Стабилизаторы напряжения и тока

Этим устройством называют электрический прибор, автоматически обеспечивающий поддержание напряжения (тока) нагрузки с заданной точностью. Электронные приборы могут нормально работать при вариации питающего напряжения 0,1 – 3,0%, а иногда и того меньше.

Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:

1. По роду стабилизируемой величины – стабилизаторы напряжения и тока.

2. По способу стабилизации – параметрические и компенсационные стабилизаторы.

Широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяются на стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. Стабилизация достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Качество работы стабилизатора оценивают следующими коэффициентами:

1. Коэффициент стабилизации по напряжению: .

2. Коэффициент стабилизации по току: .

3. К.П.Д. стабилизатора , где Р_Н – мощность нагрузки; Р_П – мощность потерь.

Параметрические стабилизаторы напряжения и тока. Схема такого устройства имеет вид:

Рисунок 15. 14 - Схема параметрического стабилизатора напряжения

на стабилитроне (а) и вольт - амперные характеристики R_б при ∆U_вх

параметрического стабилизатора (б)

 

С помощью такого простейшего стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон VD, можно обеспечить стабилизацию напряжения от единиц до нескольких сотен вольт при токах от единиц мА до одного ампера. Если необходимо стабилизировать U<3В, то вместо стабилитрона используют стабисторы.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне примерно равен 30 - 50. Его К.П.Д. не превышает 0,3; а диапазон стабилизируемого напряжения узок и не регулируется.

В параметрических стабилизаторах тока нелинейный элемент включается последовательно с нагрузкой.

Рисунок 15.14 - Схема (а) и объяснение принципа действия (б) параметрического

стабилизатора тока

 

В качестве нелинейного элемента используют биполярные и полевые транзисторы. Рабочая точка на вольт-амперной характеристике параметрического стабилизатора тока выбирается таким образом, чтобы при изменении питающего напряжения нагрузочный ток практически не изменялся. Коэффициент стабилизации тока в таком стабилизаторе составляет несколько десятков.

Рисунок 15.15 - Схемапараметрического стабилизатора тока на полевом транзисторе

 

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения и тока являются АСР с отрицательной обратной связью, но их достоинства достигнуты усложнением схем. К > 1000, η = 0,5 – 0,6. Аналогично параметрическому стабилизатору, компенсационный стабилизатор включают между сглаживающим фильтром и нагрузочным резистором.

Рисунок 15.16 - Схемы компенсационного стабилизатора напряжения на биполярных

транзисторах (а) и операционном усилителе (б)

Рисунок 15.17 - Схема компенсационного стабилизатора тока на биполярных

транзисторах

 

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия выпускаются в виде ИМС и применяются в качестве индивидуальных стабилизаторов отдельных блоков. В то же время общие источники ВП выполняют нестабилизированными.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСПН) имеют η = 0,80 – 0, 85, меньше габариты и массу. Это достигается использованием транзистора в режиме ключа, что позволяет получить прямоугольные импульсы, которые затем сглаживаются фильтром. Мощность потерь на транзисторе стремится к нулю и получают высокий К.П.Д. Изменение длительности импульсов или частоты их следования позволяет поддерживать U_вых = const.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения по способу управления регулирующим элементом разделяют на релейные (двухпозиционные) и с широтно–импульсной модуляцией (ШИМ). Частоты переключений регулирующего транзистора равны 2 – 50 кГц.

 

Рисунок 15.18 - Принципиальная электрическая схема релейного импульсного

стабилизатора постоянного напряжения

Управляемые выпрямители

Часто от выпрямителей требуется не только преобразовать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Это можно осуществить либо в цепи переменного тока (регулируемые трансформаторы, реостаты, имеющие низкий КПД); либо в цепи выпрямленного тока, что более экономично и удобно. Управляемыми выпрямителями называют выпрямители, у которых управление выпрямленным током (напряжением) происходит в процессе выпрямления.

Основными элементами современных управляемых выпрямителей являются транзисторы и тиристоры. Ниже на рисунке 15.19представлена схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре. Управление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к управлению моментом открытия (включения) тиристора. Это осуществляется путём сдвига фаз между анодным напряжением тиристора и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг фаз называют углом управления и обозначают α, а способ управления называют фазовым.

 

 

Рисунок 15.19 - Схема (а) и диаграммы изменения во времени напряжений и тока (б)

однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя

 

Управление значением угла α осуществляют с помощью фазовращающей R₂С – цепи, которая позволяет изменить угол управления от 0 до 180 ⁰. При этом значение выпрямленного напряжения может изменяться от наибольшего его значения до нуля (для α = 0 – 90 ⁰ значение выпрямленного напряжения изменяется от наибольшего значения до его половины). Резистором R₁ изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных однополярных импульсов.

Оптимальной формой управляющего сигнала для тиристора является короткий импульс с крутым фронтом. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в необходимых пределах.

На рисунке 15.20изображена схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ).

 

Рисунок 15.20 - Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

с импульсно-фазовым управлением

 

Сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению производится вручную с помощью мостового фазовращателя. Выходное напряжение фазовращателя поступает на вход усилителей-ограничителей, причём, отрицательные полуволны этого напряжения срезаются VD1, VD2. Усиленное напряжение дифференцируется цепочками С₁R₁, С₂R₂; а диоды VD3, VD4 делают их однополярными (положительными).

Трёхфазные управляемые выпрямители – это выпрямители средней и большой мощности. Работу такого выпрямителя иллюстрирует схема выпрямителя с нулевым выводом. Изменение угла управления в сторону уменьшения или увеличения приводит к изменению средних значений выпрямленных напряжений и тока.

 

Рисунок 15.21 - Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б)

трёхфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом

 

На рисунке 15.22 приведена схема трёхфазного мостового управляемого выпрямителя. В него входят шесть тиристоров.

 

Рисунок 15.22 - Схема трёхфазного мостового управляемого выпрямителя

 

Тиристоры VS1 – VS3 объединены в катодную группу, а тиристоры VS4 – VS6 - в анодную группу. Так же как и в неуправляемом выпрямителе здесь одновременно работают два тиристора: один – из анодной группы, другой – из катодной группы. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на 180 ⁰ управляющий сигнал, поступающий на тиристор анодной группы. В отличие от трёхфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом режим «прерывистого» тока возникает при

α > π/3.