Стабилизаторы напряжения и тока

Стабилизаторы напряжения и тока.
Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматический обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.
Дестабилизирующие факторы:

1. 
   колебание напряжения сети (от +5% до -15%)
   
2. 
   температура окружающей среды.
   

Классификация стабилизаторов по признакам:

1. 
   по роду стабилизируемой величины – стабилизаторы напряжения и тока;
   
2. 
   по способу стабилизации – параметрические и компенсационные;
   

При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной ВАХ, имеющей пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующих факторов (стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания, транзисторы). При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения обеспечивается за счет автоматического регулирования входного напряжения источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.
Параметры стабилизации:

1. 
   Коэффициент стабилизации по напряжению 
   
2. 
   Коэффициент стабилизации тока
   
3. 
   Внутреннее сопротивление стабилизатора. Определяет падение напряжения на стабилизаторе.
   
4. 
   Напряжение на выходе U_н=U_ст
   

КПД 
Параметрический стабилизатор напряжения
Сп омощью такого стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон Д,можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер.
П ринцип действия параметрического стабилизатора напряжения легко объяснить по ВАХ стабилитрона и «опрокинутой» ВАХ R_б.
При увели­чении напряжения U_вх1(положение 1) на ΔU_вх1, например из-за повы­шения напряжения сети, вольт-ам­перная характеристика резистора R₆ переместится параллельно самой себе и займет положение 2.Из рисунка видно, что напряжение (U_ст2мало отличается от напряженияU_ст1, т. е. практически напряжение на стабили­троне и на нагрузочном резисторе R_б останется неизменным. Напряжение на нагрузочном устройстве останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного токаI_н.
Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопро­тивление резистора R₆должно быть таким, чтобы его вольт-амперная характеристика пересекала вольт-амперную характеристику стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току ста­билитронаI_ст._ном, значение которого указано в паспортных дан­ных стабилитрона.
Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора на­пряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30÷50.
I_ст.min – минимальное значение тока, протекающего через стабилитрон, при котором обеспечивается режим стабилизации.
I_ст.max– максимально допустимый ток, протекающий через стабилитрон.
U_ст.ном – номинальное напряжение, на которое рассчитан данный стабилитрон.

Ток через стабилитрон задают, исходя из условия:



Основными достоинствами параметрических стабилизаторов на­пряжения являются простота конструкции и надежность работы.
К недостаткам следует от­нести небольшой коэффи­циент полезного действия, не превышающий 0,3, боль­шое внутреннее сопротив­ление стабилизатора (5—20 Ом), а также узкий и нерегулируемый диапа­зон стабилизируемого на­пряжения.
Параметрический стабилизатор тока.
Вп араметрических стабилизаторах тока нелинейный элемент вклю­чают последовательно с нагрузочным устройством. Рассмотрим ВАХ применяемого в качестве нелинейного элемента прибора. Как видно, при изменении напряжения отU_BXдоU'_BXнапряжение на нелинейном элементе изменяется отU_нэдо значенияU'_нэ,а нагру­зочный токI_н, являющийся также током через нелинейный элемент, практически не изменяется.
В параметрических стабилизаторах тока в качестве нелинейно­го элемента используют биполярные и полевыё транзисторы. Значение стабилизируемого тока определяется резистором R₀. Коэффициент стабилизации тока в таком стабилизаторе составляет несколько десятков. (30÷50).
Компенсационные стабилизаторы.
Ко мпенсационный стабилизатор состоит из блока сравнения БС,в который входят источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель, усилителя постоянного тока Уи регулирующего элемента (транзистора) РЭ.

1. 
   Ст абилизатор непрерывного действия.
   

В этом стабилизаторе в блок сравнения БС входят пара­метрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона Д и резис­тора R₆,и резистивный делитель R₁R₂R₃.Усилителем постоянного тока является усилитель на маломощном транзисторе Т₂и резисто­ре R_K.В качестве регулирующего элемента используется мощный транзистор Т₁.В рассматриваемом компенсационном стабилизаторе происходитнепрерывноесравнение напряжения на нагру­зочном резистореU_н(или части его) с опорным напряжениемU_oп, создаваемым с помощью параметрического стабилизатора.
При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока I_ннапряжениеU_нповышается, отклоняясь от номинального значения. Часть напряженияU_н, равная βU_н(β— коэффициент деления резистивного делителяR₁R₂R_3,  ), являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением U_оп,снимаемым с параметрического стаби­лизатора. Так как опорное напряжение остается постоянным, то напряжение между базой и эмиттером транзистора Т₂из-за увели­чения напряжения βU_нуменьшается. Следовательно, коллекторный ток транзистора Т₂снижается. Это приводит к уменьшению напря­жения между базой и коллектором транзистора Т₁, что равносильно увеличению его сопротивления. Вследствие этого падение напряже­ния на транзисторе Т₁возрастает, благодаря чему напряжение U_н приобретает значение, близкое к номинальному с определенной степенью точности. С помощью переменного резистораR₂осуществ­ляется регулирование напряжения U_н.
К достоинствам компенсационных стабилизаторов постоянных напряжения и тока относятся: высокий коэффициент стабилизации (К>1000); низкое внутреннее сопротивление; отсутствие собственных помех.
Недостатками являются: невысокие значения коэффициента по­лезного действия, не превышающие 0,5—0,6; большая сложность, следовательно, меньшая надежность по сравнению с параметриче­скими стабилизаторами; значительные масса, габариты и стоимость стабилизаторов.

2. 
   Импульсный стабилизатор
   

По способу управления регулирующего элемента делится на:
а) Релейные (двухпозиционные):

РЭ – регулирующий элемент
Ф – фильтр
БС – блок сравнения
ИБ – импульсный блок
б) Широтно-импульсной модуляции
Г И – генератор импульсов
ГЛИН – генератор линейно изменяемого напряжения
Управляемые выпрямители
Часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значе­ние выпрямленного напряжения.
Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называют управляе­мыми выпрямителями.
Основным элементом современных управляемых выпрямителей является тиристор.
Уп рав­ление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к управлению во времени моментом отпирания (включения) тирис­тора. Это осуществляется за счет сдвига фаз между анодным напря­жением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод ти­ристора. Такой сдвиг фаз называют углом управления, а способ управления называют фазовым.
Управление величиной а осуществляют с помощью фазовращающей R₂С-цепи, которая позволяет изменять угол α от 0 до 90°. При этом выпрямлен­ное напряжение регулируют от наибольшего значения до его поло­вины.
Резистором R₁изменяют напряжение, подаваемое на управ­ляющий электрод тиристора.
Диод Д обеспечивает подачу на управля­ющий электрод положительных однополярных импульсов.
К недостаткам можно отнести нестабильность угла α (т.к. свойства тиристора и кривая открывания подвержены влиянию внешних факторов (температуры)). (Уменьшают длительность импульсов, подаваемых на управляющий электрон)