Классификация

Классификация

Стабилизирующие устройства можно разделить в зависимости от вида напряжения или тока протекающего через него на стабилизаторы переменного и постоянного тока или напряжения. И также их можно подразделить по типу: параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы строятся на основе таких нелинейных элементов, как транзисторы, стабилитроны и стабисторы и т. п. Это обусловлено тем, что благодаря их характеристикам (вольт-амперных, ампер-вольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.) ток или напряжения могут быть стабилизированы на определённом уровне. Более подробно будут рассмотрены в следующих статьях.

Компенсационные стабилизаторы – это устройство, которое выполнено в виде системы автоматического регулирования, или другим словом содержит цепь отрицательной обратной связи. За счёт изменения параметров регулирующего элемента посредством воздействия на него сигнала обратной связи и происходит стабилизация напряжения. Схема и принцип действия более подробно будут рассмотрены в следующих статьях.

Стабилизация тока или напряжения происходит при помощи регулирующего элемента (РЭ), который, в свою очередь, может быть расположен относительно нагрузки последовательно или параллельно. Следовательно стабилизаторы можно подразделить на схемы с последовательным включением регулирующего элемента и на схемы с параллельным включением регулирующего элемента.

При последовательном соединении регулирующего элемента с нагрузкой, регулирование напряжения на выходе происходит за счёт изменения сопротивления в регулирующем элементе. Выходное напряжение при таком соединении будет равно U_вых=U_вх+ΔU_рэ.

При параллельном соединении регулирующего элемента с нагрузкой, регулировка напряжения на выходе достигается за счёт изменения тока, протекающего через регулирующий элемент. В свою очередь, стабилизация напряжения на выходе осуществляется за счёт изменения напряжения на балластном резисторе R_б. Ток на балластном резисторе можно найти исходя из первого закона Кирхгофа: сумма сходящихся токов в одном узле равна нулю. Следовательно ток на R_ббудет равен I_б=I_рэ+I_н. Главное преимущество параллельного соединения заключается в устойчивости к перегрузкам по току и выдерживание короткого замыкания в цепи нагрузки.

Для определения какой следует применить стабилизатор стоит исходить из требований, предъявляемых к качеству питающих напряжений.

Основные параметры

Стабилизаторы характеризуются коэффициентом стабилизации, КПД и внутренним сопротивлением.

Коэффициентом стабилизации называется отношение относительного изменения дестабилизирующей величины к относительному изменению выходной величины. Так, для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации по входному напряжению

где — коэффициент передачи напряжения.

КПД стабилизатора определяется долей потерь мощности в стабилизаторе по отношению к полезной мощности в нагрузке

Внутренним сопротивлением стабилизатора называют отношение изменения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его изменению тока нагрузки при постоянном выходном напряжении и других дестабилизирующих факторов

В зависимости от области применения стабилизаторов к ним предъявляются требования: обеспечение высокого к.п.д., высокого коэффициента стабилизации и минимальных пульсаций выходного напряжения (тока); высокое быстродействие и малая чувствительность к изменению условий эксплуатации, главным образом температуры. Иногда выдвигается требование возможности плавной или ступенчатой регулировки выходного напряжения (тока).

Параметрические стабилизаторы являются простейшими стабилизирующими устройствами, однако, во многих случаях они обеспечивают достаточное качество стабилизации. В качестве нелинейных элементов могут использоваться кремниевые стабилитроны, термисторы, а на больших мощностях — дроссели с ферромагнитными сердечниками. Наибольшее распространение для стабилизации напряжения получили кремниевые стабилитроны. Обратная ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона имеет круто падающий участок — рис. 3.20, поэтому изменение тока нагрузки в пределах от I_ст.min до I_cт.max почти не изменяет напряжение на стабилитроне. Работа при токах меньше величины минимального тока пробоя I_ст.min недопустима по причине отсутствия стабилизации, а при токах больше I_cт.max по причине перехода электрического пробоя в тепловой и выходу стабилитрона из строя.

Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рис.2а. Стабилитрон включается параллельно нагрузке. Ток стабилитрона равен разности общего тока i и тока в нагрузке i_н

Балластный резистор R_б берется такой величины, чтобы при возможном минимальном значении U_вх и минимальном значении R_н, ток через стабилитрон находился допустимых пределах тока стабилизации

Зависимость напряжения стабилизации от температуры оценивают температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Обычно при обратном включении стабилитрона ТКН отрицателен, а при прямом — положителен, что позволяет осуществить температурную компенсацию параметрических стабилизаторов встречным включением последовательно с рабочим стабилитроном, компенсирующих стабилитронов или диодов. Количество компенсирующих стабилитронов или диодов подбирается таким, чтобы более полно осуществить компенсацию. Более точную компенсацию температурного дрейфа напряжения стабилизации удается достичь, введя регулирование величины тока в компенсирующих диодах или стабилитронах — рис.2 б.

Рисунок 2 – Параметрический стабилизатор напряжения: а - однокаскадный без термостабилизации, б - однокаскадный с термостабилизацией, в - двухкаскадный

Выпускаемые промышленностью термостабильные стабилитроны имеют встроенную стабилизацию величины U_ст и поэтому обладают малым ТКН.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется выражением

Здесь r_д — внутреннее динамическое сопротивление стабилитрона. Из последней формулы видно, что K_ст повышается с ростом R_б и уменьшением r_д. Увеличение K_ст влечет за собой необходимость увеличения U_вх, что не всегда приемлемо. Дифференциальное сопротивление стабилитронов зависит от напряжения стабилизации и тока через стабилитрон. Наименьшие значения r_д, у стабилитронов с напряжением стабилизации 7–8 B. Поэтому при необходимости стабилизации напряжений более 14–16 B есть смысл вместо одного высоковольтного ставить два или более низковольтных стабилитронов с напряжением стабилизации порядка 7–8 В.

Увеличение I_ст снижает r_д. Реальные значения r_д составляют единицы, десятки и сотни Ом.

Влияние изменения тока нагрузки параметрического стабилизатора на выходное напряжение оценивают величиной выходного сопротивления , по сравнению с величиной сопротивления нагрузки.

Для увеличения точности стабилизации используют многокаскадные (обычно двухкаскадные) схемы — рис.2 в. В двухкаскадной схеме коэффициент стабилизации всего стабилизатора равен произведению коэффициентов стабилизации составляющих стабилизаторов:

Параметрический стабилизатор тока реализуется путем последовательного включения с нагрузкой нелинейного элемента, имеющего вольтамперную характеристику, показанную на рис. 3.

Рисунок 3 – Параметрический стабилизатор тока:

а – общая схема, б – ВАХ нелинейного элемента

При изменении падения напряжения на нелинейном элементе НЭ в пределах от U_ст.min до U_ст.max ток через элемент будет почти неизменным I_ст. В качестве нелинейного элемента может использоваться нить накаливаемой железной проволоки (бареттер), биполярный или полевой транзистор. В качестве примера на рис 4 показана схема стабилизатора тока на полевом транзисторе. В этой схеме резистором Ro можно устанавливать величину стабильного тока в нагрузке. Коэффициент стабилизации параметрических стабилизаторов тока не превышает значения нескольких десятков.

Рисунок 4 – Параметрический стабилизатор тока на полевом транзисторе

Компенсационные стабилизаторы выполняются в виде замкнутых систем регулирования с отрицательной обратной связью. Регулирующий элемент (например, транзистор) этой системы может включаться параллельно или последовательно с нагрузкой. На рис. 4 показаны структурные схемы компенсационных стабилизаторов напряжения последовательного и параллельного типов. Источник опорного напряжения ИОН формирует высокостабильное опорное напряжение U_оп. В качестве такого источника чаще всего применяют одно- или многокаскадную схему параметрической стабилизации при помощи стабилитронов. Усилитель У усиливает разность U_н– U_оп, поступающую на вход регулирующего элемента РЭ. Таким образом, схема стабилизации работает по сигналу отклонения выходного напряжения от заданной величины. В последовательном стабилизаторе стабилизация U_н осуществляется путем изменения напряжения U_р на регулирующем элементе, а в параллельном — путем изменения падения напряжения на балластном резисторе R_б изменением выходного тока i_p регулирующего элемента.

Рисунок 4 – Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения: а – последовательного, б – параллельного

РЭ –регулирующий элемент, У – разностный усилитель, ИОН – источник опорного напряжения

Стабилизаторы последовательного типа более экономичны при работе с изменяющейся нагрузкой, поэтому стабилизаторы параллельного типа применяют при работе на постоянную нагрузку.

Стабилизаторы параллельного типа не требуют принятия специальных мер по защите от короткого замыкания. В этом режиме вся мощность, которую потребляет стабилизатор от сети, будет рассеиваться на балластном резисторе, параметры которого должны быть соответствующим образом выбраны. На регулирующем транзисторе мощность не выделяется. У стабилизаторов последовательного типа, наоборот, в режиме короткого замыкания вся мощность выделяется на регулирующем транзисторе и приходится принимать меры по его защите.

Рисунок 5 – Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения без усилителя в цепи обратной связи

Режим холостого хода не опасен для стабилизаторов последовательного типа, и это является их большим преимуществом. В стабилизаторах же параллельного типа при сбросе нагрузки вся мощность выделяется на регулирующем элементе.

Простейший компенсационный стабилизатор на одном биполярном транзисторе показан на рис.5. В этом стабилизаторе транзистор совмещает функции регулирующего элемента и усилителя разности U_н– U_оп. Источником опорного напряжения является параметрический стабилизатор R_б, Д. В исходном состоянии, когда отсутствуют дестабилизирующие факторы, режим работы транзистора выбирается таким, чтобы напряжением смещения U_эб он был не полностью открыт: U_эб » 0,3 В. При этом U_н» U_оп. При изменении U_н, изменится смещение, транзистор приоткроется или призакроется, так что U_н возвратится к исходному состоянию.

Максимальный ток нагрузки определяется минимально допустимым током стабилитрона, так как с увеличением i_н ток базы i_б будет расти, а ток через стабилитрон i_ст будет уменьшаться и при стабилизация нарушается.

Минимальный ток нагрузки аналогично определяется максимально допустимым током стабилитрона:

В, (а,в,г),г,б, д

http://blogtimt.ru/stabilizatory-napryazheniya-i-toka/

https://studopedia.ru/5_76189_stabilizatori-napryazheniya-i-toka.html

Вопросы

2 Стабилизатор напряжения постоянного тока характеризуется:

а) коэффициентом выпрямления

б) коэффициентом мощности

в) нестабильностью выходного напряжения

г) нестабильностью входного напряжения

2 Стабилизаторы характеризуются рядом показателей, к которым относятся:

а) коэффициент стабилизации по входному напряжению;

б) коэффициент выпрямления;

в) температурная нестабильность;

г) внутреннее сопротивление;

3 При каскадном соединении стабилизаторов коэффициенты стабилизации отдельных каскадов …

а) суммируются

б) вычитаются

в) делятся

г) перемножаются

4 Чему равен коэффициент стабилизации напряжения?

а) Отношению относительного изменения напряжения на выходе к относительному изменению напряжения на входе.

б) отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе.

5 Отличие параметрических и компенсационных стабилизаторов заключается в

а) дискретности выходного напряжения,

б) точности поддержания выходного параметра,

в) величине выходного параметра,

г) частотном диапазоне возмущающих воздействий,

д) способе управления регулирующим элементом

Задание:

1 Записать в конспект дату и тему занятия

2 Законспектировать основные понятия по теме

3 Дать развернутый (вопрос –правильный ответ с номером) на вопросы:

Обратная связь: выполненные задания, вопросы отправляем в комментарияхили личные сообщения преподавателю или на электронную почту колледжа dktidistanc@mail.ru

⇐ Предыдущая 12