2.6. Стабилизаторы

Стабилизатором напряжения или тока называется устройство поддерживающее

неизменным по величине напряжение или ток на нагрузке при изменении питающего

напряжения, частоты сети, температуры окружающей среды и т.д.

По принципу действия стабилизаторы подразделяются на параметрические и

компенсационные.

Параметрические стабилизаторы - это такие стабилизаторы, в которых стабилизация

осуществляется за счет использования свойств нелинейных элементов. В них чаще

всего отсутствует обратная связь.

Компенсационные стабилизаторы - это такие стабилизаторы, в которых стабилизация

осуществляется за счет воздействия, изменения выходного напряжения или тока на

регулирующий элемент, через цепь обратной связи. Компенсационные стабилизаторы

представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования, где ток

через регулирующее устройство может проходить непрерывно или импульсами.

По способу регулирования компенсационные стабилизаторы подразделяются на

последовательные и параллельные.

По точности стабилизации, стабилизаторы классифицируются на 4 класса:

1. Малая стабилизация. Допустимые изменения напряжения и тока больше 5%.

2. Средняя стабилизация. Допустимые изменения напряжения и тока до 1 - 5%.

3. Высокая стабилизация. Допустимые изменения напряжения и тока до 0.1 - 1%.

4. Прецизионная стабилизация. Допустимые изменения напряжения и тока < 0.1

Параметры стабилизации

Стабилизаторы оцениваются по нестабильности выходного напряжения, по

коэффициенту стабилизации, по диапазону стабилизации, по температурному

коэффициенту.

Нестабильность на входе

n1(bx)=. (2.53)

Нестабильность на выходе

N2(выx)=. (2.54)

Нестабильность тока нагрузки

. (2.55)

?Uвх - изменение напряжения на входе стабилизации.

?Uвых - изменение напряжения на выходе стабилизации, или на нагрузки.

?Iн - изменение тока нагрузки ток нагрузки

Коэффициент стабилизации

Коэффициент стабилизации стабилизатора напряжения

Кст.н.= К ст.u при Iн=соnst. (2.56)

Чем выше коэффициент стабилизации, тем лучше качество стабилизации напряжения.

Если входное напряжение, величина постоянная, тогда пользуются коэффициентом

стабилизации напряжения по нагрузке.

при Uвх=соnst. (2.57)

Чем меньше коэффициент стабилизации, тем качественнее стабилизатор.

Стабилизация тока поддерживает постоянство тока в нагрузке независимо от

изменения входного напряжения.

Коэффициент стабилизации стабилизатора тока

при Rвх =соnst. (2.58)

Если входное напряжение неизменно вводится коэффициент стабилизатора по нагрузке,

при Uвх =соnst. (2.59)

Стабилизаторы применяются для регулировки напряжения или тока и в качестве

регулирующего элемента могут включаться тремя способами.

Если стабилизатор выполнен на полупроводниковых приборах, то он включается после

фильтра, перед нагрузкой (рис.2.32).

2.32. Включение стабилизатора после фильтра

Если стабилизатор выполнен на тиристорах или терратронах, то он включается перед

фильтром (рис. 2.33).

2.33. Включение стабилизатора перед фильтром

Если стабилизация осуществляется на стороне переменного тока, то стабилизатор

включается перед выпрямителем (рис. 2.34).

2.34. Включение стабилизатора перед выпрямителем

Для полноты характеристики стабилизатора, вводится понятие "диапазон

стабилизации" стабилизатора напряжения.

. (2.60)

Диапазон стабилизации стабилизатора тока

. (2.61)

2.7. Параметрические стабилизаторы

Параметрическим называется такой стабилизатор, в котором стабилизация напряжения

(тока) осуществляется за счет использования свойств нелинейных элементов,

входящих в его состав. В параметрических стабилизаторах дестабилизирующий фактор

(изменение входного напряжения или тока нагрузки ) воздействует непосредственно

на нелинейный элемент, а изменение выходного напряжения (или тока ) относительно

заданного значения определяется только степенью нелинейности вольтамперной

характеристик нелинейного элемента.

Параметрические стабилизатор переменного тока напряжения на дросселе с

насыщенным сердечником (рис. 2.35б).

Параметрическая стабилизация переменного напряжения осуществляется с помощью

элементов, обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой для переменного

тока. Такой характеристикой (рис. 2.35а) обладает дроссель, работающий в режиме

насыщения магнитопровода.

Рабочий участок характеристики дросселя - нелинейный участок аб соответствующий

насыщенному состоянию магнитопровода.

В схеме стабилизатора насыщенный дроссель L2 включается параллельно нагрузке Zн

(рис. 2.35б). В качестве балластного сопротивления применяется дроссель L1,

работающий в режиме насыщения мгнитопровода и имеющий линейную вольтамперную

характеристику.

Принцип действия схемы состоит в следующем. При увеличении переменного

напряжения на входе стабилизатора Uвых.пер на нагрузке и балластном линейном

дросселе L1. Ток через насыщенный дроссель резко возрастет. Но при этом падение

напряжения на дросселе L1 возрастет, а на дросселеL2 и нагрузке Zн увеличится

незначительно. При уменьшении входного напряжения процессы стабилизации

происходят аналогично.

Д о с т и н с т в а такого стабилизатора:

Простота устройства;

Н е д о с т а т к и:

Низкий КПД (0,4…0,6), так как стабилизаторы работают при больших токах;

Малый коэффициент мощности ?0,6;

Малый коэффициент стабилизации из за большого динамического сопротивления Rд (Кст

< 10); искажения формы кривой переменного напряжения на нагрузке;

Большие масса и габариты.

Феррорезонансный стабилизатор переменного напряжения

В феррорезонансном стабилизаторе параллельно насыщенному дросселю включается

конденсатор С (рис. 2.36а). Резонансная частота контура L2C близка к частоте

стабилизируемого переменного напряжения, но не равна ей.

Принцип работы феррорезонансного стабилизатора переменного напряжения можно

пояснить, воспользовавшись вольт-амперными характеристиками дросселя L2и

конденсатора C, приведенными на рис.2.36б. Путем геометрического сложения

напряжений UL2 и UC получим кривую напряжения на контуре L2C. При малом входном

напряжении дроссель ненасыщен, индуктивность его большая и результирующий ток

имеет емкостной характер (0 в рис. 2.36 б). При резонансе токов в контуре L2C (точка

?) результирующий ток через контур L2C будет равен нулю. При дальнейшем

увеличении входного напряжения ток через контур имеет индуктивный характер (участок

вб). На этом участке характеристики при резком увеличении тока напряжение на

контуре, а следовательно, и нагрузке изменяется незначительно.

Достоинства феррорезонансных стабилизаторов:

Высокий КПД (0.85…0.9) и коэффициент мощности (до 0.9);

Высокий коэффициент стабилизации по напряжению (до 40);

Широкий диапазон мощностей;

Большой срок эксплуатации;

Простота устройства и надежность работы;

Устойчивость к механическим воздействиям.

Недостатки:

Значительное изменение выходного напряжения от изменения выходного напряжения в

результате зависимости реактивных сопротивлений от частоты;

Наличие электромагнитных помех ( большие поля рассеяния индуктивностей ) ;

Большие габариты и масса ;

Искажение формы стабилизированного напряжения на нагрузке.

Стабилизаторы постоянного напряжения

В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве линейных

элементов применяют резисторы, а в качестве нелинейных – полупроводниковых (кремниевые)

стабилитроны и полупроводниковые стабисторы.

Кремниевый стабилитрон – это плоскостной диод. Его вольтамперная характеристика

приведена на рис. 2.37б. Рабочей частью характеристики является обратная ветвь в

области пробоя, где незначительное увеличение напряжения вызывает существенное

увеличение тока через стабилитрон. Однако электрический пробой перехода не

приводит к повреждению стабилитрона. Таким образом, если стабилитрон включен в

обратном направлении, то при значительных изменениях протекающего через него

тока (от ICТ.МИН до IСТ.МАХ) напряжение на нем остается практически постоянным.

Если же обратное напряжение на стабилитроне превысит допустимое, мощность,

выделяемая в стабилитроне, превысит допустимую. В результате этого электрический

пробой переходит в тепловой, и тогда наступает необратимое разрушение р-п

перехода.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне