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

Unn используется 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.

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

Общая характеристика строится на основании двух зависимостей:

I0=I н+ Icт;

Uвых= Uст= IнRн;

Отложив на оси ординат значение U0, подаваемое на вход, строим внешнюю характеристику источника до стабилизатора. Как видно при изменении входного напряжения от U0min до U0max напряжение на нагрузки изменяется от Uвых1 до U0вых2 причем ∆Uвых значительно 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

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 rг мало 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 Uвых почти не изменилось ∆Iст вызывает ∆Uвых = – ∆Iст rг.

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.

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.

Предположим что Zн= ∞. Если выбрать диапазон изменения Uс, то видно что соответствующие ему ∆Uвых значительно 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.

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. ∆ Uн меньше ∆ 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:

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 Lн уменьшиться 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.

Другой способ.

Компенсационные стабилизаторы напряжения и тока

Компенсационные стабилизаторы являются устройствами автоматического регулирования 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.

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 Рэ используются магнитные усилители с самонасыщением, транзисторы включенные по определенной схеме, тиристоры и т.д.

Фрагмент схемы с транзистором:

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.

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 α1 до α2, что уменьшает напряжение на первичной обмотке транзистора и снимает выходное напряжение стабилизатора до первичного значения.

При уменьшении выходного напряжения угол α уменьшается.

Стабилизаторы с непрерывным регулированием

Существенным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием являются их низкая экономичность, что ведет к увеличению габаритов.

В импульсных стабилизаторах регулирующий транзистор работает в ключевом режиме, который характеризуется быстрым переходом рабочей точки из области отсечки в область насыщения. При этом мощность, рассеиваемая на регулируемом элементе во много раз меньше, чем при его работе в линейном режиме. Повышение КПД стабилизатора при ключевом режиме работы позволяет уменьшить габариты.

В общем виде структурная схема импульсных стабилизаторов имеет следующий вид:

СФ – сглаживающий фильтр принципиально необходим, так как ток в нагрузку поступает импульсно.

ИФ – импульсный элемент служит для управления работой регулирующего элемента.

Наибольшее применение получили два типа импульсных стабилизаторов: стабилизатор с ШИМ и релейные или двухпозиционные стабилизаторы.

В стабилизаторах с ШИМ регулирующий элемент переключается с постоянной частотой, по времени открытого и закрытого состояния силового транзистора изменяется импульсным элементом таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось неизменным. Т.е. изменяется скважность Q=T/tu, оставляя неизменным значение постоянной составляющей Uo выходного напряжения.

В релейных стабилизаторах в качестве импульсного элемента применяется триггер, который управляет процессом переключения регулирующего транзистора. При подаче постоянного напряжения на вход стабилизатора в первый момент регулирования транзистор открыт и напряжение на входе стабилизатора увеличится. Соответственно растет сигнал на входе схемы сравнения. При определенной величине выходного напряжения величина сигнала на выходе схем сравнения станет достаточной для срабатывания триггера, последний срабатывает и закрывает регулирующий элемент. Напряжение на входе стабилизатора начинает уменьшаться, что приведет к уменьшению сигнала (нижний порог срабатывания) триггер вновь срабатывает и откроет регулирующий транзистор. Напряжение на выходе стабилизатора начинает увеличиваться. Таким образом будет повторяться. Изменение входного напряжения или тока нагрузки стабилизатора приведет изменению продолжительности открытого или закрытого состояния регулирующего транзистора и к изменению частоты его переключения, а среднее значение выходного напряжения будет поддерживаться неизменным с определенной степенью точности.

Очень важным параметром импульсного стабилитрона является мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором. Величина этой мощности определяет КПД всего устройства и в значительной степени влияет на его габариты.

Она состоит из трех: мощности в режиме отсечки Рко, в режиме насыщения Ркн и в режиме переключения Ркп

Рко = Uо Iко (1-γ)

Ркн = Uкэ нас Iкmax γ

Ркп = Uо Iкmax (t in + t off) fo/2

Рк = Рко + Ркн + Ркп

Где Iко – начальный коллекторный ток транзистора;

Uкэ нас – напряжение коллектор-эмиттер транзистора в режиме насыщения;

Iкmax – максимальный коллекторный ток;

t in – время включения;

t off – время выключения;

fo – частота переключения;

γ – относительное время открытого состояния транзистора, γ = Ти / То

При малых Iко суммарная мощность в основном определяется Ркн и Ркп.

В стабилизаторах напряжения γ = Uвых / Uо чем больше Uо тем меньше γ и меньше Ркн.

Составляющая Ркп зависит от частотных свойств транзистора (t in + t off) и частоту переключений fo.

На входе фильтра импульсного стабилизатора напряжения имеем форму прямоугольных импульсов. Амплитуда пульсации выходного напряжения максимальна при γ = 0.5.

В качестве импульсных элементов стабилизаторов напряжения используются триггеры, мультивибраторы и т.д.