Методика расчета стабилизаторов напряжения

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 21Следующая ⇒

Стабилизатор напряжения рассчитывают с учетом исходных данных, основными из которых являются (см. рисунок 5.12, 6): максимальное U_и_m_ах, номинальное U_Н, минимальное U_н_min₁ напряжения на выходе стабилизатора; максимальный I_н_m_ах, минимальный I_н_min, токи нагрузки; коэффициент стабилизации К_ст; выходное сопротивление R_щых; температурная нестабильность выходного напряжения; минимально допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения U_П; технические данные на полупроводниковые приборы.

Входное напряжение U_вх стабилизатора может быть определено с учетом максимального выходного напряжения U_н_m_ах и падения напряжения U_кэ на участке коллектор-эмиттер регулирующего транзистора. При этом необходимо учитывать колебания входного напряжения DU_вх, напряжение пульсации U_П (амплитудное значение), падение напряжения U_в на внутреннем сопротивлении источника питания (выпрямитель):

. (5.6)

Уменьшение входного напряжения DU_вх выразим через относительный коэффициент отклонения , т.е. .Амплитуду напряжения пульсации U_п выразим через относительный коэффициент пульсации , откуда . Подставляя эти выражения в формулу (5.6), получим

отсюда .

При питании от выпрямителя коэффициент пульсации выбирают зависимости от выходного напряжения стабилизатора: при , а при U_H< 5 В .

Минимально допустимое напряжение на участке коллектор -эмиттер регулирующего транзистора в активном режиме выбирают из технических данных. Для трехкаскадного регулирующего элемента, состоящего из германиевых транзисторов, , а для трехкаскадного регулирующего элемента, состоящего из кремниевых транзисторов, В. При параллельном включение транзисторов в регулирующем элементе U_кэ_min должно быть увеличено на значение падения напряжения на симметрирующих резисторах U_c ≈ 0, 5 В. Необходимо учитывать и падение напряжения в выпрямителе U_B, которое зависит от входного тока I_вх и внутреннего сопротивления выпрямителя R_B, тогда U_B=I_BXR_B. Входной ток равен сумме тока нагрузки и дополнительного тока управления схемой стабилизатора, т.е. I_BX=I_H+I_Д. В свою очередь, дополнительный ток включает в себя токи стабилитрона и делителя . Дополнительный ток можно определить из соотношения . Внутреннее сопротивление выпрямителя рассчитывается в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки стабилизатора. При напряжении на выходе U_я < 5 В ; при В .

На основании выбранных значений можно определить искомые напряжения, в том числе номинальное входное ; максимальное входное ; мгновенное максимальное входное ненагруженного источника ; номинальное входное нагруженного источника ; максимальное входное нагруженного выпрямителя .

Выбор регулирующего транзистора осуществляется по максимальной мощности, выделяемой в нем,

Максимальное мгновенное падение напряжения на участке коллектор-эмиттер регулирующего транзистора

Сопротивление R_с учитывают только при параллельном включении регулирующих транзисторов. На основании полученных значений Р_к_m_ах и U_кэ_m_ах определяют максимальный ток коллектора регулирующего транзистора, а для повышения надежности необходимо выбрать транзистор с допустимым током, в раз превышающим ток нагрузки стабилизатора ( ).

При Вт в регулирующем элементе применяют параллельное соединение транзисторов. Тогда сопротивление симметрирующих резисторов , где N -число параллельно соединяемых транзисторов.

При меньшей мощности выясняется необходимость применения составного транзистора и числа его каскадов. Определяется максимально возможное изменение тока базы регулирующего транзистора где DI_н - максимально возможное изменение тока нагрузки.

Если мА, то следует применять составной транзистор, общий коэффициент которого определяется из условия

Ток I_бmax выбирают равным (0, 05 - 0, 1) мА.

Число транзисторов составного регулирующего элемента определяют по общему коэффициенту .

Используя минимальное значение коэффициента передачи тока

мощного транзистора VТ1, найдем режимы транзистора VТЗ. Его максимальный коллекторный ток , где I_R₅-ток, протекающий через резистор R5, который выбирают с учетом максимального обратного тока коллектора VT1\ в зависимости от температуры окружающей среды:

где I_коб - обратный ток коллектора при температуре окружающей среды

T_max - максимально допустимая температура окружающейсреды.

Падение напряжения на участке коллектор –эмиттер

Сопротивление резистора .

Расчет цепи обратной связи сводится в основном к расчету источника опорного напряжения, сопротивления делителя RЗR4, резистора R1 и к выбору транзистора усилителя постоянного тока. Расчет источника опорного напряжения сводится к выбору сопротивления резистора R2, с помощью которого задается ток

стабилитрона VD1. Как видно из схемы (см. рисунок 5.12, 6) .В процессе стабилизации будет изменяться ток стабилитрона I_ст, и сопротивление гасящего резистора R2 необходимо

выбрать таким, чтобы выполнялось условие , тогда (ток I_к2выбирается равным от 2 до 3 мА). Сопротивление .Максимальный ток стабилитрона .

Сопротивление резисторов выходного делителя напряжения: .

Сопротивление делителя R_Д=R3+R4, тогда: ; .

Сопротивление резистора .

Максимальный коллекторный ток , а

мощность, рассеиваемая на транзисторе, .

Полученные значения сравнивают с предельно допустимыми для выбранного транзистора. Если они превышают их, то выбранное значение тока I_к2 снижают и расчет выполняют повторно. Остальные параметры стабилизатора определяются по выражениям (5.1)-(5.4).

Стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием, обладая довольно высокими качественными показателями, вместе с тем имеют сравнительно низкий к. п. д., повышение которого практически невозможно без увеличения массы и габаритных размеров радиаторов регулирующих элементов. Значительное увеличение к. п. д. при снижении габаритных размеров возможно в стабилизаторах с импульсным регулированием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими параметрами характеризуются стабилизаторы напряжения и тока?

2. Почему аккумуляторы в буферном режиме подразделяют на основную и дополнительную группы?

3. Что такое угол запаздывания? Как регулируется напряжение в тиристорных выпрямителях?

4. Как регулируется напряжение дросселями насыщения?

5. Как с помощью вольтодобавочного трансформатора осуществляется стабилизация напряжения?

6. За счет чего стабилизируется напряжение в феррорезонансных стабилизаторах напряжения?

7. В чем состоит преимущество компенсационных стабилизаторов напряжения перед параметрическими?

8. Для чего в регулирующем элементе компенсационного стабилизатора напряжения применяют составной транзистор?

9. Для чего в компенсационном стабилизаторе напряжения применяют дифференциальный усилитель постоянного тока?

10. Как регулируется напряжение в понижающем, повышающем и полярно-инвертирующем импульсном стабилизаторе напряжения?

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Инверторы

В инверторах коммутация тока осуществляется электронными приборами, работающими в ключевом режиме. При работе в этом режиме электронный прибор может находиться в одном из двух состояний: открытом или закрытом. В обоих состояниях мощность, рассеиваемая на электродах, очень мала. Инвертор переходит из закрытого состояния в открытое и обратно очень быстро, так что и за время коммутации потери незначительны. Поэтому при работе в ключевом режиме к. п. д. инверторов может достигать 80-90%.

Инверторы классифицируют по ряду признаков. В зависимости от типа применяемых электронных приборов различают ламповые, транзисторные, тиратронные и тиристорные инверторы. В зависимости от системы управления их подразделяют на инверторы с внешним возбуждением и самовозбуждением. В инверторах с внешним возбуждением в состав системы управления входит автономный генератор, создающий управляющие сигналы в виде импульсов или гармонических колебаний. В инверторах с самовозбуждением коммутация осуществляется за счет положительной обратной связи в самом инверторе. Инверторы классифицируют также по числу фаз выходного напряжения (одно- и трехфазные); по форме выходного напряжения (синусоидальная, прямоугольная).

В устройствах автоматики и связи на транспорте наиболее широко распространены транзисторные и тиристорные инверторы.

Транзисторные инверторы. Инверторы выполняют по одно- и двухтактным схемам.

Однотактная схема инвертора с внешним возбуждением (рисунок 6.2, а) состоит из транзистора VTи дросселя L. Коллекторный ток транзистора VТ определяется управляющим напряжением u_эб, приложенным между базой и эмиттером, и имеющим форму прямоугольных импульсов (рисунок 6.2, б).

При положительной полярности управляющего напряжения транзистор VТ открыт, и все напряжение источника постоянного тока U₀ приложено к нагрузке. Ток дросселя i_Lвозрастает почти линейно. Ток, отдаваемый источником i_H, равен сумме токов, протекающих через дроссель и нагрузку.

Рис. 6.2. Схема однотактного инвертора с внешним возбуждением (а) и временные диаграммы напряжений и токов (б)

Рис. 6.3. Схема однотактного транзисторного инвертора с самовозбуждением (а) и выходные характеристики транзистора (б)

После поступления управляющего импульса отрицательной полярности транзистор закрывается, но ток в нагрузке I_н будет существовать за счет энергии, запасенной в дросселе. Направление тока изменяется, а его значение будет уменьшаться по экспоненциальному закону. Так как среднее значение напряжения на дросселе и нагрузке равно нулю, то среднее значение напряжения на нагрузке при закрытом транзисторе равно U₀. Следовательно, максимальное напряжение на нагрузке U_Hmax превышает среднее значение на DU. Изменение напряжения U_эк зависит от индуктивности дросселя. Чем больше индуктивность, тем меньше DUи форма кривой напряжения на нагрузке ближе к прямоугольной. Напряжение на закрытом транзисторе U_эк больше чем в 2 раза превышает напряжение источника тока U₀. Достоинством рассматриваемой схемы инвертора является ее простота, а к недостаткам относятся: несимметричность формы кривой выходного напряжения и зависимость ее от нагрузки; небольшая мощность в нагрузке - доли или единицы ватт.

Однотактная схема инвертора с самовозбуждением (рисунок 6.3, а) состоит из транзистора VТ и трансформатора Т с тремя обмотками, первичной I, вторичной II и обмоткой обратной связи III. В схеме возникают колебания при выполнении двух условий: баланса фаз и баланса амплитуд. Условие баланса фаз заключается в том, что напряжение, подаваемое на базу, должно быть в противофазе с напряжением на коллекторе транзистора. При выполнении этого условия обеспечивается положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд заключается в том, что напряжение обратной связи должно быть не менее определенного значения, необходимого для поддержания генерации. Оба условия достигаются подключением обмотки обратной связи с определенным числом витков.

При подключении источника тока с напряжением U₀в цепях базы и коллектора протекают токи I_к и I_эк. За счет индуктивности Lпервичной обмотки ток I_эк будет возрастать по закону, близкому к линейному . При увеличении тока I_эк возрастает магнитный поток в сердечнике трансформатора, наводится э.д.с. в обмотках и появляется ток в нагрузке. Рабочая точка на этом этапе смещается по характеристике транзистора (рисунок 6.3, 6) из начала координат (точка О) в область насыщения (точка А), где возрастание тока I_к прекращается. При этом магнитный поток также прекращает возрастать, вследствие чего изменяется полярность э.д.с, в обмотках трансформатора, уменьшается ток базы транзистора, а затем и ток коллектора. Этот процесс носит лавинообразный характер, который приводит к быстрому запиранию транзистора. При этом рабочая точка смещается в область отсечки (точка Б). К моменту насыщения транзистора в сердечнике накапливается магнитная энергия W=0.5LI_K². При запирании транзистора ток в нагрузке будет продолжаться за счет энергии, запасенной в трансформаторе. Направление тока в нагрузке изменится, а его значение будет уменьшаться. К моменту, когда ток в нагрузке будет равен нулю, восстановится первоначальное значение потенциалов в цепи обратной связи, рабочая точка сместится в начале координат (точка О) и процессы будут повторяться. Преобразователи этого типа целесообразно применять при высоком выходном напряжении, малых токах и мощностях в нагрузке, достигающих нескольких десятков ватт, их к. п. д. 60-70%. Схему используют и в качестве задающего генератора в инверторе с внешним возбуждением.

Двухтактная схема инвертора с самовозбуждением (рисунок 6.4, а) состоит из двух транзисторов VT1и VT2, а также из трансформатора Т с тремя обмотками, сердечник которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Отрицательное смещение на базы транзисторов подается со средней точки делителя напряжения R1R2, к которому подключено входное напряжение U₀. Сопротивление резистора R1 много меньше, чем у резистора R2, поэтому между базой и эмиттером каждого транзистора действует небольшое напряжение, приходящееся на резистор R1и составляющее десятые доли вольта. Конденсатор С облегчает запуск инвертора. В момент включения питания ток заряда конденсатора проходит через резистор R1. При этом на нем кратковременно увеличивается падение напряжения и на базах транзисторов возрастает отрицательный потенциал.

После включения инвертора в первый момент благодаря наличию отрицательного смещения на базах открываются оба транзистора. Параметры транзисторов не могут быть абсолютно одинаковыми, поэтому коллекторные токи будут несколько отличаться друг от друга. Предположим, что ток транзистора VT1превышает ток транзистора VT2, что приведет к тому, что в трансформаторе будет преобладать магнитный поток, возникающий за счет тока i_к1. Благодаря этому э.д.с., возникшие в других обмотках за счет взаимоиндукции, будут иметь полярность, указанную на схеме. На базе транзистора VT1 появится отрицательный потенциал относительно эмиттера, а на базе VT2 - положительный. При этом транзистор VT1будет продолжать открываться и ток i_к1 увеличиваться, а транзистор VТ2 начнет закрываться. Этот процесс нарастает лавинообразно. К моменту времени t₁транзистор VТ1 открыт и находится в режиме насыщения (рисунок 6.4, в и г), а транзистор VТ2 закрыт и находится в режиме отсечки (рисунок 6.4, д). С момента насыщения транзистора VТ1 к обмотке I’ трансформатора будет приложено почти все напряжение источника постоянного тока (рисунок - 6.4, д). На этом заканчивается процесс включения инвертора.

Рис. 6.4. Схема двухтактного транзисторного инвертора с самовозбуждением (а), характеристика намагничивания сердечника трансформатора (б); временные диаграммы напряжений и токов (в-е)

Дальше начинается линейный процесс. Индукция в сердечнике трансформатора нарастает линейно со скоростью

где U_KH - напряжение коллектор - эмиттер насыщенного транзистора;

S -площадь поперечного сечения сердечника

w -число витков обмотки I’.

Коллекторный ток транзистора

;

где i’_H-ток нагрузки, приведенный к первичной обмотке;

i’₀- ток, нейтрализующий намагничивание, создаваемое током отсечки запертого транзистора I_K₀; i_μ - ток намагничивания.

Ток намагничивания и нейтрализации на этом этапе очень малы. Линейный процесс продолжается до момента времени t₂, когда индукция в сердечнике достигнет индукции насыщения B_S(рисунок 6.4, 6). С этого момента начинается коммутационный процесс. Ток коллектора нарастает из-за увеличения тока намагничивания i_μ. При этом степень насыщения транзистора падает. Заряд неосновных носителей в его базе уменьшается. К моменту времени t₃коллекторный ток транзистора возрастает настолько, что он выходит из насыщения. Напряжение на транзисторе начинает возрастать (рисунок 6.4, 5), что приведет к уменьшению напряжения на первичной обмотке трансформатора и положит начало закрывания транзистора VT1. При запирании транзистора VT1сердечник трансформатора Т начинает перемагничиваться, что приводит к появлению на обмотках трансформатора напряжений, противоположных по знаку тем, которые были ранее (см. рисунок 6.4, а). Процесс развивается лавинообразно и к моменту времени t₄ приводит к запиранию транзистора VT1и открыванию транзистора VT2.

После переключения транзисторов вновь начинается линейный процесс, который сопровождается изменением индукции от + В_S до —В_S. В дальнейшем процессы повторяются. При этом импульсы напряжения на вторичной обмотке трансформатора и на нагрузке будут иметь форму, близкую к прямоугольной (рисунок 6.4, е).

На коллекторном переходе закрытого транзистора действует сумма напряжений источника постоянного тока U₀ и э.д.с., индуцированная в коллекторной обмотке закрытого транзистора (см. рисунок 6.4, а), поэтому для успешной работы в инверторе транзисторы должны иметь допустимое напряжение U_кэбольше 2U₀. Частота колебаний инвертора с насыщающимся трансформатором в основном определяется конструктивными данными трансформатора и напряжением источника постоянного тока . Оптимальная частота колебаний лежит в диапазоне 400-600 Гц. При работе инвертора на повышенных частотах следует учитывать длительность коммутационных процессов, которые зависят от инерционности транзисторов и схемы инвертора. Для приведенной схемы она практически равна времени рассасывания заряда неосновных носителей в базах транзисторов. Особенностью схемы инвертора является наличие значительных выбросов коллекторных токов транзисторов, возникающих в процессе коммутации. Данный преобразователь применяют при мощностях не более 50-100 Вт, обеспечивая к.п.д. порядка 70-80%. При больших мощностях существенно увеличиваются потери в трансформаторе. Недостатком преобразователя является сильное влияние тока и характера нагрузки на частоту, форму и выходное напряжение.

Двухтактная схема инвертора с внешним возбуждением (рисунок 6.5) позволяет полностью развязать цепи задающего генератора ЗГ и нагрузки R_н. В качестве инверторов с внешним возбуждением чаще всего используют схемы двухтактных усилителей мощности с выходным трансформатором. Задающий генератор ЗГ представляет собой маломощный преобразователь с самовозбуждением, не отличающийся от рассмотренных ранее.

Рис. 6.5. Схема двухтактного инвертора с внешним возбуждением

Рис. 6.6. Схема мостового параллельного тиристорного инвертора

Диоды VD1 и VD2 защищают транзисторы от перенапряжения и обеспечивают возвращение реактивной энергии, накапливаемой в трансформаторе, источнику постоянного тока. При этом форма кривой напряжения приближается к прямоугольной. Выходной трансформатор преобразователя доводить до насыщения нет необходимости, благодаря чему уменьшаются потери и к.п.д. может достигать 80-90%. Преобразователи этого типа выполняются мощностью до 500 Вт.

Тиристорные инверторы. В качестве элементов в схемах инверторов широко применяют управляемые вентили -тиристоры, которые по сравнению с транзисторами имеют такие особенности.

Тиристоры открываются при подаче в цепь управляющего электрода импульса тока. Однако у открытого прибора управляющие электроды теряют управляющие свойства, и закрывание тиристора практически может быть достигнуто снижением анодного напряжения до нуля или подачей отрицательного напряжения на анод. В большинстве инверторов в качестве элемента, обеспечивающего закрывание тиристоров, используют коммутирующий конденсатор, включаемый последовательно или параллельно по отношению к нагрузке. В зависимости от этого схемы инверторов называют последовательными или параллельными. Наиболее широкое распространение получили схемы параллельных инверторов.

Мостовая схема параллельного инвертора (рисунок 6.6) содержит тиристоры VS1, VS2, VS3 и VS4, включенные по мостовой схеме. В одну диагональ моста включен источник постоянного тока U₀, а в другую - первичная обмотка трансформатора Т. Параллельно первичной обмотке трансформатора включен коммутирующий конденсатор С. Дроссель L- обеспечивает постоянство тока, потребляемого от источника. Принцип работы схемы заключается в следующем. Управляющие импульсы от внешнего источника подаются одновременно на тиристоры VS1 и VS4, которые открываются, и через них протекает ток i_L, равный сумме тока первичной обмотки трансформатора i₁, и тока заряда конденсатора i_c.Коммутирующий конденсатор заряжается до напряжения U_с ~ U₀. Затем управляющие импульсы открывают тиристоры VS2 и VS3, вследствие чего к тиристорам VS1 и VS4будет приложено отрицательное напряжение U₀и они запираются. Ток в первичной обмотке трансформатора меняет направление, конденсатор С перезаряжается до напряжения U_С = U_о с противоположной полярностью. Затем под воздействием управляющих импульсов вновь открываются тиристоры VS1и VS4, и процесс повторяется.

Рис. 6.7. Схема параллельного инвертора на тиристорах (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б)

Двухтактная схема параллельного инвертора на тиристорах (рисунок 6.7, а) получила наиболее широкое распространение. В схеме используют такие же элементы, как и в мостовой, но ток коммутируется только двумя тиристорами VS1 и VS2. К концу отрезка времени t₀ – t₁ (рисунок 6.7, 6) тиристор VS1 закрыт, а VS2 открыт, конденсатор С заряжен и имеет полярность, указанную на схеме в скобках. В момент времени t₁ на управляющий электрод тиристора VS1 подается положительный импульс i_у1, и он открывается. Напряжение на конденсаторе С через малое сопротивление открытого тиристора VS1 оказывается приложенным к еще открытому

тиристору VS2 и в течение очень малого промежутка времени (микросекунд) его закрывает. Ток i_а1 открытого тиристора VS1, протекая по верхней половине первичной обмотки трансформатора Т, наводит в нижней обмотке э.д.с. с полярностью (см. рисунок 6.7, а). Конденсатор С под воздействием разности потенциалов на концах первичной обмотки трансформатора начинает перезаряжаться. По мере заряда конденсатора ток i_с уменьшается. Напряжение u_а1 на открытом тиристоре мало, а его ток i_а1, равный току i_L при достаточно большой индуктивности дросселя L остается практически неизменным. В момент времени t₂на управляющий электрод: тиристора VS2 подается положительный импульс i_у2, который его открывает. Напряжение на конденсаторе С (его полярность указана на рисунке 6.7, а без скобок) вызывает быстрое запирание тиристора VS1. При этом ток конденсатора резко изменяет направление, и он вновь начинает перезаряжаться. Таким образом, процесс коммутации тиристоров периодически повторяется, и на выходе инвертора возникает переменное напряжение u_н. Для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы время работы t_δ, в течение которого на аноде тиристора сохранялся отрицательный потенциал, было бы больше времени выключения t_выкл. В противном случае закрываемый тиристор вновь откроется, что приведет к короткому замыканию источника постоянного тока.

⇐ Предыдущая 12 13 14 15 16 171819 20 21 Следующая ⇒