Однофазні та багатофазні випрямлячі

ЕЛЕКТРОННИЙ

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

 

З ДИСЦИПЛІНИ

 

“ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ ПРИСТРОЇ”

 

 

                                        Одеса ОНПУ 2007

 

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

ІНСТИТУТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

ТА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ

КАФЕДРА РАДІОТЕХНІЧНИХ ПРИСТРОЇВ

 

 

                                                                                                 Є.О. Чемес

 

 

ЕЛЕКТРОННИЙ

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

 

З ДИСЦИПЛІНИ

 

“ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ ПРИСТРОЇ”

 

 

              

 

                                                                           Затверджено

                                                                           на засіданні кафедри РТП

                                                                           Протокол № 5

                                                                           “ 20” грудня 2006 р.

 

 

                                          Одеса ОНПУ 2007

 

УДК 621.311.6:621.396.6 (075.8)

 

Електронний навчальний посібник з дисципліни “Електротехнічні пристрої”, рівень підготовки – бакалавр, спеціаліст, магістр, напрямки 6.0907, 7.0907, 8.0907 – “Радіотехніка”, Є.О.Чемес. – Одеса: ОНПУ, 2007.  – 145 с.

 

Електротехнічні пристрої ділять на елементи та вузли, які безпосередньо входять до складу радіотехнічного обладнання (трансформатори, електричні машини, комутаційне обладнання, давачі інформації, елементи контролю, сигналізації, захисту, джерела вторинного живлення) та пристрої, які забезпечують можливість надійного функціонування радіотехнічних систем і пристроїв (автономні електромеханічні, гальванічні, теплові, світлові джерела первинного живлення, електричне мережне обладнання).

Відповідно до навчальної програми в електронному навчальному посібнику викладено теорію електротехнічних пристроїв, принципи їх будови, проведено аналіз процесів, які протікають в пристроях, розглядаються особливості елементної бази та основи проектування. Розглянуто особливості взаємного впливу та сумісності радіотехнічних та електротехнічних пристроїв. Приділяється увага перспективним напрямкам розвитку електротехнічних пристроїв - використання електронних вузлів замість електромеханічних, високочастотному перетворенню енергії, мініатюризації вузлів.

Навчальні матеріали супроводжуються запитаннями для самостійного тестового контролю знань. Наявність глосарія та гіперпосилань значно полегшує роботу з навчальними матеріалами і сприяє більш швидкому і глибокому засвоєнню матеріалів дисципліни. Електронний навчальний посібник відповідає програмам вищої освіти України і може бути використаний студентами, які навчаються за професійними спрямуваннями “Комп'ютерні науки”, "Комп'ютеризовані системи, автоматика і управління", “Комп'ютерна інженерія”.

 

ВСТУП

 

Дисципліна "Електротехнічні пристрої" є однією з профілюючих для сту­дентів спеціальності "Радіотехніка". Її мета полягає у вивчені i засвоєні теоретичних основ та принципів побудови електротехнічних пристроїв, які входять до складу радіотехнічних систем та комплексів, вивчення особливостей їх проектування та використання у радіоелектронній апаратурі.

Електротехнічними пристроями називають пристрої, які призначені для виробництва та перетворення електричної енергії, а також виконання в електричних ланцюгах функцій керування, контролю, сигналізації, комутації, захисту. Їх дія базується на використанні електричних та магнітних явищ.

Безпосередньо  електротехнічні  пристрої не пов'язані з формуванням, випромінюванням,  прийомом,  перетворенням  радіосигналів, з обробкою  великих об'ємів інформації; вони є допоміжними ланками і забезпечують надійне функціонування радіотехнічних пристроїв та систем. Радіотехнічна та радіоелектронна промисловість виділилася з електротехнічних галузей.

Склад, класифікацію та взаємний зв'язок електротехнічних пристроїв умовно ві­дображає рисунок 0.1. До них відносять [1,..., 6]:

– первинні джерела змінного та постійного струму, які є перетворювачами механічної, теплової, хімічної, сонячної, атомної енергії у електричну, та кінцеве мережне обладнання (рисунок 0.1, а);

– системи вторинного електричного живлення; до їх складу входять джерела та блоки вторинного живлення, блоки та функціональні вузли комутації, керування контролю захисту. Функціональними вузлами систем вторинного живлення є малопотужні трансформатори, дроселі, випрямлячі, фільтри, стабілізатори, інвертори, перетворювачі (рисунок 0.1, а). Вони безпосередньо входять до складу радіотехнічних пристроїв. Джерела вторинного живлення, перетворювачі електричної енергії, комутаційні елементи можуть складати 40...60 % (а в окремих випадках до 80 %) маси та об'єму радіотехнічних пристроїв [3, 4]. За величиною вихідної потужності прийнята така класифікація джерел вторинного живлення: малопотужні (до 100 Вт); середньої потужності (100...1000 Вт); великої потужності (більше 1 кВт). За робочою напругою їх класифікують так: низьковольтні (до 100 В); середні напруги (100...1000 В); високовольтні (більше 1000 В);

– деякі електричні машини (двигуни, генератори, потужні трансформатори, реактори, дроселі, стабілізатори змінного струму, магнітні та електромашинні підсилювачі, інформаційні електричні мікромашини) (рисунок 0.1, б);

– елементи  комутації, сигналізації та аварійного захисту електричних ланцюгів (електромагнітні реле, автоматичні вимикачі, контактори, пускачі, командоапарати) (рисунок 0.1, в).

Для забезпечення ефективної і надійної роботи систем, де використовують електротехнічні пристрої, потрібно розглядати їх функціонування сумісно з радіотехнічними системами, вивчати їх взаємодію та взаємний вплив. Яскравим прикладом, коли необхідно враховувати взаємний вплив електротехнічних та радіотехнічних пристроїв, є їх електромагнітна сумісність. Потрібно враховувати також те, що електротехнічні пристрої можуть змінювати і спотворювати форму змінної напруги живлення.

У більшості випадків на шляху до кінцевого приймача електрична енергія піддається декільком перетворенням. Перетворювачі мають коефіцієнти корисної дії (ККД) від 15 до 90...98 %, і втрати електроенергії в них можуть бути визначальними для пристрою у цілому. Потрібно враховувати також той факт, що електротехнічні пристрої є складовими частинами приладів масового користування – це телевізійні приймачі і радіоприймачі, комп'ютери, стільникові телефони, електронні годинники, і зменшення втрат електроенергії, зменшення габаритів і маси цих приладів завжди буде актуальним і пов'язаним зі значним економічним і навіть соціальним ефектами не тільки в одній країні, а і всьому світі.

 

 

Рисунок 0.1 – Складові електротехнічних пристроїв

 

Розвиток електротехнічних пристроїв йде по шляху ускладнення їх функцій, збільшення числа операцій, які вони виконують.

Перспективними напрямками розвитку електротехнічних пристроїв є заміна механічних комутаційних пристроїв електронними на основі транзисторів і тиристорів, використання високочастотного перетворення електричної енергії, забезпечення електромагнітної сумісності електротехнічних пристроїв з радіоелектронною апаратурою, покращання коефіцієнта корисної дії та масогабаритних показників [2-5].

Наведені фактори вказують на важливість навчальної дисципліни "Електротехнічні пристрої", не дивлячись на ніби її вторинну (допоміжну) роль в основних системах. Думка про вторинність таких пристроїв викорінюється збільшенням коефіцієнта корисної дії, потужності, яка приходиться на одиницю об'єму джерела живлення, частоти, на якій працюють перетворювачі енергії, використанням самої сучасної елементної бази.

Основними задачами дисципліни "Електротехнічні пристрої" є:

– вивчення характеристик та показників первинних джерел живлення радіоелектронної апаратури різного призначення; фізичних процесів, які протікають у функціональних частинах сучасних джерел вторинного електроживлення радіоелектронної апаратури;

– вивчення принципів функціонування, будови, характеристик джерел вторинного електроживлення різної потужності;

– вивчення основних характеристик та особливостей використання електричних машин та комутаційних пристроїв у радіотехнічній апаратурі та системах;

– придбання навичок у виборі та проектуванні джерел вторинного електроживлення (трансформаторів, випрямлячів, стабілізаторів, інверторів, перетворювачів) з використанням прогресивних технологій та сучасної елементної бази;

– придбання навичок моделювання, дослідження та випробування джерел первинного та вторинного електроживлення.

 

 

Інерційність діодів

 

Крім статичних характеристик діод характеризується параметрами, які визначають його інерційні властивості при перемиканні діода з режиму прямого струму на зворотну напругу (рисунок 1.4) [6].

 

Рисунок 1.4 – Часова характеристика переключення діода

 

Після моменту часу , коли відбувається зміна полярності вхідної напруги, діод через інерційність носіїв заряду залишається відкритим до моменту t 2, і через нього в зворотному напрямі протікає струм.

 

Помножувачі напруги

Пристрій подвоєння напруги

 

Пристрій будують за мостовою схемою, у плечі моста увімкнені діоди VD1, VD2 і конденсатори C1, C2 (рисунок 1.24). Навантаження вмикають паралельно до конденсаторів [4, 7].

 

Рисунок 1.24 – Принципова схема пристрою подвоєння напруги

 

При позитивному півперіоді (плюс джерела живлення зліва і зверху) відкритий діод VD2, внаслідок цього заряджається конденсатор C2 (рисунок 1.25). При негативному – відкритий діод VD1 і заряджається конденсатор C1. Напруга на навантаженні дорівнює:

                                      .                                    (1.21)

 

Конденсатори заряджаються при кожній півхвилі напруги, тому частота пульсацій випрямленої напруги у два рази більша частоти мережі .

Струм у вторинній обмотці трансформатора  у суміжні півперіоди протікає у протилежних напрямах, і постійна складова дорівнює нулю. Осердя транс­фор­матора не підмагнічується.

Достоїнства пристрою: подвоєне значення вихідної напруги (1.21); мала зворотна напруга на діоді ; подвоєна частота пульсацій.

 

 

Рисунок 1.25 – Часові діаграми роботи пристрою подвоєння напруги

 

Недоліки пристрою: відносно великі значення струмів діодів ; поява додаткових пульсацій при несиметричності моста.

Використовуються при вихідній потужності до 50 Вт та випрямленій напрузі 500...1000 В.

 

ЗГЛАДЖУЮЧІ ФІЛЬТРИ

Ємнісний фільтр

 

Еквівалентна схема фільтра та графік напруги на конденсаторі і навантаженні наведені на рисунку 2.2, а, б [3, 4].

 

Рисунок 2.2 – Еквівалентна схема ємнісного фільтра (а),

напруга на конденсаторі і навантаженні (б)

 

Коли Хс << Rн (Хс =10Rн), напругу на конденсаторі можна подати сумою постійної  та змінної  складових. Напруга пульсацій  визначається максимальним значенням струму Ім і реактивним опором Хс. Після перетворень з врахуванням (1.5) отримаємо:

 

                    .                   (2.3)

 

Коефіцієнт пульсацій для цієї схеми дорівнює:

                          .                          (2.4)

 

З виразу (2.4) знаходимо ємність фільтра: 

 

                                        .                                        (2.5)

 

Недоліки ємнісного фільтру [4], які частково відмічалися у підрозділі 1.5:

– коли заряджається конденсатор, то перевантажується випрямляч;

– через відсічку зменшується час протікання струму через вентиль;

– при холостому ході напруга  на навантаженні зростає до амплітуди напруги на вторинній обмотці трансформатора;

– коефіцієнт пульсацій залежить від величини навантаження.

 

Індуктивний фільтр

 

Індуктивний фільтр являє собою дросель (котушку з феромагнітним осердям). Вмикають його послідовно з навантаженням [2,...,5]. Еквівалентна схема, що відображає джерело живлення, індуктивний фільтр та навантаження наведена на рисунку 2.3:

 

Рисунок 2.3 – Еквівалентна схема індуктивного фільтра

 

Коефіцієнт пульсацій на навантаженні дорівнює:

 

                                ,                                (2.6)

 

де Іп_вих і Іо_вих – змінна і постійна складові струму на навантаженні.

Знайдемо вирази для струмів Іо_вих і Іп_вих.

Відповідно до закону Ома:

                              ,                                      (2.7)

де r – внутрішній опір дроселя. У виразі (2.7) враховано, що , а для постійної складової індуктивний опір .

Аналогічно (2.7) знаходимо

 

, оскільки .   (2.8)

 

Підставивши (2.7) і (2.8) у (2.6), знаходимо:

 

                        ,                                    

де .

Або

                                  .                                 (2.9)

 

З (2.9) знаходимо значення індуктивності індуктивного фільтра, яка забезпечує заданий коефіцієнт згладжування

 

                                        .                                     (2.9,а)

 

Індуктивний фільтр, як це слідує з виразу (2.9,а), доцільно використовувати в багатофазних схемах випрямлення при невеликому вхідному опорі навантаження.

Недоліком індуктивного фільтра, який не був відмічений у підрозділі 1.6, єперевантаження дроселя за напругою при різкій зміні струму навантаження (особливо коли відбувається розрив кола).

 

2.4 Г-подібні індуктивно-ємнісний (LC) та активно-ємнісний (RC)
фільтри

 

Схеми принципові електричні фільтрів наведені на рисунку 2.1. Знайдемо зв'язок між коефіцієнтами згладжування фільтрів та номінальними значеннями їх елементів.

Розглянемо спочатку Г-подібний LC-фільтр. Його принципова схема наведена на рисунку 2.4, а. Варіанти еквівалентної схеми наведені на рисунках 2.4,б, в [3, 4].

 

Вираз для коефіцієнта згладжування пульсацій в загальному вигляді записується так (2.3):

                                .                              (2.10)

 

 

Рисунок 2.4 – Принципова та еквівалентні схеми Г-подібного LC-фільтра

 

Врахуємо, що з метою отримання високого значення коефіцієнта корисної дії дросель виготовляють таким, щоб його активний опір  був набагато менший від опору навантаження  (). Тому на ньому практично відсутнє падіння постійної напруги і . і вираз (2.10) спрощується:

 

                                      .

 

Виразимо коефіцієнт згладжування через параметри схеми (рисунок 2.4, в). Для цього запишемо вирази для струмів пульсацій на вході і виході схеми:

 

                                     ,

                                   .

Враховуючи, що для схеми рисунка 2.4, в

                                    ,

запишемо

                                   .

Звідки

                      .                    (2.11)

Для LC -фільтра

                                  ,

оскільки , а

                         .                       (2.12)

При перетвореннях виразу (2.12) враховано, що .

Підставимо значення z1 та z2 у (2.11).

                                                        

                           .

                                                        

Звідки отримаємо кінцевий результат:

 

                                          .                                       (2.13)

 

При вибраній схемі випрямлення, відомих частоті мережі і коефіцієнті  обчислюють, використовуючи (2.13), добуток LC. Далі з практичних міркувань приймають певне значення ємності конденсатора чи величину індуктивності і обчислюють параметр другого елемента.

Додаткові умови при визначенні величин індуктивності та ємності полягають у виконанні таких співвідношень:

 

                         , .

 

Виконання першої з них забезпечує індуктивний характер навантаження, а другої – виключає виникнення у фільтрі резонансів на частотах гармонічних складових. Практично досить прийняти

 

                                     .

 

Перейдемо до розгляду RC-фільтра. Він замість дроселя L (рисунок 2.4) містить резистор R. Для знаходження опору резистора R та ємності конденсатора С скористаємося рівнянням (2.11). Але в RC -фільтрі, на відміну від LC- фільтра, на активному опорі падає не тільки змінна, але й постійна напруга, якою уже не можна нехтувати [4, 7]. Падіння напруги враховується коефіцієнтом передачі фільтра, який визначається виразом (2.2)

                                     .

Тому згідно (2.10) та (2.11) запишемо:

 

                                    .                                 (2.14)

Відношення , що входить до (2.14), знайдемо скориставшись законом Ома. При отриманні виразів зважимо на те, що індуктивний опір дроселя для постійного струму є нульовим.

                           або .

Прирівняємо праві частини рівнянь і знайдемо відношення :

 

                    , .

 

Повернемося до виразу (2.14). Для RC -фільтра . Крім цього, щоб забезпечити ефективність згладжування пульсацій, необхідно виконати умову:

                                       .

Тому

                                .

 

Підставивши  і значення модулів  та  у вираз для коефіцієнта згладжування (2.14) отримаємо:

 

                      .

 

Звідси знаходимо добуток СR.

 

                                    .                                  (2.15)

 

Як видно з (2.15), при визначені опору R потрібно враховувати втрати, які вносить фільтр, що можна виразити через його коефіцієнт корисної дії:

 

                          ,

 

де – потужність навантаження, – потужність в трат втрати на резисторі фільтра, І – струм, що протікає в ланцюзі.

Таким чином

 

                                        .                                      (2.16)

Для збільшення ККД необхідно зменшувати опір резистора фільтра,а щоб отримати при цьому необхідний коефіцієнт згладжування, потрібно збільшувати ємність конденсатора.

 

П-подібний фільтр

 

П-подібний фільтр можна подати послідовним увімкненням С-фільтра і Г-подібного LC-фільтра, як це показано на рисунку 2.5. Коефіцієнт згладжування такого ланцюга фільтрів можна записати у вигляді добутку їх коефіцієнтів згладжування [4]:

                           .                         (2.17)

 

 

Рисунок 2.5 – Схема П -подібного фільтра

 

Похибка виразу (2.17) невелика і зменшується при зменшенні активного опору дроселя, а також збільшенні реактивного опору дроселя відносно опору конденсатора. Для отримання мінімальних габаритів, маси та вартості фільтра приймають С1 = С2.

 

Транзисторні фільтри

 

Фільтри на реактивних елементах, які складаються з дроселів і конденсаторів, повністю задовольняють вимогам щодо фільтрації випрямленої напруги. Проте об'єм і маса дроселя зрівнюється з відповідними параметрами трансформатора випрямляча; магнітопровід дроселя має зазор, що призводить до виникнення поля розсіювання, і він стає джерелом електромагнітних завад [4]. Транзисторні фільтри, які будуть розглянуті у цьому підрозділі, не мають цих недоліків.

Принцип дії транзисторного фільтра базується на використанні особливостей вихідної характеристики транзистора і пояснюється графіками рисунка 2.9.

Якщо робоча точка транзистора знаходиться на середині лінійної ділянки вихідної характеристики (точка А), що забезпечується незмінністю струму бази, то, як видно з рисунка, статичний опір переходу емітер-колектор транзистора постійному струму   буде значно меншим від динамічного опору змінному струму . Тобто

                                      .

Порівнюючи це відношення з опорами дроселя постійній та змінній складовим струму бачимо, що опори ідентичні. Тому транзистор можна використати як елемент фільтра.

Між випрямлячем та транзисторним фільтром для приведення рівня пульсацій до величини  потрібно увімкнути конденсатор.

Транзисторні фільтри у залежності від способу увімкнення навантаження ділять на фільтри з навантаженням в ланцюзі колектора або емітера.

 

 

Рисунок 2.9 – Вихідні характеристики транзистора електронного фільтра

 

Схема транзисторного фільтра з навантаженням в колі колектора наведена на рисунку 2.10 [4].      

 

Рисунок 2.10 – Схеми транзисторних фільтрів

з навантаженням в колі колектора

 

Зміщення напруги на базі транзистора схеми рисунка 2.10,а є фіксованим, а схеми рисунка 2.10,б – автоматичним. В схемі з фіксованим зміщенням вихідна напруга більше залежить від змін температури та струму навантаження. При автоматичному зміщенні зміни частково компенсуються. Конденсатор  є ємнісним фільтром, який додатково зменшує пульсації.

Транзисторні фільтри з навантаженням в колі емітера (рисунок 2.11) мають переваги над фільтрами з навантаження в колі колектора, а саме [4]:

– малий вихідний опір;

– менший вплив на вихідну напругу змін температури;

– відсутність резистора в колі емітера, що збільшує ККД фільтра.

 

 

Рисунок 2.11 – Схеми транзисторних фільтрів

з навантаженням в колі емітера:

а) з одноланковим RC-фільтром; б) з дволанковим RC-фільтром

 

2.8 Запитання тестового контролю

 

1. Згладжуючий фільтр електротехнічного пристрою це:

фільтр верхніх частот; пристрій для виділення складової спектра з нульовою частотою; пристрій для корегування АЧХ ланки трансформатор-випрямляч; смуговий фільтр; пристрій для виділення спектральних складових з частотами mf, де – m - число фаз випрямлення,   f – частота напруги мережі.

2. Відмітьте невірне твердження щодо властивостей активного фільтра та його складових?

дуже малий вихідний опір; великий динамічний опір ланцюга колектор-емітер; малий статичний опір ланцюга колектор-емітер; наявність ланцюгів з постійною часу, що значно перевищує період пульсацій; мала залежність струму колектора транзистора від напруги на переході колектор-емітер.

3. В якій ситуації доцільно використовувати випрямляч з дволанковим RC-фільтром?

велика потужність навантаження і великий допустимий коефіцієнт пульсацій; дуже малий допустимий коефіцієнт пульсацій і великий струм навантаження;  дуже малий струм навантаження і велика напруга випрямлення; величина струму в одиниці ампер при напрузі 5 В.

4. Після якої з схем випрямлення при рівних вимогах до вихідних пульсацій потрібно використати фільтр з максимальним коефіцієнтом згладжування?

однофазної мостової; трифазної мостової; трифазної однопівперіодної; двопівперіодної однофазної; однопівперіодної однофазної.

5. Для згладжування пульсацій доцільно використовувати П-подібний RC-фільтр при:

великій вихідній потужності; великому вихідному струмі; великих напругах і струмі в одинці міліампер; живленні процесорів ЕОМ з напругою, меншою 5 В;- живленні малопотужних двигунів та реле.

6. На виході випрямляча для якісного згладжування пульсацій використовують фільтр такого типу:

режекторний; верхніх частот; смуговий; нижніх частот; послідовне з'єднання фільтрів верхніх та нижніх частот.

 

3 БЕЗПЕРЕРВНІ СТАБІЛІЗАТОРИ
ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ ТА СТРУМУ

Класифікація стабілізаторів

 

Нормальна робота радіотехнічних пристроїв можлива лише при забезпеченні з необхідною точністю постійності напруги живлення. Наприклад, радіопередавальні станції та зв’язкові радіостанції допускають нестабільність напруги живлення не гірше 2...3 %. Деякі пристрої високого класу точності допускають нестабільність напруги не більше 0,0001 % [1,..., 6].

Низькою стабільністю вважають таку, при якій напруга (струм) змінюється більше, ніж на 5 %, середньою – 1...5 %, високою – 0,1...1 %, прецизійною - мен­ше 0,1 % [4].

Основні причини нестабільності: коливання вхідної напруги, зміна струму навантаження, зміна температури, вологості, частоти струму мережі живлення.

Стабілізатором напруги (струму) називають пристрій, що автоматично і з необхідною точністю підтримує на навантаженні заданий параметр при зміні дестабілізуючих чинників у визначеному діапазоні.

Стабілізатори підрозділяють на параметричні та компенсаційні.

Параметричні стабілізатори (ПСН) – це такі  стабілізатори напруги або струму, принцип дії яких базується на використанні пасивних елементів з нелінійними вольт-амперними характеристиками (ВАХ).

Для стабілізації напруги використовують елементи з характеристиками, які наведені на рисунку 3.1,а. Значні зростання струму такого елемента, починаючи з деякого значення, призводять до малих змін напруги на ньому. Таку ВАХ мають, наприклад, стабілітрони, котушки індуктивності з насиченими осердями.

 

Рисунок 3.1 – Вольт амперні характеристики:

а – стабілізатора напруги; б – стабілізатора струму

 

Елементи з характеристиками, наведеними на рисунку 3.1,б (баретери, термістори, лампи накалювання), використовують для стабілізації струму.

Компенсаційні стабілізатори напруги або струму (КСН) – це стабілізатори, що являють собою замкнуті системи автоматичного регулювання (САР) з від’ємним зворотнім зв’язком (ЗЗ), ефект стабілізації у яких відбувається внаслідок змін характеристик регулюючого елемента (РЕ) [3, 4, 7]. Структурна схема компенсаційного стабілізатора наведена на рисунку 3.2.

У компенсаційних стабілізаторах напруги сигнал ЗЗ є функцією вихідної напруги, а у стабілізаторах струму – вихідного струму.

Залежно від типу регулюючого елемента стабілізатори поділяють на лампові, транзисторні, тиристорні, дросельні, комбіновані.

 

 

Рисунок 3.2 – Структурна схема компенсаційного стабілізатора

 

За способом увімкнення РЕ відносно навантаження стабілізатори напруги ділять на послідовні та паралельні. За режимом роботи регулюючого елемента РЕ їх ділять на стабілізатори з неперервним регулюванням та імпульсні. Останні класифікують за принципом керування: широтно-імпульсні, частотно-імпульсні, релейні.

 

Схема стабілізатора

 

Принципова схема однокаскадного ПСН наведена на рисунку 3.6,а. Вона складається з баластного (гасячого) резистора  та стабілітрона . Баластний резистор  обмежує струм стабілітрона [3].

Лінійна схема заміщення дозволяє за допомогою методів розрахунку лінійних кіл визначити усі параметри стабілізатора.

 

 

 

Рисунок 3.5 – Робоча ділянка ВАХ (а) та еквівалентна схема стабілітрона (б)

 

Зміна напруги на вході стабілізатора викликає зміну струму, що протікає через стабілітрон і баластний резистор, внаслідок цього змінюється падіння напруги на резисторі, стабілізуючи вихідну напругу. Наприклад, при збільшенні  збільшується величина струму у ланцюзі , , збільшується падіння напруги на резисторі, а напруга на стабілітроні залишається незмінною.

 

 

Рисунок 3.6 – Принципова (а) та еквівалентна (б)) схеми ПСН

 

Вихідний опір стабілізатора

 

Нестабільність вихідної напруги , яка викликана зміною струму навантаження  при  обумовлена наявністю кінцевого вихідного опору ПСН [3], який в загальному випадку (3.3) дорівнює

 

                                      .

Знайдемо вихідний опір з виразу (3.9).

 

                                     .                                                 

Звідки                                                           (3.10)

так як .

Вихідний опір ПСН (3.10) визначається диференціальним (внутрішнім) опором стабілітрона. Якщо на виході стабілітрона вмикають конденсатор, то вихідний опір для змінної складової додатково змен­шується.

 

Коефіцієнт стабілізації

 

Користуючись (3.9), визначимо коефіцієнт стабілізації вихідної напруги ПСН, при змінах напруги живлення. У зв'язку з тим, що при цьому вихідна напруга все таки дещо змінюється, то змінюється і струм навантаження [3]. Незмінною у виразі (3.9) залишається лише ЕРС стабілітрона . Тому:

 

                        .                     (3.11)

Врахуємо у (3.11), що , а  бо .

Тому

                      .

 

Або                 ,                      (3.12)

З (3.12) найдемо , враховуючи що  і .

 

                      .                    (3.13)

 

Щоб знайти вираз для коефіцієнта стабілізації, виконаємо перетворення лівої частини (3.13):

          .

Отже                             .

Звідси:                         .                                   (3.14)

 

Коефіцієнт стабілізації ПСН визначається відношенням величини баластного (гасячого) резистора  до диференціального опору стабілітрона.

Вираз (3.14) справедливий коли температура p-n переходу стабілітрона не змінюється. Якщо ця умова не виконується, то замість  необхідно підставити значення внутрішнього опору при даній температурі.

 

                                        ,

 

де