы напряжения Dual-Tracking

Стабилизатор с двойным слежением используется, когда требуются разделенные напряжения питания. Они обеспечивают равное положительное и отрицательное выходное напряжение. Например, микросхема RC4195 обеспечивает выходы постоянного тока +15 В и -15 В. Для этого требуются два нерегулируемых входных напряжения, например, положительный вход может изменяться от + 18 В до + 30 В, а отрицательный вход может варьироваться от -18 В до -30 В.

На изображении выше показан стабилизатор RC4195 IC с двойным слежением. Также доступны регулируемые регуляторы двойной закрепки, выходная мощность которых находится в двух номинальных пределах.

Обсуждаемые до сих пор темы представляют собой разные разделы блока питания. Все эти разделы вместе составляютLinear Power Supply. Это традиционный метод получения постоянного тока из входного источника переменного тока.

Линейный источник питания

Линейный источник питания (LPS) - это регулируемый источник питания, который рассеивает много тепла в последовательном резисторе для регулирования выходного напряжения, которое имеет низкие пульсации и низкий уровень шума. Эта LPS имеет множество применений.

Линейный источник питания требует более крупных полупроводниковых устройств для регулирования выходного напряжения и выделяет больше тепла, что приводит к снижению энергоэффективности. Линейные источники питания имеют время отклика до 100 раз быстрее, чем другие, что очень важно в некоторых специализированных областях.

Преимущества LPS

• Электропитание постоянное.
• Схема простая.
• Это надежные системы.
• Эта система динамически реагирует на изменения нагрузки.
• Сопротивления цепи меняются для регулирования выходного напряжения.
• Поскольку компоненты работают в линейной области, шум низкий.
• Пульсации выходного напряжения очень низкие.

Недостатки ЛПС

• Используемые трансформаторы более тяжелые и большие.
• Тепловыделение больше.
• КПД линейного источника питания от 40 до 50%.
• В контурах СМЗ мощность теряется в виде тепла.
• Получается единичное выходное напряжение.

Мы уже рассмотрели различные части линейного источника питания. Блок-схема линейного источника питания показана на следующем рисунке.

Несмотря на указанные выше недостатки, линейные источники питания широко используются в малошумящих усилителях, испытательном оборудовании, схемах управления. Кроме того, они также используются для сбора данных и обработки сигналов.

Во всех системах электроснабжения, которые требуют простого регулирования и где эффективность не является проблемой, используются схемы LPS. Поскольку электрический шум ниже, LPS используется для питания чувствительных аналоговых схем. Но чтобы преодолеть недостатки системы линейного питания, используется импульсный источник питания (SMPS).

Импульсный источник питания (SMPS)

Недостатки LPS, такие как более низкий КПД, необходимость в конденсаторах большой емкости для уменьшения пульсаций, а также в тяжелых и дорогостоящих трансформаторах и т. Д., Преодолеваются за счет реализации Switched Mode Power Supplies.

Работу SMPS просто понять, зная, что транзистор, используемый в LPS, используется для управления падением напряжения, в то время как транзистор в SMPS используется как controlled switch.

За работой

Работу SMPS можно понять по следующему рисунку.

Попробуем разобраться, что происходит на каждом этапе схемы ИИП.

Входной этап

Входной сигнал питания переменного тока 50 Гц подается непосредственно на комбинацию схем выпрямителя и фильтра без использования трансформатора. Этот выход будет иметь множество вариаций, и значение емкости конденсатора должно быть выше, чтобы справиться с колебаниями входа. Этот нерегулируемый постоянный ток подается на центральную коммутационную секцию SMPS.

Секция переключения

В этом разделе используется устройство быстрого переключения, такое как силовой транзистор или полевой МОП-транзистор, которое переключается в положение ВКЛ и ВЫКЛ в зависимости от изменений, и этот выходной сигнал подается на первичную обмотку трансформатора, представленного в этом разделе. Используемые здесь трансформаторы намного меньше и легче, чем те, которые используются для питания 60 Гц. Они намного эффективны и, следовательно, коэффициент преобразования мощности выше.

Выходной каскад

Выходной сигнал из коммутационной секции снова выпрямляется и фильтруется, чтобы получить необходимое постоянное напряжение. Это регулируемое выходное напряжение, которое затем подается в схему управления, которая представляет собой цепь обратной связи. Окончательный результат получается после рассмотрения сигнала обратной связи.

Устройство управления

Этот блок представляет собой цепь обратной связи, состоящую из множества участков. Позвольте нам получить четкое представление об этом из следующего рисунка.

На приведенном выше рисунке поясняются внутренние части блока управления. Выходной датчик воспринимает сигнал и передает его блоку управления. Сигнал изолирован от другой секции, поэтому любые внезапные всплески не должны влиять на схему. Опорное напряжение задаются как один вход вместе с сигналом на усилитель ошибки, который является компаратором, который сравнивает сигнал с требуемым уровнем сигнала.

За счет управления частотой прерывания поддерживается конечный уровень напряжения. Это контролируется путем сравнения входных сигналов, подаваемых на усилитель ошибки, выход которого помогает решить, увеличить или уменьшить частоту прерывания. Генератор ШИМ производит стандартную волну ШИМ фиксированной частоты.

Мы можем получить лучшее представление о полном функционировании SMPS, взглянув на следующий рисунок.

SMPS в основном используется там, где переключение напряжений совсем не проблема и где действительно важна эффективность системы. Есть несколько моментов, которые следует отметить относительно SMPS. Они есть

• Схема SMPS управляется переключением и, следовательно, напряжения меняются непрерывно.

• Коммутационное устройство работает в режиме насыщения или отключения.

• Выходное напряжение регулируется временем переключения схемы обратной связи.

• Время переключения регулируется регулировкой рабочего цикла.

• Эффективность SMPS высока, потому что вместо того, чтобы рассеивать избыточную мощность в виде тепла, он постоянно переключает свой вход для управления выходом.

Недостатки

У SMPS есть несколько недостатков, таких как

• Шум присутствует из-за высокочастотного переключения.
• Схема сложная.
• Он производит электромагнитные помехи.

Преимущества

Преимущества SMPS включают:

• КПД достигает 80-90%.
• Меньшее тепловыделение; меньше потерь мощности.
• Уменьшение гармонической обратной связи в питающей сети.
• Устройство компактное и имеет небольшие размеры.
• Снижена стоимость изготовления.
• Положение о предоставлении необходимого количества напряжений.

Приложения

Есть много применений SMPS. Они используются в материнских платах компьютеров, зарядных устройствах для мобильных телефонов, измерениях HVDC, зарядных устройствах аккумуляторов, центральном распределении энергии, автомобилях, бытовой электронике, ноутбуках, системах безопасности, космических станциях и т. Д.

Типы SMPS

SMPS - это схема импульсного источника питания, которая предназначена для получения регулируемого выходного напряжения постоянного тока из нерегулируемого постоянного или переменного напряжения. Существует четыре основных типа SMPS, таких как

• Преобразователь постоянного тока в постоянный
• Преобразователь переменного тока в постоянный
• Обратный конвертер
• Прямой конвертер

Часть преобразования переменного тока в постоянный во входной части отличает преобразователь переменного тока в постоянный и преобразователь постоянного тока в постоянный. Обратный преобразователь используется для приложений с низким энергопотреблением. Также есть понижающий преобразователь и повышающий преобразователь в типах SMPS, которые уменьшают или увеличивают выходное напряжение в зависимости от требований. Другой тип SMPS включает автоколебательный обратный преобразователь, понижающий-повышающий преобразователь, Cuk, Sepic и т. Д.