122. Стабилизаторы постоянных тока и напряжения с использованием нелинейных резисторов.

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения (тока) потребителя, являются: колебания питающих напряжений; изменения потребляемой нагрузкой мощности; колебания частоты тока сети; изменения температуры окружающей среды и др.

Рис.6.1. Вольт-амперные характеристики нелинейных элементов:

1 - для стабилизации напряжения, 2 - для стабилизации тока

Изменения питающих напряжений возникают из-за нестабильности напряжения питающей сети. Большая часть потребителей питается от промышленной сети переменного тока, имеющей частоту 50 Гц. Колебания напряжения такой сети могут достигать -15...+5% от номинального значения. При питании устройств от маломощных энергетических сетей или от автономных источников колебания напряжения могут достигать -20...+10%, а иногда и более.

Изменение мощности, потребляемой аппаратурой, вызывает изменение тока потребителя. Изменение тока приводит к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника и сопротивлении соединительных проводов. Чем больше внутреннее сопротивление источника и сопротивление соединительных проводов, тем большими будут изменения напряжения при изменении тока нагрузки.

Колебания частоты тока сети могут привести к изменению выходного напряжения и к изменению пульсации в источниках постоянного тока. Изменение температуры окружающей среды может вызвать изменение выходного напряжения (тока) из-за изменения параметров элементов, используемых в устройствах электропитания. Назначением стабилизаторов напряжения (тока) является уменьшение влияния всех дестабилизирующих факторов.

Стабилизаторы разделяют в зависимости от рода напряжения (тока) на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В свою очередь они делятся на стабилизаторы параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются нелинейные элементы и стабилизация напряжения (тока) осуществляется за счет нелинейности их вольт-амперных характеристик.

На рис 6.1 изображены вольт-амперные характеристики нелинейных элементов, используемых для стабилизации напряжения и тока. Для стабилизации переменного напряжения используются дроссели с насыщенным ферромагнитным сердечником. Для стабилизации постоянного напряжения находят широкое применение кремниевые стабилитроны, стабисторы. В стабилизаторах тока используются полевые и биполярные транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему автоматического регулирования, содержащую цепь отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в данных устройствах достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи. В компенсационных стабилизаторах напряжения сигнал обратной связи является функцией выходного напряжения, а в стабилизаторах тока - функцией выходного тока.

В зависимости от вида регулирования они, в свою очередь, подразделяются на непрерывные, импульсные и непрерывно-импульсные стабилизаторы.

Параметры стабилизаторов напряжения можно разделить на качественные, энергетические и массогабаритные, характеризующие их удельный объем и массу.

Основными качественными параметрами как параметрических, так и компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения и тока являются:

а) для стабилизаторов напряжения

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению - отношение относительных приращений напряжений на входе и выходе стабилизатора:

где ∆U_вх и ∆U_вых - приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки; соответственно ∆U_вх, ∆U_вых - номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора.

В некоторых случаях качество стабилизации напряжения оценивается по статической ошибке δ, которая представляет собой отношение приращения выходного напряжения к его номинальному значению. Статическая ошибка, так же как и коэффициент стабилизации, определяется при неизменном токе нагрузки стабилизатора (I_н=const): δ=∆U_вых/U_вых

2. Внутреннее сопротивление стабилизатора r_i, равное отношению приращения выходного напряжения ∆U_вых к приращению тока нагрузки ∆I_Н, при неизменном входном напряжении U_вх=const: r_i =∆U_вых /∆I_н

Вместо r_i может быть задана статическая ошибка стабилизатора по нагрузке δ_i при U_вх=const и изменяющемся токе нагрузки δ_i=∆U_вых/U_вых

Зная внутреннее сопротивление стабилизатора, можно определить изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки. В стабилизаторах напряжения внутреннее сопротивление может достигать тысячных долей ома.

2. Коэффициент сглаживания пульсации

Где U_вх, U_вых - амплитуды пульсации входного и выходного напряжений стабилизатора соответственно.

2. Температурный коэффициент стабилизатора, равный отношению приращения выходного напряжения ∆U_вых к приращению температуры окружающей среды ∆t_окр при неизменном входном напряжении и токе нагрузки (U_вх=const, I_вх=const):

γ=∆U_вых/∆t_окр

б) для стабилизаторов тока

1. Коэффициент стабилизации стабилизатора тока по входному напряжению

где I_н ,∆I_н - ток и приращение тока в нагрузке соответственно.

Коэффициент К_{ст т} определяется при постоянном сопротивлении нагрузки (R_н=const).

2. Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки

где R_н,∆R_н - сопротивление нагрузки и приращение сопротивления нагрузки стабилизатора при постоянном входном напряжении соответственно; г_i - внутреннее сопротивление стабилизатора. Коэффициент К_Rн определяется при постоянном входном напряжении (U_вх=const);

3. Температурный коэффициент стабилизатора γ=∆I_н /∆t_окр

Энергетическими параметрами стабилизаторов постоянного напряжения и тока являются:

1. Коэффициент полезного действия η равный, отношению активней мощности, к отдаваемой стабилизатором в нагрузку, к активной мощности, потребляемой стабилизатором от сети: η=P_вых/P_вх

2. Мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе Ррэ. Массогабаритными параметрами стабилизаторов является удельная мощность

(P_вых/V_ст) (Вт/дм³) и (P_вых/G_ст) (Вт/кг), где V_ст, G_ст, - объем и масса стабилизированного источника электропитания соответственно.

Стабилизаторы переменного напряжения (тока) характеризуются дополнительными параметрами, а именно стабильностью выходного напряжения (тока) в зависимости от изменения частоты питающего напряжения, коэффициентом мощности cosφ, коэффициентом искажения формы кривой выходного напряжения (тока).