Основные параметры и принцип действия стабилизаторов напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Содержание

Введение

1. Вторичные источники питания

2. Классификация стабилизаторов напряжения

2.1 Компенсационные стабилизаторы напряжения

2.2 Параметрический стабилизатор напряжения

2.3 Транзисторные стабилизаторы напряжения

2.4 Интегральные стабилизаторы напряжения

2.5 Транзисторный компенсационный стабилизатор постоянного напряжения с непрерывным регулированием

2.6 Импульсные стабилизаторы

2.7 Стабилизаторы с двойным управлением

3. Преимущество и область применения

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В промышленной сети напряжение не постоянно в течение суток: в зависимости от потребления энергии промышленными предприятиями, электрическим транспортом и расхода в наших квартирах напряжение в сети то возрастает, то убывает. Следовательно, при питании аппаратуры от этой сети будет изменяться напряжение и на обмотках трансформатора, а значит, и на выходах выпрямителя и фильтра. Если колебания напряжения сети составляют ±10%, то в таких же пределах изменяется и величина выпрямленного напряжения. При изменении питающего напряжения нарушается режим работы электронных приборов (транзисторов, электронных ламп), что приводит к ухудшению параметров всего устройства. Например, в радиоприемнике при изменении режима работы транзисторов могут возникнуть сильные искажения звука, хрипы, гудение. Такие же явления наблюдаются в нем при питании от химических источников тока, напряжение которых по мере разрядки уменьшается. Чтобы этого не происходило, напряжение питания электронных устройств часто стабилизируют. Здесь возможны два способа: стабилизация переменного напряжения на входе силового трансформатора или стабилизация выпрямленного напряжения. В первом случае применяют специальные феррорезонансные стабилизаторы. Их недостатками являются большие габариты и вес. Чаще прибегают к стабилизации выпрямленного напряжения, осуществляемой с помощью электронных стабилизаторов.

1. Вторичные источники питания

Приборы этой группы не являются непосредственно измерительными, поскольку они используются в качестве промежуточного звена между объектом измерения и собственно измерительным прибором. К ним относятся измерительные преобразователи, усилители, трансформаторы и стабилизаторы.

Измерительные преобразователи осуществляют получение и первичную обработку информации от контролируемого объекта. Измерительные преобразователи представляют собой четырех- или шестиполюсник, обладающий зависимостью между входной и выходной величинами, заданной с определенной точностью.

Усилители предназначены для расширения пределов измерения электроизмерительных приборов в сторону малых сигналов. Усилители выпускаются в виде отдельных устройств или блоков

Трансформаторы предназначены для измерения больших переменных и постоянных токов и напряжении путем преобразования их в меньшие токи и напряжения. Особенностью измерительных трансформаторов является нормирование их коэффициента трансформации, погрешность которого в процентах соответствует классу точности трансформатора.

Стабилизаторы предназначены для питания электроизмерительных приборов при их поверке, а также для питания других электрических цепей, требующих высокой стабильности питающего напряжения и токов.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее неизменным напряжение на нагрузке при изменении питающего напряжения сопротивления нагрузки, температуры, окружающей среды и воздействии других дестабилизирующих факторов, способных привести к изменению напряжения на нагрузке.

2. Классификация стабилизаторов напряжения

2.1 Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационным стабилизатором называется стабилизатор, в котором стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения или тока на его регулирующее устройство через цепь обратной связи.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Основными параметрами, с помощью которых оцениваются стабилизаторы, является нестабильность выходного напряжения, выходное сопротивление, уровни пульсации на выходе и входе, температурный коэффициент и КПД.

Нестабильность выходного напряжения характеризуется изменением установившегося выходного напряжения Входное сопротивление стабилизатора, характеризуется отношением изменения выходного напряжения к изменению тока нагрузки при постоянном входном напряжении. Уровень пульсации напряжения на входе стабилизатора, возникающий при работе самого стабилизатора, характеризует совместимость последнего с другой аппаратурой, питающейся от общего первичного источника. Температурный коэффициент напряжения стабилизатора показывает степень стабильности его выходного напряжения от изменения его окружающей температуры. Коэффициент полезного действия стабилизатора равен отношению мощности, потребляемой нагрузкой, к мощности на выходе стабилизаторам.

Компенсационные стабилизаторы могут работать на переменном или постоянном напряжении и используют принцип непрерывного или импульсного автоматического регулирования стабилизируемого параметра (напряжения или тока).

Существуют 2 основные схемы:

- с последовательным включением регулируемого элемента по отношении к нагрузке.

- с параллельным включением регулируемого элемента.

Рисунок 1. - Структурная схема компенсационного стабилизатора с

последовательным включением регулируемого элемента

Рисунок 2. - Структурная схема компенсационного стабилизатора с

параллельным включением регулируемого элемента

В компенсационном стабилизаторе с последовательным включением регулируемого элемента напряжение на нагрузке Uн сравнивается с опорным напряжением

, (1)

где - коэффициент усиления. В реальных стабилизаторах источник опорного напряжения (ИОН) питается от выходного стабильного напряжения .

, (2)

где - внутреннее потребление.

Недостатки:

- последовательное включение по отношению к нагрузке РЭ, требует большой пропускной способности по току в стабилизаторах с непрерывным регулированием;

- на РЭ постоянно рассеивается энергия и КПД трудно обеспечить выше 60%.

На практике используют импульсный режим автоматического регулирования. Разгрузить РЭ по току позволяет схема с параллельным включением РЭ по отношению к нагрузке (рисунок 2).

, тогда

Схема позволяет применить РЭ малой мощности, но ставит добавочное сопротивление (ДС). Схема целесообразна в устройствах малой мощности с импульсным питанием. Приведенные функциональные схемы отражают принципы работы в импульсных стабилизирующих устройствах, обеспечивающие импульсный режим работы.

2.2 Параметрический стабилизатор напряжения

Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на кремниевом стабилитроне, схема которого приведена на рис. 3.

Схема на стабисторе выглядит аналогично с той лишь разницей, что полярность включения стабистора прямая.

Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток I_СТ, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем I_СТ.МИН, и больше, чем I_{СТ.МАКС}. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке R_H напряжение, называемое напряжением стабилизации U_СТ стабилитрона, будет оставаться постоянным. Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Поэтому в справочниках приводятся обычно минимальная и максимальная границы значений напряжения или указывается номинальное напряжение стабилизации U_CT и его допустимый разброс ?U_CT.

Если напряжение U_ВХ, поступающее на вход стабилизатора (рис. 3), в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения U_BX.МИН до наибольшего U_BX.МАКС, то при неизменном напряжении на стабилитроне все изменения входного напряжения должны гаситься на резисторе R1. Поэтому резистор R1 называют гасящим, или балластным. Чтобы при этом изменения тока, протекающего через стабилитрон, не выходили за пределы, ограниченные значениями I_СТ.МИН и I_{СТ.МАКС}, нужно правильно рассчитать сопротивление этого резистора.

Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора (U_ВХ/U_ВХ) к относительному изменению напряжения на его выходе (U_ВыХ/U_ВыХ) называют коэффициентом стабилизации (К_СТ).

Следовательно,

Стабилизатор на кремниевом стабилитроне имеет еще одно свойство. Дело в том, что стабилитрон обладает очень малым сопротивлением переменному (пульсирующему) току, называемым дифференциальным сопротивлением - r_д.ст. Чем круче характеристика в области пробоя, тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Для большинства маломощных стабилитронов r_д.ст=5...15 Ом. Вместе с резистором R1 дифференциальное сопротивление стабилитрона образует делитель (рис. 4), между плечами которого распределяются как постоянная составляющая выпрямленного напряжения, так и его пульсации.

Если амплитуду пульсаций на входе стабилизатора обозначить через U_П.ВХ, а на выходе - через U_П.ВХ, то в соответствии с рис. 4 получим

Так как r_д.ст >> R1, то r_д.ст/(R1+ r_д.ст) << 1 и оказывается, что U_П.ВЫХ<<U_П.ВХ.

Снижение пульсаций в выходном напряжении свидетельствует об уменьшении коэффициента пульсаций. Таким образом, простейший стабилизатор помимо стабилизации выходного напряжения осуществляет сглаживание пульсаций в выходном напряжении.

Важным параметром стабилизатора является его выходное сопротивление (R_ВЫХ), которое определяется как отношение изменения выходного напряжения стабилизатора к изменению тока нагрузки (?I_H) при неизменном входном напряжении:



Для простейшего стабилизатора R_ВЫХ= r_д.ст.

2.3 Транзисторные стабилизаторы напряжения

Во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения.

Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображена на рис. 5, а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эмиттерную цепь которого включена основная нагрузка Rн.

Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем Iэ << Iк. Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА).

Рассмотрим работу транзисторного стабилизатора. Из рис. 5, а видно, что напряжение на нагрузке (U_H) отличается от напряжения на стабилитроне (U_СТ) на напряжение, падающее на эмиттерном переходе U_ЭБ транзистора VT2, т. е. U_H=U_CT-U_ЭБ. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку I_H, и напряжения U_H. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения U_ЭБ, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивления перехода коллектор-эмиттер. Вследствие увеличения сопротивления перехода коллектор-эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, наоборот, напряжение U_ЭБ повысится, что повлечет за собой увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор-эмиттер и напряжения на этом переходе.

Если вместо стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рис. 5, в. В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный резистор R_УСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке U_H вместе с напряжением на переходе эмиттер-база U_ЭБ транзистора VT равно напряжению U_УСТ, снимаемому с переменного резистора R_УСТ, т.е. U_H+U_ЭБ=U_УСT, откуда следует: U_H=U_УСТ-U_ЭБ.

При перемещении движка переменного резистора R_УСТ будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно, напряжение на нагрузке U_H. Таким способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения U_CT-U_ЭБ).

Если ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора приведена на рис. 6. Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (U_OC).

Из рисунка видно, что U_OC=U_CТ+ U_ЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько килоом.

2.4 Интегральные стабилизаторы напряжения

Сложность построения рассмотренных стабилизаторов возрастает с увеличением требований к параметрам выходного напряжения. Задача конструирования высококачественных стабилизаторов напряжения значительно упрощается, если использовать интегральные стабилизаторы. Эти стабилизаторы отличаются малыми размерами и в то же время позволяют получить стабильные параметры выходного напряжения, малочувствительные к изменениям температуры, влажности и другим внешним воздействиям.

Примером интегрального стабилизатора напряжения, является микросхема серии 142, имеющая множество разновидностей. ИМС этой серии позволяют получать фиксированное выходное напряжение, имеют защиту от перегрузок по току, выпускаются в металлополимерных корпусах, могут работать при температурах от -45 до +100°С и весят всего 2,5 г.



Корпус микросхемы соединен с металлической пластинкой, в которой имеется отверстие для крепления на терморассеивающем радиаторе. В качестве примера рассмотрим схемы стабилизаторов на микросхемах К142ЕН1 и К142ЕН2. Электрические принципиальные схемы ИМС К142ЕН1 и K142EH2 идентичны (рис. 7) и различаются только значениями допустимых входных и выходных напряжений.

Они содержат следующие основные узлы:

- источник опорного напряжения (транзисторы VT1 и VT2, диоды VD1 и VD2, резисторы R1 и R2);

- управляющий элемент (транзисторы VT3, VT4 и VT5, резистор R3);

- регулирующий элемент (транзисторы VT7 и VT8) и устройство защиты (транзисторы VT6, VT9, диод VD3 и резистор R4).

Типовая схема включения микросхемы К142ЕН1 или К142ЕН2 приведена на рис. 8.

Конденсатор С1, включенный между общей шиной и выводом 6 микросхемы, повышает устойчивость стабилизатора. Установка необходимого значения выходного напряжения осуществляется регулируемым делителем R1, R2, определяющим напряжение базы транзистора VT5 и в конечном итоге сопротивление регулирующего элемента (VT7 и VT8).



Коэффициенты нестабильности по напряжению и по току такого стабилизатора не превышают 0,5 и 2% соответственно при токе нагрузки от 50 до 150 мА. При напряжениях 20В для К142ЕН1 и 40В для К142ЕН2 значения выходных напряжений могут быть установлены соответственно в пределах 3…12 В и 12…30 В.

2.5 Транзисторный компенсационный стабилизатор постоянного

напряжения с непрерывным регулированием

Рассмотрим наиболее распространенную схему с последовательным включением регулирующего элемента.

Рис. 9.

, , , , .

Можно убедиться, что в схеме за счет действия отрицательной обратной связи, достигается стабилизация. Анализ показывает, что коэффициент стабилизации пропорционален в цепи ОС, который определяется:

(3)

(4)

Приведенная основа схем с непрерывным регулированием на практике может претерпевать различные усложнения по следующим направлениям. В РЭ для увеличения коэффициента передачи и согласования мощного РЭ с маломощным УПТ прим схема составного транзистора.

Рис. 10.

УПТ для термокомпенсации может быть построен по симметричной схеме (рисунок 11):

Рис. 11.

Для повышения устойчивости работы стабилизатора при импульсном потреблении тока нагрузкой на выходе стабилизатора может устанавливаться аккумулятор-емкость. Это подключение практически не увеличивает сглаживание пульсаций.

Увеличение сглаживания пульсаций достигается за счет:

- изменения способа питания УПТ (от отдельного дополнительного источника, непосредственно от входного стабилизатора, либо через эмиттерный повторитель от входного стабилизатора).

- изменения схемы сравнения, в частности при применении схемы сравнения с так называемой «с опущенной спорой».

В тех случаях, когда имеющиеся в распоряжении силовые трансформаторы не обеспечивают необходимый ток нагрузки Iн, применяется параллельное включение нескольких транзисторов (рисунок 12).

Рис. 12.

Используется также и последовательное включение транзисторов в РЭ для исключения опасности перегрузки по Uкэ. Последние меры так же усложняют стабилизатор в целом и на практике схемы отличаются значительным разнообразием. В особенности, они включают ещё и устройства защиты от перегрузки по току и напряжению или даже устройствами сигнализации.

2.6 Импульсные стабилизаторы

Рисунок 13. - Структурная схема импульсного стабилизатора:

СФ - сглаживающий фильтр;

ИЭ - импульсный элемент;

СхСиУ - схема сравнения и усиления

Эффективное сглаживание на рабочей частоте возможно фильтрами либо при условии достаточно большой рабочей частоты. Повышаются требования к быстродействию. ИЭ может работать в автоколебательном режиме (релейный стабилизатор). При этом изменяется как длительность импульсов тока так и частота следования импульсов в нагрузке.

Изменение частоты затрудняет эффективное сглаживание пульсации неперестраиваемым фильтром. Частоту срабатывания ИЭ можно специально задавать, синхронизируя его работу с помощью задающего генератора (ЗГ). В том случае регулирование осуществляется за счет длительности импульсов тока. РЭ, СхСиУ, ИОН схемно не отличаются от узлов, используемых в непрерывном стабилизаторе. В качестве ИЭ применяются релаксационные генераторы, мультивибраторы, триггеры и др. Импульсные стабилизаторы в отличие от стабилизаторов с непрерывным регулированием позволяют реализовать высокие КПД и широко используются в современной технике.

Недостатки:

- усложнение схемы;

- импульсный режим работы исключает принципиально возможность снижения пульсации до нуля

- осложнение обеспечения магнитной совместимости ИВЭП с электронной аппаратурой.

Для рационального использования непрерывного и импульсного методов регулирования и ослабления недостатков, соответствующих этим методам устройств, применяют стабилизаторы с двойным управлением.

2.7 Стабилизаторы с двойным управлением

Рисунок 14. - Структурная схема стабилизатора с двойным

управлением

Недостатки:

- высокие масса, габариты, стоимость;

- низкая эксплуатационная надежность;

- сложность.

В случае, если требуется получение повышенных значений коэффициента стабилизации, возможно использование двойного управления. Для этого РЭ ставятся на стороне как постоянного так и переменного тока. При этом коэффициент стабилизации получающегося таким образом двухкаскадного стабилизатора равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных каскадов. В качестве РЭ на стороне переменного тока могут использоваться диодно-транзисторные схемы, тиристоры, магнитные усилители.

3. Преимущество и область применения

компенсационный транзисторный стабилизатор напряжение

Трудно оценить ту роль, которую играет электричество в жизни современного общества. Пожалуй, нет той области деятельности человека, где бы оно ни заняло свои прочные позиции. Растет потребление электрической энергии на производстве, быстрыми темпами «энерговооружается» наш быт. Компьютеры, аудио-, видеосистемы, телевизоры, домашние кинотеатры, бытовая техника, индивидуальные системы жизнеобеспечения, - стали обязательными и необходимыми элементами каждого дома. При автоматическом управлении сложными технологическими процессами, на крупных электростанциях, на объектах с развитой системой электроснабжения широко применяются системы, осуществляющие сбор, обработку, хранение и представление в удобной форме измерительной информации.

Параметрические стабилизаторы применяются в маломощных цепях, где требуются высокостабильные источники напряжения.

Преимущество параметрических стабилизаторов:

· имеет простое устройство,

· малое количество деталей

· с успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего значения тока, протекающего через

· стабилитрон и находящегося в пределах между I_СТ.МИН и I_{СТ.МАКС}.

Компенсационные стабилизаторы целесообразно применить, когда мощность нагрузки невелика и требуется высокая стабильность напряжения при суммарном воздействии дестабилизирующих факторов, а также при близких значениях напряжений источника и нагрузки.

Преимущество компенсационных стабилизаторов:

· Высокая надежность

· Быстродействие

· Малое выходное сопротивление

· Способность к подавлению пульсации входного напряжения

· Отсутствие электромагнитных помех и пульсации напряжения

· Могут работать на переменный или постоянный ток и используют принцип непрерывного или импульсного автоматического регулирования стабилизируемого параметра.

Недостатки:

· последовательное включение по отношению к нагрузке РЭ, требует большой пропускной способности по току в стабилизаторах с непрерывным регулированием;

· на РЭ постоянно рассеивается энергия и КПД трудно обеспечить выше 60%.

Заключение

По проделанной мной работе я узнала очень многое про стабилизаторы напряжения, их функции, роли, они несут очень большую пользу в нашу жизнь. По имеющимся оценкам, проблемы качества электроэнергии обходятся промышленности и в целом деловому сообществу Европейского Союза (ЕС) около 10 млрд. евро в год, в то время как затраты на превентивные меры составляют менее 5% от этой суммы. При этом наиболее часто встречающейся аварией для энергосетей развитых стран являются провалы напряжения - кратковременное понижение напряжения, связанное с резким увеличением нагрузки в сети. Как правило, их причиной является включение мощных потребителей, таких, например, как мощные двигатели или трансформаторы.

Проблема качества электроэнергии у нас стоит особенно остро. Начнем с того, что повышенное напряжение в отечественных сетях, встречается так же часто, как и пониженное.

Сбои электропитания, вызванные изменением частоты, «обгоранием нуля», высоким уровнем электромагнитных помех, наличием постоянной или высокочастотной составляющей напряжения, т.е. тем и возмущениями, которые чрезвычайно редки на западе, стали ежедневной реальностью,

Однако, в отличие от кратковременных провалов напряжения, характерных для большинства развитых стран, для нас более характерны длительные просадки напряжения, имеющие ярко выраженный циклический или сезонный характер. Напряжение, стабильное ночью, снижается с началом рабочего дня, достигая своего минимума в его середине и, вновь возрастает вечером, когда большинство мощных потребителей отключается. Похожая картина наблюдается также весной и осенью, когда начинается или наоборот заканчивается отопительный сезон.

Когда на улице холодно, а тепло еще не включили или, наоборот, отключили, большинство людей реагируют одинаково - включают нагреватели. «Слабые» электрические сети при этом, садятся еще больше, вплоть до их полного отключения вследствие срабатывания защит. Постоянно пониженное напряжение наблюдается в сельских и загородных сетях. Это связано, в первую очередь, с большой протяженностью сетей, а во вторую очередь, недостатком генерирующих и преобразующих мощностей.

Список используемой литературы

1. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем: Учебник. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - Мн.: Высшая школа, 2000.

2. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электрические устройства. / Под ред. А.Я. Шихина: Учебник. - М.: Энергоиздат, 2000. - 336 с.

3. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Три Л, 2000. - 400 с.

4. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Кн. 2. - М.: Альтекс А, 2002. - 191 с.

Размещено на Allbest.ru