4 курс (заочка) / Лекции / Лекция 6

Лекция №6

6.СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

6.1.Общая классификация

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.

Изменения питающих напряжений возникают из-за нестабильности напряжения питающей сети. Большая часть потребителей питается от промышленной сети переменного тока, имеющей частоту 50 Гц. Колебания

Рис.6.1. Вольт-амперные характеристики нелинейных элементов: 1-для стабилизации напряжения

2-для стабилизации тока

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 ∆Uвх и ∆Uвых - приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки; соответственно ∆Uвх , ∆Uвых -

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 (Iн = const):

δ=∆Uвых/Uвых

2. Внутреннее сопротивление стабилизатора ri , равное отношению приращения выходного напряжения ∆Uвых к приращению тока нагрузки ∆IН,

при неизменном входном напряжении Uвх=const: ri = ∆Uвых / ∆Iн

Вместо ri может быть задана статическая ошибка стабилизатора по нагрузке

δi при Uвх=const и изменяющемся токе нагрузки δi=∆Uвых/Uвых

Зная внутреннее сопротивление стабилизатора, можно определить изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки. В стабилизаторах

напряжения внутреннее сопротивление может достигать тысячных долей ома.

приращения выходного напряжения ∆Uвых к приращению температуры окружающей среды ∆tокр при неизменном входном напряжении и токе нагрузки

(Uвх=const, Iвх=const):

γ=∆Uвых/∆tокр

б) для стабилизаторов тока

1. Коэффициент стабилизации стабилизатора тока по входному напряжению

где Iн ,∆Iн — ток и приращение тока в нагрузке соответственно.

Коэффициент Кст т определяется при постоянном сопротивлении нагрузки (Rн = const).

2. Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки

где Rн, ∆ Rн - сопротивление нагрузки и приращение сопротивления нагрузки

стабилизатора при постоянном входном напряжении соответственно; гi -

внутреннее сопротивление стабилизатора. Коэффициент К Rн определяется при постоянном входном напряжении (Uвх = const);

3. Температурный коэффициент стабилизатора

γ=∆Iн /∆tокр

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=Pвых /Pвх

2. Мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе Ррэ. Массогабаритными

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).

6.2. Параметрические стабилизаторы напряжения

В качестве параметрических стабилизаторов постоянного напряжения используют нелинейные элементы, напряжение которых мало зависит от тока,

протекающего через них. В качестве таких нелинейных элементов чаще всего применяют кремниевые стабилитроны и стабисторы.

Кремниевые стабилитроны — это плоскостные диоды, изготовленные по

особой технологии. В отличие от обычных диодов кремниевые стабилитроны работают на обратной ветви вольтамперной характеристики в области пробоя. В

области пробоя незначительное увеличение напряжения вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон. Однако «пробой» р — n-перехода не приводит к повреждению стабилитрона, если ток не превышает предельно допустимый.

Стабистор отличается от стабилитрона тем, что он работает на прямой ветви вольт-амперной характеристики и поэтому включается в цепь стабилизации в прямом направлении. Конструктивно стабистор представляет собой алюминиевый диск, на одну из плоскостей которого нанесен слой сплава олова с висмутом и кадмием.

Селеновые стабисторы применяют для стабилизации напряжения менее 3 В.

Последнее время промышленность выпускает стабисторы на основе кремния.

На рис. 6.2, а, б представлены вольт-амперные характеристики кремниевого стабилитрона и стабистора. Область 1-2 характеристик является рабочей.

Кремниевые стабилитроны и стабисторы характеризуются следующими параметрами:

номинальным напряжением стабилизации Uст.ном при номинальном токе стабилитрона;

минимально допустимым током стабилизации Iст.min, характеризующим начало рабочего участка;

максимально допустимым током стабилизации Iст.max, при котором обеспечивается заданная надежность, а мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимого значения;

дифференциальным сопротивлением rст, определяемым как отношение приращения напряжения стабилизации к приращению тока через стабилитрон;

средним температурным коэффициентом напряжения стабилизации αст,

определяемым отношением изменения напряжения стабилизации в

процентах к абсолютному изменению температуры;

максимально допустимой мощностью, рассеиваемой стабилитроном Рmax,

при которой температура p-n перехода не превышает предельно допустимой;

разбросом напряжения стабилизации ΔUст номинального значения при заданном токе стабилитрона и заданной температуре окружающей среды.

Рис. 6.2. Вольт-амперные характеристики: a-стабилитрона

б-стабистора

На рис. 6..3 представлена схема однокаскадного параметрического стабилизатора на стабилитроне. Схема стабилизатора состоит из гасящего резистора RГ, включенного последовательно с нагрузкой параллельно нагрузке.

На рис. 6.4 изображены вольт-амперные характеристики стабилитрона 1 и

нагрузки 2. Так как сопротивление нагрузки и стабилитрон включены параллельно, то для построения суммарной характеристики необходимо осуществить сложение по оси токов характеристик сопротивления RН2 и

стабилитрона VD1 (I). Полученная суммарная кривая 3 представляет собой

зависимость U вых = f (I Н + Iст ) . Рабочий участок этой кривой получается, как

видно из построения, смещением вниз точек характеристики стабилитрона на

величину тока нагрузки IН. Отложив на оси ординат входное напряжение Uвх,,

строим из этой точки характеристику резистора RГ (прямая 4).

Точка пересечения этой характеристики с суммарной характеристикой 3

сопротивления нагрузки и стабилитрона определяет установившийся режим для данного входного напряжения. При изменении входного напряжения

характеристика сопротивления RГ 4 перемещается и, соответственно,

перемещается рабочая точка на суммарной характеристике U вых = f (I Н + Iст ) .

Как видно из графиков рис. 6.4, при изменении входного напряжения от Uвх.min до Uвх.max напряжение на нагрузке изменяется от Uвых.min до Uвых.max , причем изменение выходного напряжения значительно меньше изменения напряжения на входе.

Коэффициент стабилизации однокаскадного параметрического стабилизатора можно определить из следующего приближенного выражения:

увеличению входного напряжения, очевидно, существует предельное значение коэффициента стабилизации.

Кст.мах = Uвых ( 1- min ) / ( IH + Icm ) ·rcm

С учетом (6.2) выражение для коэффициента стабилизации можно записать в

следующем виде:

где amin =(Uвх - Uвхmin) / Uвх - относительное отклонение входного напряжения в сторону понижения.

Из (6.3) видно, что для выбранного стабилитрона при известном токе нагрузки и относительных отклонениях входного напряжения коэффициент стабилизации не может быть больше Кcm.max

Изменение сопротивления нагрузки стабилизатора вызывает изменение тока

IH. Если принять, что напряжение Uвх неизменно, то изменение тока нагрузки

Iн вызывает соответствующее изменение тока через стабилитрон, причем

Изменение тока через стабилитрон вызывает соответствующее изменение

Из (6.4), (6..5) получим выражение для внутреннего сопротивления

Выходное сопротивление стабилизатора в основном определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона и мало зависит от гасящего сопротивления;

Изменение окружающей температуры приводит к изменению выходного