Решение ТОЭ онлайн
Техника высоких напряжений ТВН
Электротехника, основы электроники
Электрические измерения, электрические материалы

 
» » Стабилизаторы напряжения и тока
на правах рекламы

Стабилизаторы напряжения и тока

Стабилизаторы напряжения и тока

1 Общая классификация

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения (тока) потребителя, являются: колебания питающих напряжений; изменения потребляемой нагрузкой мощности.

Стабилизаторы разделяют в зависимости от рода напряжения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В свою очередь они делятся на стабилизаторы параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются нелинейные элементы и стабилизация напряжения (тока) осуществляется за счет нелинейности их вольт-амперных характеристик.

Для стабилизации переменного напряжения используются дроссели с насыщенным ферромагнитным сердечником. Для стабилизации постоянного напряжения находят широкое применение кремниевые стабилитроны, стабисторы. В стабилизаторах тока используются полевые и биполярные транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в данных устройствах достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи. В компенсационных стабилизаторах напряжения сигнал обратной связи является функцией выходного напряжения, а в стабилизаторах тока – функцией выходного тока.

В зависимости от вида регулирования они, в свою очередь, подразделяются на непрерывные, импульсные и непрерывно-импульсные стабилизаторы.

Основным параметром как параметрических, так и компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения и тока является коэффициент стабилизации.

Коэффициент стабилизации для стабилизаторов напряжения – отношение относительных приращений напряжений на входе и выходе стабилизатора:

Коэффициент стабилизации для стабилизаторов напряжения

где ∆Uвх и ∆Uвых – приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки;

соответственно Uвх, Uвых – номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора.

Коэффициент стабилизации для стабилизаторов тока:

  1. Коэффициент стабилизации стабилизатора тока по входному напряжению

Коэффициент стабилизации стабилизатора тока по входному напряжению

где Iн, ∆Iн – ток и приращение тока в нагрузке соответственно.

Коэффициент Кст.т определяется при постоянном сопротивлении нагрузки (Rн = const).

  1. Коэффициент стабилизации тока при изменении сопротивления нагрузки

Коэффициент стабилизации тока при изменении сопротивления нагрузки

где Rн, ∆Rн – сопротивление нагрузки и приращение сопротивления нагрузки стабилизатора при постоянном входном напряжении соответственно; ri – внутреннее сопротивление стабилизатора.

Коэффициент К определяется при постоянном входном напряжении (Uвх = const);

2 Параметрические стабилизаторы напряжения

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного напряжения используют нелинейные элементы, напряжение которых мало зависит от тока, протекающего через них. В качестве таких нелинейных элементов чаще всего применяют кремниевые стабилитроны и стабисторы.

Кремниевые стабилитроны – это плоскостные диоды, изготовленные по особой технологии. Cтабилитроны работают на обратной ветви вольтамперной характеристики в области пробоя. В области пробоя незначительное увеличение напряжения вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон. Однако «пробой» р-n-перехода не приводит к повреждению стабилитрона, если ток не превышает предельно допустимый.

Стабистор отличается от стабилитрона тем, что он работает на прямой ветви вольт-амперной характеристики и поэтому включается в цепь стабилизации в прямом направлении. Конструктивно стабистор представляет собой алюминиевый диск, на одну из плоскостей которого нанесен слой сплава олова с висмутом и кадмием. Селеновые стабисторы применяют для стабилизации напряжения менее 3 В. В последнее время промышленность выпускает стабисторы на основе кремния.

На рисунке 1 представлена схема однокаскадного параметрического стабилизатора на стабилитроне. Схема стабилизатора состоит балластного резистора RБ (гасящего резистора), включенного последовательно с нагрузкой. Параллельно нагрузке включается стабилитрон VD.

Схема однокаскадного параметрического стабилизатора на стабилитроне

Рисунок 1 – Схема однокаскадного параметрического стабилизатора на стабилитроне

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов.

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока используются нелинейные элементы, ток которых мало зависит от напряжения, приложенного к ним. В качестве такого элемента можно использовать полевой транзистор.

Широкое распространение получила схема параметрического стабилизатора тока на полевом транзисторе, когда затвор и исток закорочены (рисунок 2).

Схема параметрического стабилизатора тока на полевом транзисторе

Рисунок 2 – Схема параметрического стабилизатора тока на полевом транзисторе

Полевой транзистор включен последовательно с сопротивлением нагрузки. Из характеристик полевого транзистора видно, что если напряжение затвор-исток неизменно, то и ток стока полевого транзистора изменяется незначительно при изменении напряжения сток-исток.

3 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием

Наиболее широкое применение получили схемы непрерывных стабилизаторов напряжения с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента в цепи постоянного тока.

В качестве основной элементной базы в стабилизаторах с непрерывным регулированием используют транзисторы и интегральные схемы в виде операционных усилителей. В настоящее время промышленность выпускает также маломощные непрерывные стабилизаторы напряжения в виде полупроводниковых микросхем.

Структурная (а) и принципиальная (б) схемы транзисторного стабилизатора напряжения

Рисунок 3 – Структурная (а) и принципиальная (б) схемы транзисторного стабилизатора напряжения

Структурная и принципиальная схемы транзисторного стабилизатора напряжения приведены на рисунке 3. Регулирующий элемент 1 (рисунок 3, а) включается последовательно с нагрузкой на выходе. Выходное напряжение сравнивается в элементе 3 с напряжением эталонного источника 4. Отклонение напряжения от заданного значения с выхода элемента 3 воздействует через усилитель 2 на регулирующий элемент 1. С делителя напряжения R2, Rп, R3 (рисунок 3, б) снимается напряжение выхода, которое прикладывается к базе транзистора VT2. Одновременно с параметрического стабилизатора, составленного из сопротивления R4 (играющего роль балластного) и кремниевого стабилизатора VD, снимается эталонное напряжение, которое подается в эмиттерную цепь транзистора VT2. Таким образом, напряжение между базой и эмиттером Uб.э2 транзистора VT2 равно разности напряжений выходного и эталонного. Транзистор VT2 включен как обычный усилитель постоянного тока с общим эмиттером, где в качестве коллекторной нагрузки используется сопротивление R1. С увеличением напряжения выхода увеличивается напряжение Uб.э2 и транзистор VT2 увеличивает коллекторный ток Iк. Соответственно уменьшается напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1, являющегося регулирующим элементом. При этом его внутреннее сопротивление увеличивается, а напряжение на выходе стабилизатора снижается. Конденсатор C1 обеспечивает гибкую отрицательную обратную связь и служит для устранения возможных автоколебаний в системе. Конденсатор C2 улучшает динамические свойства стабилизатора при быстрых изменениях тока нагрузки.

Стабилизатор тока (рисунок 4) имеет большое внутреннее сопротивление и его применение эквивалентно включению в коллекторную цепь транзистора VTy очень большого сопротивления.

Рисунок 4 – Схема стабилизатора тока на биполярном транзисторе

При изменении напряжения на входе, например увеличении, в первый момент увеличивается напряжение на выходе. Увеличение напряжения Uвых ведет к увеличению напряжения на нижнем плече делителя URII. Это, в свою очередь, приводит к увеличению положительного потенциала на базе усилительного транзистора VTy и его базовый и коллекторный токи увеличиваются. Так как ток коллектора транзистора VT2 равный сумме токов Iб1+Iку, величина постоянная, то увеличение тока Iку приводит к уменьшению тока базы регулирующего транзистора Iб1. Уменьшение тока Iб1, приводит к увеличению напряжения коллектор-эмиттер регулирующего транзистора, и выходное напряжение уменьшается до своего первоначального значения.

Аналогично схема работает при изменении тока нагрузки и регулировки выходного напряжения.

4 Феррорезонансные стабилизаторы тока и напряжения

В качестве параметрических стабилизаторов широко применяют феррорезонансные стабилизаторы тока и напряжения, представляющие собой цепи из различных комбинаций насыщенных и ненасыщенных дросселей и трансформаторов, сопротивлений и емкостей. Их работа основана на том, что напряжение на насыщенном дросселе мало возрастает при увеличении тока, протекающего через дроссель. Индукция в ненасыщенном дросселе обычно 0,8—0,9 Тл, а в насыщенных 1,6—1,8 Тл. Нелинейная вольт-амперная характеристика таких стабилизаторов представлена на рисунке 5, а.

Рисунок 5 – Нелинейная характеристика феррорезонансного стабилизатора напряжения (а) и его схема (б)

Одна из схем феррорезонансного стабилизатора напряжения, приведена на рисунке 5, б. В этой схеме компенсационная обмотка wкомп включена таким образом, что ее напряжение вычитается из напряжения, снимаемого с автотрансформатора Т. Это приводит к уменьшению динамического сопротивления Rдин = dU/dI вольт-амперной характеристики и к улучшению стабилизационных свойств.

Феррорезонансные стабилизаторы применяют в различных системах электроавтоматики, электронной микроскопии, радиотелевизионных установках, телеметрии и т.д. Их достоинствами являются небольшая стоимость, высокая надежность в работе, легкость изготовления на широкий диапазон мощностей и отсутствие частей, которые быстро приходят в негодность при эксплуатации.

В качестве недостатка следует отметить зависимость стабилизированного напряжения от частоты питания и от cosφ нагрузки, а также несинусоидальность стабилизированного напряжения.


Теги: Стабилизаторы напряжения, Стабилизаторы тока

Комментарии:

Оставить комментарий