Прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

 

4

4.1. Двуполуперіодного випрямляча

Може будуватися за мостовий або полумостовой схемою (коли, наприклад, у випадку випрямлення однофазного струму, використовується спеціальний трансформатор з виводом від середньої точки вторинної обмотки і удвічі меншою кількістю випрямляючих струм елементів. Така схема нині застосовується рідко, так як більш металомістких і має більшу еквівалентне активне внутрішній опір, тобто великі втрати на нагрів обмоток трансформатора. При побудові двухполупериодного випрямляча зі згладжуючим конденсатором слід завжди пам'ятати, що змінна напруга завжди вимірюється в "чинному" значенні, яке в 1,41 рази менше його максимальної амплітуди, а випрямлена напруга на конденсаторі, у відсутність навантаження, буде завжди одно амплітудному. Це означає, що, наприклад, при вимірюванні напруги однофазного змінного струму 12 вольт до мостового однофазного випрямляча зі згладжуючим конденсатором, на конденсаторі, (у відсутність навантаження), буде напруга до 17 вольт. Під навантаженням випрямлена напруга буде нижчою, (але не нижче величини діючої напруги змінного струму, якщо внутрішній опір трансформатора - джерела змінного струму - прийняти рівним нулю) і залежати від ємності згладжуючого конденсатора.

Відповідно, вибір величини змінної напруги вторинної обмотки трансформатора, повинен будуватися виходячи з максимальної допустимої величини напруги, що подається, а ємність згладжуючого конденсатора - повинна бути досить великою, щоб напруга під навантаженням не знизилося менше мінімально допустимого. На практиці також враховується неминуче падіння напруги під навантаженням - на опорі проводів, обмотці трансформатора, діодах випрямного моста, а також можливе відхилення від номінального величини живлячої трансформатор напруги електричної мережі.

Во багатьох пристроях обробки аналогових сигналів, наприклад, у вимірювальних схемах,потрібне виділення або складових тільки однієї полярності (однополуперіодне випрямлення), або визначення абсолютного значення сигналу(двуполуперіодне випрямлення). Ці операції можутьбути реалізовані на пасивних діодно-резистивних ланцюгах, але значне пряме падіння напруги на діодах(0,5 - 1 В) і нелінійність його вольт-амперно їхарактеристики вносять в цьому випадку значні погрішності, особливо при обробці слабких сигналів. Застосування ОП дозволяє значною мірою ослабити  вплив реальних характеристик діодів. 
Однополуперіодні випрямлячі. Схеми однополуперіодних випрямлячів, приведені на мал. 1, відрізняються один від одного передаваною хвилею вхідного сигналу (позитивною або негативною) і знаком коефіцієнта передачі (що інвертують і не інвертують). Неінвертуючі однополуперіодні випрямлячі мають більш високий вхідний опір, ніж ті що інвертують. У інвертуючому випрямлячі діод VD1 відкривається на відповідній півхвилі сигналу, забезпечуючи його передачу на вихід з коефіцієнтом, визначуваним відношенням резисторів R1 і R2. Діод VD2 зміщений при цьому у зворотньому напрямі. Неінвертуючий випрямляч при передачі півхвилі, що попускається, працює приблизно так само, проте їх функціонування в режимі відсічення істотно розрізняється.

Мал. 1. Схеми однополуперіодних випрямлячів

Як у інвертуючому, так і в неінвертуючому випрямлячах діод VD2  введений для підвищення їх швидкодії.  Якщо виключити цей діод, то в режимі відсічення ОП входить в стан насичення. 
При переході в режим пропускання ОП спочатку повинен вийти з насичення, а потім його вихідна напруга достатньо довго наростатиме до рівня відкривання діодаVD1. Введення діода VD2 запобігає насичення ОП іобмежує перепад його вихідної напруги при зміні полярності вхідного сигналу. У неінвертуючій схемі діод VD2  забезпечує обмеження вихідної напруги ОП шляхом замикання його виходу на землю, тому ОП повинен допускати коротке замикання на виході впродовжне обмеженого часу. Крім того, в неінвертуючій схемі операційний підсилювач повинен мати велику допустиму диференціальну вхідну напругу і малий час відновлення з режиму обмеження вихідного струму. Істотним недоліком представлених вище схем є їхвисокий вихідний опір, що має, до того ж, нелінійний характер.  
Двуполуперіодні випрямлячі. Найпростіше реалізуються прецизійні двуполуперіодні випрямлячі з незаземленим навантаженням, наприклад, стрілочним міліамперметром. Схема такого пристрою приведена на мал. 2. Тут операційний підсилювач служить в якост ікерованого по напрузі джерела струму. Тому вихідний струм не залежить від падіння напруги на діодах і опору навантаження Rн.

Мал. 2. Двуполуперіодний випрямляч з незаземленим навантаженням

Мостова схема випрямляє обидві півхвилі вхідного сигналу, при цьому випрямлений струм протікає через навантаження: 
Iвых=|Uвх|/R.  
Ця схема не вимагає узгодження резисторів і має високий вхідний опір. 
Проста схема двуполуперіодного випрямляча із заземленим навантаженням приведена на мал. 3а. Тут використовується диференціальне включення ОП.

Мал. 3. Двуполуперіодний випрямляч з заземленним діодом

Позитивна півхвиля вхідної напруги замикає діод, внаслідок чого схема працює в режимі неінвертуючого  підсилювача з коефіцієнтом передачі, рівним одиниці і Uвых = Uвх. Негативна півхвиля відкриває діод. Якби пряме падіння напруги на діоді дорівнювала нулю, то схема працювала б в режимі інвертуючого підсилювача з одиничним коефіцієнтом і Uвых=-Uвх. Схема дуже проста, але із-за нерівності нулю прямої напруги на діоді остання рівність виконується з великою погрішністю. Точність можна підвищити, якщо в схемі на мал. 3а замінити діод VD1 моделлю ідеального діода на ОП2 (мал. 3б). Тут при позитивній півхвилі вхідного сигналу вихідна напруга ОП2 буде негативною, внаслідок чого діод VD1 закриється, а VD2 відкриється. Вихід підсилювача ОП2 буде сполучений із загальною точкою практично накоротко, і ланцюг зворотного зв'язку підсилювача розімкнений. Підсилювач ОП1 працює в режимі неінвертуючого повторювач. При негативній півхвилі вхідного сигналу діод VD1 відкритий, а діод VD2 закритий.Ланцюг зворотнього зв'язку ОП2 замкнутий через відкритий діод VD1, тому напруга між входами ОП2, а отже і на неінвертуючому вході ОП1, близько до нуля. Тоді підсилювач ОП1 працює в режимі інвертуючого повторювача. Схема на мал. 3б досить проста, але має різний вхідний опір для позитивних і негативних сигналів і вимагає узгодження резисторів R1. Підсилювач ОП2 повинен допускати коротке замикання виходу і велику диференціальну напругу. 
Кращі характеристики має схема, приведена на мал.4, в якій застосовано інвертуюче включення операційних підсилювачів. Схема включає суматор на ОП2 і однополуперіодний випрямляч на ОП1 (див. ліву нижнюсхему на мал. 28).

Мал. 4. Схема випрямляча, в якій ОП працюють у лінійному режимі

Передусім розглянемо принцип роботи ОП1. При позитивній вхідній напрузі він працює як інвертуючийпідсилювач. В цьому випадку напруга U2 негативно, тобтодіод VD1 проводить, а VD2 закритий, тому U1 = - Uвх. Принегативній вхідній напрузі U2 позитивно, тобто діод VD1закритий, а VD2 проводить і замикає ланцюг негативногозворотного зв'язку підсилювача, який перешкоджаєнасиченню підсилювача ОП1. Тому точка підсумовуваннязалишається під нульовим потенціалом. Оскільки діодVD1 закритий, напруга U1 також дорівнює нулю.Справедливі співвідношення:

(35)

Підключення суматора на ОП2 забезпечуєдвуполуперіодне випрямлення. Суматор формує напругу

U>вых = –(Uвх + 2U1).

Враховуючи формулу (35), отримуємо

 
 
Це і є шукана функція двуполуперіодного випрямляча.  
Гідністю розглянутої схеми є рівний вхідний опір длярізних полярностей вхідного сигналу і відсутністьсинфазної напруги на входах підсилювачів. Недолік -необхідність погоджувати більше число резисторів, чим всхемі на мал. 30б.

 

Малюнок 1 - Схема однополупериодного випрямляча.

Малюнок 2 - Осцилограма однополупериодного випрямляча.

Рисунок 3 - Схема двухполупериодного випрямляча.

Малюнок 4 - Осцилограма двухполупериодного випрямляча.

Рисунок 5 - Схема мостового двухполупериодного випрямляча.

Малюнок 6 - Осцилограма мостового двухполупериодного випрямляча.

Основні характеристики випрямлювачів:

Основними характеристиками випрямлювачів є:

· Номінальна напруга постійного струму – середнє значення випрямленного напруги, задана технічними вимогами. Звичайно вказується напруга до фільтра U0 і напруга після фільтра (чи окремих його ланок – U. Визначається значенням напруги, необхідним для що живлятьсявипрямителем пристроїв.

· Номінальний випрямленний струм I0 – середнє значення випрямленного струму, тобто його постійна складова, заданими технічними вимогами. Визначається результуючим струмом усіх ланцюгів що живляться випрямителем.

· Напруга мережі Uсети – напруга мережі перемінного струму, що харчує випрямлювач. Стандартне значення цієї напруги для побутової мережі –220 вольтів з відхиленнями, що допускаються, не більш 10 %.

· Пульсація – перемінна складова чи напруги струму на виході випрямляча. Це якісний показник випрямляча.

· Частота пульсацій – частота найбільше різко вираженої гармонійний складової чи напруги токи на виході випрямляча. Для самої простой-однополуперіодної схеми випрямляча частота пульсацій дорівнює частоті живильної мережі. Двухполуперіодні, мостові схеми і схеми подвоєння напруги дають пульсації, частота яких дорівнює подвоєній частоті живильної мережі. Багатофазні схеми випрямлення мають частоту пульсацій, що залежить від схеми випрямляча і числа фаз.

· Коефіцієнт пульсацій – відношення амплітуди найбільше різко вираженої гармонійний складової чи напруги токи на виході випрямляча до середнього значення чи напруги струму. Розрізняють коефіцієнт пульсацій на вході фільтра (p0 % ) і коефіцієнт пульсацій на виході фільтра (p %). Значення коефіцієнта, що допускаються, пульсацій на виході фільтра визначаються характером навантаження.

· Коефіцієнт фільтрації (коефіцієнт згладжування) – відношення коефіцієнта пульсацій на вході фільтра до коефіцієнта пульсацій на виході фільтра k з = p0 / p. Для багатоланкових фільтрів коефіцієнт фільтрації дорівнює добутку коефіцієнтів фільтрації окремих ланок.

· Коливання (нестабільність) напруги на виході випрямляча -зміна напруги постійного струму щодо номінального. При відсутності стабілізаторів напруги визначаються відхиленнями напруги мережі.

Схеми випрямлювачів.

Випрямлячі, застосовувані для однофазної побутової мережі виконуються по 4 основним схемам: однополуперіодної, двухполуперіодної з нульовою крапкою(чи просто- двухполуперіодної), двухполуперіодної бруківки(чи просто –бруківки, рідше називається як “схема Греца”), і схема подвоєння(множення) напруги(схема Латура). Для багатофазних промислових мереж застосовуються два різновиди схем: Однополуперіодна багатофазна і схема Ларионова.

Найчастіше використовуються трифазні схеми випрямлювачів.

Основні показники, що характеризують схеми випрямлювачів можуть бути розбиті на 3 групи:

· Стосовні до усьому випрямителю в цілому: U0 -напруга постійного струму до фільтра, I0 – середнє значення випрямленного струму, p0 – коефіцієнт пульсацій на вході фільтра.

· Визначальні вибір випрямного елемента (вентиля): Uобр – зворотна напруга (напруга на випрямному елементі(вентилі) у непровідну частину періоду), Iмакс – максимальний струм минаючий через випрямний елемент (вентиль) у провідну частину періоду.

· Визначальні вибір трансформатора: U2 – діюче значення напруги на вторинній обмотці трансформатора, I2 – діюче значення струму у вторинній обмотці трансформатора, Pтр – розрахункова потужність трансформатора.

Основні характеристики різних схем випрямлення.

Порівняння схем випрямлення й орієнтований розрахунок випрямляча можна зробити використовуючи дані з таблиці.

Тип схеми	Uобр	I макс	I 2	U 2	C 0 *	P0 %	U C0
Однополуперіодна	3 U0	7 I 0	2 I 0	0,75U0	60 I 0/U0	600 I0   ¯¯¯¯¯¯   U0 *C0	1,2U0
Двухполуперіодна	3 U0	3,5 I 0	I 0	0,75U0	30 I 0/U0	300 I0   ¯¯¯¯¯¯   U0 *C0	1,2U0
Бруківка	1,5 U0	3,5 I 0	1,41 I 0	0,75U0	30 I 0/U0	300 I0   ¯¯¯¯¯¯   U0 *C0	1.2U0
Подвоєння напруги	1,5 U0	7 I 0	2,8 I 0	0,38U0	125 I 0/U0	1250 I0   ¯¯¯¯¯¯   U0 *C0	0,6U0

* Значення ємності конденсатора  розраховане для P0 % = 10 %

Задавши значенням напруги на виході випрямляча U0 і значенням номінального струму в навантаженні(середнього значення випрямленного струму) I 0, можна без праці визначити напруга вторинної обмотки трансформатора, струм у вторинній обмотці, максимально припустимий струм вентилів, зворотна напруга на вентилях, а також робоча напруга конденсатора фільтра. Задавши необхідним коефіцієнтом пульсацій, можна розрахувати значення ємності на виході випрямляча.

Однополуперіодний випрямлювач.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

U2 - Напруга на вторинній  обмотці трансформатора

Uн – Напруга на навантаженні.

Uн0 – Напруга на навантаженні  при відсутності конденсатора.

Як видно на осцилограмах напруга з вторинної обмотки трансформатора проходить через вентиль на навантаження тільки в позитивні напівперіоди перемінної напруги. У негативні напівперіоди вентиль закритий і напруга в навантаження подається тільки з зарядженого в попередній напівперіод конденсатора. При відсутності конденсатора пульсації випрямленного напруги досить значні.

Недоліками такої схеми випрямлення є: Високий рівень пульсації випрямленного напруги, низький КПД, значно більший, ніж в інших схемах, вага трансформатора і нераціональне використання в трансформаторі міді і стали.

Дана схема випрямляча застосовується вкрай рідко і тільки в тих випадках, коли випрямлювач використовується для харчування ланцюгів з низьким струмом споживання.