4.2. Исследование феррорезонансного стабилизатора

Цель работы: знакомство с назначением, устройством и принципом действия стабилизаторов напряжения, определение их основных характеристик при различных режимах работы.

Рабочее задание

1. Ознакомиться с лабораторной установкой, назначением и принципом работы феррорезонансных стабилизаторов напряжения.

2. Снять статические характеристики стабилизатора при различных режимах нагрузки.

3. Для каждого режима определить пределы и коэффициент стабилизации, величину сопротивления нагрузки.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из следующих основных узлов:

1. Регулируемый источник входного напряжения (автотрансформатор).

2. Исследуемый феррорезонансный стабилизатор с набором нагрузочных сопротивлений (рис.4.2).

3. Измерительный вольтметр для определения величины выходного напряжения.

4. Амперметр для определения величины тока нагрузки Iн, вся шкала прибора – 3А.

Рис. 4.2. Схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

1. Построение статических характеристик стабилизатора при различных величинах сопротивлений нагрузки.

1. Установить переключатель «П» в положение «0», соответствующее режиму холостого хода.

2. Подключить стабилизатор к источнику регулируемого напряжения и включить тумблер «В».

3. Изменяя величины входного напряжения от 0 до 250В согласно табл. 4.2, произвести измерение выходного напряжения.

4. Результаты наблюдений занести в табл. 4.2.

5. Установить переключатель «П» в положение 1 и повторить измерения, согласно п. 3.

6. Повторить аналогичные измерения при установке переключателя «П» в положение 2 и 3. Результаты наблюдений занести в табл. 4.2.

7. По результатам наблюдений построить на одном графике полученные статические характеристики исследуемого стабилизатора.

Таблица 4.2.

Статические характеристики феррорезонансного стабилизатора

	Uвых, В
Uвх, В	0	1	2	3
	Iн=0 Rн=∞	Iн1= Rн1=	Iн2= Rн2=	Iн3= Rн3=
0 50 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

2. Определить величины сопротивлений нагрузки, пределы стабилизации и коэффициент стабилизации для каждого режима работы при Uвых=20В.

3. Исследовать зависимость пределов стабилизации и коэффициента стабилизации от величины сопротивления внешней нагрузке и сделать выводы.

Основные теоретические сведения

Качество работы устройств автоматики и телемеханики в значительной степени определяется стабильностью питающего напряжения или тока, которая должна быть обеспечена не только при изменении напряжений сети, но и при изменении нагрузки, температуры окружающей среды и других дестабилизирующих факторов. Эти задачи в автоматических системах выполняют стабилизаторы. Стабилизатором называется устройство, предназначенное для поддержания выходной величины в заданных, как правило, узких пределах при изменении входной величины в широком диапазоне.

Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации – отношением относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе. Коэффициент стабилизации – величина обратная коэффициенту относительной чувствительности:

Коэффициент стабилизации определяют по статической характеристике стабилизатора. На рис. 4.3 показана статическая характеристика идеального (а) и реального (б) стабилизатора напряжения. Задавшись пределами изменения выходного напряжения Uвых, по статической характеристике определяют пределы стабилизации U₁-U₂ и напряжение стабилизации Uст, тогда коэффициент стабилизации определяется по формуле:

Коэффициент стабилизации показывает, во сколько раз относительное изменение выходного параметра меньше относительных изменений входного.

Рис. 4.3. Статическая характеристика стабилизатора: 1 – идеальная; 2 – реальная

Стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. В параметрических стабилизаторах процесс стабилизации основан на использовании нелинейных элементов, в компенсационных стабилизация напряжения достигается с помощью устройств с глубокой отрицательной обратной связью, контролирующих уровень выходного напряжения. При отклонении от этого уровня регулятор восстанавливает заданное напряжение на выходе.

В параметрических стабилизаторах используются активные и реактивные нелинейные сопротивления, бареттеры, феррорезонансные стабилизаторы и стабилизаторы с насыщенным стальным сердечником.

В компенсационных стабилизаторах осуществляется автоматическое регулирование выходного напряжения. Компенсационный стабилизатор (рис. 4.4) состоит из трех узлов: измерительного (3), обнаруживающего отклонение выходной стабилизирующей величины от заданного значения; усилительного (2), осуществляющего усиление обнаруженной разности напряжений или токов и исполнительного (1), компенсирующего изменение выходного напряжения.

Рис. 4.4. Структурная схема компенсационного стабилизатора

Простейшими параметрическими стабилизаторами являются стабилитроны (рис .4.5), которые представляют собой разновидность полупроводниковых диодов и предназначены для получения стабилизированного постоянного напряжения. Рабочий участок вольтамперной характеристики стабилитрона лежит между точками А и В, соответствующими минимальному (Iстmin) и максимальному (Iстmax) токам стабилизации.

Рис. 4.5. Статическая характеристика параметрического стабилизатора

Основными параметрами стабилитрона является напряжение стабилизации Uст (падение напряжения на стабилитроне при номинальном токе стабилизации Iст). Отрезок прямой АВ характеризуется наклоном, определяемым дифференциальным сопротивлением Rд в рабочей точке Р. Это сопротивление находится в пределах от единицы до десятков Ом. Качество стабилизации тем выше, чем меньше Rд. Кремниевые стабилитроны выпускаются на напряжение стабилизации от 5 до 400В и на мощности от 0,25 до 50Вт. В схемах стабилизации напряжения стабилитроны включаются, в отличие от ключевых диодов, в обратном направлении (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема включения стабилитронов

Допускается последовательное включение нескольких стабилитронов, чем достигается получение схемы стабилизации с более высоким значением Uст.

Недостатком простейшего стабилизатора является его незначительная мощность и низкий КПД. Поэтому для создания более мощных стабилизаторов используют дополнительные усилители мощности. Схема подобного стабилизатора представлена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Схема ферромагнитного стабилизатора

Феррорезонансный стабилизатор представляет собой стабилизатор напряжения переменного тока. Работа его основана, во-первых, на нелинейности кривой намагничивания ферромагнитных материалов, во-вторых, на резонансных явлениях в электрической цепи.

Рассмотрим работу простейшего ферромагнитного стабилизатора, состоящего из двух трансформаторов (рис. 4.7). Первичные обмотки этих трансформаторов включаются последовательно, и на них подается входное напряжение U₁. Вторичные обмотки также соединяются последовательно, но навстречу друг другу, поэтому падение напряжения на сопротивлении нагрузки Rн будет определяться разностью напряжений, снимаемых со вторичных обмоток этих трансформаторов U₂ и U₂. Кроме этого, трансформаторы рассчитываются таким образом, что величина индукции в сердечнике трансформатора Тр₁ велика и находится в области насыщения при номинальном значении напряжения U₁.

На рис. 4.8 показаны зависимости напряжений, снимаемых со вторичных обмоток этих трансформаторов при изменении входного напряжения U₁.

Рис. 4.8. Зависимости напряжений на обмотках трансформаторов

При расчете трансформаторов добиваются, чтобы эти характеристики имели одинаковый наклон в области максимальных значений входного напряжения ().