7.4 Стабилизаторы напряжения и инверторы

Как отмечалось выше, стабилизаторы предназначены для удержания напряжения питания в заданных пределах при изменении входного напряжения и тока нагрузки. Стабилизаторы характеризуются коэффициентом стабилизации К_ст, выходным сопротивлением R_вых и коэффициентом полезного действия η_ст.

Коэффициент стабилизации определяется выражением:

К_ст =(∆U_вх/U_вх)/(∆U_вых/U_вых),

где U_вх и U_вых – постоянные напряжения на входе и выходе стабилизатора, ∆U_вх – изменение входного напряжения стабилизатора, ∆U_вых изменение выходного напряжения, вызываемое изменение входного ∆U_вх.

Чем больше К_ст, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного. В зависимости от схемотехнических решений К_ст изменяется от нескольких единиц до сотен и тысяч.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется соотношением ,

где ∆i_вых – изменение постоянного выходного тока стабилизации, которое вызвано изменение выходного напряжение ∆U_вых.

Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузка. В зависимости от схемотехнического исполнения R_вых лежит в пределах от единиц до тысячных долей Ом.

Коэффициент полезного действия стабилизатора определяется соотношением

,

где Р_н – мощность, отдаваемая стабилизатором в нагрузку,

Р_вх – мощность потребляемая от входного источника напряжения.

В силу особенностей принципов работы стабилизаторы обычно редко уменьшают коэффициент пульсации.

Выделяют два класса стабилизаторов: параметрические и компенсационные. В параметрических стабилизаторах малые измерения выходного напряжения достигаются за счет резко выраженной нелинейности вольтамперных характеристик стабилизирующих элементов. Широко распространены стабилизаторы, построенные на стабилитронах с типовой вольтамперной характеристикой, представленной на рис. 7.19.

Рис. 7.19. Типовая вольтамперная характеристика стабилитрона типа Д814Г

Из этого рисунка видно, что при обратном включении стабилитрона, в режиме электрического пробоя, значительные изменения обратного тока приводят к незначительным изменениям падения напряжения на нем. Это свойство стабилитрона и положено в основу работы соответствующих схем стабилизации.

На рис. 7.20 приведена простейшая схема параметрического стабилизатора.

Для анализа работы этой схемы, используя теорему об эквивалентном генераторе, произведем ее преобразование так, как это показано на рис. 7.21.

Рис. 7.20. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения

Рис. 7.21. Преобразованная схема стабилизатора

Графический анализ преобразованной схемы будем производить на вольтамперной характеристике рабочего участка стабилитрона путем построения линий нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующего различным значением входного напряжения (рис. 7.22).

Рис. 7.22. Графический анализ преобразованной схемы стабилизатора

Из графических построений видно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения ∆U_э=U_э2-U_э1 (изменения входного напряжения ∆U_вх) выходное напряжение изменится на гораздо меньшую величину ∆U_вых.

Для определения основных параметров такого стабилизатора построим его эквивалентную схему, введя во входную цель источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения ∆U_вх и заменяя стабилитрон его эквивалентной схемой (рис. 7.23).

Рис. 7.23. Эквивалентная схема параметрического стабилизатора

Для этой схемы , поскольку R_o>>r_c,

К_ст=(∆U_вх/U_вх)/(∆U_вых/U_вых).

Задав величину ∆U_вх, определим соответствующую величину ∆U_вых.

поскольку r_c<<R_н. Отсюда

.

Как правило, параметрические стабилизаторы используются при токах нагрузки до десятков миллиампер или как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения, которые выполняются как замкнутые схемы автоматического регулирования.

На рис. 7.24 приведена структурная схема типового последовательного компенсационного стабилизатора.

Рис. 7.24. Структурная схема последовательного компенсационного преобразователя

В таком стабилизаторе используются источник спорного напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ). Напряжение на выходе стабилизатора (или часть этого напряжения) постоянно сравнивается с эталонным напряжением, вырабатываемым ИОН. В зависимости от результатов сравнения СУЭ вырабатывает управляющий сигнал для РЭ, изменяя его режим работы так, что U_вых остается практически постоянным.

Если РЭ включен параллельно нагрузке, то такой стабилизатор называют параллельным. В зависимости от режима работы РЭ различают непрерывные и импульсные стабилизаторы. Рассмотрение схемотехнических решений различных типов стабилизаторов выходит за пределы этого курса. Здесь лишь отметим, что промышленность серийно выпускает компенсационные стабилизаторы, выполняемые в микроинтегральном исполнении. Например, в серию К142ЕН входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением, с двухполярным входным и выходным напряжением, защитой от перегрузок.

К инверторам относят класс устройств, преобразующих постоянное напряжение в переменное с преобразованием частоты.

Вариант структуры такого преобразователя приведен на рис. 7.25.

Рис. 7.25. Вариант построения инвертора

В этой схеме транзисторы VT1и VT2 работают поочередно в ключевом режиме. То есть импульсами со схемы управления СУ поочередно переводятся в режим насыщения и отсечки (открываются и закрываются). В результате этого через трансформатор ТР течет переменный ток соответствующей частоты.

В ряде устройств вторичного электропитания используются так, называемые умножители напряжения, преобразующие переменное напряжение в постоянное, которое в некоторое число раз по амплитуде превосходит входное переменное напряжение. Чаще всего умножители частоты реализуются наборами диодов и конденсаторов. Со схемотехникой умножителей частоты можно познакомится в специальной литературе.

5. Тренировочные задания

Содержание задания	Ответы/решения
1	2
Нарисуйте схему, временные диаграммы и основные соотношения между параметрами однофазного мостового выпрямителя.
Нарисуйте схему, временные диаграммы и основные соотношения между параметрами трехфазного мостового выпрямителя.
Нарисуйте схему и временные диаграммы работы управляемого тиристорного выпрямителя.
Для двухполупериодного выпрямителя с простейшим емкостным сглаживающим фильтром определите величины среднего напряжения и двойную амплитуду пульсаций для сети переменного тока 50 ГЦ , 220 В со следующим параметрами фильтра С=20,0 МКФ и Rн=510 Ом.
Для параметрического стабилизатора выполненного на стабилитроне Д814В определите коэффициент стабилизации, если известно, что Rо=510 Ом, Uвых=5 В, Uвх=6 В.

5. Тестовые задания

1. Укажите два правильных ответа

К недостаткам источника вторичного электропитания без преобразования относят:

1. Большое число используемых электронных компонентов

2. Большие габариты трансформаторов

3. Невозможность устранения пульсаций выходного напряжения

4. Большие габариты сглаживающих фильтров

5. Невозможность питания мощных потребителей электропитания

2. Для схемы однополупериодного выпрямителя укажите соответствие:

Параметры:	Формула расчета или константа:
1) UСР	1) 0.75 UВХ
2) IСР	2) UВХ/RН
3) 	3) 0,45 UВХ
4) UОБР max	4) UСР/RН
5) Iд max	5) 3,4
	6)  IСР
	7) 1,57
	8) UСР

3. Для мостовой схемы диодного выпрямителя схема диодного выпрямителя укажите соответствие:

Параметры:	Формула расчета или константа:
1) UСР	1) 2 UВХ
2) IСР	2) 0,3 UВХ
3) 	3) 0,9 ICР
4) UОБР max	4) 0,67
5) Iд max	5) 1,57
	6) UСР
	7) IВР/2
	8) /2 IСР
	9) UСР/RН

4. Укажите правильный ответ

Коэффициент сглаживания Sфильтра определяется отношением

1. S=U_СР/U_ВХ

2. S=_ВХ/U_ВХ

3. S=_ВХ/_ВЫХ

4. S=U_ВХ/U_СР

5. S=U_СР/_ВЫХ

5. Укажите правильные ответы

Амплитуда пульсаций после сглаживающего емкостного фильтра уменьшается

1. при уменьшении сопротивления нагрузки;

2. при увеличении U_ВХ;

3. при уменьшении емкости фильтра;

4. при увеличении емкости фильтра;

5. при замене однополупериодного выпрямителя двухполупериодным.

6. Впишите недостающее слово

В параметрических стабилизаторах стабилитрон работает в режиме электрического:

1. равновесия;

2. отпирания;

3. баланса;

4. пробоя;

5. разряда.

7. Укажите правильный ответ

В источниках вторичного электропитания инверторы используются для:

1. изменения знака входного напряжения;

2. преобразования переменного тока в постоянный;

3. выпрямления переменного тока;

4. преобразования постоянного тока в переменный;

5. сглаживания входного напряжения

5. Выводы по седьмой главе

1. Большинство вторичных источников электропитания используют два типа преобразования электрического напряжения: без преобразования частоты и с преобразованием частоты.

2. Основными элементами источников вторичного электропитания без преобразования частоты являются: трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку и получение напряжения необходимого для питания других устройств; выпрямитель, обеспечивающий преобразование переменного напряжения в пульсирующие напряжение одной полярности; сглаживающий фильтр, обеспечивающий уменьшение пульсаций, приближающий выходное напряжение к идеальному постоянному; стабилизатор, обеспечивающий фиксацию выходного напряжения на требуемом уровне при измерении напряжения питания и измерении тока потребляемого нагрузкой.

3. Отличительным элементом источников вторичного электропитания с преобразованием частоты является инвертор, который преобразует выпрямленное и отфильтрованное напряжения первичной цепи источника питания в поток импульсов с частотой в десятки килогерц. При этом инвертор выполняет и роль стабилизатора напряжения. Так как в этом схеме трансформатор работает на гораздо более высокой частоте, чем в источниках питания без преобразования частоты, то его габариты и габариты фильтра вторичной цепи источника электропитания значительно уменьшаются.

4. Выпрямительные схемы характеризуются следующими параметрами: средним значением выходного напряжения; средним значением выходного тока; коэффициентом пульсации выходного напряжения; действующим значением выходного напряжения; максимальным обратным напряжением на отдельном выпрямительном элементе; максимальным значением тока через отдельный выпрямительный элемент; средним значением тока отдельного вентиля.

5. Наиболее оптимальное использование диодов достигается в мостовой схеме однофазного выпрямителя.

6. В параметрических стабилизаторах напряжения стабилитрон включается в обратном направлении и как правило такие стабилизаторы используются при малых токах нагрузки или как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения, которые выполняются как замкнутые схемы автомагнического регулирования.