Електроніка та мікропроцесорна техніка

У цій схемі катоди (n-області) світлодіодів однойменних сегментів всіх розрядів сполучені між собою. Тому для їх підключення потрібно всього сім зовнішніх виводів. Так само сполучені між собою аноди семи сегментів кожного розряду. В результаті повне число зовнішніх виводів десятирозрядного дисплея не перевищує 17. Матрична структура управління не дозволяє одночасно включати всі рядки (розряди), якщо цифри (набори сегментів) відрізняються один від одного. Тому схема управління передбачає тимчасове розділення включення кожному з рядків. За допомогою розподільника в кожен даний момент до джерела струму підключається тільки один розряд індикатора. Одночасно на іншу координату матриці подають інформацію, що підлягає відображенню, у вигляді двійково-десяткового або якого-небудь іншого коду. У схемі дешифратора відбувається перетворення вхідного коду, в позиційний (сегментний), тобто підключення вибраного сегменту до джерела струму. Порозрядне включення матриці здійснюється безперервно. Тому в кожному циклі включення через вибрані сегменти кожного розряду протікає імпульс струму, якому відповідає і імпульс висвічення відповідного світлодіода. Принципові електричні схеми розподільника і дешифратора містять транзисторні ключі, схеми, що дозволяють здійснювати безконтактну швидкодіючу комутацію.

В даний час розроблені світлодіоди з перебудовуваним кольором свічення. Зміна кольору досягнута завдяки формуванню в одному приладі двох р-п переходів, один з яких дозволяє отримати зелене свічення, а другий - червоне. При одночасному збудженні обох переходів випромінюється жовте світло. Регулюючи по величині струми через переходи, можна змінювати колір свічення від зеленувато-жовтого до червонувато-жовтого. За допомогою подібних світлодіодів можна створити кольорові пристрої відображення інформації, замінити кінескопи телевізорів чималими плоскими екранами, що дозволяють отримувати кольорове зображення.

Контрольні запитання:

1. Яке призначення мають буквено-цифрові індикатори?

2. Будова та принцип дії газорозрядних індикаторів?

3. Будова та принцип дії вакуумних електролюмінесцентних і розжарювальних індикаторів?

4. Напівпровідникові індикатори, призначення та їх будова?

Інструкційна картка №18 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 2 Електронні прилади

2.8 Прилади відображення інформації

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Будову рідкокристалічного індикатора;

- Принцип роботи рідкокристалічного індикатора;

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Відрізняти індикатори різних типів;

- Використовувати індикатори при різних схемних рішеннях.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [2, с. 413-417].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Індикатори на рідких кристалах. Плазмові панелі. Маркування цифрових індикаторів.

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Область застосування індикаторів на рідких кристалах?

2. Що називають рідкими кристалами?

3. Що таке сегмент?

4. Конструкція елементарного рідкокристалічного індикатора?

5. В чому полягає принцип роботи рідкокристалічного індикатора?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І.В.

Теоретична частина: Прилади відображення інформації

План:

1. Індикатори на рідких кристалах. Плазмові панелі. Маркування цифрових індикаторів.

Література

1. Індикатори на рідких кристалах. Плазмові панелі. Маркування цифрових індикаторів

Індикатори на рідких кристалах останніми роками все частіше застосовуються в різноманітній електронній апаратурі. Ці індикатори відрізняються малими габаритами, споживають незначну потужність (не більше 100 мквт) від низьковольтних джерел живлення, забезпечують високу контрастність зображення навіть при достатньо високих рівнях засвічення.

Рідкими кристалами називають особливу групу речовин, що займають проміжне місце між твердим і рідким станами. Ці речовини складаються з ниткоподібних органічних молекул, витягнутих в певних напрямах (мал. 22.9, а). Вони володіють текучістю подібно до рідин, але мають молекулярний порядок твердих речовин. При температурі 15...70°С під дією електричного поля орієнтація молекул змінюється, стає впорядкованою (мал. 22.9, б), а в речовині виникає специфічний ефект динамічного розсіювання світла (що як проходить через речовину, так і відображеного). В результаті цього коефіцієнт заломлення змінюється, і рідкий кристал, непрозорий у нормальному стані, починає пропускати світло. Оскільки рідкокристалічні осередки самі не випромінюють світло, то вони зазвичай використовуються спільно з яким-небудь зовнішнім джерелом світла.

Конструкція елементарної рідкокристалічної ячейки достатньо проста (мал. 22.10). Вона складається з двох скляних пластин 2, покритих з внутрішньої сторони шаром електропровідного матеріалу (3 і 5), і розташованого між ними рідкого кристала 1 товщиною 8...25 мкм. Один з електродів (мал. 22.10) прозорий, інший (мал. 22.10) - може бути або прозорим, якщо індикатор працює на пропускання світла, або дзеркальним, якщо індикатор працює на віддзеркалення. Електроди 3 і 5 розділяє ізоляційна прокладка 4.

Для індикації цифр використовуються елементи, які складаються з восьми сегментів (кожен сегмент - це елементарна рідкокристалічна ячейка). Сім з них необхідні для відтворення десяти цифр, а восьмий сегмент призначений для індикації коми, що відокремлює десяткові дроби від цілих чисел (мал. 22.11).

Мал. 22.9. Рідкокристалічний ячейка:

а - невпорядкована структура без поля; б - впорядкована структура за наявності електричного поля

Мал. 22.10. Конструкція елементарного рідкокристалічного індикатора (рідкокристалічної ячейки):

1 - рідкий кристал; 2 - скляні пластини; 3 - прозорий електрод; 4 - ізоляційна прокладка; 5 - прозорий або такий, що відображає електрод

Мал. 22.11. Конструктивне оформлення цифрового однорозрядного рідкокристалічного індикатора

Мал. 22.12. Конструкція багаторозрядного рідкокристалічного індикатора (дисплея)

Рис 22.13. Схеми, що ілюструють роботу рідкокристалічної ячейки:

а - на віддзеркалення світла; б - на пропускання світла



Мал. 22.14. Схема управління рідкокристалічним індикатором

Для отримання зображення тієї або іншої цифри необхідно впливати за допомогою електричного струму на певні цифрові сегменти.

На мал. 22.12 показаний багаторозрядний індикатор на трьох рідкокристалічних елементах. По суті, такий індикатор є простим рідкокристалічним дисплеєм компактної плоскої конструкції. Слід зазначити, що, окрім цифрової індикації, на такому дисплеї можуть бути відтворені і складніші знаки і символи.

Джерела світла, необхідні для роботи індикаторів на рідких кристалах, можна розташовувати як перед ними, так і позаду них. У першому випадку позаду цифрових сегментів встановлюють дзеркальну пластину (мал. 22.13, про), світло відбивається від неї і проходить через сегменти, прозорість яких залежить від величини струму, що пропускається через них. При роботі індикатора у відображених променях як джерело світла можна використовувати навколишнє освітлення.

У другому випадку джерело світла (мініатюрні лампи розжарювання або люмінесцентні випромінювачі) розташовують так, як показано на мал. 22.13, б. Замість дзеркальної пластини використовується матово-чорна. Індикатор працює в світлі, що проходить. При використанні відповідних фільтрів можна отримати кольорове зображення тих або інших знаків.

Для управління роботою рідкокристалічного індикатора необхідний пристрій, що підключає живлячу напругу до того або іншого сегменту за заданою програмою. З цією метою може бути використана схема, приведена на мал. 22.14. Тут до кожного сегменту підводиться живляча напруга тільки в тому випадку, якщо відповідний транзистор, що управляє, відкритий (на малюнку показаний тільки один транзистор VT7 сьомого сегменту). Між загальним електродом і плюсом джерела живлення включений обмежувальний резистор з опором Roгp = 10... 100 ком. За допомогою високоомних резисторів встановлюється необхідне для роботи сегментів живляча напруга (близько 5 В). При відмиканні транзистора відповідний цифровий сегмент виявляється заземленим, на кристалічну рідину впливатиме повна напруга живлення, і вона стане прозорою, що приведе до висвічення тієї або іншої цифри (знаку, символу).

Контрольні запитання:

1. Область застосування індикаторів на рідких кристалах?

2. Що називають рідкими кристалами?

3. Що таке сегмент?

4. Конструкція елементарного рідкокристалічного індикатора?

5. В чому полягає принцип роботи рідкокристалічного індикатора?

Інструкційна картка №19 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 3 Основи аналогової електронної схемотехніки

3.1 Підсилювачі

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Принцип роботи простих ППС?

- Принцип роботи диференційного підсилювача.

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Читати схеми де використовуються підсилювачі;

- Будувати схеми ППС.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [1, с. 110-111].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Підсилювачі постійного струму прямого підсилення.

2. Диференційні підсилювачі.

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Що являється найпростішим представником підсилювача постійного струму?

2. В чому суть роботи двокаскадного ППС прямого підсилення?

3. Принцип роботи диференційного підсилювача?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І.В.

Теоретична частина: Підсилювачі

План:

1. Підсилювачі постійного струму прямого підсилення.

2. Диференційні підсилювачі.

Література

1. Підсилювачі постійного струму прямого підсилення

Найпростішим представником ППС є підсилювач прямого підсилення з безпосередніми зв'язками. Розглянемо схему двокаскадного підсилювача прямого підсилення, зображену на рис. 4.2.

Рис. 4.2 - Двокаскадний підсилювач постійного струму прямого підсилення

Він складається з двох каскадів, виконаних за схемою з СЕ. Призначення елементів те ж саме, що і у підсилювачах змінного струму. Вхідний сигнал, що надходить до входу першого каскаду, підсилюється і з колектора транзистора VT 1 подається на вхід другого каскаду, виконаного на транзисторі VT2. Після повторного підсилення, сигнал надходить на навантаження R .

На відміну від підсилювача змінного струму, де режим спокою вибирається за умов найліпшого підсилення вхідного сигналу і не впливає на навантаження завдяки наявності реактивних елементів зв'язку, у цьому підсилювачі процеси протікають по іншому.

Напруга спокою першого каскаду U_0K безпосередньо подасться на вхід другого і, якщо не прийняти спеціальних заходів, під її дією транзистор насичується. Тобто ні про яке підсилення не може йти мови. Для того, щоб виключити це явище, до емітерного кола VT2 вводять резистор R_е2 на якому виділяється напруга U_Е2 що компенсує напругу U_ОК, оскільки спрямована зустрічно.

Наявність великих R_е1 та R_е2 призводить до виникнення в схемі глибоких ВЗЗ, що значно знижує коефіцієнт підсилення. Тому такі підсилювачі мають обмежену кількість каскадів (зазвичай не більше двох).

Для того, щоб знизити величину емітерної напруги, можна використати дільник напруги (зображений на рис. 4.2 пунктиром). У цьому випадку навіть на малому опорі R_е2 можна одержати потрібний рівень напруги. Але зменшення ВЗЗ призводить до підвищення втрат потужності, а отже, до зниження к.к.д.

Даний підсилювач має велике значення дрейфу нуля і використовується у випадках, коли немає високих вимог до якості підсилення. Для підвищення стабільності схеми в якості R_Е1 і R_E2, використовують терморезистори.

2. Диференційні підсилювачі

Балансний підсилювач, у емітерне коло якого замість R_Е увімкнене джерело струму (наприклад, транзистор, якому задано фіксоване значення струму бази), має назву диференційного (різницевого - бо підсилює різницю напруг між входами) підсилювача. Його схему наведено на рис. 4.6.



Рис. 4.6 - Диференційний підсилювач

Щодо нього слід зазначити наступне. Вхідний сигнал може бути подано не тільки як диференційний (між входами Вх.1 і Вх.2). Його можна також подавати на будь-який з входів відносно точки з нульовим потенціалом.

Навантаження також може бути підімкнене не тільки між обома виходами (симетричний вихід), але й до одного виходу і нульової точки (несиметричний вихід). При цьому, якщо це, наприклад, Вих.2, то Вх.1 для нього буде неінвертуючим: зміни сигналу на виході співпадають по знаку (фазі - для змінного струму) зі змінами вхідного сигналу; Вх.2 буде інвертуючим: зміни вихідного сигналу по знаку (фазі) протилежні змінам вхідного.

При несиметричному вході один з колекторних резисторів (від якого не робиться вихід) можна не встановлювати.

Якщо на обидва входи подані відносно нульової точки однакові по знаку і величині сигнали (синфазний сигнал), то напруга на виході дорівнюватиме нулю - підсилювач підсилює тільки різницевий сигнал.

Диференцінні підсилювачі знайшли широке використання при побудові ППС в інтегральному виконанні.

Контрольні запитання:

1. Що являється найпростішим представником підсилювача постійного струму?

2. В чому суть роботи двокаскадного ППС прямого підсилення?

3. Принцип роботи диференційного підсилювача?

Інструкційна картка №20 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 3 Основи аналогової електронної схемотехніки

3.1 Підсилювачі

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Принцип роботи балансного підсилювача.

- Будову балансного підсилювача.

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Читати схеми де використовуються підсилювачі;

- Будувати схеми балансного підсилювача.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [1, с. 106-110].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Балансні підсилювачі

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Що собою являє балансний підсилювач?

2. На основі чого будуються балансні підсилювачі?

3. Принцип роботи простого балансного підсилювача?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І.В.

Теоретична частина: Підсилювачі

План:

1. Балансні підсилювачі

Література

1. Балансні підсилювачі

Балансні ППС будуються на основі чотириплечого моста з паралельним балансом, схема якого наведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3 - Чотириплечий міст

Напруга на виході мосту не залежить від змін напруги живлення чи від пропорційних змін параметрів плечей.

На рис. 4.4 зображена найпростіша схема балансного підсилювача.

Рис. 4.4 - Балансний підсилювач

Він складається з двох каскадів на транзисторах VTI і VT2. Причому параметри елементів обох каскадів повинні бути практично однаковими (в тому числі і транзисторів, що досить важко виконати).

Підсилювач являє собою чотириплсчий міст, де роль резистора R₁ виконує R_k1, R₂ - опір транзистора VT1 R₄ - опір транзистора VT2.

Якщо вхідний сигнал відсутній, напруга на навантаженні дорівнює нулю (коли схема абсолютно симетрична). Дрейф нуля практично у 20 - 30 разів менший, ніж у підсилювача з безпосередніми зв'язками, оскільки визначається різницею І_0К1 та І_0К2.

За наявності вхідного сигналу з полярністю, що вказана на рис. 4.4, транзистор VT1 трохи відкривається, його колекторний струм зростає, а транзистор VT2 пропорційно закривається і його колекторний струм зменшується. Внаслідок цього на навантаженні R_h з'являється напруга розбалансу .

Недоліком такого ППС є наявність значного ВЗЗ, зумовленого великими значеннями R₁ і R₂. Виключити цей недолік дозволяє схемо-технічне рішення, наведене на рис. 4.5.

Рис. 4.5 - Вилучення впливу ВЗЗ у балансному підсилювачі

Таким чином, відносні зміни струмів емітерів під дією вхідного сигналу взаємно компенсуються, виключаючи ВЗЗ за підсилюваним сигналом. ВЗЗ за постійним струмом залишається.

R₀, крім того, що вирівнює потенціали емітерів, як і в попередній схемі, у даному разі ще й забезпечує балансування схеми при незначних відхиленнях параметрів елементів.

Контрольні запитання:

1. Що собою являє балансний підсилювач?

2. На основі чого будуються балансні підсилювачі?

3. Принцип роботи простого балансного підсилювача?

Інструкційна картка №21 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 3 Основи аналогової електронної схемотехніки

3.2 Генератори синусоїдальних коливань

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Трьохточкові схеми автогенераторів;

- Будову автогенераторів.

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Читати схеми де використовуються автогенератори;

- Будувати схеми транзисторних автогенераторів.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [2, с. 338-340].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Різновиди схем транзисторних автогенераторів

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Що собою являють трьохточкові схеми автогенераторів?

2. Як здійснюються режим за постійним струмом і його термостабілізація?

3. Які схеми автогенераторів застосовуються для збільшення вихідної потужності?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І.В.

Теоретична частина: Генератори синусоїдальних коливань

План:

1. Різновиди схем транзисторних автогенераторів

Література

1. Різновиди схем транзисторних автогенераторів

Крім схеми з трансформаторним зв'язком, широкого поширення в електронній апаратурі набули так звані трьохточкові схеми з автотрансформаторним (мал. 18.5, а) і ємнісним зв'язком (мал. 18.5.б).

Мал. 18.5. Трьохточкові схеми автогенераторів:

а - з автотрансформаторним, би - із ємнісним зв'язком.

Мал. 18.6. Двотактна схема автогенератора

Режим за постійним струмом і його термостабілізація здійснюються в приведених схемах так само, як і в схемі мал. 18.1. По змінному струму високої частоти контур приєднується до трьох електродів транзистора - емітеру, базі, колектору - трьома точками: Е, Б, К. У схемі, приведеній на мал. 18.5, а, вивід від відповідного витка контурної котушки підключено до емітера транзистора через малий внутрішній опір джерела живлення.

Напруга зворотного зв'язку (мал. 18.5, а) знімається з частини витків контурної котушки (L2) і через конденсатор С1 поступає на базу транзистора. Оскільки знаки миттєвої напруги на L1 і L2 щодо середньої точки протилежні, тобто зсунуті між собою по фазі на 180є, а підсилювальний каскад повертає фазу ще на 180°, то зворотний зв'язок буде позитивним, тобто умова балансу фаз виконується. Аналогічно працює і схема, приведена на мал. 18.5, б, тільки тут напруга зворотного зв'язку знімається з конденсатора ЗЕ.

Для збільшення вихідної потужності застосовуються двотактні схеми автогенераторів, які по суті є поєднанням однотактних схем із загальним контуром, загальним живленням і іншими загальними елементами. Побудова такої схеми ілюструється мал. 18.6.

Контрольні запитання:

1. Що собою являють трьохточкові схеми автогенераторів?

2. Як здійснюються режим за постійним струмом і його термостабілізація?

3. Які схеми автогенераторів застосовуються для збільшення вихідної потужності?

Інструкційна картка №22 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 3 Основи аналогової електронної схемотехніки

3.3 Випрямлячі. Стабілізатори

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Призначення випрямлячів;

- Область застосування випрямлячів з помноженням напруги;

- Область застосування трифазних випрямлячів;

- Будову та принцип роботи схем.

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Застосовувати схеми випрямлячів при побудові електричних схем;

- Викреслювати схеми випрямлячів.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [1, с. 199-205], [2, с. 360-362].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Випрямлячі з помноженням напруги.

2. Трифазні випрямлячі.

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Навіщо використовуються випрямлячі з помноженням напруги?

2. Який принцип роботи найпростішої схеми випрямляча з помноженням напруги?

3. Яка область застосування трифазних випрямлячів?

4. Що собою являє схема Міткевича та Ларіонова?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Теоретична частина: Випрямлячі. Стабілізатори

План:

1. Випрямлячі з помноженням напруги.

2. Трифазні випрямлячі.

Література

1. Випрямлячі з помноженням напруги

Для підвищення випрямленої напруги на навантаженні при заданій напрузі на вторинній обмотці трансформатора або за відсутності трансформатора, що підвищує, з необхідним коефіцієнтом трансформації застосовують схеми випрямляння з помноженням напруги. Як додаткові джерела ерс, призначених для збільшення вихідної напруги, в цих схемах використовують конденсатори, що періодично заряджають через діоди.

Мал. 19.6. Схеми випрямлячів з помноженням напруги:

а - с подвоєнням; б - з потроєнням.

Проста схема випрямляча з помноженням напруги приведена на мал. 19.6, а. Діє така схема таким чином. Протягом позитивного напівперіоду, коли потенціал точки А вторинної обмотки силового трансформатора позитивний щодо точки Б, конденсатор С1 заряджається через діод VD1 до напруги, рівної амплітуді напруги на вторинній обмотці трансформатора U_2m. У другий напівперіод, коли потенціал точки А стає негативним, а точки Б - позитивним, вторинна обмотка трансформатора виявляється сполученою з конденсатором С1 таким чином, що напруга на їх виводах складається. Під впливом цієї сумарної напруги конденсатор С2 через діод VD2 заряджається майже до подвоєного значення амплітудної напруги на виводах вторинної обмотки трансформатора 2U_2m. В процесі заряду конденсатора С2 відбувається розряд конденсатора С1. Потім процес повторюється. При цьому напруга на опорі навантаження, підключеному паралельно конденсатору С2, пульсує з частотою напруги мережі.

На мал. 19.6, б приведена схема з потроєнням напруги. У позитивний напівперіод, коли потенціал точки А позитивний щодо точки Б, конденсатор С1 заряджає через діод VD1 до напруги U_2m. У наступний напівперіод конденсатор С2 заряджає через діод VD2 до напруги, рівної сумі напруги конденсатора С1 і вторинної обмотки трансформатора, тобто приблизно до напруги 2U_1m. Конденсатор С1 в цей час розряджається. У подальший напівперіод, коли відбувається повторна зарядка конденсатора С1 через діод VD1, закритим опиниться діод VD2 і конденсатор С2 розрядиться через діод VD3 на конденсатор C3, зарядивши його до напруги 2U_2m. Після закінчення заряду конденсатора С1 (до кінця третього напівперіоду) опір навантаження опиниться під сумарною напругою конденсаторів С1 і С2 тобто приблизно під потрійною напругою U_2m.

По аналогії з розглянутими схемами можуть бути побудовані схеми з більшою кратністю множення напруги - скільки завгодно великою. Проте чим вище кратність множення напруги, тим більше діодів і конденсаторів повинні бути в схемі і тим більше високу напругу вони повинні витримувати.

Схеми з помноженням напруги не можуть забезпечити на навантаженні великий випрямлений струм. Пояснюється це тим, що при великому струмі навантаження конденсатори, що входять в схему випрямляча, повинні мати дуже велику ємність. Інакше вони швидко розряджатимуться і пульсації напруги на навантаження стануть неприпустимо великими. Тому такі схеми застосовуються в основному для отримання високої напруги при малому струмі навантаження.

2. Трифазні випрямлячі

Для живлення навантажень середньої і великої потужності використовують трифазні випрямні схеми, які мають порівняно з однофазними ряд переваг:

- краще використовуються вентилі за струмом;

- суттєво нижчий коефіцієнт пульсацій;

- ефективне використання габаритної потужності трансформатора;

- більш ефективне використання зглажуючих фільтрів.

До мережі трифазні випрямлячі підминаються через трифазні трансформатори, обмотки яких вмикаються зіркою або трикутником.

Найрозповсюдженішими є такі два типи схем трифазних випрямлячів:

1) однопівнеріодна з нульовим виводом (схема Міткевича);

2) двопівперіодна мостова (схема Ларіонова).

Схема Міткевича

Однопівнеріодна схема з нульовим виводом (схема Міткевича) зображена на рис. 9.10.

Рис. 9.10- Трифазна схема з нульовим виводом (схема Міткевича)

Ця схема складається із трифазного трансформатора ТV, випрямних діодів VD1-VD3 та навантаження R_н , яке вмикається між спільним виводом вторинних обмоток трансформатора (нульовим виводом) та спільною точкою з'єднання випрямних діодів. Фактично ця схема являє собою три однофазних однопівперіодних випрямляча, увімкнених паралельно. Тому первинні обмотки трансформатора можуть з'єднуватися як зіркою, так і трикутником (забезпечуючи, наприклад, підминання до мережі з фазною напругою 220 чи 127 вольт), а вторинні - лише зіркою.

Рис. 9.11 - Часові діаграми роботи схеми Міткевича

Випрямні діоди працюють по черзі. За період напруги живлення кожен діод знаходиться у провідному стані третину періоду, причому проводить той діод, до анода якого на даний момент прикладена найбільш позитивна фазна напруга.

Частота пульсації випрямленої напруги в три рази перевищує частоту мережі.

Недоліком даної схеми є наявність постійного підмагнічування магнітопроводу трансформатора, зумовленого тим, що, як і у будь-якої однотактної схеми, вторинною обмоткою трансформатора струм за період проходить лише один раз і в одному напрямку, тобто цей струм має постійну складову. Це вимагає використання трансформатора із підвищеним перерізом магнітопроводу (підвищеної встановленої потужності).

Схема Ларіонова

Трифазна мостова (двотактна) схема (схема Ларіонова) зображена на рис. 9.12. У цій схемі і первинна, і вторинна обмотки трансформатора можуть вмикатися як зіркою, так і трикутником. Можливість вмикання вторинної обмотки двома способами забезпечує можливість отримання двох різних вихідних напруг випрямляча, значення яких відрізняються у раз.

Надалі будемо розглядати схему при вмиканні вторинних обмоток у зірку.

Тут шість випрямних діодів увімкнені у трифазну мостову схему і утворюють дві групи: анодну - VD1.VD2, VD3 та катодну - VD4₄ VD5, VD6.

Рис. 9.12 - Трифазна мостова схема (схема Ларіонова)

Навантаження вмикається між спільними точками анодної і катодної груп діодів. Можна виділити три однофазних мости, що підімкнені до лінійних (у даному разі) вторинних напруг і паралельно до навантаження. Один з таких мостів на схемі обведено штрих-пунктирною лінією.

У провідному стані завжди знаходяться два діоди: один з анодної групи і один з катодної. Причому струм у схемі протікає від фази з найбільш позитивною на даний момент напругою до фази з найбільш негативною напругою, як, наприклад, струм і у момент часу, що відповідає &_/t показаний на часових діаграмах, які ілюструють роботу схеми і наведені на рис. 9.13. На діаграмі и, також вказано проміжки, на яких у провідному стані знаходяться відповідні діоди.

Рис. 9.13 - Часові діаграми роботи схеми Ларіонова

Час протікання струму через кожен з діодів відповідає . Струм навантаження в даній схемі викликаний лінійною напругою. Основні розрахункові співвідношення можна отримати із часової діаграми випрямленої напруги, наведеної на рис. 9.14.

Рис. 9.14 - Розрахункова часова діаграма випрямленої напруги схеми Ларіонова

Частота пульсації випрямленої напруги перевищує частоту мережі у шість разів.

У цій схемі відсутнє підмагнічування магнітопроводу, оскільки у вторинному колі кожної обмотки трансформатора за період напруги мережі струм протікає двічі, причому у різних напрямках.

Схема Ларіонова у порівнянні зі схемою Міткевича маэ такі переваги:

1) за рівних фазних напруг середнє значення випрямленої напруги у два рази вище (потрібно задавати меншу кількість витків вторинних обмоток трансформатора);

2) більш низький коефіцієнт пульсацій (менш ніж шість відсотків), що часто дозволяє використовувати схему Ларіонова без фільтра;

3) краще використання трансформатора за потужністю за рахунок відсутності підмагнічування осердя.

Щоправда, кількість діодів у схемі Ларіонова в два рази більша, але, як було зазначено раніше, на даний час це несуттєво (за винятком випрямлення малих за значенням напруг), оскільки вартість діодів невелика порівняно з вартістю трансформатора, який в схемі Міткевнича повинен бути приблизно на сорок відсотків потужнішим.

Контрольні запитання:

1. Навіщо використовуються випрямлячі з помноженням напруги?

2. Який принцип роботи найпростішої схеми випрямляча з помноженням напруги?

3. Яка область застосування трифазних випрямлячів?

4. Що собою являє схема Міткевича та Ларіонова?

Інструкційна картка №23 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 3 Основи аналогової електронної схемотехніки

3.3 Випрямлячі. Стабілізатори

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

- Призначення випрямлячів;

- Область застосування керованих випрямлячів;

- Основні методи регулювання напруги постійного струму керованих випрямлячів;

- Призначення та класифікація автономних інверторів;

- Будову та принцип роботи схем.

ІІІ. Студент повинен уміти:

- Застосовувати схеми випрямлячів при побудові електричних схем;

- Викреслювати схеми випрямлячів та інверторів.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [1, с. 252-260].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Керовані випрямлячі

2. Однофазний двопівперіодний керований випрямляч з нульовим виводом

3. Автономні інвертори. Призначення та класифікація

4. Однофазний інвертор струму

5. Півмостовий однофазний інвертор напруги

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Що називається керованим випрямлячем?

2. Які основні методи регулювання напруги постійного струму керованих випрямлячів?

3. Принцип роботи однофазного двопівперіодного керованого випрямляча з нульовим виводом?

4. Призначення та класифікація автономних інверторів?

5. Призначення та принцип роботи однофазного інвертора струму?

6. Що собою являє півмостовий однофазний інвертор напруги?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І.В.

Теоретична частина: Випрямлячі. Стабілізатори

План:

1. Керовані випрямлячі

2. Однофазний двопівперіодний керований випрямляч з нульовим виводом

3. Автономні інвертори. Призначення та класифікація

4. Однофазний інвертор струму

5. Півмостовий однофазний інвертор напруги

Література

1. Керовані випрямлячі

У розглянутих нами випрямних схемах у якості вентилів використано діоди і тому вони с некерованими випрямлячами, бо не дозволяють регулювати величину напруги на навантаженні.

Можливість зміни величини постійної напруги на навантаженні за необхідним законом у заданих межах може бути реалізована за допомогою керованих випрямлячів, які будуються на керованих вентилях, наприклад, на тиристорах.

Перед тим, як розглядати конкретні схемні рішення керованих випрямлячів, спочатку ознайомимось з основними методами регулювання напруги постійного струму, які, перш за все, можна розділити на два види: такі, що забезпечують регулювання з боку змінного струму і такі, що забезпечують регулювання з боку постійного струму.

Регулювання з боку змінного струму можливе при використанні випрямних схем на некерованих вентилях, але при цьому необхідно вводити додаткові силові пристрої. Так можна:

1) змінювати величину змінної напруги, що подається на вентильну схему, перемиканням під навантаженням виводів вторинної обмотки трансформатора, змінюючи тим самим коефіцієнт трансформації останнього;

2) застосовувати регулятори змінного струму з рухомим струмознімачем (автотрансформатори) або з рухомою магнітною системою (індукційні регулятори).

З боку постійного струму можливе регулювання безперервними методами й імпульсними.

При безперервних методах застосовують:

1) реостати і дільники напруги:

2) компенсаційні регулятори (наприклад, розглянуті нами в розділі 9.8.2 стабілізатори).

Через великі втрати енергії в елементах регулятора (надлишок напруги тут гаситься на увімкнених послідовно з навантаженням елементах регулятора, що принципово обумовлює низьке значення к.к.д.), такі методи застосовують в малопотужних регуляторах.

У наш час найвживанішими є імпульсні методи регулювання, що зумовлено отриманням на основі стрімкого розвитку напівпровідникових технологій силових електронних напівпровідникових приладів, які можуть працювати у ключовому режимі за досить високих напруг (тисячі вольт) і частот (десятки і сотні кілогерц) - польові і біполярні транзистори, СІТ-транзистори і БТІЗ, спеціальні види тиристорів.

Оскільки регулюючий елемент при реалізації імпульсних методів працює як ключ, то втрати енергії в ньому мінімальні, що визначає високий к.к.д. перетворюючих пристроїв.

Середнє значення постійної напруги на навантаженні U_d регулюється за цими методами за рахунок зміни співвідношення між тривалостями замкненого і розімкненого станів ключа, коли постійна напруга (наприклад, з виходу фільтра некерованого випрямляча) підмикається до навантаження або ні.

Напруга на виході регулятора має форму прямокутних імпульсів з амплітудою, що дорівнює е.р.с. джерела постійного струму.

Є декілька таких методів регулювання. Розглянемо основні з них.

1. Метод широтно-імпульсного регулювання (ШІР) полягає у тому, що при сталому періоді надходження імпульсів змінюють їх тривалість - ширину. У результаті маємо

,

де Е - е.р.с. джерела постійного струму;

- тривалість імпульсу;

Т - період надходження імпульсів;

- коефіцієнт заповнення.

Змінюючи , можна змінювати від нуля (при = 0) до Е (при = 1).

2. При частотно-імпульсному регулюванні (Ч1Р) змінюють частоту (період) надходження імпульсів при їх фіксованій тривалості.

Середнє значення напруги при цьому становить

,

де - частота імпульсів.

Мінімальне значення що наближається до нуля, отримують при частоті >0, а максимальне, що наближається до величини , при .

3. За комбінованого регулювання змінюють період і тривалість імпульсів.

Останній метод найпростіший в реалізації (так, наприклад, працює термобіметалічннй регулятор у прасці) але при регулюванні постійної напруги отримання її постійного значення у часі на навантаженні, що забезпечується, як відомо, за допомогою фільтрів, вимагає використання елементів фільтра з масо-габаритними параметрами, далекими від мінімально можливих. Це ж стосується і методу ЧІР.

Мінімальні параметри елементів фільтра забезпечує метод ШІР, оскільки регулятор працює на фіксованій частоті.

До речі, ця частота, як правило, у багато разів перевищує частоту мережі змінного струму, що тим більше забезпечує мінімальні параметри елементів фільтра.

У порівнянні з іншими методами, метод ШІР забезпечує також кращі умови узгодження регулятора з мережею живлення (полегшене подолання радіоперешкод, що передаються з регулятора в мережу).

Виходячи з наведеного, метод ШІР застосовують найчастіше.

Рис. 9.36 - Імпульсний регулятор постійної напруги

Схема простого імпульсного регулятора наведена на рис. 9.36. Тут у якості фільтра використано Г-подібний LС-фільтр.

При замкненому ключі К навантаження живиться від джерела постійного струму Е (струм /л), а елементи фільтра накопичують енергію. Коли ключ розімкнений, то навантаження живиться енергією, накопиченою в конденсаторі та дроселі. Для забезпечення подачі енергії, накопиченої в дроселі, у навантаження (струм I_d1), в схему введено діод VD, який називають зворотним.

Регулювати вихідну напругу випрямляча можна також, застосовуючи фазо-імпульсний метод. При цьому до складу перетворюючого пристрою не вводять додаткових силових вузлів, а лише у якості вентилів випрямної схеми використовують керовані ключі - як правило, тиристори. Принцип дії регулятора полягає у тому, що за допомогою спеціальної схеми керування забезпечується регульована затримка на вмикання тиристорів відносно переходу через нуль змінної синусоїдної напруги. Тобто фаза послідовності імпульсів керування змінюється щодо фази синусоїдної напруги.

Зазначимо, що цей метод регулювання можна розглядати як різновид методу ШІР, коли імпульси напруги мають не прямокутну, а синусоїдну форму з обмеженням.

Перевагою імпульсних методів регулювання є те, що, перш за все, надлишок енергії тут просто не береться від джерела живлення (а не гаситься на баластному елементі, як, наприклад, у компенсаційному стабілізаторі. Це в ідеалі (якщо вважати елементи регулятора такими, що не мають, наприклад, опору) за принципом побудови регулятора обумовлює величину к.к.д. у 100 відсотків.

В імпульсних регуляторах більш ефективно використовуються силові елементи. Вони мають (особливо при методі ШІР за високих частот комутації ключа) менші масо-габаритні показники.

Тиристорні фазо-імпульсні регулятори до недавнього часу мали домінуюче застосування при побудові потужних регуляторів. До їх недоліків слід віднести те, що вони вносять значні викривлення форми пульсуючої напруги на виході вентильної схеми, що вимагає збільшення габаритів і маси фільтра, особливо за великого діапазону регулювання. Також викривляється форма струму, що споживається з мережі, а це вимагає установки вхідних фільтрів для забезпечення умов електромагнітної сумісності з іншими споживачами мережі. Крім того, затримка на вмикання вентилів веде до того, що основна гармоніка споживаного з мережі струму має зсув фази відносно напруги мережі. В результаті, навіть за активного навантаження, останнє мережею сприймається як активно-індуктивне - погіршується cosц.

Тепер зрозуміло, чому в останній час намагаються якнайширше застосовувати регулятори, побудовані за методом ШІР, використовуючи при цьому, як ми вже зазначали, сучасні високочастотні потужні напівпровідникові прилади.

Хоча такі регулятори вимагають введення в схему додаткових силових вузлів, що, зрозуміло, веде до зниження перш за все к.к.д., проте масо-габаритні показники, показники якості вихідної напруги і умови узгодження з мережею живлення у них значно кращі.

Наприкінці зазначимо, що електронні регулятори, які не мають рухомих механічних елементів, називають статичними регуляторами.

2. Однофазний двопівперіодний керований випрямляч з нульовим виводом

Рис. 9.37 - Однофазний двопівперіодний керований випрямляч з нульовим виводом

Роботу фазо-імпульсного регулятора постійної напруги розглянемо на прикладі однофазного двопівперіодного керованого випрямляча з нульовим виводом, схема якого зображена на рис. 9.37, де позначено VS1 і VS2 - тиристори, СК - схема керування, яка забезпечує подачу на тиристори керуючих імпульсів з регульованою затримкою. На рис. 9.38 наведені часові діаграми, що ілюструють роботу випрямляча.

Зверніть увагу на форму напруги на тиристорі u_VS1 На відрізку часу, що відповідає куту регулювання б, він закритий і до нього прикладена напруга u₂₁ за додатньої півхвилі, або u₂₂ за від'ємної. Після закінчення відліку б і видачі відповідного керуючого імпульсу напруга на тиристорі за додатної півхвилі відсутня, бо він тут працює як замкнений ключ, а за від'ємної півхвилі дорівнює (u₂₁+ u₂₂), бо за рахунок того, що другий тиристор знаходиться у відкритому стані, даний закритий виявляється підімкненим до обидвох півобмоток трансформатора.

Рис. 9.38 - Часові діаграми роботи однофазного двопівперіодного керованого випрямляча з нульовим виводом

Подібні керовані випрямлячі будують також і на основі трифазних вентильних схем. Закони зміни пульсуючої напруги на виході, а також специфіка роботи вентилів при цьому складніші.

Рис. 9.39 - Регулювальна характеристика керованого випрямляча

Залежність середньої випрямленої напруги на навантаженні від кута б називається регулювальною характеристикою, яка має вигляд синусоїди, зміщеної на величину U_d0/2. Регулювальна характеристика наведена на рис. 9.39. Вона нелінійна, бо лінійним змінам кута б відповідають нелінійні зміни площі під кривою синусоїди.

Керовані випрямлячі широко використовуються для створення регульованих джерел напруги при регулюванні нагрівачів, освітлювальних приладів, швидкості обертання електродвигунів і т.п.

3. Автономні інвертори. Призначення та класифікація

Автономні інвертори - це пристрої, що працюють на автономне навантаження і призначені для перетворення напруги постійного струму в напругу змінного струму заданої або регульованої частоти.

Застосовують автономні інвертори:

1) у системах електропостачання споживачів змінного струму, коли єдиним джерелом живлення є джерело напруги постійного струму (наприклад, акумуляторна або сонячна батарея);

2) у системах гарантованого електропостачання при зникненні напруги мережі живлення (наприклад, для особистих потреб електростанцій - для живлення пристроїв контролю, вимірювання, захисту, ЕОМ);

3) для живлення технологічного устаткування, частота напруги якого відрізняється від промислової частоти 50 Гц;

4) для частотного регулювання швидкості асинхронних двигунів;

5) для живлення споживачів змінного струму від ліній електропостачання постійного струму;

6) для перетворення постійної напруги одного рівня у постійну напругу іншого рівня (конвертування напруг).

Комутаційними елементами в інверторах є тиристори або силові транзистори.

Залежно від специфіки електромагнітних процесів розрізняють інвертори струму та інвертори напруги. На рис. 10.1 зображені приклади їхніх схем.

В інверторах струму силове коло схеми підминається до джерела постійної напруги через дросель L з великим індуктивним опором (як відомо, джерело струму повинно мати великий опір).

Рис. 10.1 - Автономні інвертори струму (а) та напруги (б)

В інверторах напруги паралельно джерелу живлення вмикається конденсатор великої ємності, чим виключається вплив на роботу пристрою внутрішнього опору джерела (отримуємо джерело напруги за змінним струмом).

Таким чином, комутація тиристорів в інверторах струму проводиться за сталого струму, а в інверторах напруги - за сталої напруги.

При роботі інвертора схема керування почергово вмикає пари тиристорів VS1, VS4 або VS2, VS3, завдяки чому на навантаженні Rн виникає змінна напруга - за допомогою ключової схеми навантаження підмикається таким чином, щоб в ньому протікав струм різних напрямків.

Якщо навантаження інвертора напруги має індуктивний або активно-індуктивнин характер, то паралельно тиристорам вмикають зворотні діоди (VD1-VD4 на рис. 10.1,б). Цим забезпечується передача накопичуваної в індуктивності енергії назад у джерело живлення.

Основною проблемою при проектуванні інверторів є забезпечення надійного вимикання тиристорів, що знаходяться у провідному стані, перед вмиканням тиристорів, що не проводили струм. Це реалізується використанням схем примусової комутації, що забезпечують запирання тиристорів у колах постійного струму (див. розділ 2.6.2).

Зверніть увагу на те, що вентильна схема в наведених інверторах є мостовою, як і у випрямлячі (що є перетворювачем напруги змінного струму в напругу постійного струму). Звідси висновок - керовані вентильні схеми є зворотними. Вони можуть передавати енергію як в одному, так і в іншому напрямку, залежно від місця вмикання джерела і навантаження і від алгоритму керування.

4. Однофазний інвертор струму

Схема однофазного інвертора струму з трансформаторним виходом зображена на рис. 10.2. Почергово вмикання тиристорів VSI або VS2 забезпечує виникнення на навантаженні Rн змінної напруги.

Рис. 10.2 - Однофазний інвертор струму з трансформаторним виходом

Дросель L забезпечує незмінність величини струму у силовому колі. С - комутуючий конденсатор, який забезпечує примусове вимикання тиристорів.

Первинні пів обмотки трансформатора ТV підімкнені до тиристорів VS1 і VS2 відповідно, а його вторинна обмотка w₂ - до навантаження Rн.

Схема керування тиристорами СК забезпечує подачу керуючих імпульсів на тиристори (у найпростішому випадку цe може бути симетричний мультивібратор, що працює в автоколивальному режимі).

Працює інвертор наступним чином.

При надходженні від СК керуючого імпульсу до VS1 він вмикається і напруга джерела живлення подається на півобмотку . Потік у магнітопроводі трансформатора змінюється і наводить у обмотках w₂ і ЕРС із полярністю, яка на схемі вказана без дужок. При цьому комутуючий конденсатор Ск, який підімкнено паралельно до первинної обмотки трансформатора, заряджається до напруги 2U_дж, а на навантаженні з'являється позитивний сплеск напруги.

Після закінчення проміжку часу, що відповідає додатній півхвилі змінної напруги навантаження, СК вмикає тиристор VS2 і напруга джерела живлення подається на півобмотку Конденсатор Ск через VS2 підмикається паралельно до VSl, причому полярність напруги на ньому є такою, що вимикає останній.

Полярність ЕРС, наведеної в обмотках трансформатора після вмикання VS2, на схемі показана у дужках. Конденсатор С починає перезаряджатись до напруги 2U_дж із зворотною полярністю(вказана на схемі також у дужках). На навантаженні виникає негативний сплеск напруги.

По закінченні проміжку часу, що відповідає від'ємній півхвилі змінної напруги, СК знову вмикає тиристор VSI і процеси повторюються.

Роботу однофазного інвертора струму ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 10.3.



Рис. 10.3 - Часові діаграми роботи однофазного інвертора струму

Таким чином, інвертор формує на навантаженні змінну напругу, форма якої визначається формою напруги на конденсаторі Ск і залежить від величини опору навантаження. Зі збільшенням останнього постійна часу заряду конденсатора збільшується і форма напруги на ньому наближається до трикутної. Її амплітуда при цьому збільшується (при збереженні середнього за півперіода значення напруги). У результаті, при холостому ході за відсутності втрат в елементах пристрою напруга на навантаженні і конденсаторі безмежно зростає (реально виникають значні перенапруги) - джерело струму намагається підтримувати величину струму незмінною. Це може призвести до виходу інвертора з ладу.

5. Півмостовий однофазний інвертор напруги

Схема півмостового однофазного інвертора напруги зображена на рис. 10.4. Силові ланцюги виділені на ній більш товстими.

Такого типу схеми називають півмостовими, бо половину мосту в них складають вентилі (тут - тиристори VS1 і VS2), а другу - інші елементи (тут - конденсатори С1 і С2).

Решта елементів є елементами схеми примусової комутації. Так тиристор VS3, діод VD1 разом з комутуючими конденсатором Ск і дроселем Lk утворюють контур примусового вимикання тиристора a VS4 і VD2 разом з Ск і Lк - контур примусового вимикання тиристора VS2.

Почергове вмикання тиристорів VS1 і VS2 призводить до підмикання до навантаження напруги конденсатора C1 (протікає сгрум І_н1) або конденсатора С2, з такою ж напругою (протікає струм І_н2).

Рис. 10.4 - Півмостовий однофазний інвертор напруги

Робота схеми полягає у наступному.

Після підмикання джерела живлення і заряду конденсаторів С1 і С2, схема керування (на рисунку не показана) вмикає спочатку, наприклад, тиристор VS4.

Конденсатор Ск заряджається до напруги Uдж/2 з полярністю, вказаною на рисунку без дужок по контуру (+С2, Rн, Ск, Lк, VS4, -С2). Після закінчення заряду Cк VS4 сам вимикається, бо струм через нього знижується до нуля.