Стабилизаторы постоянного напряжения и тока

При питании различных устройств радиоаппаратуры часто требуется поддерживать постоянство питания напряжения. Изменение этого напряжения может протекать по причине изменения напряжения первичного источника питания, из-за изменения сопротивления нагрузки либо условий работы питаемой аппаратуры. Для поддержки постоянства питающего напряжения используется автоматическое устройство – стабилизатор напряжения.

Стабилизатор должен автоматически реагировать как на медленные так и на достаточно быстрые изменения питающего напряжения.

Качество стабилизатора может быть охарактеризовано следующими параметрами.

1. Коэффициент стабилизации напряжения.

Ксти=∆U0вх /U0вх :∆U0вых /U0вых, In=const

(или коэффициент стабилизации тока)

2. Внутреннее сопротивление Ri=∆U/∆I

3. Коэффициент сглаживания пульсации K=U_вхг/U_вх0=U_выхг/U_вых0

4. Температурный коэффициент не стабильности γ=∆U_вых/∆t^o_окр

5. Коэффициент полезного действия ή=P_n/(P_n+P_cn)

Где Рст–мощность потребляемая самим стабилизатором

Классификация стабилизаторов

По принципу действия:

1. Параметрическая (основана на элементах с нелинейными вольт-амперными характеристиками: газовые стабилитроны, п/п стабилитронами, бареттеры.)

2. Компенсационные стабилизаторы (может быть с непрерывным или импульсным регулированием).

По способу включения регистрирующего элемента по отношению к нагрузке: параллельное и последовательные.

Малая стабилизация: мал 2 - 5%; ср 0.5 - 2%; высокое 0.1 – 0.5%; очень высокое менее 0.1%. Клистронный генератор до 1%.

Параметры стабилизатора напряжения тока

Unnиспользуется не линейность В – А характеристик определительных приборов для стабилизации напряжения (газотроны - приборы с хол. катодом заполненным инертным газом, и п/п стабилитроны – плоскостные диоды, изготовленные специальным образом).

П/п стабилитроны включаются в обратном направлении и используется пологий участок его ВАХ .

Рис.2,3

Стабилизатор тока использует пологий участок бареттера (газонаполненный прибор с натянутой внутри нитью вольфрама или стали. Он обладает высоким температурным коэффициентом сопротивления.)

Полупроводниковые параметрические стабилизаторы постоянного напряжения.

Строим характеристики стабилитрона и нагрузочного сопротивления

Рис.4

Общая характеристика строится на основании двух зависимостей:

I0=I н+ Icт;

Uвых= Uст= IнRн;

Рис.5

Отложив на оси ординат значение U0, подаваемое на вход, строим внешнюю характеристику источника до стабилизатора. Как видно при изменении входного напряжения от U0minдо U0maxнапряжение на нагрузки изменяется от Uвых1до U0вых2причем ∆Uвыхзначительно меньше ∆ U0.

На рабочем участке характеристика стабилитрона практически линейна, поэтому связь между напряжением и током присутствует в следующем виде Uст= U0+ rgIст, где rг – динамическое сопротивление стабилитрона.

Учитывая это выражение можно составить эквивалентную схему стабилитрон

Рис.6

По схеме видно:

∆U₀=(∆I_ст+∆I_н)R_г+∆U_вых (1)

∆I_ст=∆U_вых/r_д ∆I_н=∆U_вых/R_н (2)

Из (1) K_cт=∆U₀ U_вых /∆U_вых U₀ (3)

Так как rгмало Кст=(U_вых/U₀)(R_r/r_г) (1+R_г/R_н)<< R_r/r_г чем больше rг, тем больше Кст.

При U0=const ∆I_н≈-∆I_ст, чтобы Uвыхпочти не изменилось ∆Iствызывает ∆Uвых= - ∆Iстrг.

r_i=∆U_вых/∆I_н≈r_д

Выходное сопротивление стабилитрона определяется динамическим сопротивлением стабилитрона и не зависит от величины Rr.

Температурный коэффициент γ стабилитрона определяется ТКН стабилитрона. Для уменьшения γ включается после диода или стабилитрона ТКН в положительном направлении диода отрицателен. В итоге при изменении температуры напряжение изменяется незначительно. КПД мал и определяется следующим выражением:

Для увеличения точности стабилитрона применяется многоканальные схемы.

Рис. 7

Выходное сопротивление равно приблизительно динамическому сопротивлению стабилитрона Д1. Т.о. повышает стабильность по входному напряжению, однако поток и нагрузка остается такой же как и в однокаскадном.

Параметры стабилизатора.

Переменное напряжение.

Принцип действия основан на использовании нелинейных элементов с малым динамическим сопротивлением потока. Таким элементом может являться дроссель с насыщенным сердечником. Простейший стабилитрон содержит дроссель с насыщенным сердечником и линейный дроссель.

Рис.8

Предположим что Zн= ∞. Если выбрать диапазон изменения Uс, то видно что соответствующие ему ∆Uвыхзначительно меньше ∆ Uвх,что и говорит обо эффекте стабилизации.

Непостоянна по потерям не имеет практического применения.

1. Cos.φ очень низок и составляет 0.2 ÷ 0.3.

2. Большой ток требуется для захода в область насыщения, следовательно большие габариты дросселей.

3. Коэффициент стабилизации невелик, что привело к использованию более сложных схем, где параллельный пелин дросселя подключается специально в выбранный конденсатор.

Рис. 9

Динамическая емкость позволяет сместить рабочий участок в область малых токов. При малых напряжениях индукция дросселя велика, ток в дросселе мал и результирующий ток имеет емкостную характеристику. Параметры выбраны так, что при определении напряжения в схеме возникает резонанс токов, схема называется феррорезонансной. ∆ Uнменьше ∆ Uлн, следовательно повысится коэффициент стабилизации.

Недостатки:

1. Относительно большие габариты.

2. Сложность обеспечения резонанса на низких частотах.

3. Чувствителен к частоте питающего напряжения. При изменении f на 1 ÷ 2 % → U на 2 ÷ 3.5 %.

4. Наличие искажения формы напряжения. Однако Cos.φ выше чем U стабилизации без С. На практике используется следующая схема:

Рис. 10

U2>U1, что бы обеспечить стабильное понижение напряжения при снижении входного напряжения.

Частично включенная нагрузка в контур, позволяет увеличить добротность и одновременно за счет увеличения Lнуменьшиться С.

Uвых= U2– Uк

Достоинство феррорезонаторной стабилизации напряжения: простота, высокая надежность, высокий КПД (до 0.85), стойкость к перегрузкам и механического воздействия.

Один способ стабилизации переменного напряжения на п/п приборов.

Рис.11

Другой способ.

Рис 12

Компенсационные стабилизаторы

напряжения и тока

Компенсационные стабилизаторы являются устройствами автоматического регулирования и м. б. с импульсным и непрерывным регулированием.

Компенсационные стабилитроны могут классифицироваться также по виду стабилизируемого напряжения: постоянного и переменного.

М.б. комбинированные с использованием одновременно стабилизации по переменному и постоянному току, а также с использованием одновременно импульсного и непрерывного регулирования.

По способу включения регулирующего элемента стабилизаторы бывают с последовательным и переменным регулированием.

Рис 13

С1 – используется для уменьшения пульсации выходного напряжения. Сн - препятствует самовозбуждению так как из за большого коэффициента усиления в ЦОС такие устройства склонны к самовозбуждению.

VД2 и VД3 обеспечивает температурную компенсацию.

R3 и R4задают режим работы РЭ по постоянному току.

Применение в качестве регулирующего элемента в качестве составного примера имеющего общий коэффициент усиления по току h21c= h21(11) h21(12)h21(13)позволяет составить мощный транзистор VT11с маломощным усилителем, а также повысить коэффициент стабилизации.

Kст= μpKyαUвых/Uв

ri=-1/ SpKyα

μp- коэффициент усиления по напряжению составного транзистора,

α- коэффициент деления выходного делителя,

ri- внутреннее сопротивление ,

Sp- крутизна регистрационного транзистора.

Компенсационный транзистор постоянного напряжения с непрерывным регулированием.

Они могут быть выполнены как на транзисторах, так и на электронных лампах.

Структурные схемы не зависят от типа электронных элементов и имеют следующий вид:

Рис 14

Схс параллельным включением применяется ограниченный и используется преимущественно при импульсном токе нагрузки. Стабилизация с последовательным регулированием имеет более высоки КПД и применяется очень широко.

Принцип действия, как следует из структурных схем для ламповых и полупроводниковых стабилитронов одинаков, поэтому рассмотрим его на примере п/п транзистора постоянного напряжения.

При увеличении Uвх , увеличивается Uвых, что приводит к увеличению тока через VTу, при этом подзапирается составной транзистор VT11– VT13. на транзисторе VTутаким образом собрано схема сравнения и УПТ. Источник опоры по прям. построен на Rги VД.

Возможны вариации основного варианта схемы за счет изменений условий питания УПТ, схемы сравнения.

Использование отдельного источника не всегда удобно (например при питании от аккумулятора). При питании УПТ со входа высокого качества работы схемы добиться трудно.

Рис 15

Для повышения качества работы УПТ применяют в качестве его нагрузки стабилизатор тока в виде эмитторного повторителя. В этом случае не только ток коллектора Т2мало зависит от Uвх, но и Rуэкв.Много больше Rу,что значительно повышает качество стабилизации.

Рис 16

По разному могут строится и схемы сравнения и УПТ. Использование дифференциального усилителя позволяет компенсировать температурный дрейф усилителя.

Рассмотрим возможности по типу нагрузки выходному напряжению при ограниченном выборе транзисторов, можно использовать последовательное и параллельное включение регулирующих транзисторов.

Рис 17

В большинстве случаев мощный транзистор становится на радиатор.

Определение коэффициента усиления транзистора по напряжению μ.

Рис 18

Стабилизаторы постоянного напряжения с регулятором в цепи переменного тока.

В ряде сигналов, например, в высоковольтных стабилизаторах напряжения, регулирующий элемент включается в цепь переменного тока.

В качестве таких Рэиспользуются магнитные усилители с самонасыщением, транзисторы включенные по определенной схеме, тиристоры и т.д.

Фрагмент схемы с транзистором:

Рис 18

Принцип действия.

Тримистер транзистора Тр1 не обязательно и вызвано необходимостью гальванической развязки между сетью и РЭ. Кроме этого его применение позволяет использовать в схеме транзистор с небольшими рабочими напряжениями.

Транзисторные регуляторы в цепи периодического тока применяются в высоковольтных транзисторных стабилизаторах.

Тиристорные регуляторы по сравнению с транзисторными могут пропустить значительно большие токи и выдерживать значительно большие напряжения. В связи с этим стабилизаторы на тиристорах могут быть выполнены на значительно большие мощности, чем стабилизаторы на транзисторах.

Рис 19

Принцип действия стабилизатора основан на изменении угла включения тиристоров α. При изменении выходного напряжения стабилизатора изменяется сигнал на выходе схемы сравнения и на выходе усилителя постоянного тока. Изменение сигнала на выходе усилителя изменяет фазу управляющих импульсов, а следовательно и угол включения тиристоров.

При увеличении, например, входного напряжения в результате воздействия цепи обратной связи угол α увеличивается от величины от величины α1до α2, что уменьшает напряжение на первичной обмотке транзистора и снимает выходное напряжение стабилизатора до первичного значения.

При уменьшении выходного напряжения угол α уменьшается.