41. Стабилизаторы. Назначение. Классификация. Принципы построения и функционирования. Проблема миниатюризации.

42. Параметричні перетворювачі постійної і змінної напруги: принципи дії, параметри, розрахункові співвідношення, область застосування

В параметрических стабилизаторах напряжения режим стабилизации осуществляется за счет нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) регулирующего элемента. От ВАХ зависит качество стабилизации. В параметрических стабилизаторах напряжения находят применение элементы, ВАХ которых представлена на рисунке.

Степень нелинейности ВАХ на рабочем участке ВС оценивается отношением динамического и статического сопротивлений.

Статическое сопротивление R_С - это сопротивление, которое оказывает нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точке А характеристики: R_С=U₀/I₀=tga.

Динамическое сопротивление элемента R_Д равно отношению изменения падения напряжения на элементе U к изменению величины тока, протекающего через элемент I. Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент изменениям протекающего через него тока: R_Д=U/I=tg.

Статическое и динамическое сопротивления не равны между собой и изменяются в зависимости от величины напряжения и тока : a < ; R_С>R_Д.

В качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах напряжения используются газоразрядные и кремниевые стабилитроны. Схемы параметрических стабилизаторов с использованием стабилитронов применяются для стабилизации напряжения при мощности в нагрузке до нескольких ватт. Достоинство таких схем - простота исполнения и малое количество элементов, недостаток - отсутствие плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, кроме этого, у таких схем мал к.п.д..

Схема стабилизатора состоит из гасящего сопротивления R_Г, включенного последовательно с нагрузкой, и стабилитрона VD, включенного параллельно нагрузке.

Рассмотрим принцип действия данного стабилизатора.

На рисунке изображены ВАХ стабилитрона и нагрузки. Так как сопротивление нагрузки и стабилитрон включены параллельно, то для построения суммарной характеристики необходимо сложить характеристики сопротивления R_Н (прямая ОА ) и стабилитрона VD по оси токов. Полученная кривая представляет собой зависимость U₂=f(I_Н+I_СТ). Рабочий участок этой кривой получается смещением характеристики стабилитрона на величину тока нагрузки I_Н. Отложив на оси ординат величину входного напряжения U₀, строим из этой точки характеристику сопротивления R_Г. Точка пересечения этой характеристики с суммарной характеристикой сопротивления нагрузки и стабилитрона определяет установившийся режим для данной величины входного напряжения. При изменении входного напряжения характеристика сопротивления R_Гперемещается и соответственно перемещается рабочая точка на суммарной характеристике U₂=f(I_Н+I_СТ).

Как видно из рисунка, при изменении входного напряжения от U_1MIN до U_1MAX напряжение на сопротивлении нагрузки изменятся от U₂₍₁₎ до U₂₍₂₎, причем изменение выходного напряжения U₂ значительно меньше изменения напряжения на входе U₁.

Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора постоянного напряжения представим его функциональной схемой для изменений напряжения на входе.

Считая, что стабилизатор нагружен на активное сопротивление R_Н, изменение U₁ является медленным и дифференциальное сопротивление стабилитрона неизменно в пределах рабочеого участка характеристики стабилитрона. Тогда, передаточная функция, связывающая возмущение на входе U₁ с реакцией на выходеU₂, представляется коэффициентом деления

(1)

Преобразуя (1), имеем

(2)

Из (1) определяем

(3)

Отношение U₁/U₂ является дифференциальным коэффициентом стабилизации K_СТ.Д., который связан с коэффициентом стабилизации K_СТ.U выражением

(4)

где K₀=U₂/U₁- коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения стабилизатора.

В параметрических стабилизаторах переменного напряжения используют различные схемные включения линейных и нелинейных элементов.

Простейший стабилизатор напряжения состоит из последователь­ного соединения линейного Z_л и нелинейного Z_нл сопротивлений, вольт-амперная характеристика которого имеет участок Z_нл const. Такую характеристику имеют варисторы U(I), дроссели насыщения Z(I), нелинейные конденсаторы Z(I) и др. Выходное напряжение U_ст снимается в схеме с не­линейного элемента. Эффект стабилизации определяется тем, что U_n >> U_ст.

Параметрические стабилизаторы на активных сопротивлениях имеют слишком малый к.п.д. вследствие активных потерь в линейном и не­линейном элементах и поэтому применяются лишь для небольших мощ­ностей - до нескольких ватт.

В цепях переменного тока более высоких мощностей применяют­ся параметрические стабилизаторы на реактивных сопротивлениях: в качестве линейного элемента Z_л используют обычно нена­сыщенный дроссель L₁, а нелинейного Z_нл - насыщенный L₂. Нагрузка подключается параллельно нелинейному элементу.

Последовательное соединение линейного и нелинейного дроссе­лей образует простейший ферромагнитный стабилизатор. Ему присущи следующие недостатки: малое значение коэффициента стабилизации K_U (единицы), неси­нусоидальная форма кривой выходного напряжения, малый диапазон стабилизации, низкий КПД, вследствие чего подобная схема при­менения не нашла.

Можно существенно повысить значение коэффициента стабилиза­ции K_U и расширить диапазон входного напряжения упомянутого стаби­лизатора, если уменьшить величину U_ст путём введения в схему дополнительного компенсирующего напряжения U_к . Существуют два основных метода компенсации: напряжением, пропорциональным напряжению на линейном дросселе или напряжением, пропорциональным напряжению сети. Компенсирующее напряжение необходимо потому, что одним только выбором материала сердечника насыщенного дросселя довести U_ст до нуля не удается из-за конечной крутизны кривой намагничивания на участке насыщения. Поэтому создают последовательный или парал­лельный феррорезонансный контур. КПД схемы можно существенно повысить ( до 0,7 - 0,8), если параллельно нелинейному дросселю подключить вспомогательную ли­нейную емкость С. Оба указанных способа применяются в современных феррорезонансных стабилизаторах. Наиболее эффективным является стабилизатор с феррорезонансом токов.

Построим результирующую ВАХ нелинейного контура, который настроен в резонанс при U_{сети ном}. Поэтому ток, потребляемый контуром в точке А :

При малых напряжениях индуктивность дросселя велика, ток мал и результирующий ток имеет ёмкостный характер. В т. А. (резонанс) и при дальнейшем повышении напряжения I имеет индуктивный характер и резко увеличивается, что соответствует уменьшению индуктивности. При этом напряжение на контуре изменяется меньше чем на отдельном дросселе насыщения: стабильность выходного напряжения U₂ значительно больше.

Феррорезонансные стабилизаторы просты, надёжны, КПД достигает 85%, стойки к электрическим и механическим перегрузкам, работают в широком диапазоне температур. Выходные мощности - от 100вт до 10квт. Коэффициент стабилизации по напряжению К_U=15…30.

Недостатки: чувствительны к изменению частоты. Так, при выходное напряжение изменяется на ! Имеют существенную массу и объём, несинусоидальность напряжения .