Лекции по электронике Полупроводниковые диоды Электронно-оптические приборы Электронные усилители и генераторы Трехфазные выпрямители Стабилизаторы Гальванические преобразователи

Стабилизаторы

Электронные устройства предъявляют достаточно жесткие требования к качеству электроэнергии, потребляемой от источников питания. Колебания напряжения и частоты промышленной сети переменного тока, изменение нагрузки в широких пределах, влияние температуры окружающей среды и т.д. диктуют необходимость различных стабилизирующих устройств в схемах источников питания.

Стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы напряжения и тока, параметрические и компенсационные, непрерывного и импульсного регулирования.

Основной характеристикой работы любого стабилизатора является коэффициент стабилизации

по напряжению

,  (17.1)

по току

,  (17.2)

где , – приращения входного и выходного напряжения;   – приращение тока нагрузки; , ,  – номинальные значения входного и выходного напряжения и тока нагрузки соответственно.

Наиболее простым стабилизатором постоянного напряжения является параметрический, основанный на подключении параллельно нагрузке полупроводникового стабилитрона (рис. 17.7 а).

Кроме стабилитрона, в стабилизатор входит балластный резистор   для создания требуемого режима работы. Принцип работы стабилизатора основан на нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона.

Таблица 17.2

Схема фильтра

Параметры

Емкостный фильтр

Индуктивный фильтр

LC-фильтр

Электронный фильтр

 ____

 ____

 ____

 

При увеличении напряжения, подаваемого на вход стабилизатора, рабочая точка характеристики (рис. 17.7 б) перемещается из точки 1 в точку 2. Ток стабилитрона при этом изменяется достаточно сильно. Но напряжение   мало отличается от напряжения , т.е. практически не изменяется напряжение нагрузки.


а) б)

Рис. 17.7

Основным достоинством параметрического стабилизатора является надежность работы и простота схемы. Недостатки – низкий коэффициент полезного действия, а также некоторые колебания напряжения стабилизации при изменениях   , обусловленные наличием большого динамического сопротивления стабилитрона. Кроме того, напряжение стабилизации существенно зависит от температуры окружающей среды, что особенно заметно у мощных стабилитронов.

Перечисленные недостатки обусловили создание так называемых компенсационных стабилизаторов. Основу схем компенсационных стабилизаторов составляют транзисторы, работающие в режиме эмиттерного повторителя, или операционные усилители в интегральном исполнении.


На рис. 17.8 а представлена схема простейшего компенсационного стабилизатора. Транзистор VT1 работает в режиме эмиттерного повторителя, а на–

а) б)

Рис. 17.8

пряжение на его базе задается параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD и резисторе . Ток параметрического стабилизатора значительно меньше тока нагрузки. Следовательно, КПД компенсационного стабилизатора выше, чем параметрического, поскольку у первого основная часть входного тока попадает в нагрузку, тогда как у второго в большей степени ответвляется в стабилитрон. Транзистор VT1 в данной схеме работает не в ключевом, а в активном режиме. Усилитель постоянного тока выполнен на маломощном транзисторе VT2 и резисторе . С помощью резистора  регулируется напряжение .

При увеличении входного напряжения или уменьшении тока нагрузки увеличивается напряжение . Появляется сигнал обратной связи в виде части напряжения , снимаемого с делителя , , , который сравнивается с напряжением на стабилитроне. Напряжение на стабилитроне остается постоянным, поэтому напряжение   транзистора VT2 уменьшается, значит, снимается ток коллектора транзистора VT2. Это приводит к уменьшению напряжения  транзистора VT1, вследствие чего стабилизируется напряжение .

Для повышения эффекта стабилизации в последнее время вместо усилителя на транзисторе (VT2) используют схемы с интегральными операционными усилителями (рис. 17.8 б). В таких стабилизаторах существенно увеличивается коэффициент усиления, что позволяет повысить коэффициент стабилизации и снизить пульсации выходного напряжения стабилизатора.

Инверторы

Некоторые электронные устройства, входящие в состав автоматических систем управления производственными процессами, требуют для своей работы энергию переменного тока определенной частоты. Такие системы устанавливают на различных мобильных агрегатах, источниками питания которых служат устройства прямого преобразования энергии (топливные элементы, аккумуляторные батареи, термо- и фотоэлектрические преобразователи и др.).

В состав блока питания электронных устройств входят так называемые автономные инверторы, осуществляющие преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой.


Рассмотрим устройство и работу инвертора на примере однофазного мостового автономного инвертора напряжения (рис. 17.9 а).

 а) б)

Рис. 17.9

Основными элементами инвертора являются тиристоры и конденсатор. Конденсатор обязателен в схеме для обеспечения запирания тиристоров и формирования выходного напряжения.

В автономном инверторе напряжения источник питания работает в режиме источника ЭДС. Напряжение на нагрузке  появляется при поочередном включении тиристоров VS1, VS4 и VS2, VS3, управление которыми осуществляется импульсами сигналов, поступающих от специальной схемы управления СУ.

Входной управляющий импульс  от СУ открывает первую пару тиристоров VS1 и VS4 и закрывает ранее открытые VS2 и VS3. На сопротивлении нагрузки возникает напряжение   положительной полярности, которое равно ЭДС Е источника питания (рис. 17.1 б). Второй управляющий импульс  запирает тиристоры VS1 и VS4 и открывает пару VS1 и VS4. В этом случае напряжение , также равное ЭДС, имеет отрицательную полярность. Таким образом, напряжение на нагрузке  переменное и имеет прямоугольную форму.

При открытии и закрытии тиристоров ток нагрузки  изменяется не скачкообразно, а плавно (вследствие активно-индуктивного характера нагрузки). При уменьшении до нуля и изменении затем направления ток не может протекать через тиристоры, так как одна их пара закрыта, а для другой он имеет обратное направление. Для прохождения тока нагрузки в схему включены диоды VD1– VD4 в направлении, обратном тиристорам.

Чтобы получить напряжение  на выходе инвертора, близкое к синусоидальному, необходимо последовательно с нагрузкой включить фильтр, отсекающий высшие гармоники напряжения.


Измерение тока и напряжения