Теория (стр. 5 из 16)

(1.28)

Среднее значение выпрямленного напряжения получилось гораздо меньше, чем при емкостном фильтре, и чтобы получить при этом необходимое напряжение на нагрузке, приходится увеличивать напряжение на вторичной обмотке трансформатора, что приведет к увеличению обратного напряжения на диодах и к увеличению габаритов блока питания в целом, поэтому выходное напряжение рекомендуется увеличивать введением в индуктивный фильтр конденсатора. Такой фильтр называют Г-образным индуктивно-емкостным LC-фильтром.

1.5.6.2. Г-образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Сопротивление дросселя для переменных составляющих тока соединяется с нагрузкой последовательно, а конденсатор параллельно (рис. 1.14), и, если выполняется условие Х_с << R_н << Х_L, то напряжение пульсаций на нагрузке будет малым.

Рис. 1.14. Г-образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Амплитуда основной гармоники переменного тока через дроссель

. (1.29)

Амплитуда переменного напряжения на выходе фильтра

(1.30)

Коэффициент сглаживания фильтра, равный отношению коэффициента пульсации на входе к коэффициенту пульсаций на выходе,

(1.31)

При совместной работе индуктивности и емкости в схеме фильтра проявляются свойства контура, в результате чего в схеме может возникнуть колебательный процесс. Чтобы избежать этого, необходимо обеспечить равенство амплитуды переменной составляющей тока и постоянной составляющей , поэтому введено понятие критической индуктивности, значение которой определяется из следующих соображений.

Так как

(1.32)

а с учетом того, что Х_L >> X_C, амплитудное значение тока

(1.33)

то условием для определения критического значения индуктивности дросселя будет

из которого следует

(1.34)

Примечание. С достаточной для практики точностью при питании выпрямителя от сети с частотой 50 Гц значение критической индуктивности дросселя можно принять равной

(1.35)

Для лучшего сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя применяют П-образные LC-фильтры.

1.5.6.3. П-образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Такой фильтр (рис. 1.22) можно рассматривать как два фильтра:

1. Простой емкостный фильтр, состоящий из конденсатора С₁.

2. Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (из дросселя L и конденсатора С₂).

Рис. 1.15. П-образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Действующее значение напряжения пульсаций на выходе П-образного
фильтра

, (1.36)

где - действующее значение напряжения пульсаций на входе фильтра П-образного индуктивно-емкостного фильтра.

В источниках малой мощности для уменьшения размеров и массы фильтра вместо дросселя применяют резистор. Резистивно-емкостные фильтры рассчитывают и строят по тем же схемам, что и индуктивно-емкостные (Г- и П-образные фильтры), но необходимо принять к сведению, что на RC-фильтрах происходит значительное падение постоянного напряжения (до 20 %).

Теоретическое обобщение по выпрямителям, работающим на фильтры, содержащие индуктивность

Г- и П-образные сглаживающие LC-фильтры позволяют получить пульсации выходного напряжения гораздо меньшие, чем при простых индуктивных или простых емкостных фильтрах. Если требования к сглаживанию пульсации окажутся еще выше, то рекомендуется использование многозвенных фильтров (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Каскадное включение LC-фильтров

Коэффициент сглаживания таких фильтров определяется как произведение коэффициентов сглаживания отдельных звеньев

1.6. Туннельные диоды

Основные полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются туннельные диоды, - германий и арсенид галлия.

Рис. 1.18. Схемное изображение туннельного диода

Особенности туннельных диодов:

1. Высокая концентрация примесных атомов (10¹⁹–10²¹).

2. Вольт-амперная характеристика туннельного диода содержит участок с отрицательным динамическим сопротивлением («аб» на рис. 1.28), что позволило использовать его в усилителях и генераторах электрических колебаний и в импульсных устройствах. При этом качество работы диода определяет протяженность и крутизна падающего участка ВАХ.

3. У туннельного диода обратный ток достигает большой величины при малом обратном напряжении.

4. Важное преимущество туннельного диода перед обычным заключается в его очень высокой рабочей частоте. Это объясняется тем, что туннельный переход электронов происходит почти мгновенно (за
время 10^-13сек.). Частотные свойства туннельного диода на падающем участке ВАХ определяются параметрами его схемы замещения (рис. 1.19, б).

Рис. 1.19. ВАХ туннельного диода и его эквивалентная схема: а - вольтамперная характеристика диода; б - схема замещения туннельного диода

Активная составляющая полного сопротивления сохраняет отрицательный знак вплоть до частоты

,

где: f_r - это такая предельная резистивная (расчетная) частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивления потерь, превращается в нуль.

Принятые обозначения в схеме: r_диф- дифференциальное сопротивление туннельного диода; С_д и L_д - емкость и индуктивность диода; R_п - суммарное сопротивление кристалла, контактных присоединений и выводов.

Усиление и генерирование колебаний возможно на частотах, не превышающих f_r.

5. Температурный диапазон у туннельных диодов значительно шире, чем у обычных диодов: при туннельном переходе электрон не затрачивает тепловой энергии, поэтому туннельный диод может работать при такой низкой температуре, при которой обычные диоды и транзисторы перестают работать (фактически туннельный диод способен работать при температурах вплоть до -269 ^оС, но устойчивая работа диода гарантируется в диапазоне температур от -60 ^оС до +150 ^оС),. Максимальная температура у туннельных диодов из германия равна +200 ^оС, а из арсенида галлия -
до +400 ^оС.

6. Туннельные диоды не восприимчивы к высокой влажности, устойчивы к ядерной радиации (допускается облучение плотностью 10¹⁴ -10¹⁶ нейтрон/см²).

7. У туннельного диода хорошие шумовые характеристики.

1.7. Опорные диоды (кремниевые стабилитроны)