Бесконтактные регуляторы напряжения

В настоящее время применяются бесконтактные регуляторы напряжения с использованием полупроводниковых приборов: диодов, стабилитронов, туннельных диодов, транзи­торов, тиристоров. Рассмотрим характеристики полупроводни­ковых приборов и способы их выражения.

Полупроводниковый диод.

При расчетах цепи, содержащей диод, включенный в прямом направлении, вольт - амперная характеристика для прямого направления может быть аппрокси­мирована кусочно-линейной функцией вида

U = (U_од + R_д) с повышением температуры перехода пороговое напряжение уменьшается, а динамическое сопротивление увеличивается. Пренебрегая изменением динамического сопротивления, получим

U_пр = U_од – α_д(t – 20) + R_дI_пр,

где α_д—температурный коэффициент, равный 0,001—0,0025.

Стабилитрон.

Рабочий участок вольт - амперной характери­стики кремниевого стабилитрона может быть описан уравнение

где U_ост - пороговое напряжение (напряжение пробоя);

r_ст - динамическое сопротивление стабилитрона.

Так как напряжение стабилизации и динамическое сопротив­ление определяют при определенном значении тока стабилиза­ции, то по этим данным можно определить пороговое на­пряжение U_осг. Напряжение стабилизации зависит от температуры перехода, что можно выразить следующим образом:

где α_ст — температурный коэффициент, равный 0,005—0,02.

Температурный коэффициент зависит от напряжения стабилизации: с повышением напряжения стабилизации температур­ный коэффициент α_ст увеличивается.

Кремниевые стабилитроны имеют ограничения по минималь­ному, максимальному токам и по допустимой рассеиваемой мощности. Вольт - амперная характеристика кремниевого стабилитрона в прямом направлении подобна характеристике обычного выпрямительного диода.

Транзистор

В регуляторах напряжения транзисторы обычно работают в ключевом режиме. Это обеспечивает стабильность работы и высокий КПД. В ключевом режиме свойства транзистора определяются входной характеристикой

I_э = f (U_э) или I_б = f (U_э) при U_к = 0

и коэффициентом усиления по току β. Входную характеристику транзистора можно аппроксимировать функцией

где U_э — напряжение на эмиттерном переходе;

U_оэ — пороговое напряжение;

r_э, r^,_э — динамические сопротивления.

Изменения температуры переходов транзистора приводят к смещению входной характеристики и изменению коэффициента усиления по току.

Влияние температуры переходов на входную характеристику учитывют следующим образом:

где α_т — температурный коэффициент, равный 0,0008—0,002.

Изменения коэффициента усиления по току от температуры можно представить уравнением

Для германиевых транзисторов температурный коэффициент имеет отрицательное значение.

Тиристор

Тиристоры имеют более высокий коэффициент усиления по току и большее предельно допустимое анодное напряжение.

В регуляторах напряжения тиристоры применяются редко, обычно в регуляторах напряжения для генераторов переменного (на стороне переменного напряжения), где можно осуще­ствлять естественную коммутацию.

Бесконтактные транзисторные регуляторы напряжения

Основу бесконтактных транзисторных регуляторов напряжения состав­ляют транзисторные реле с эмиттерной или коллекторной обрат­ной связью.

Простейшая схема бесконтактного транзисторного регуля­тора напряжения представлена на рис. 99.

Рис. 99. Принципиальная схема тран­зисторного регулятора напряжения с эмиттерной обратной связью

Транзисторный ре­гулятор напряжения состоит из измерительного органа (цепочки R₁—R₂—R—V₃) и регулирующего устройства, представляю­щего собой транзисторное реле с эмиттерной обратной связью (транзисторы VI, V2, диод V, сопротивления R₃, R₄ и сопротив­ление обратной связи R_ос). Нагрузкой транзисторного реле является обмотка возбуждения генератора, шунтированная диодом V₄.

Если напряжение на сопротивлении R₁ меньше порогового напряжения стабилитрона V₃, то стабилитрон не «пробит», и ток, протекающий по цепи R— V₃, практически равен нулю. Напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзи­стора V₁,

U_э1 = U_R – U_Rос < 0.

Следовательно, первый транзистор находится в состоянии отсечки. Напряжение U_эк1 практически равно напряжению ге­нератора и приложено к эмиттерному переходу транзистора V2 в прямом направлении. При этом транзистор V₂ находится в состоянии насыщения. Степень насыщения определяется величиной сопро­тивления R₃.

Учитывая, что сопротивление R_ос и падение напряжения на диоде V мало, можно считать, что к обмотке возбуждения подается практически напряжение генератора. Таким образом, обеспечивается самовозбуждение генератора.

При напряжении генератора, равном напряжению срабаты­вания транзисторного реле U_ср, по цепочке R—V_З протекает ток I = I_ст и

т. е. напряжение на эмиттерном переходе первого транзистора достигает порогового значения U_эк1. Транзистор V₁ переклю­чается из состояния отсечки в состояние насыщения, а это при­водит к уменьшению напряжения U_эк1 и переключению транзиcтора V₂ из состояния насыщения в состояние отсечки. Ток возбуждения уменьшается, что вызывает скачкообразное повыше­ние входного напряжения на транзисторе V_I

и переключение его из состояния отсечки в состояние насыщения. При переключении транзистора V₁ в состояние насыщения

U_э2 = U_эк1 – U_д < 0

и транзистор V₂ переключается в состояние отсечки. Смещение змиттерного перехода транзистора V₂ в обратном направлении обеспечивается подбором параметров цепочки V — R₄.

Переключение транзистора V₂ в состояние отсечки равносильно отключению обмотки возбуждения генератора ОВ от ге­нератора. Ток возбуждения уменьшается, протекая по контуру ОВ—V₄.

Уменьшение тока возбуждения приводит к падению напря­жения генератора.

Как только напряжение генератора достигнет величины на­пряжения возврата транзисторного реле U_в, напряжение на эмиттерном переходе транзистора V₂ достигнет порогового на­пряжения, т. е.

При этом транзистор V₂ начинает переключаться из состоя­ния отсечки в состояние насыщения, что приводит к повышению тока возбуждения. Увеличение тока возбуждения вызывает па­дение напряжения на эмиттерном переходе первого транзистора

Транзистор из состояния насыщения переключается в состоя­ние отсечки, а транзистор V₂ из состояния отсечки в состояние насыщения. Следовательно, релейный эффект в рассматриваемом регуляторе достигается посредством сопротивления R_ос, обеспе­чивающего положительную обратную связь.