Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
71
Достоинства транзисторных фильтров: большое значение коэффициента сглаживания, высокое сопротивление для низкочастотных составляющих, более высокая надежность по сравнению с ламповыми.
Недостатки транзисторных фильтров: низкий КПД и резко выраженная зависимость коэффициента сглаживания от температуры окружающей
среды.
ВОПРОС 3. Необходимость стабилизации напряжения и тока
вторичных источников питания. Эксплуатационные
показатели и классификация стабилизаторов
Напряжение питающей сети практически никогда не остается постоянным и может меняться в широких пределах. Многие электротехнические и радиоэлектронные устройства систем связи питаются от источников, выходное напряжение или ток которых должен оставаться почти неизменными при изменении дестабилизирующих факторов в широком пределах [2,3,4].
Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения (тока) электроприемников являются: колебания питающих напряжений; изменения потребляемой мощности; колебания частоты
тока сети; изменения температуры окружающей среды и другое.
Изменения питающих напряжений возникают из-за нестабильности
напряжения питающей сети. Большая часть приемников питается от промышленной сети переменного напряжения с частотой 50 Гц. Колебания
напряжения сети могут достигать 10...15% от номинального значения. При
питании устройств систем связи от маломощных энергетических сетей или
от автономных источников колебания напряжения могут достигать
15...20%, а иногда и более.
Изменение тока приводит к изменению падения напряжения на
внутренних сопротивлении источника и сопротивлении соединительных
проводов. Чем больше внутреннее сопротивление источника и сопротивление соединительных проводов, тем большими будут изменения напряжения.
72
Другими дестабилизирующими факторами, влияющими на выходные параметры, являются колебания частоты тока питающей сети, температуры окружающей среды, уровня ионизирующих излучений, давления и
другие.
Различные электротехнические устройства допускают различную
нестабильность напряжения питания δU = (U
вых/Uвых
). Так, например, для
приборов автоматики и телемеханики она не должна превышать 5...10%,
для выходных каскадов радиоприемных устройств - 3...5%, для электронного микроскопа - она не должна превышать 0,005%.
Поскольку изменения вышеуказанных дестабилизирующих факторов
могут носить плавный медленно изменяющийся характер или происходить
скачком очень быстро, а во времени эти изменения носят случайный характер, устройство, поддерживающее величину напряжения в заданных
пределах, должно работать непрерывно и автоматически.
Стабилизатором напряжения (тока или мощности) называется устройство, которое автоматически обеспечивает поддержание с требуемой точностью напряжения (тока или мощности) у электроприемников в требуемых пределах при влиянии дестабилизирующих факторов.
Различают индивидуальный и централизованный способ обеспечения
приемников стабильным напряжением. При индивидуальном способе каждый из них имеет свой отдельный стабилизатор, а при централизованном
- все приемники питаются от общего стабилизатора.
Выбор способа стабилизации напряжения определяется режимами работы приемников систем телекоммуникаций, соотношением их потребляемых мощностей, конструктивными и эксплуатационными, а также экономическими особенностями. Как правило, для стабилизации переменного
напряжения мощных приемников или их групп применяется централизованный способ стабилизации.
Стабилизаторы можно классифицировать по роду напряжения (тока),
по мощности, точности поддержания выходного напряжения, области применения, принципу действия.
По роду напряжения (тока) различают стабилизаторы переменного и
постоянного напряжения.
73
По мощности стабилизаторы подразделяются на маломощные (до 50
Вт), средней (до 2 кВт) и большой мощности (свыше 2 кВт).
В зависимости от точности поддержания стабилизируемой величины в соответствии с ГОСТ 19157-73 - различают стабилизаторы низкой
стабильности, если нестабильность выходного напряжения превышает
5%; средней стабильности - (1...5%); высокой стабильности - (0.1...1.0%);
и очень высокой стабильности (прецизионные) - 0,1%.
В зависимости от области применения стабилизаторы бывают общего
назначения и специальные. К первым можно отнести стабилизаторы,
например, для питания телевизоров, а ко вторым - стабилизаторы в источнике питания задающего генератора передатчика или для прецизионной
контрольно-измерительной аппаратуры.
По принципу действия стабилизаторы переменного и постоянного
напряжения подразделяются на параметрические и компенсационные.
В параметрических стабилизаторах используются нелинейные элементы, и стабилизация напряжения (тока) осуществляется в результате нелинейности их вольт-амперных характеристик (ВАХ). На рисунке 11 изоб-
ражены ВАХ нелинейных элементов, применяемых для стабилизации тока
(кривая 1) и напряжения (кривая 2). Для стабилизации переменного напряжения используются дроссели насыщения. Для стабилизации постоянного
напряжения находят широкое применения кремниевые стабилитроны. В
стабилизаторах тока используются полевые и биполярные транзисторы.
Компенсационные стабилизаторы представляют собою систему автоматического регулирования, содержащую регулирующий элемент и цепь
отрицательной обратной связи. Эффект стабилизации в этих устройствах
достигается изменением параметров регулирующего элемента 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 качестве регулирующего элемента в компенсационных стабилизаторах используются управляемые нелинейные элементы (транзисторы, ти-
74
ристоры и др.). В зависимости от режима работы регулирующего элемента
компенсационные стабилизаторы делятся на непрерывные (или линейные)
либо импульсные (или дискретные).
Рисунок 11 - Вольт-амперные характеристики нелинейных
элементов
Одним из основных параметров стабилизатора напряжения является
стабильность выходного напряжения. Она зависит от степени влияния дестабилизирующих факторов на характеристики элементов схемы стабилизатора. Величина колебаний напряжения потребителей оценивается коэффициентом стабилизации, который определяется для стабилизатора
напряжения таким образом:
.λ:
н
вых.н
вх
вх.н
вых.н
вых.
вх
вых.н
вых
вх.н
вх
т
U
U
U
U
U
U
U
U
U
U
К
с
(27)
при I
вых
= const,
где U
вх.н
и U
вых.н
- номинальные значения входного и выходного напряже-
ний;
Uвх и U
вых
- соответствующие изменения входного и выходного
напряжений;
λн- коэффициент передачи напряжения со входа на выход стабилизатора, равный λ
н
= U
вых.н
/ U
вх.н
.
Иными словами, коэффициент стабилизации по напряжению является безразмерной величиной и определяет, во сколько раз относительное
изменение выходного напряжения U
вых
меньше относительного измене-
ния напряжения на входе Uвх. Для различных типов стабилизаторов имеет
величину от единиц до нескольких тысяч.
75
Важной характеристикой стабилизатора является внешняя характеристика, которая показывает зависимость выходного напряжения стабилизатора от величины его тока нагрузки при неизменном входном напряжении
(рисунок 12):
U
вых
= f(I
вых
), при Uвх = const. (28)
По внешней характеристике стабилизатора определяется его выходное сопротивление, которое характеризует степень изменения выходного
напряжения стабилизатора при изменении его тока нагрузки. Выходное
(внутреннее) сопротивление стабилизатора определяется как приращение
выходного напряжения U
вых
, при неизменном входном напряжении Uвх
= const (рисунок 12):
Рисунок 12 - Внешняя характеристика стабилизатора
,
вых
вых
вых
I
U
R
при Uвх = const (29)
Знак "минус" показывает, что с ростом тока нагрузки выходное
напряжение уменьшается и наоборот.
Диапазон стабилизируемых напряжений также является важной характеристикой стабилизаторов, которая показывает пределы изменения
входного напряжения, в которых выходное напряжение остается в заданных пределах. Он характеризуется зависимостью
U
вых
= f(Uвх), при I
вых
= const, (30)
т.е. при неизменной величине тока нагрузки I
вых
. Характер этой зависи-
мости представлен на рисунке 13.
76
Рисунок 13 - Зависимость выходного напряжения
стабилизатора от входного
Для стабилизаторов постоянного напряжения характерен параметр коэффициент сглаживания Кс =К
п.вх/Кп.вых
, где К
п.вх
; К
п.вых
- коэффициенты
пульсаций по первой гармонике соответственно на входе и выходе стабилизатора. Этот параметр применим к стабилизаторам с линейным регулирующим элементом.
Температурный коэффициент стабилизатора, равный отношению
приращения выходного напряжения U
вых
к приращению температуры
окружающей среды T
окр
, при неизменном входном напряжении и токе
нагрузки (Uвх = const; I
вых
= const) будет
Кст = U
вых
/T
окр
(31)
Для стабилизаторов переменного напряжения важным параметром
является коэффициент мощности, определяемый как отношение номинальных значений потребляемых мощностей, т.е.
cosφ = P
ст.н
/ S
ст.н
, (32)
где P
ст.н
- номинальная потребляемая активная мощность стабилизатора;
S
ст.н
- номинальная потребляемая полная мощность стабилизатора.
Помимо параметров, характеризующих качество стабилизации стабилизаторы постоянного напряжения оцениваются энергетическими, объемно - массовыми и другими показателями.
Основным энергетическим показателем стабилизаторов напряжения
является коэффициент полезного действия η, равный отношению активной
мощности, отдаваемой стабилизатором в сопротивление нагрузки, к активной мощности, потребляемой стабилизатором от сети: η = Р
вых/Рвх
.
77
Объемно-массовыми параметрами стабилизаторов являются: удельная мощность (Р
вых/Vст
), Вт/дм3 и (Р
вых/Gст
), Вт/кг, где Vст, Gст - объём и
масса стабилизированного источника электроснабжения соответственно.
Основными параметрами надежности являются: время наработки на
отказ То, вероятность безотказной работы Ро; коэффициент готовности Кг;
время (интенсивность) восстановления tв (μв). К стабилизаторам так же как
и к другим устройствам, предъявляются требования по показателю стабильности к различным видам воздействий (механическим, электромагнитным радиационным и др.).
ВОПРОС 4. Параметрические стабилизаторы постоянного
и переменного напряжения
В качестве параметрических стабилизаторов постоянного напряжения наиболее часто используются кремниевые стабилитроны. В отличие от
обычных диодов кремниевые стабилитроны работают на обратной ветви
ВАХ в области пробоя, в которой незначительное увеличение напряжения
вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон. Однако "пробой" перехода не приводит к повреждению стабилитрона, если ток не
превышает предельно допустимого значения.
На рисунке 14,а представлена обратная ветвь ВАХ полупроводникового стабилитрона, на рисунке 14,б - наиболее распространенное начертание этой характеристики (сплошная линия отражает нормальную температуру Т1, штриховая - повышенную температуру Т2). При подведении к полупроводниковому стабилитрону прямого напряжения он ведет себя как
обычный полупроводниковый диод (рисунок 14,б). Обратная ветвь вольтамперной характеристики совпадает с аналогичной характеристикой обычного диода, пока приложенное обратное напряжение не превышает напряжения пробоя. В момент пробоя, когда приложенное к стабилитрону обратное напряжение становится равным величине напряжения электрического пробоя (точка 1), стабилитрон открывается и проходящий через
него ток (ток стабилизации) будет определяться сопротивлением нагрузки.
В этом состоянии кремниевый стабилитрон может находиться
78
продолжительное время, если мощность рассеивания на нем не превы-
шает допустимой.
При превышении максимально допустимого тока стабилизации
(точка 2) наступает необратимый тепловой пробой, стабилитрон теряет
свои стабилизирующие свойства и выходит из строя. Таким образом, у
стабилитрона рабочим считается участок обратной ветви ВАХ (отрезок
между точками 1 и 2) и для решения задачи стабилизации постоянного
напряжения стабилитроны включаются в электрическую схему полярностью, противоположной полярности обычных выпрямительных диодов.
Рисунок 14 - Вольт-амперные характеристики
полупроводникового стабилитрона
На рисунке 15 приведена схема простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Принцип действия такого стабилизатора основан на
соблюдении баланса напряжений, вытекающего из второго закона
Кирхгофа. В соответствии с этим законом входное приложенное напряжение должно уравновешиваться суммой падений напряжений на сопротивлениях замкнутого электрического контура, составленного из балластного
сопротивления Rб и включенного с ним последовательно эквивалентного
сопротивления стабилитрона VD и сопротивления нагрузки Rн. Последнее
определяется как сумма включенных между собой параллельно сопротивления стабилитрона и сопротивления нагрузки Rн. До момента пробоя стабилитрона VD входное напряжение уравновешивается падением напряже-
79
ний на Rб и Rн, Uвх = URб + URн. Из рисунка 15,б видно, что ординаты ВАХ,
отражающей, характер изменения Uвх определяются как суммы ординат
ВАХ, отражающих характер изменения URб и URн.
После электрического пробоя стабилитрона VD1 и дальнейшем уве-
личении входного напряжения на всем рабочем диапазоне вплоть до теплового пробоя стабилитрона происходит лишь увеличение тока через стабилитрон, а напряжение на нем остается неизменным. Поскольку стабилитрон включен параллельно с сопротивлением нагрузки Rн, то падение
напряжения на Rн (URн = U
вых)
будет определяться падением напряжения
на стабилитроне. При этом входное напряжение в рабочем диапазоне ВАХ
стабилитрона уравновешивается падением напряжения на Rб и сопротивлении стабилитрона после его электрического пробоя, которое называют
динамическим сопротивлением Rд, то есть Uвх = URб + URд.
Таким образом, при увеличении входного напряжения Uвх ток через
стабилитрон возрастает, при этом увеличивается падение напряжения на
балластном сопротивлении Rб, а напряжение U
вых
на стабилитроне, и, сле-
довательно, на сопротивлении нагрузки остается постоянным. Ординаты
ВАХ, отражающей характер изменения Uвх на рабочем диапазоне определяются как суммы ординат ВАХ, отражающих характер изменения URб и
URд.
Рисунок 15 - Параметрический стабилизатор постоянного
напряжения (а) и его вольт-амперные характеристики (б)
Существенным недостатком рассмотренного стабилизатора явля-
ется изменение Кст в зависимости от температуры окружающей среды.
80
У кремниевых стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации вырастает, то есть они имеют положительный температурный
коэффициент по напряжению. Знак температурного коэффициента стабилизации кремниевого стабилитрона при прямом включении отрицателен: γ
= Uпр/T, при обратном включении - положителен: γ = U
обр
/T. Разные
знаки γ дают возможность, соединяя последовательно и встречно несколько стабилитронов различных типов, осуществлять температурную
компенсацию их напряжений.
Промышленностью выпускаются кремниевые стабилитроны с
напряжением стабилизации от единиц до сотен вольт и с γ от -6 до +288
мкВ/ С и выше. При выборе типа стабилитрона в целях получения наиболее точной стабилизации напряжения следует отдать предпочтение стабилитрону, который имеет наименьший температурный коэффициент напряжения γ и небольшое дифференциальное сопротивление Rд.
Если цепочку из двух кремниевых стабилитронов, включенных
встречно, подключить параллельно сопротивлению нагрузки, то можно
стабилизировать переменное напряжение (рисунок 16).
Рисунок 16 - Параметрический стабилизатор переменного
напряжения (а) и временные диаграммы (б)
С точки зрения теории автоматического управления параметрические стабилизаторы относятся к разомкнутым системам автоматического
регулирования.
Достоинства параметрических стабилизаторов: простота устройства,
высокая надежность, большой срок службы.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]