Феррорезонансные и параметрические стабилизаторы напряжения

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 21Следующая ⇒

Феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Электромагнитные стабилизаторы напряжения, в которых используют резонансные контуры, называют феррорезонансными. Их применяют в качестве маломощных стабилизаторов переменного напряжения и как опорные (эталонные) источники напряжения. Чаще всего их выполняют на одном сердечнике из трансформаторной стали Ш-образной формы с тремя стержнями (рисунок 5.8, а). Площадь поперечного сечения крайних стержней значительно меньше среднего. Кроме того, левый стержень имеет воздушный зазор δ, выполняющий роль магнитного шунта, снижающего внешний поток рассеивания и уменьшающего влияние феррорезонансного стабилизатора напряжения на работу соседних устройств. На среднем и правом стержнях размещаются обмотки: первичная w₁и компенсационная w_к- на среднем, вторичная w₂ и дополнительная w_д- на правом. Компенсационная обмотка имеет число витков в 3-6 раз меньшее, чем вторичная обмотка, поэтому напряжение на ней относительно невелико. Она включена последовательно с вторичной обмоткой и навстречу ей.

При включении входного напряжения в первичной обмотке будет протекать ток, который создаст магнитный поток Ф в среднем стержне. Этот поток разветвляется на два: Ф₂ - поток, протекающий в правом стержне, и Ф₁- поток, протекающий в левом стержне. При малых напряжениях поток Ф₁ мал, так как на его пути имеется воздушный зазор δ, представляющий собой большое сопротивление. Основная часть потока Ф будет замыкаться через правый стержень - поток Ф₂, обусловливающий возникновение напряжений U₂ и U_д. С увеличением входного напряжения U_вх будет пропорционально увеличиваться напряжение U₂ (рисунок 5.8, б). При дальнейшем увеличении входного напряжения наступает насыщение правого стержня, и с этого момента магнитный поток Ф₂ будет изменяться мало, начнет увеличиваться поток Ф₁. Напряжение U₂при этом изменяется незначительно - начинается процесс стабилизации. Для повышения стабильности выходного напряжения служит компенсационная обмотка, напряжение в которой изменяется пропорционально входному напряжению. Так как компенсационная обмотка включена встречно с вторичной обмоткой, то результирующее напряжение на нагрузке равно их разности U_н = U₂ — U_К. Следовательно, небольшие изменения напряжения U₂ будут скомпенсированы напряжением U_к, а напряжение на нагрузке будет более стабильно (кривая U_Н).

Рис.5.8. Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения (а) и зависимости напряжений U₂, U_K и U_H от U_BX (б)

Вторичная обмотка вместе с дополнительной, зашунтированные конденсатором С (см. рисунок 5.8, а), образуют колебательный контур, настроенный на частоту сети. Этот контур создает дополнительное насыщение правого стержня и улучшает стабилизирующие свойства феррорезонансного стабилизатора.

Феррорезонансные стабилизаторы можно изготавливать из стальных пластин различной конфигурации. Настройка и регулировка их осуществляются с помощью подключения различных отводов или изменения воздушного зазора магнитного шунта. В зависимости от типа применяемых пластин и мощности эти стабилизаторы имеют различные обозначения: СН-250, СТ-200, С-0, 09 и т.д.

К достоинствам электромагнитных стабилизаторов напряжения относятся: возможность получения переменного напряжения высокой стабильности при значительных колебаниях напряжения сети; безинерционность действия, устойчивость электрических данных, простота конструкции и небольшая стоимость.

Наряду с достоинствами феррорезонансные стабилизаторы обладают и некоторыми существенными недостатками, ограничивающими область их применения: относительно невысокий к. п. д. (0, 7-0, 85), зависимость выходного напряжения от частоты сети; искажение формы выходного напряжения, для исправления которой требуется применение специальных фильтров; зависимость выходного напряжения от характера нагрузки; наличие значительных магнитных полей рассеяния.

Параметрические стабилизаторы напряжения. Одним из простейших полупроводниковых стабилизаторов является параметрический стабилизатор напряжения (рисунок 5.9, а). Кремниевый диод (стабилитрон) VD1, включенный в обратном направлении, является стабилизирующим элементом. При малом обратном напряжении через стабилитрон протекает ток, мало зависящий от напряжения, как и в обычных диодах. Увеличение этого напряжения вызывает электрический пробой запорного слоя стабилитрона. В этом состоянии изменение тока в широких пределах почти не вызывает изменения напряжения на стабилитроне. Если мощность, выделяемая на стабилитроне, не превышает допустимую, то состояние пробоя может существовать бесконечно долго (десятки тысяч часов) и повторяться при включении и выключении диода. Это напряжение пробоя и является напряжением стабилизации U_ст.

Рис.5.9. Схема параметрического стабилизатора напряжения (а) и вольт-амперная характеристика стабилитрона (б)

Точка А на вольтамперной характеристике стабилитрона (рисунок 5.9, 6) соответствует пробою стабилитрона, который происходит при напряжении U_ст_min. В режиме пробоя (стабилизации) стабилитрон работает до напряжения U_ст_max при максимальном токе I_ст_max (точка В), что соответствует максимальной мощности рассеяния . При дальнейшем увеличении тока мощность, выделяемая на стабилитроне, превысит допустимую и может произойти тепловой пробой (разрушение p-n - перехода).

Прямая ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона тоже достаточно крутая, и может быть использована для стабилизации малых напряжений от 0, 5 до 0, 8 В при включении стабилитрона в прямом направлении.

В схеме (см. рисунок 5.9, а) через ограничивающий резистор R₀протекает общий ток I₀, равный сумме токов стабилитрона и нагрузки I_н, т. е. I₀ = I_ст +I_н. При этом входное напряжение U_ВХраспределяется на резисторе R₀ и на нагрузке R_т: .

Напряжение нагрузки равно напряжению на параллельно включенном стабилитроне U_н = U_СТ, которое определяется соотношением: U_СТ = I_ст · r_д, где - динамическое (дифференциальное) сопротивление стабилитрона (см. рисунок 5.9, б).

При увеличении входного напряжения в начальный момент времени напряжение на нагрузке также стремится к увеличению. Это незначительное изменение напряжения, прикладываемого к стабилитрону (в соответствии с его вольтамперной характеристикой), вызывает резкое увеличение тока, протекающего через него. При этом возрастает и общий ток I₀, что приводит к увеличению падения напряжения на гасящем сопротивлении R₀. Напряжение на нагрузке увеличится на DU_СТ. Это изменение будет тем меньше, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Следовательно, изменение напряжения на входе стабилизатора DU_ВХ распределяется на гасящем сопротивлении и на нагрузке DU_Н = DU_СТ, т. е. - При соблюдении соотношения R₀> > r_Д, что всегда обеспечивается в параметрических стабилизаторах, , тогда .

С уменьшением входного напряжения уменьшается ток стабилитрона и снижается падение напряжения на сопротивлении R₀. Таким образом, все изменения входного напряжения будут скомпенсированы изменением падения напряжения на гасящем сопротивлении. Колебания напряжения на нагрузке будут определяться изменениями напряжения на стабилитроне DU_СТ, т.е. напряжение на нагрузке остается практически постоянным.

Изменения тока нагрузки при постоянном входном напряжении будут вызывать обратные изменения тока стабилитрона (с увеличением тока I_н уменьшается ток I_ст). Общий ток I₀, протекающий через гасящее сопротивление, практически не изменится, что обеспечит постоянство напряжения на нем, а следовательно, и на нагрузке (на выходе стабилизатора).

Напряжение на выходе параметрического стабилизатора определяется опорным напряжением стабилитрона. Для получения более высоких напряжений на выходе параметрического стабилизатора напряжения стабилитроны включают последовательно.

Расчет параметрического стабилизатора напряжения можно выполнить, располагая исходными значениями: U_вх_max; U_вх_min; U_H _max; U_н; U_H _min; I_н; DI_н [10].

По опорному напряжению, максимально допустимому току и номинальной мощности выбирают тип стабилитрона. Максимально допустимый ток определяется из соотношения:

Сопротивление гасящего резистора должно быть выбрано таким, чтобы при напряжении U_вх_min ток стабилитрона не уменьшился бы ниже тока I_ст_min (см. рисунок 5.9, а), а при напряжении U_ВХ_max ток . Сопротивление

Выходное сопротивление стабилизатора , т.е. определяется динамическим сопротивлением стабилитрона.

Мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не должна превышать номинальную . Коэффициент стабилизации по напряжению определяется из соотношения или из выражения (5.3).

Абсолютная нестабильность выходного напряжения, обусловленная колебаниями входного напряжения и изменением температуры окружающей среды,

где α _ст- температурный коэффициент, находится из технических данных;

DТ - разность температур (диапазон изменения температуры окружающей среды).

Как известно, кремниевые стабилитроны, включенные в обратном направлении, обладают положительным (при U_ст _ном > 5 В) или отрицательным (при U_стном < 5 В) температурным коэффициентом. Для уменьшения температурной нестабильности в полупроводниковых стабилизаторах последовательно со стабилитроном в прямом направлении включают германиевый диод VD2 (один или несколько) (см. рисунок 5.9, а).

С повышением температуры напряжение лавинного пробоя стабилитрона повышается, а прямое сопротивление диода уменьшается. При определенном соотношении сопротивлений диода и стабилитрона может быть достигнута компенсация, т.е. выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения будет мало зависеть от температуры. Для этих целей промышленность выпускает стабилитроны, выполненные в одном корпусе вместе с термокомпенсирующим диодом.

К достоинствам параметрических стабилизаторов относятся простота схемы, низкая стоимость, небольшие масса и габаритные размеры.

Однако параметрические стабилизаторы напряжения обладают и рядом существенных недостатков: довольно значительное выходное сопротивление; невозможность получения точного определенного значения выходного напряжения, а также плавной его регулировки; невысокий коэффициент стабилизации напряжения порядка 20-60; к. п. д. ≈ 30%; маломощны; токи нагрузки ограничиваются максимально допустимыми токами стабилитронов; не допускается параллельного включения стабилитронов, так как из-за различия сопротивлений токи через них будут распределяться неодинаково.

Для получения больших токов нагрузки, значительно превышающих токи стабилитрона, а также получения более высоких качественных показателей применяют компенсационные стабилизаторы напряжения.

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒