3.2: Ректифікація

Випрямлення - це процес перетворення форми хвилі змінного струму в форму хвилі постійного струму, тобто створення нового сигналу, який має тільки єдину полярність. У цьому відношенні це нагадує загальне визначення слова, наприклад, де «виправити ситуацію» означає «встановити щось прямо». Перш ніж продовжувати, пам'ятайте, що постійна напруга або струм не повинні проявляти постійне значення (як акумулятор). Все це означає, що полярність сигналу ніколи не змінюється. Щоб розрізнити фіксоване значення постійного струму та значення, яке змінюється за амплітудою регулярно, останнє іноді називають пульсуючим постійним струмом.

Концепція випрямлення має вирішальне значення для роботи сучасних електронних схем. Більшість електронних пристроїв, таких як телевізор або комп'ютер, вимагають фіксованого, незмінного напруги постійного струму для живлення їх внутрішньої схеми. На відміну від цього, житловий та комерційний розподіл електроенергії зазвичай змінного струму. Отже, потрібна певна форма перетворення змінного струму в постійний струм ¹. Саме тут і приходить асиметрія діода.

3.2.1: Напівхвильове випрямлення

Щоб зрозуміти роботу одного діода в ланцюзі змінного струму, розглянемо схему на рис\(\PageIndex{1}\). Це проста послідовна петля, що складається з джерела синусоїди, діода і резистора, який служить навантаженням. Тобто в першу чергу нас буде цікавити напруга, що розвивається на резисторі.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Базова схема змінного струму діод-резистор.

Для позитивних частин вхідної хвилі діод буде зміщеним вперед. До першого наближення він з'явиться у вигляді замкнутого перемикача. Отже, весь вхідний сигнал буде падати по резистору. На відміну від цього, коли вхідний сигнал перемикається на негативну полярність на іншій половині форми хвилі, діод буде зворотним зміщеним. Тому діод виконує роль розімкнутого вимикача. Циркуляційний струм падає до нуля, тим самим не виробляючи напруги на резисторі. Весь прикладений потенціал падає по діоду, на що вказує закон напруги Кірхгофа (КВЛ). Форми хвиль напруги вхідного та навантажувального резистора можна побачити на малюнку\(\PageIndex{2}\).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Форми хвиль випрямлення напівхвильових.

Отриманий сигнал, який видно через резистор навантаження, є пульсуючою формою хвилі постійного струму. Ми ефективно видалили негативну половину форми хвилі, залишивши лише позитивну частину. Оскільки лише половина вхідної форми хвилі робить його навантаженням, це називається напівхвильовим випрямленням.

Варто відзначити, що якщо пікове вхідна напруга змінного струму не особливо велике, може виникнути явна невідповідність пікових рівнів вхідного і навантажувального сигналів. Наприклад, якщо пікова вхідна напруга знаходиться в діапазоні трьох-чотирьох вольт і використовується кремнієвий діод, отримані сигнали будуть більше схожі на рис\(\PageIndex{3}\).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Форми хвиль випрямлення напівхвилі, включаючи пряме падіння діода.

У цьому випадку пряме падіння 0,7 вольта не можна ігнорувати, оскільки воно представляє значний відсоток вхідного піку. Позитивні імпульси також трохи звужуються, оскільки струм не почне протікати на розумних рівнях, поки вхідна напруга не досягне від 0,6 до 0,7 вольт.

Якби діод орієнтувався в зворотному напрямку, він заблокував би позитивну частину входу і пропустив тільки негативну частину наскрізь. У цьому випадку форма хвилі навантаження буде відображатися зверху вниз порівняно з малюнками\(\PageIndex{2}\) та\(\PageIndex{3}\).

Комп'ютерне моделювання

Схема моделювання простого напівхвильового випрямляча показана на малюнку\(\PageIndex{4}\). Джерело синусоїди 10 вольт пік використовується для живлення популярного випрямного діода серії 1N4000, підключеного до\(\Omega\) навантаження 100. Частота джерела - 60 герц, північноамериканський стандарт розподілу електроенергії.

Проводиться перехідний аналіз, в результаті чого утворюються форми хвиль, показані на малюнку\(\PageIndex{5}\). Форма хвилі вихідної напруги показана червоним кольором, тоді як форма хвилі напруги навантаження зображена синім кольором. Хоча напівхвильове випрямлення очевидно, втрати через пряме падіння напруги діода чітко очевидні. Виходячи з вертикальної шкали, значення трохи менше одного вольта було б розумною оцінкою. Моделювання добре узгоджується з очікуваним результатом, намальованим на малюнку\(\PageIndex{3}\), хоча і не настільки екстремальним через підвищену напругу джерела.

Рисунок\(\PageIndex{4}\): Схема моделювання напівхвильового випрямляча.

Рисунок\(\PageIndex{5}\): Перехідний аналіз для напівхвильового випрямляча.

На практичній ноті, є ще два пункти, які слід враховувати, коли мова йде про перетворення змінного струму в постійний струм. Перший пункт - це питання масштабування напруги на виході 120 В змінного струму до більш корисного рівня. У багатьох випадках це означає зниження напруги, хоча є деякі програми, такі як підсилювачі високої потужності, де напругу потрібно буде збільшити. Другий пункт передбачає згладжування пульсуючого постійного струму для отримання постійної величини, подібної до акумулятора.

3.2.2: Примітка щодо трансформаторів

Вищезгадану проблему масштабування напруги можна вирішити за допомогою трансформатора. Хоча повне дослідження трансформаторів виходить за рамки цієї глави, ми можемо представити основи. Говорячи простою мовою, трансформатор має вхідну сторону, або первинну, і вихідну сторону, або вторинну. Кожна сторона складається з котушки дроту, і ці котушки намотані навколо загального магнітного сердечника. Струм в первинній котушці створює магнітний потік в сердечнику. Цей потік індукує струм у вторинній котушці. В ідеалі напруга знижується і сила струму збільшується на співвідношення кількості петель між цими котушками. Наприклад, якщо котушка вторинної сторони має вдвічі менше витків, ніж котушка первинної сторони, то вторинна напруга становитиме половину первинної напруги, а її струм буде вдвічі більшим за первинний струм. Це означає, що в ідеальному випадку всередині трансформатора втрачається потужність. Він просто перетворює потужність з високовольтного/слабкострумового в низьковольтній/сильнострумовий (або навпаки), звідси і назва. Насправді трансформатори мають обмеження напруги та струму, і вони визначаються з точки зору номіналу вольт-підсилювача або ВА, який є просто твором номінальної вторинної напруги та максимально допустимого вторинного струму. Трансформатори, що знижують напругу, називаються понижуючими, тоді як ті, що підвищують напругу, називаються підвищуючими. Нарешті, можна створювати трансформатори з декількома праймеріз та вторинними (або за допомогою окремих котушок, або багатовідвідних котушок). Отримані серії і паралельні конфігурації котушок роблять їх набагато більш гнучкими.

3.2.3: Згладжування (фільтрація) виведення

Друге питання, яке ми маємо, - це згладжування і вирівнювання пульсуючого постійного струму. Найпростіший метод досягнення цього - додати конденсатор паралельно з навантаженням. Конденсатор буде заряджатися під час фази провідності, зберігаючи тим самим енергію. Коли діод відключиться, конденсатор почне розряджатися, таким чином передаючи свою накопичену енергію в навантаження. Чим більше конденсатор, тим більше його ємність для зберігання і тим плавніше буде напруга навантаження. Виходить, що є нижня сторона до великих конденсаторів, як ми побачимо. Отже, метою буде не використовувати якомога більше конденсатора, а використовувати оптимальний розмір для даного застосування. Напівхвильовий випрямляч з трансформатором і конденсатором показаний на малюнку\(\PageIndex{6}\).

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Напівхвильовий випрямляч з трансформатором і фільтруючим конденсатором.

Один із способів погляду на включення згладжує конденсатора - вважати, що він разом з опором навантаження становить\(RC\) розрядну мережу. Для досягнення плавного напруги навантаження постійна час розряду повинна бути набагато більше, ніж зазор, що утворюється при відключенні діода. Для роботи 60 герц цей розрив становить половину періоду, або приблизно 8,3 мілісекунди. Рівняння постійної часу дорівнює

\[\tau = RC \nonumber \]

Нагадаємо, що за один час постійна напруга конденсатора впаде значно нижче половини початкового значення (приблизно 37%), нам знадобиться постійна часу в кілька разів більше 8,3 мілісекунд. Наприклад, припустимо, наш ефективний опір навантаження дорівнює 100\(\Omega\). Якщо ми використовуємо конденсатор 1000\(\mu\) F, результуюча постійна часу становила б 100 мілісекунд, або більше десяти разів перевищує тривалість розриву. Набагато менший конденсатор, скажімо, близько 50\(\mu\) F, не був би майже настільки ефективним при підтримці постійної напруги.

Зміна вихідної напруги через розряд конденсатора називається пульсацією. Він може бути змодельований як змінна напруга, що їде на більшому виході постійного струму. Величина пульсації погіршується в міру збільшення струму навантаження. За умов легкого навантаження вихід, як правило, плаває до пікової напруги вторинної з дуже невеликою пульсацією. Коли попит на струм навантаження зростає, величина пульсації збільшується і номінальна вихідна напруга починає падати.

Комп'ютерне моделювання

Дві варіації на відфільтрованому напівхвильовому випрямлячі моделюються нижче. Обидві версії використовують\(\Omega\) навантаження 100 з джерелом 10 вольт, аналогічно попередньому моделюванню. Перша версія використовує конденсатор фільтра 50\(\mu\) F, а другий піднімає це до 1000\(\mu\) F. В обох випадках\(\Omega\) резистор 1 додається послідовно з конденсатором, щоб служити датчиком струму. Перший варіант показаний на рис\(\PageIndex{7}\).

Рисунок\(\PageIndex{7}\): Схема моделювання напівхвильового випрямляча з 50\(\mu\) F фільтруючим конденсатором.

Графік моделювання перехідного аналізу показаний на рис\(\PageIndex{8}\). Форма вхідної хвилі пофарбована в синій колір, тоді як напруга навантаження - червоний. Порівняння цієї форми хвилі з зображеною на малюнку\(\PageIndex{5}\) показує ефект конденсатора, що розтягує імпульс і частково заповнює зазор. Очевидно, що цей конденсатор занадто малий, враховуючи опір навантаження і результуючий попит струму. Дійсно, до моменту надходження наступного імпульсу конденсатор майже виснажується, а вихідна напруга знизилася приблизно до одного вольта.

Рисунок\(\PageIndex{8}\): Моделювання перехідного аналізу для напівхвильового випрямляча з використанням конденсатора фільтра 50\(\mu\) F.

На\(\PageIndex{9}\) малюнку моделювання повторне, але цього разу за допомогою конденсатора 1000\(\mu\) F замість 50\(\mu\) F. Як і очікувалося, збільшена постійна\(RC\) часу призводить до набагато стабільнішої напруги навантаження. У цій версії вихід знизився з трохи більше дев'яти вольт до приблизно восьми вольт, що дає пік-пік пульсації півтора вольта або близько того. Пікова напруга трохи більше дев'яти вольт проти застосованих десяти вольт багато в чому обумовлено падінням напруги на випрямляючому діоді.

Рисунок\(\PageIndex{9}\): Моделювання перехідного аналізу для напівхвильового випрямляча з використанням конденсатора фільтра 1000\(\mu\) F.

Одна річ, яка може бути очевидною не відразу, це те, що час заряду для більшого конденсатора набагато коротше, ніж для меншої одиниці. Це, мабуть, контрінтуїтивно. При більшому конденсаторі діод включається на більш короткий час, оскільки його катод утримується при високій напрузі за рахунок конденсатора. Тобто він включиться тільки тоді, коли вхідна напруга перевищить напругу конденсатора приблизно на 0,7 вольта. Тільки за цей час конденсатор буде поповнюватися, а це може привести до дуже великих стрибків струму.

Щоб дослідити цей ефект, симуляції повторно запускаються, але на цей раз додаючи напругу на\(\Omega\) зондувальному резисторі 1. Це порівняно невелике значення надасть лише скромний вплив на зарядку і розрядку, і зручно масштабується до поточної величини (тобто 100 мілівольт означає 100 міліампер). Спочатку вивчіть перехідне моделювання малюнка\(\PageIndex{10}\) за допомогою конденсатора 50\(\mu\) F.

Червона розгортка - це вихідна напруга, тоді як синя розгортка представляє струм конденсатора. Графік вихідної напруги використовує ліву вертикальну вісь, тоді як поточний графік використовує праву вертикальну вісь. У міру того, як напруга навантаження починає рости, ми бачимо різкий сплеск струму конденсатора. Це струм зарядки конденсатора, і він досягає піку близько 180 міліампер. Загальний час фази заряду становить близько 4 мілісекунд. Як тільки вихідна напруга пік, конденсатор починає розряджатися в навантаження. Під час фази розряду зверніть увагу, що полярність струму конденсатора змінилася. Він негативний, досягає максимуму приблизно −80 міліампер і подає струм на навантаження.

Малюнок\(\PageIndex{10}\): Перехідний аналіз форми струму за допомогою конденсатора фільтра 50\(\mu\) F.

Це моделювання повторюється за допомогою конденсатора 1000\(\mu\) F. Результати наведені на рис\(\PageIndex{11}\).

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Перехідний аналіз форми струму за допомогою конденсатора фільтра 1000\(\mu\) F.

Синя форма хвилі струму піки становить приблизно 800 міліампер, або більше чотирьох разів перевищує значення порівняно з використанням меншого конденсатора. Також ширина позитивного імпульсу зменшилася приблизно до 2,5 мілісекунд. Фаза розряду майже рівна, що означає, що вихідна напруга повинна бути більш стабільною, оскільки цей конденсатор є єдиним джерелом струму навантаження під час цієї фази.

3.2.4: Повнохвильова випрямлення

Удосконаленням напівхвильового випрямлення є повнохвильова випрямлення. Напівхвильове випрямлення є неефективним, оскільки воно по суті викидає негативну частину вхідного сигналу. На відміну від цього, повнохвильова випрямлення використовує негативну частину шляхом інвертування або перевертання її полярності. Отримана схема скромно більша і складніша, але призводить до великих поліпшень продуктивності. Наприклад, розмір конденсатора фільтра значно зменшується.

Існує два популярних методу досягнення повнохвильового випрямлення. Перший спосіб використовує пару діодів з центровим постукуванням (тобто розщепленим) вторинним. Другий спосіб використовує мережу з чотирма діодними мостами. Форма діодного моста також здатна виробляти біполярний вихід (тобто позитивний вихід разом з негативним виходом, як правило, тієї ж величини).

Вторинна ланцюг з двома діодними центрами показана на малюнку\(\PageIndex{12}\). Ця схема також включає в себе конденсатор фільтра.

Малюнок\(\PageIndex{12}\): Повнохвильовий центральний випрямляч з конденсатором.

Операція полягає в наступному. Під час позитивної половини джерела напруги діод\(D_1\) зміщується вперед, а\(D_2\) зворотно-зміщений. Тому верхня половина вторинної поводиться як простий напівхвильовий випрямляч, що дозволяє струму протікати через\(D_1\) і в навантаження. Завдяки включеному зворотному\(D_2\) зміщенню нижня половина представляє обрив ланцюга і ефективно знімається. У дзеркальній формі, коли застосований потенціал перемикачів полярність\(D_1\) буде зворотною зміщеною, а\(D_2\) стає упередженою вперед. Струм тепер вільно протікає\(D_2\) в навантаження. Таким чином, використовуються обидві половини вхідної форми хвилі. Отримані форми хвиль проілюстровані на малюнку\(\PageIndex{13}\). Для наочності фільтруючий ефект конденсатора не показаний і\(V_{in}\) становить половину від загальної вторинної напруги.

Малюнок\(\PageIndex{13}\): Форми хвиль повнохвильового випрямляча.

Важливим моментом, який слід пам'ятати про цю конфігурацію, є те, що навантаження «бачить» лише половину вторинної в будь-який момент часу. Тому напруга навантаження становитиме лише половину від загального вторинного напруги (мінус одне пряме падіння діода). Наприклад, якщо трансформатор має коефіцієнт витків 10:1 і живиться від стандартного джерела 120 вольт, вторинний буде видавати 12 вольт RMS. Ігноруючи падіння діода, навантаження побачила б половину цього, або 6 вольт RMS (близько 8,5 вольт пік). Як правило, трансформатори оцінюються за їх загальною вторинною напругою, тому цей трансформатор буде називатися «вторинним центром 12 вольт».

Чотирьохдіодний мостовий випрямляч показаний на малюнку\(\PageIndex{14}\). У комплекті йде конденсатор фільтра. Крім того, зверніть увагу на використання стандартного, не в центрі постукування вторинного. Оскільки це дуже поширена конфігурація, чотири діодний міст доступний як одна чотирипровідна частина в різних розмірах та потужностях струму.

Малюнок\(\PageIndex{14}\): Повнохвильовий мостовий випрямляч з конденсатором.

Робота цієї схеми проілюстрована\(\PageIndex{15}\) на малюнку для позитивної частини входу. Спочатку струм тече від верхньої частини вторинного до\(D_1/D_2\) переходу. \(D_2\)Пропонує лише шлях зміщення вперед, тому струм протікає\(D_2\) до переходу\(D_4\) з навантаженням. Оскільки\(D_4\) представлений шлях зворотного зміщення, струм повинен стікати вниз через навантаження. Від землі струм триває до\(D_1/D_3\) місця стику. Хоча на перший погляд здається, що струм міг протікати через будь-який діод, пам'ятайте, що катод\(D_1\) прив'язаний до високої сторони вторинного. Тому його потенціал повинен бути вище анодної сторони, роблячи його зворотним зміщенням. Отже, струм стікає наскрізь\(D_3\). Подібна ситуація відбувається при\(D_4\) і струм направляється назад в низьку сторону вторинної. Коротше кажучи,\(D_2\) і\(D_3\) є упередженими вперед,\(D_1\) а також\(D_4\) є зворотно-упередженими. Навантаження бачить все вторинна напруга мінус два вперед падіння діода.

Малюнок\(\PageIndex{15}\): Аналіз повнохвильового мостового випрямляча, позитивний вхід.

Під час негативної полярності частини вхідних даних ситуація змінюється, як показано на малюнку\(\PageIndex{16}\). Струм буде протікати з нижньої частини вторинної через\(D_4\), вниз через навантаження, і, нарешті, назад до верхньої частини вторинної через\(D_1\). Таким чином,\(D_1\) і\(D_4\) є упередженими вперед,\(D_2\) а також\(D_3\) є зворотно-упередженими. Важливим є те, що в обох випадках струм стікає вниз по навантаженню, зверху вниз, в результаті чого виходить позитивне вихідна напруга.

Малюнок\(\PageIndex{16}\): Аналіз повнохвильового мостового випрямляча, негативний вхід.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Спроектуйте випрямляч/фільтр, який буде видавати вихідну напругу приблизно 30 вольт з максимальним струмом 300 міліампер. Він повинен харчуватися від джерела RMS 120 В змінного струму. Пульсаційна напруга повинна бути менше 10% від номінальної вихідної напруги при повному навантаженні.

Для цього дизайну ми зупинимося на використанні загальних готових деталей. Як ми бачили, повнохвильові випрямлячі ефективніші при перетворенні змінного струму в постійний струм, тому ми підемо цим маршрутом, зокрема, чотирма діодними мостами. Ми будемо використовувати схему малюнка\(\PageIndex{14}\) як орієнтир.

Перший пункт, який слід врахувати, - це розмір трансформатора. Вихід на 30 вольт вимагатиме пікової вторинної напруги щонайменше 32 вольт, оскільки ми повинні додати в двох прямих падіннях діодів. Еквівалентне середньоквадратичне значення дорівнює\(32/\sqrt{2}\) або 22,6 вольт. При повному навантаженні відфільтроване вихідна напруга буде дещо знижуватися, тому викликається дещо більша величина. Стандартного 24-вольтового вторинного повинно вистачити. З огляду на номінальний струм навантаження 300 міліампер, трансформатор повинен бути не менше 0,3 ампер\(\cdot\) 24 вольта або 7,2 ВА.

Що стосується конденсатора, то він повинен бути розрахований на пікову напругу. Піковий еквівалент - 24 В змінного струму\(\cdot \sqrt{2}\) середньоквадратичного значення або 34 вольта. Хоча 35 вольт номінальний конденсатор може бути випробуваний, стандартний номінал 50 вольт залишить щедрий запас міцності і підвищити надійність. Щоб знайти значення ємності, ми повинні спочатку знайти ефективний найгірший імпеданс навантаження.

\[R = \frac{V_{out}}{I_{max}} \nonumber \]

\[R = \frac{30 V}{0.3 A} \nonumber \]

\[R = 100 \Omega \nonumber \]

Корисно буде порівняти це назад з моделюванням, зображеним на малюнку\(\PageIndex{9}\). Наша специфікація пульсації дещо жорсткіша, ніж досягнута в попередньому моделюванні. Це очевидно, відзначаючи, наскільки вихідна напруга знизилася на півдорозі через вимкнену частину циклу. Отже, нам знадобиться більша постійна часу, можливо, в два рази. Це ставить нас на 200 мілісекунд.

\[\tau = RC \nonumber \]

\[C = \frac{\tau}{R} \nonumber \]

\[C = \frac{0.2s}{100 \Omega} \nonumber \]

\[C = 2000 \mu F \nonumber \]

Стандартне значення 2200\(\mu\) F повинно бути достатнім.

Комп'ютерне моделювання

Щоб перевірити наші результати,\(\PageIndex{1}\) моделюється дизайн з Example. Схема показана на рис\(\PageIndex{17}\). Для спрощення моделювання замість трансформатора використовується джерело RMS 24 вольт. У гіршому випадку навантаження моделюється за допомогою\(\Omega\) резистора 100. Для початкового випробування конденсатор фільтра опущений, щоб ми могли забезпечити належну пікову напругу та форми сигналу. Результати перехідного аналізу наведені на рис\(\PageIndex{18}\). Вторинна напруга відображається червоним кольором, тоді як напруга навантаження показана синім кольором. Повнохвильова форма хвилі точно така, як очікувалося, включаючи невелике зменшення пікового значення напруги через два прямих падінь діода. Вихідний пік трохи вище 30 вольт, за бажанням.

Малюнок\(\PageIndex{17}\): Схема моделювання для конструкції Приклад\(\PageIndex{1}\) без конденсатора.

Малюнок\(\PageIndex{18}\): Перехідний аналіз конструкції Приклад\(\PageIndex{1}\) без конденсатора.

Тепер, коли ми маємо впевненість у рівні напруги та формі хвилі, конденсатор вихідного фільтра додається, як показано на малюнку\(\PageIndex{19}\). Перехідний аналіз знову виконується з результуючими сигналами вхідної та навантажувальної напруги, зображеними на малюнку\(\PageIndex{20}\). Напруга навантаження показано червоним кольором. Середнє значення становить трохи більше 30 вольт, а пульсація від піку до піку менше двох вольт, за бажанням. Відзначимо, що пікова напруга при повному навантаженні з конденсатором трохи менше, ніж було помічено в безконденсаторном варіанті. Якби поточний попит навантаження збільшився, і падіння, і пульсація погіршилися б.

Малюнок\(\PageIndex{19}\): Схема моделювання для конструкції Приклад\(\PageIndex{1}\) з конденсатором.

Малюнок\(\PageIndex{20}\): Перехідний аналіз конструкції Приклад\(\PageIndex{1}\) з конденсатором.

3.2.5: Повнохвильовий міст з подвійними виходами

Як уже згадувалося, повнохвильовий міст може бути налаштований для створення подвійного виходу біполярного джерела живлення. Це показано на малюнку\(\PageIndex{21}\). Зверніть увагу на включення центрального крана на вторинному трансформаторі і розташування заземлення між двома навантаженнями і пов'язаними з ними конденсаторами.

Малюнок\(\PageIndex{21}\): Подвійний вихідний повнохвильовий мостовий випрямляч.

Один із способів думати про це полягає в тому, що ми просто створили нову точку відліку, розділивши навпіл загальний вихідний потенціал схеми, представленої на малюнку\(\PageIndex{14}\). По черзі, це можна вважати верхньою половиною вторинного водіння в\(R_{load+}\) той час як нижня половина дисків\(R_{load-}\), як ніби міст і дводіодні версії були якось об'єднані в транспортерної аварії, як у фільмі 1958 року «Муха», хоча це не кричить «Допоможи мені! Допоможіть мені!» крихітним голосом в кінці.

3.2.6: Регулювання стабілітрону

Додавання великого конденсатора до випрямляча необхідно для зберігання та передачі енергії, щоб вийшло плавне, ідеально не змінюється напруга. Як зазначалося раніше, при великому навантаженні пульсація збільшувалася б в амплітуді, а середня напруга впаде. Це питання можна значно зменшити, додавши стабілітрон і струмообмежуючий резистор на вихід, наступний за конденсатором. Це називається стабілітроном і показано на малюнку\(\PageIndex{22}\).

Малюнок\(\PageIndex{22}\): Простий стабілітрон регулятор.

Робота регулятора стабілітрону досить проста. Нагадаємо, що при зворотному зміщенні з досить великим потенціалом нормальна зворотна поведінка діода розімкнутого перемикача різко змінюється для підтримки фіксованого напруги; потенціалу стабілітрону. Струм через діод починає різко збільшуватися після досягнення цього потенціалу. Якщо ми розмістимо стабілітрон на виході нашого відфільтрованого випрямляча, стабілітрон спробує обмежити вихідну напругу потенціалом стабілітрону. Щоб запобігти надмірному та, можливо, руйнівному струму стабілітрону, різниця напруг між напругою конденсатора та потенціалом стабілітрону падає на послідовному резисторі, що обмежує струм. Цей обмежувальний резистор встановить максимальну величину вихідного струму. Потім цей струм розщеплюється між стабілітроном і навантаженням. В умовах легкого навантаження більша частина цього струму буде протікати через стабілітрон. У умовах великого навантаження більша частина струму буде витягнута навантаженням, мало протікаючи через стабілітрон. Якщо потреба в струмі навантаження занадто велика, для стабілітрона немає струму, і він перестає проводити. Регулювання втрачається і обмежувальний резистор утворює з навантаженням дільник напруги.

Повний випрямляч/фільтр/стабілітрон схема регулятора показана на малюнку\(\PageIndex{22}\). Розберемо, як\(R_{limit}\) взаємодіє з навантаженням.

Малюнок\(\PageIndex{22}\): Повнохвильовий мостовий випрямляч і фільтр з стабілітроном.

Для правильної роботи стабілітрон (\(D_5\)) - це бажана вихідна напруга постійного струму, а пікова вторинна напруга встановлюється дещо вище. Ми хочемо гарантувати, що в умовах повного навантаження найнижча напруга конденсатора через пульсацію все ще перевищує бажану вихідну напругу постійного струму. Різниця між напругою конденсатора і потенціалом стабілітрона падає поперек\(R_{limit}\). Тому

\[I = \frac{V_{cap} −V_Z}{R_{limit}} \nonumber \]

В умовах холостого ходу весь цей струм стікає вниз через стабілітрон. Максимальний струм навантаження дорівнює цій величині (в цей момент через стабілітрон не протікає струм).

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Визначте максимальний струм навантаження для джерела постійного струму, такого як той, який знаходиться на рис\(\PageIndex{22}\). Напруга конденсатора становить 15 вольт в середньому з\(\pm\) 1 вольт пульсації (тобто 16 вольт знижується до 14 вольт). Потенціал стабілітрона дорівнює 12 вольт і\(R_{limit}\) дорівнює 4,7\(\Omega\).

Найбільшим можливим постійним струмом навантаження є струм через\(R_{limit}\) (ігнорування\(I_{ZT}\)). Граничний випадок для безперервного витягування відбудеться, коли напруга конденсатора знаходиться на найнижчому значенні, або 14 вольт.

\[I = \frac{ V_{cap} −V_Z}{R_{limit}} \nonumber \]

\[I = \frac{14 V −12 V}{4.7 \Omega} \nonumber \]

\[I = 426mA (\text{actually a few mA less due to } I_{ZT} ) \nonumber \]

Найбільший піковий струм через стабілітрон виявляється при максимальній напрузі конденсатора і передбачає, що струм не проводиться навантаженням.

\[I = \frac{ V_{cap} −V_Z}{R_{limit}} \nonumber \]

\[I = \frac{16 V −12 V}{4.7 \Omega} \nonumber \]

\[I = 851 mA \nonumber \]

Зверніть увагу, що в цьому найгіршому випадку поточний час потенціалу Zener призводить до розсіювання потужності близько 10 Вт. Звичайно, при нормальній роботі при навантаженні тягне струм розсіювання діода значно знижується. Цікаво відзначити, що стабілітрон розсіює максимальну потужність, коли струм навантаження дорівнює нулю. Отже, ми можемо думати про цю схему як зміщення струму від стабілітрона до навантаження, оскільки навантаження вимагає більше струму ².

Посилання

¹ Якщо вам цікаво, чому ми не просто використовуємо розподіл постійного струму замість того, щоб «вирізати середню людину», причини різноманітні. По-перше, як правило, ефективніше розподіляти енергію через змінний струм, а не через постійний струм. По-друге, навіть якщо постійний струм доступний, він може бути не в тій амплітуді, яку вимагає схема. Тому потрібна певна форма перетворення постійного струму в постійний струм. Залежно від програми, це може виявитися дорожче, ніж перетворення змінного струму в постійний струм.

² Як ви могли здогадатися, це не особливо ефективно, оскільки навіть коли попит на навантаження дорівнює нулю, стабілітрон все ще витягує струм від трансформатора. Покращена схема може включати в себе біполярний транзистор, як розглянуто в розділі 4. Детальніше про більш складні методи регулювання напруги див. Fiore, J, операційні підсилювачі та лінійні інтегральні схеми: теорія та застосування, інший вільний текст OER.