Параметрический стабилизатор постоянного тока на кремниевом стабилитроне.

УГО.

Устройство и принцип действия.

Трансформатор состоит из магнитопровода и обмоток. Обмотки, подключаемые к источнику электрической энергии, называются первичными. Обмотки, подключаемые к нагрузке, называются вторичными. Магнитопровод трансформатора изготавливается из электротехнической стали, выполненных в виде тонких пластин или ленты. Для пластинчатых магнитопроводов применяются горячекатаные марки электротехнической стали ( Э41, Э42, Э43, Э44 ), для ленточных – холоднокатаные ( Э310, Э320 Э340 Э350, Э360 ) толщиной 0.05-0.5мм. В стержневых трансформаторах ( с пластинчатым и ленточным магнитопроводом ) обмотки располагаются на разных стержнях магнитопровода, в броневых трансформаторах ( с пластинчатым и ленточным магнитопроводом ) обмотки располагаются на среднем стержне. Броневые трансформаторы применяются на меньшие мощности по сравнению со стержневыми.

При подаче на первичную обмотку (W1 ) переменного напряжения U1 протекает переменный ток I1, который создает магнитное поток Ф. Этот переменный магнитный поток, замыкаясь по магнитопроводу, индуктирует ЭДС самоиндукции Е1 в первичной обмотке W1 и ЭДС взаимоиндукции Е2 во вторичной обмотке W2.

Е1=4.44*W1*f * Ф

Е2=4.44*W2*f * Ф

Где f – частота переменного тока I1.

В режиме холостого хода можно пренебречь потерями в обмотках, тогда U1=E1, U2=E2

U1/U2=E1/E2=W1/W2 – это отношение называется коэффициент трансформации. Коэффициент трансформации (Ктр) показывает во сколько раз изменяется U на вторичной обмотке по сравнению с первичной обмоткой. Если U1>U2, то трансформатор является понижающим и W1>W2, при U1<U2-повышающим и W1<W2.

Основные электрические параметры трансформатора.

1) Полезная мощность трансформатора Р2=U2*I2*Cosφ

2) Номинальное напряжение первичной обмотки U1 и номинальное напряжение вторичной обмотки U2=Uхх*(1-∆U), где Uхх- напряжение на вторичной обмотке в режиме холостого хода, ∆U-изменение напряжения на вторичной обмотке при переходе в режим под нагрузкой.

3)КПД трансформатора зависит от потерь в стали сердечника (Рст ) и от потерь в первичной и вторичной обмотках (Роб). В стали сердечников потери объясняются потерями на вихревые токи и на перемагничивание сердечника, а потери в проводе зависят от типа провода.

КПД = Р2/ (Р2+Рст + Роб)

Рст определяют в режиме холостого хода, Роб определяют в режиме короткого замыкания.

Трехфазный трансформатор.

Применяется для трансформации трехфазного напряжения и тока. Состоит из замкнутого сердечника Ш- образной формы. У стержневых трансформаторов сечение прямоугольное или квадратное. У мощных трансформаторов сечения приближенно к окружности На каждом стержне намотаны обмотки низшего и высшего напряжения одной фазы. Намотка обмоток на стержне производится двумя способами: цилиндрическим или дисковым. Для трансформаторов большой мощности применяют цилиндрический способ намотки. Ближе к стержню наматывают обмотки низкого напряжения (НН), сверху- обмотки высокого напряжения (ВН). Трехфазные трансформаторы имеют минимум три первичные и три вторичные обмотки. Начало и концы обмоток высокого напряжения обозначают прописными буквами А, В,С и Х,Y, Z, а обмотки низкого напряжения строчными буквами- а, в, с и x, y, z. Cоединение обмоток трехфазного трансформатора производится по схеме:

1. Звезда (Y)

2. Треугольник ( ∆ )

Условное обозначение соединений первичной и вторичной обмоток производится через дробь, где числитель показывает схему первичной обмотки, а знаменатель схему вторичной обмотки. Например: Y/∆, Y/Y, ∆/∆ и т.д. Таких соединений существует двенадцать и пронумерованы 0 -11.Каждое соединение называется группой. Группы определены исходя из циферблата часов. Минутная стрелка обозначает линейное напряжение первичной обмотки, а часовая- вторичной обмотки. Минутная стрелка устанавливается на цифре 12, а часовая указывает номер группы соединения. Изготовляются в России две группы 0 (Y/Y), 11(Y/∆, ∆/Y) и называются стандартные. В понижающих трансформаторах чаще всего первичную обмотку соединяют «звездой», т.к это позволяет рассчитывать фазные обмотки на напряжение в 1.73 раза меньше, чем напряжение источника, а вторичные обмотки выгодно соединять в «треугольник»,т.к. фазный ток в1.73 раза меньше линейного тока.

Соотношения линейных и фазных напряжений и токов трехфазного трансформатора:

1). При соединении Y: Uл =Uф*√3; Iл = Iф

2). При соединении ∆: Uл =Uф; Iл = Iф*√3 ;

УГО нулевой группы.

Автотрансформатор.

Автотрансформатором называется трансформатор, обмотки которого гальванически связаны.

Автотрансформаторы могут быть повышающие (W1<W2) и понижающие (W1>W2).

Достоинства: малые габариты, так как меньше масса меди обмотки и меньше масса сердечника, малые потери и повышенный КПД,

Недостатки: есть гальваническая связь между обмотками высокого и низкого напряжений, поэтому автотрансформаторы выпускаются небольшой мощности исходя из условий техники безопасности.

На практике автотрансформаторы заменяют трансформаторы с целью экономии материала и снижения потерь электрической энергии при коэффициенте трансформации <=5.

Преобразование электрической энергии.

Для электропитания аппаратуры связи применяются преобразователи из переменного тока в постоянный, называемые выпрямителями и постоянного тока в переменный, называемые инверторами. Электрический выпрямитель широко применяют как наиболее универсальный преобразователь переменного тока в постоянный.

Выпрямление в электрическом выпрямителе достигается вследствие включения в его состав электрического вентиля, который пропускает ток преимущественно в одном направлении, (рис. 1.2, а). Ток, протекающий в нагрузке в одном направлении, называется выпрямленным током, а напряжение на выходе выпрямителя называют выпрямленным напряжением. Выпрямленное напряжение и ток имеют пульсирующую форму и содержат постоянную и переменные составляющие.

В общем случае выпрямитель содержит сетевой трансформатор, вентили, соединенные особым образом, и сглаживающий фильтр. Трансформатор предназначен для понижения напряжения сети до напряжения питания аппаратуры ( 60В,48В,24В ) и также для изоляции нагрузки от сети переменного тока. Фильтр выпрямителя уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения.

Структурная схема выпрямителя.

Выпрямление однофазного переменного тока.

Применяются две схемы однофазного переменного тока.

1) Схема с нулевым выводом трансформатора ( Схема Миткевича)

2) Мостовая схема ( Схема Греца).

Рис.1.Схемы выпрямления

Схема с нулевым выводом трансформатора ( Схема Миткевича)

Схема изображена на рис.1.б

Принцип действия

В каждый момент времени открывается один диод и ток протекает по нагрузке в одном и том же направлении. Происходит двухполупериодное выпрямление. Диоды, так же как и вторичные полуобмотки трансформатора, работают поочерёдно.

Параметры схемы.

1) m =2 (количество пульсаций за один период)

2) f вых =m * f вх=2*50=100 Гц –частота первой гармоники выпрямленного тока

3) Кn=Um/U0=0.67{чем меньше коэффициент пульсации, тем лучше выпрямление.}

4) U обр=3.14*Uо для выбора диодов.

5) Iср =0,5 * Iо для выбора диодов.

Достоинства и недостатки.

Схема производит двухполупериодное выпрямление.

Недостатки.

1. Схема не применяется без трансформатора

2. Большое обратное напряжение на закрытом диоде.

Мостовая схема.(Схема Греца)

Схема изображена на рис.1.в

Принцип работы.

В каждый момент открыты два диода, работающих в параллельных плечах, два других закрыты. В этой схеме диоды работают парами и ток через цепь нагрузки протекает в одном направлении в оба полупериода. Происходит двухполупериодное выпрямление.

Параметры схемы.

Такие же как в схеме Миткевича , кроме обратного напряжение вентиля

Uобр =1,57*U0.

Достоинства.

1. Может работать без трансформатора, т.к. не имеет трансформатор нулевой вывод

2. Может выпрямить в два раза больше напряжение, чем схема Миткевича, т. к. обратное напряжение вентиля в два раза меньше.

Недостатки.

Применения двух диодов, работающих одновременно, которые могут отпираться неодновременно и создавать дополнительную пульсацию.

Выпрямление трехфазного переменного тока.

Подразделяется на схему с выводом средней точки( схема Миткевича)-1906г

и мостовую схему (схема Ларионова ) - 1925. г

Рис.2.Схемы выпрямления трехфазного переменного тока.

Схема выпрямления со средней точкой( схема Миткевича ).

Схема изображена на рис.2.г

Схема производит однополупериодное выпрямление, т.к диоды отпираются под действием положительной или отрицательной полуволны синусоиды. К концу каждой из вторичных обмоток соединен анод вентиля. Катоды всех вентилей подсоединены к сборной шине, которая и является одним (в данном случае положительным) выводом выпрямителя. Второй вывод выпрямителя (отрицательный) берут от средней точки звезды вторичных обмоток трансформатора. К этим выводам и подключают нагрузку выпрямителя.

Из-за нелинейности характеристик вентилей ток в каждой из вторичных обмоток может проходить только в одну сторону. Через нагрузку проходит суммарный ток всех фаз (вентилей) вторичной обмотки, имеющий значительную постоянную составляющую (выпрямленный ток).

Если изменить полярность включения всех вентилей на обратную, т. е. подсоединить их катодами к концам вторичных обмоток, а анодами к сборной шине, то выпрямленное напряжение изменит свою полярность.

Параметры схемы

1) m=3

2) Kn=Um /U0=0,25

3) F вых =F вх *m=50*3=150Гц

4) Uобр =2,09*U0

5) Iср =0,33*Io

Достоинства схемы .

Может применяться для изготовления многофазных выпрямителей.

Недостаток.

1. Производиться вынужденное намагничивание сердечника до насыщения, т.к ток протекает по фазе в одном направлении. Это приводит к нагреву сердечника и потерям. КПД будет низкое.

2. Схема не может работать без трансформатора.

Мостовая схема Ларионова.

Схема изображена на рис.2.в.

Каждый момент времени открыты два диода под действием положительной и отрицательной полуволны синусоиды. Происходит двухполупериодное выпрямление.

Параметры схемы

1. m=6

2. Кп=Um/Uo=0.057

3. f вых.=f вх.*m=50*6=300 Гц.

4. Uобр.= 1.1 *Uo

5. I ср.= 0.33 * Io

Достоинства.

1. Схема не производит намагничивание сердечника до насыщения, т.к токи протекают по фазам в различных направлениях, значит нет потерь и КПД будет высокое.

2. Может работать без трансформатора, т.к. нет нулевого вывода у трансформатора.

3. Производит лучшее выпрямление, чем все остальные схемы.

Недостатки.

Не может применяться на малой мощности, т.к на двух открытых диодах большие потери. Схема Ларионова получила применение во всех выпрямителях предприятий связи.

Управляемые выпрямители.

Управляемыми выпрямителями называются выпрямителями, которые собраны на тиристорах.

Управляемые выпрямители выполняют две функции:

1. Выпрямление переменного тока в постоянный ток.

2. Стабилизация выпрямленного тока и напряжения.

Управляемые однофазные выпрямители

Управляемые однофазные выпрямители собираются на двух диодах и двух тиристорах.

Выпрямительная схема производит выпрямление переменного тока в постоянный пульсирующий ток, который протекает по нагрузке. Стабилизация выпрямленного напряжения производиться при помощи тиристоров, т.к выходное напряжение зависит прямопропорционально от времени работы тиристоров. С увеличением времени работы увеличивается выходное напряжение и наоборот. Для управления временем работы тиристоров применяется фазосдвигающая цепь R3С1. Управление временем зарядки конденсатора С1 производится при помощи переменного резистора R3, a в реальных схемах вместо R3 устанавливается УПТ. Время зарядки конденсатора С1 (tзар.= 3* τ =3* R3*C1) определяет задержку включения тиристоров. Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного включения тиристоров и выраженный в электрических градусах, называется углом управления и обозначается буквой α Зависимость выходного напряжения от угла регулирования α называется регулировочной характеристикой.

Uвых

α

Управляемые трёхфазные выпрямители

Собирается по схеме Ларионова на 6 тиристорах, они выполняют выпрямление и стабилизацию. Применяются в выпрямителях серии ВУТ.

Схема Ларионова.

Сглаживающие фильтры.

При выпрямлении переменного тока получают пульсирующий постоянный ток, который вызывает помехи при питании аппаратуры связи, т.к содержит постоянную составляющую и переменную составляющую.

Чтобы устранить помехи, необходимо сгладить пульсацию, т.е выделить постоянную составляющую и подавить переменную составляющую. Для сглаживания пульсации применяют сглаживающий фильтр.

Понятия о допустимой пульсации.

Сглаживание пульсации производятся до допустимой пульсации. Допустимой называется пульсация, не вызывающая ощутимые помехи. Допустимая пульсация определяется опытным путем для каждой аппаратуры связи и фиксируется в ГОСТ 5237-83, принятый в 1983 году. Самая требовательная к пульсации является телефонная аппаратура, т.к связаны со слышимостью. Допустимая пульсация для телефонной аппаратуры равняется 5 мВ, измеренное псоффометром. Псоффометры измеряют на низких частотах, а на всех остальных – электронный вольтметр.

Характеристики фильтра.

Коэффициент фильтрации показывает во сколько раз уменьшается переменная составляющая проходя через фильтр. Фильтр уменьшает постоянную составляющую и в результате влияет на коэффициент фильтрации. Вводиться коэффициент сглаживания.

q = Кп1 / Кп2= (Um1 / Uo1) / ( Um2 /Uo2 ) = (Um1 /Um2) / (Uo2/Uo1) = Kф / Кп

где q- коэффициент сглаживания;

Кп1,Кп2- коэффициент пульсации до фильтрации и после фильтрации;

Um1,Um2 – амплитудное значение первой гармоники до фильтрации и после фильтрации.

Uo1,Uo2 – среднее значение выпрямленного напряжения до фильтрации и после фильтрации

Кф – коэффициент фильтрации, Кп – коэффициент передачи

Кп =1 ( в идеале), тогда q = Кф;

Виды сглаживающих фильтров

1.LC- фильтры

2.Транзисторные фильтры

3.Фильтр из аккумуляторной батареи.

LC- фильтры

1.Однозвенные LC- фильтры.

2.Многозвенный LC-фильтр.

3.Резонансные LC- фильтры.

.Однозвенные LC- фильтры

Подразделяются по форме на Г- образные, П-образные, Т- образные и составляются из дросселей и конденсаторов. Х_L оказывает сопротивление переменному току и соединяется последовательно с нагрузкой, X_C оказывает сопротивление постоянному току и соединяется параллельно с нагрузкой, поэтому должно быть Х_L >>R_Н, X_C <<R _Н. Применение получили Г-образные фильтры (Рис.3), т.к. имеют малые габариты и потери. Коэффициент сглаживания определяется по формуле: q_n=ώ_n² LC-1, q_n < = 25, собранный из стандартных деталей, при q >25 применяются многозвенные фильтры.

Рис.3. Однозвенный Г-образный фильтр.

Многозвенные фильтры

Составляются из однозвенных Г-образных фильтров путем последовательного соединения. Общий коэффициент фильтрации определяется путем умножения коэффициента фильтрации всех звеньев (Рис 4). q _общ.= q _{1 *}q _{2 *}…_*q _n

Рис 4. Многозвенные фильтры

Резонансный фильтр.

Предусмотрен для сглаживания первой гармоники, на частоту которой настроен контур. Для остальных гармоник предусматриваются дополнительные фильтры из дросселя и конденсатора. Обычно резонансные фильтры настроены на частоту первой гармоники. В зависимости от конденсатора они подключаются с параллельным и последовательным контуром. В параллельном контуре (Рис.5 ) в момент резонанса сопротивление максимально, поэтому резонансная гармоника не проходит, для остальных гармоник сопротивление минимально. Для них подключают фильтры из дросселей и конденсаторов, для последовательного контура происходит наоборот.

Рис.5 Резонансный фильтр с параллельным контуром.

Транзисторный фильтр.

LC-фильтры не могут выполняться в интегральном исполнении из-за дросселя, поэтому дроссель заменяют транзистором и получают фильтр в виде микросхемы. Для получения тока Iк=const рабочая точка выбирается на пологой части выходной характеристики транзистора. Переменный ток протекает через конденсатор С и резистор R. Сопротивление резистора должно быть меньше сопротивления нагрузки. R<< Rн.

Коэффициент фильтрации определяется:

Кф=(r_б² _/ r_к²_+Хс²/ r_к² +х_с²/ R² + 2х_с²/R r_k) ^-1/2

Где Хс=1/ m 2πfC; r_{k ,}r_б –сопротивления коллектора и базы транзистора.

Недостаток транзисторного фильтра - малое КПД=40%- 60% и зависимость выходного напряжения от входного.

Фильтры из аккумуляторной батареи.

Аккумулятор имеет малое сопротивление переменному току и большое сопротивление постоянному току и является дополнительным фильтром при работе параллельно с выпрямителем в буферной системе питания.

Стабилизаторы напряжения и тока

Называется устройство для поддержания напряжения или тока на одном и том же уровне при изменении напряжения источника, тока нагрузки и температуры окружающей среды. Эти три фактора называются дестабилизирующими..

Классификация стабилизаторов:

1.По принципу действия:

а) Параметрический.

б) Компенсационный.

Параметрическим является стабилизатор, который производит регулировку напряжения и тока путем изменения параметров нелинейных элементов(дросселей, конденсаторов, диодов).

Компенсационный стабилизатор производит регулировку путем компенсации изменения выходного напряжения при помощи цепи обратной связи.

По роду тока стабилизаторы бывают постоянного и переменного тока.

По стабилизационной величине стабилизатор бывают со стабилизацией тока и стабилизацией напряжения.

Характеристики стабилизатора:

1. Коэффициент стабилизации.

Кст.= (∆ U вх./ Uвх.ном ) / ( ∆Uвых./ Uвых.ном.);

Коэффициент стабилизации показывает во сколько раз относительные

изменения входного напряжения уменьшаются на выходе при прохождении

через стабилизатор.

2. Точность стабилизации/

δ= ( ∆Uвых./ Uвых.ном.) * 100%;

Точность стабилизации показывает погрешность стабилизации.

3. КПД.

ή= Р2 / Р1

4. Температурный коэффициент нестабильности.

Т.К.Н. = ∆ I н/ ∆ t

Параметрический стабилизатор переменного тока.

1. Дроссель с насыщенным сердечником.(ДРУ),применяется в ВУК,ВУЛС.

2. Феррорезонансный стабилизатор (ФРС), применяется в ВБ.

Дроссель насыщения и ФРС являются электромагнитными стабилизаторами.

Достоинства:

1. Простота конструкции.

2. Большой срок службы.

3. Применяется на любые мощности.

Недостатки:

Большие габариты и вес, малая скорость регулировки(2-3 сек.), низкое КПД.

Дроссель насыщения.

Конструкция

Состоит из замкнутого сердечника Ш-образной формы и двух обмоток: обмотки дросселя и обмотки подмагничивания.

Принцип действия

Для регулировки выходного напряжения изменяется напряжение на дросселе. Для этого меняют намагниченность сердечника при помощи обмотки постоянного тока, (обмотки подмагничивания). Для автоматической регулировки постоянного тока установлена следящая система.

Например:

Если выходное напряжение увеличивается, то следящая система преобразует повышение напряжения в пониженный ток и подает в обмотку постоянного тока. Тогда намагниченность сердечника уменьшается и сопротивление дросселя увеличивается. В результате напряжение дросселя увеличивается, а напряжение нагрузки уменьшается до стабильного. Время регулировки 2-3 секунды, точность стабилизации ± 2-3%, КПД составляет 50-60 %.

Феррорезонансный стабилизатор.

Состоит из дросселя с ненасыщенным сердечником, компенсационного дросселя, трансформатора с насыщенным сердечником.

Принцип действия:

При подключении к сети происходит резонанс токов в контуре СрWp, т.к он настроен на частоту сети 50 Гц. В момент резонанса протекает большой резонансный ток в первичной обмотке и намагничивает сердечник до насыщения. С момента насыщения магнитный поток не меняется, поэтому ЭДС на вторичной обмотке не меняется. С этого момента происходит стабилизация. Точность стабилизации небольшая, поэтому для улучшения стабилизации подключают компенсационный дроссель, намотанный встречно вторичной обмотке. Дроссель компенсирует изменение напряжения и тока нагрузки. Точность стабилизации ± 2%, КПД = 80%.

Параметрический стабилизатор постоянного тока на кремниевом стабилитроне.

Кремниевый диод при подаче обратного напряжения становится стабилизатором после электрическогопробоя и называется стабилитроном. ( Рис 6 ).

Рис.6 Параметрический стабилизатор постоянного тока на

кремниевом стабилитроне.

Стабилизация осуществляется за счет использования свойств нелинейного элемента. В большинстве случаев ПС используются при создании источника опорного напряжения ИОН, входящих в состав непрерывных и импульсных стабилизаторов напряжения. В качестве нелинейного элемента, обеспечивающего стабилизацию выходного напряжения, обычно применяют полупроводниковые стабилитроны.

-коэф. стабилизации напряжения. Из уравнения видно, что коэфф-т стабилизации напряжения в однокаскадном ПС тем больше, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона и больше балластное сопротивление Rб. С изменением температуры напряжение стабилизации термонекомпенсированных стабилитронов изменяется (увеличивается). Для повышения его стабильности и уменьшения температурного коэффициента напряжения последовательно со стабилитроном включается в прямом направлении полупроводниковые диоды. Падение напряжения на них уменьшается при увеличении температуры. В результате при соответствующем подборе параметров диодов можно существенно уменьшить результирующее изменение напряжения стабилизации. КПД стабилизатора составляет 5%-20% .Параметрические стабилизаторы применяются в маломощных цепях в качестве источников опорного напряжения. (ИОН)

Рис.7. Параметрические стабилизаторы с термокомпенсацией.