Стабилизаторы напряжения и тока с управляемыми приборами

Общие сведения о стабилизаторах с управляемыми приборами

Стабилизаторы напряжения и тока с нелинейными элементами назы­ваются параметрическими, так как их действие основано на изменении электрических параметров нелинейного элемента вслед­ствие различных внешних причин, таких как колебания вход­ного напряжения, изменение величины сопротивления нагрузки и т. п. Харак­тер и точность работы стабилизаторов с нелинейными элементами полностью определяются характеристикой нели­нейного элемента, которая, в свою очередь обусловлена происходящими в нем физическими процессами (газовый разряд в стабилитроне, изменение сопротивления нити бареттера с изменением температуры и т. д.) и поэтому имеет строго определенный вид, не поддающийся изменениям.

Электронные лампы, транзисторы, полупроводниковые управ­ляемые диоды (тиристоры) и дроссели насыщения относятся к группе управляемых приборов. С их помощью удается получать различные зависимости между током и напряжением и тем самым решать сложные задачи стабилизации разных электрических вели­чин. Стабилизаторы с применением таких приборов получили на­звание стабилизаторов с управляемыми при­борами.

Рисунок 29. Структурная схема ста­билизатора с управляемым прибором

На рис. 29 в качестве примера дана структурная схема ста­билизатора с управляемым прибором, в котором электронная лам­па включена последовательно с потребителем энергии. Изменяя по определенному закону напряжение на ее сетке, можно осу­ществлять стабилизацию напряжения на нагрузке. В такой схеме электронная лампа выполняет роль регулируемого балластного сопротивления. Если управляемый прибор осуществляет необхо­димое для стабилизации регулирование энергии, поступающей в цепь потребителя, то он называется исполнительным элементом стабилизатора. В схеме на рис. 1 ис­полнительным элементом служит электронная лампа. Помимо нее в качестве исполнительного элемента могут быть использованы транзисторы, полупроводниковые управляемые диоды (тиристо­ры), дроссели насыщения и другие управляемые приборы. В за­висимости от вида прибора, выполняющего функции исполни­тельного элемента, различают электронные стабилизаторы, тран­зисторные стабилизаторы, стабилизаторы с дросселями насыще­ния, стабилизаторы с тиристорами и т. д.

Для осуществления стабилизации необходимо определенным образом автоматически управлять исполнительным элементом стабилизатора. Эту роль выполняет управляющая цепь. Сигнал, создаваемый этой цепью, носит название управляющего сигнала или регулирующего воздействия.

В зависимости от способа получения управляющих сигналов стабилизаторы с управляемыми приборами подразделяются на:

а) стабилизаторы с регулированием (уп­равлением) по возмущению;

б) стабилиза­торы с регулированием (управлением) по отклонению;

в) стабилизаторы с комби­нированным регулированием.

В более ранней литературе стабилизаторы с регулированием по возмущению назывались стабилизаторами с па­раметрическим способом управления или просто параметрическими стабилизаторами, а стабилизаторы с регулированием по отклонению носили назва­ние автокомпенсационных стабилизаторов или стабилизаторов с автокомпенсацион­ным управлением.

Изменение параметров исполнительного элемента стабили­затора может происходить под воздействием различных внешних факторов, таких, как изменение входного напряжения, измене­ние сопротивления нагрузки, изменение частоты питающего напряжения и т. п. Эти факторы принято называть возмущающими воздействиями. В стабилизаторах с регулированием по возмущению управля­ющие сигналы пропорциональны возму­щающим воздействиям.

Разность между истинным значением стабилизируемой величи­ны и номинальным ее значением называется погрешностью регулирования или просто отклонением. В ста­билизаторах с регулированием по откло­нению управляющий сигнал пропорциона­лен погрешности регулирования.

Принцип построения схем стабилизаторов с управляемыми приборами

Стабилизаторы с регулированием по возмущению. На рис. 30 дана схема построения стабилизатора с регулированием по воз­мущению. В качестве исполнительного элемента стабилизатора используется управляемый прибор (электронная лампа, дроссель насыщения и т. п.). Преобразователь энергии (выпрямитель, тран­сформатор) не является обязательным элементом схемы, и в от­дельных случаях может отсутствовать (например, в электронном стабилизаторе постоянного напряжения.

Рисунок 30 Блок-схема стабилизатора с регулированием по возмущению

Управляющие элементы У-1 и У-2 создают сигналы управле­ния, пропорциональные изменениям внешних условий. Связи, создаваемые управляемыми элемен­тами, в таких стабилизаторах являются связями по возмущению, так как изменение того или иного параметра исполнительного элемента обусловливается, как и в стабилизаторах с нелинейными элементами, возмущающими воздействиями.

При таком методе стабилизации схема должна иметь столько управляющих цепей, сколько причин влияет на стабилизируемую величину. На приведенной схеме даны две такие цепи. В дей­ствительности причин может быть больше, однако с увеличением количества управляющих цепей помимо усложнения схемы созда­ются большие трудности правильного подбора параметров схемы. Поэтому практически стабилизаторы с регулированием по возму­щению дают удовлетворительные результаты только в тех случаях, когда исполнительный элемент схемы реагирует на изменение внешних факторов, число которых не превышает двух (например, колебания входного напряжения и изменение сопротивления нагрузки).

Стабилизаторы с регулированием по отклонению. На рис. 31 дана схема построения стабилизатора с регулированием по от­клонению. Для получения управляющего сигнала, пропорцио­нального погрешности стабилизации, служит измери­тельный (или выяви тельный) элемент схемы. В состав измерительного элемента входят датчик сигнала обратной связи и источник эталонной или опорной величины (батарея гальванических элемен­тов, газоразрядный или кремниевый стабилитроны и т. п.), с ко­торым сравнивается стабилизируемая величина. Источник эта­лонной величины часто называют зада т чином. В результате такого сравнения образуется

управляющий сигнал, величина ко­торого обычно бывает недостаточной для управления исполни­тельным элементом стабилизатора. Для усиления этого сиг­нала служит усилительный элемент стабили­затора, называемый иногда усилителем регулирующих воз­действий или просто усилителем постоянного тока.

Рисунок 31 Блок-схема стабилизатора с регулированием по отклонению

Характерной особенностью метода регулирования по откло­нению является наличие замкнутой цепи для управляющего сигна­ла. От измерительного элемента сигнал поступает в усилительное устройство, далее в исполнительный элемент и оттуда через пре­образователь энергии вновь на измерительный элемент. Таким образом, имеет место обратная связь между выходом стабилиза­тора и его входом. Так как сущность этого метода заключается в компенсации погрешности стабилизации, то эта связь должна быть отрицательной.

Регулирование по отклонению дает хорошие результаты при высокой стабильности источника эталонной величины (при вы­сокой стабильности задатчика) и при достаточно большой и пос­тоянной величине коэффициента усиления усилительного элемента. Вследствие того что управляющий сигнал является функцией погрешности стабилизации, процесс стабилизации при регулиро­вании по отклонению не зависит от количества и сочетания внеш­них причин, вызывающих изменение напряжения и тока на выходе стабилизатора.

Стабилизаторы с комбинированным управлением. Такой ста­билизатор представляет собой комбинацию стабилизаторов регулированием по отклонению и по возмущению. При правильно подобранных связях по возмущению удается получить наиболее высокую точность стабилизации без особого усложнения схемы. Сложность построения стабилизатора с комбинированным мето­дом управления обусловливается трудностью правильного вы­бора связей по возмущению.

В последующих главах рассматриваются схемы и работа электронных стабилизаторов напряжения, транзисторных стаби­лизаторов напряжения и стабилизаторов напряжения и тока с дросселями насыщения.

Основными элементами транзисторных стаби­лизаторов напряжения являются транзисторы.

Дроссели насыщения (или управляемые дроссели) - основные элементы стабилизаторов с дросселями насыщения. Они исполь­зуются в качестве исполнительного элемента, а также являются основными приборами усилительных и измерительных элемен­тов схемы. Поэтому, прежде чем рассматривать принцип дей­ствия и особенности различных схем стабилизаторов с дросселями насыщения, следует остановиться на устройстве и технических свойствах дросселей насыщения, а также уяснить работу маг­нитных усилителей и других устройств, применяемых в стабилиза­торах с дросселями насыщения.