При питании большинства потребителей электроэнергией требуется регулировать некоторые ее параметры: напряжение, ток, частоту и т.д. Регулированием называется процесс изменения по заданному закону или поддержание неизменности (стабилизации) какого-либо параметра. Регулирование может быть произведено как вручную, так и автоматически. В схемах питания наиболее часто требуется автоматическое регулирование напряжения с целью его стабилизации на заданном уровне при различных возмущающих воздействиях.

Электронные устройства, осуществляющие стабилизацию напряжения в пределах широкого диапазона уровней стабилизации, называется регуляторами - стабилизаторами.

Если такое устройство предназначено для стабилизации напряжения в узком диапазоне, то его называют стабилизатором, если в широком (нет существенных ограничений на диапазон регулирования) – регулятором.

Регуляторы-стабилизаторы напряжения так же как и регуляторы-стабилизаторы других параметров электрической энергии (например, тока или частоты) могут рассматриваться как преобразователи электроэнергии в том смысле, что они изменяют (преобразуют) ее параметры и качество.

На выходное напряжение преобразователя электроэнергии влияют различные факторы: изменение выходного напряжения и тока нагрузки, температура окружающей среды и др. Поскольку эти факторы вызывают изменения выходного напряжения, их называют возмущающими. Точность поддержания выходного напряжения при воздействии различных возмущающих факторов характеризуется соответствующими параметрами стабилизации.

Основным, обычно наиболее сильным возмущающим фактором является изменение входного напряжения регулятора. Стабильность выходного напряжения при изменении входного характеризуется коэффициентом стабилизации по напряжению К_ст.U, который определяется следующим выражением:

где U_вх и U_вых – установленные входное и выходное напряжения;

ΔU_вх и ΔU_вых – отклонение входного и выходного напряжений.

Т.к. коэффициент К_ст.U в общем случае зависит от U_вх и U_вых, то его значение определяют для конкретного режима работы (как правило, номинального), т.е. в формулу подставляют значения U_вх.н и U_вых.н. Обычно значения К_ст.U определяется для статического (установившегося) режима работы преобразователя. При определении качества стабилизации в динамическом режиме вводят дополнительные параметры оценки качества (время переходного процесса, его характер и другие). Влияние на выходное напряжение нагрузки учитывается внутренним (выходным) сопротивлением преобразователя:

где (ΔU_вых.)_I - отклонения выходного напряжения, вызванные изменением нагрузки,

ΔI_вых. - изменение тока нагрузки.

Отклонение выходного напряжения, вызванное изменением температуры элементов преобразователя, характеризуют коэффициентом стабилизации по температуре К_ст.U.т измеряемой при неизменных значениях входного напряжения и тока нагрузки:

где ΔU_вых.Т - отклонение выходного напряжения, вызванное изменением температуры;

ΔТ - изменение температуры окружающей среды (в установившемся тепловом режиме это соответствует изменению температуры элементов преобразователя).

3 Стабилизаторы напряжения и тока

К стабильности напряжений и токов, обеспечиваемой источником питания, предъявляются жесткие требования. (Наиболее высоки в области измерительной и приборостроительной техники.) Например, у источника калибровочного напряжения цифрового вольтметра класса 0,1 общая нестабильность напряжения не должна превышать 0,02%.

Несмотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении нагрузки может изменяться. (Так как при сглаживании пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки)

Улучшение характеристик источника достигается путем применения стабилизаторов. Большое применение получили полупроводниковые стабилизаторы, их преимущества – экономичность, надежность, массогабаритные показатели и т.д.

Стабилизаторами напряжения и тока принято называть устройство, включаемое в канал передачи энергии с целью уменьшения относительных изменений величины (тока и напряжения) при колебаниях напряжения источника и сопротивления нагрузки. Таким образом, стабилизаторы напряжения (тока) - устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на нагрузке с заданной степенью точности. Указанная величина на выходе стабилизатора – стабилизированная.

1. Классификация стабилизаторов напряжения и тока

По роду напряжения (тока): постоянного, переменного рода.

По принципу работы: компенсационные, параметрические.

В параметрических стабилизаторах (ПС) используются элементы с нелинейной зависимостью между током и напряжением. В ка­честве нелинейных элементов используются различные при­боры, обладающие резко выраженной нелинейностью вольтамперной характеристики, например стабилитрона, транзи­стора. Принцип действия основан на изменении сопротивления (или других параметров) нелинейных элементов при изменении приложенного к ним напряжения или проходящего тока. В результате перераспределения токов и напряжений между отдельными элементами схемы достигается стабилизация выходного напряжения или тока.

Компенсационные стабилизаторы (КС) представляют собой системы автоматического регулирования, содержащие замкнутый контур регулирова­ния, по которому сигнал с выхода стабилизатора воздействует на регулирующий элемент (РЭ), в качестве последнего чаще всего используют транзистор.

По роду стабилизируемой величины: стабилизатор тока, стабилизатор напряжения.

2. Структурные схемы параметрических стабилизаторов с непрерывным регулированием

Структурная схема непрерывного последовательного стабилизатора.

При изменении выходного напряжения или тока нагрузки в измерительном элементе (ИЭ), в который входит сравнивающий делитель и источник опорного напряжения, выделяется сигнал, который усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) и подается на вход регулирующего элемента (РЭ), изменяя его сопротивление по постоянному току таким образом, что выходное напряжение на нагрузке сохраняется постоянным. ИЭ выделяет также сигнал переменной составляющей пульсаций выпрямленного напряжения, сглаживая её при помощи РЭ.

Структурная схема непрерывного параллельного стабилизатора.

Непрерывный параллельный стабилизатор выполняется по структурной схеме, в которой РЭ - транзистор, включённый параллельно нагрузке.

Здесь выходное напряжение поддерживается постоянным за счёт изменения тока, протекающего через РЭ. Например, при увеличении входного напряжения возрастает ток через РЭ, за счёт чего увеличивается падение напряжения на гасящем резисторе.