Стабилизаторы напряжения

КГБОУ СПО «Ачинский механико-технологический  техникум»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Тема: Стабилизаторы напряжения.

 

 

 

                                                     Выполнил: Моисейченко А.С.

                                                                        Студент группы Э-2-9,11

                                    Проверила: Кунгурова А.А.

 

 

 

 

Ачинск 

2012г.

Оглавление:

1. Стабилизатор напряжения.............................................................1 стр.
2. Линейный стабилизатор.................................................................1 стр.
3. Параллельный параметрический стабилизатор

на стабилитроне…………………………………………………..1-2 стр.

4. Последовательный стабилизатор

на биполярном транзисторе……..……………………………..2 стр.

5. Последовательный компенсационный стабилизатор

с применением операционного усилителя………………………………………………………..3 стр.

6. Импульсный стабилизатор

(Разновидности и принцип действия)........................................4-9 стр.

7. Стабилизаторы переменного напряжения..............................9-11 стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По  типу выходного напряжения стабилизаторы  делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

Линейный стабилизатор.

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное), напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности P_расс = (U_in — U_out) * I_t рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся  на два типа:

Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа  стабилизации:

Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.

Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Параллельный  параметрический стабилизатор на стабилитроне.

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке R_L. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора R_V применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный  стабилизатор на биполярном транзисторе.

U_out = U_z — U_be.

 
По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину U_be, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость U_be от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить  максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим  стабилизатором на стабилитроне, в  β раз (где β - коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления  нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого  хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что U_be в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Последовательный  компенсационный стабилизатор с  применением операционного усилителя.

Часть выходного напряжения U_out, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением U_z на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения U_out подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора R_V применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (т.е. опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше требуемого минимального выходного напряжения.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (G_openloop = 10⁵ ÷ 10⁶).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Импульсный стабилизатор.

Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.

Разновидности:

По соотношению входного и выходного  напряжения

• Понижающие
• Повышающие
• С произвольным изменением напряжения
• Инвертирующие

По типу ключевого элемента

• На полевых транзисторах
• На тиристорах
• На биполярных транзисторах

Интегрирующим элементом  может быть

• Дроссель
• Конденсатор
• Аккумулятор

В зависимости от режима работы могут быть стабилизаторы

• на основе широтно-импульсной модуляции
• двухпозиционные (или релейные)

Принцип действия:

Важнейшими элементами импульсного источника питания  являются ключ — устройство, способное  за короткое время изменить сопротивление  прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Простейшим примером такого элемента может служить конденсатор, перед которым включено некоторое ненулевое сопротивление (в качестве которого может служить, к примеру, внутреннее сопротивление источника питания)

 

 

Ключевой

 

Функциональная  схема ключевого стабилизатора

Несколько иначе устроен  ключевой стабилизатор напряжения (называемый также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием). В нём также входное напряжение поступает через ключевой элемент (1) на накопитель (2), а выходное сравнивается с опорным в ОУ (4). Однако разность между ними подаётся на триггер Шмитта (3). Как только выходное напряжение превышает опорное на определённую величину U₁, триггер Шмитта открывается и закрывает ключ (1). Накопитель разряжается, пока напряжение на нём не упадёт ниже некоторой величины U₂, после чего ключ снова открывается и процесс повторяется.

Такой стабилизатор проще  по конструкции, однако частота замыкания размыкания ключа в нём непостоянна, что не всегда удобно. Кроме того, при двухпозиционном регулировании возможно использование не всех видов преобразований: например невозможно использование описанного ниже повышающего преобразователя.

Диапазон частот

Диапазон частот, используемый при работе импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения ограничивается с нижней стороны предельной частотой порога слышимости человека и животных. Излучение акустических волн обусловлено явлением магнитострикции в ферромагнитных сердечниках высокочастотных трансформаторов при их работе в режиме насыщения.

С верхней стороны  диапазон частот преобразователей ограничивается требованиями ограничения источников помех для работы радиочастотной аппаратуры.

Обычно диапазон частот преобразователей составляет 20..80 кГц. При выборе частоты работы ключевых и ШИМ-стабилизаторов необходимо учитывать  высшие гармоники токов.

Повышение частоты  позволяет снизить массу и  габариты стабилизаторов.

Преобразователи на основе дросселя

Стабилизаторы с  ёмкостным накопителем не получили широкого распространения, так как  они хорошо работают только при достаточно большом внутреннем сопротивлении  первичного источника. Такая ситуация возникает достаточно редко, т. к. внутреннее сопротивление источников питания стараются уменьшить, для отдачи большей мощности в нагрузку и меньших потерь энергии в источнике (например, внутреннее сопротивление бытовой сети электроснабжения в жилых помещениях составляет обычно от 0,05 Ом до 1 Ом). При работе от источника с маленьким внутренним сопротивлением в качестве накопителя энергии целесообразно использовать дроссель, либо более сложные комбинации дросселей и конденсаторов. Рассмотрим некоторые простые разновидности преобразователя.

Преобразователь с понижением напряжения

Кроме ключа S и дросселя L содержит диод D и конденсатор C. Когда  ключ S замыкается, ток от источника  течёт через дроссель L и нагрузку. ЭДС самоиндукции дросселя приложена  обратно напряжению источника тока. В результате напряжение на нагрузке равно разности напряжения источника  питания и ЭДС самоиндукции дросселя, ток через дроссель растёт, как  и напряжение на конденсаторе C и  нагрузке. При разомкнутом ключе S ток продолжает протекать через  дроссель в том же направлении  через диод D и нагрузку, а также  конденсатор C. ЭДС самоиндукции приложена  к нагрузке R через диод D, ток через  дроссель постепенно уменьшается, как  и напряжение на конденсаторе C и  на нагрузке.

Преобразователь с повышением напряжения

В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда  ключ замкнут, ток от источника протекает  через дроссель L, ток через него увеличивается, в нём накапливается  энергия. При размыкании ключа ток  от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника  и ЭДС самоиндукции дросселя приложены  в одном направлении и складываются на нагрузке. Ток постепенно уменьшается, дроссель отдаёт энергию в нагрузку. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S.

Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет  произвольно изменять величину выходного  напряжения: как повышать, так и  понижать. Для этого перед дросселем  устанавливаются диод и ключ, как  в предыдущей схеме.

Инвертирующий преобразователь

В нём дроссель подключен  параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника  течёт через дроссель и быстро растёт. Когда ключ размыкается, ток  продолжает течь через нагрузку R и диод D. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника. Поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S замкнут — диод D закрывается, а нагрузка питается зарядом конденсатора C.

Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ, замыкаемый в противофазе к основному  ключу. Во многих случаях, особенно в  низковольтных стабилизаторах, это  позволяет увеличить КПД. Такую  схему называют синхронным выпрямителем.

Другие разновидности

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения, использующихся в стабилизаторах. Например, такие преобразователи, как Обратно ходовой преобразователь и Двухтактный преобразователь имеют индуктивную развязку выходных цепей, что позволяет питать с их помощью устройства, для которых недопустима гальваническая связь с питающей сетью.

Резонансный преобразователь имеет наилучшие условия работы ключей, что позволяет строить на его основе преобразователи большой мощности (до десятков киловатт) с достаточно высоким КПД. Однако его недостатком является сложность проектирования, что мешает его широкому распространению.

Квазирезонансный преобразователь обладает значительно более высоким КПД по сравнению с широтно-импусными модуляторами, благодаря чему обеспечивается минимальное энергопотребление в дежурном режиме и низкое тепловыделение в рабочем. Выходное напряжение БП регулируется за счет изменения частоты работы преобразователя.

Особенности использования:

Фильтрация импульсных помех

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных  помех в связи с тем, что  содержит ключи, коммутирующие ток. Сложно подобрать такой режим  работы ключей, чтобы коммутация происходила  в моменты, когда через ключ не протекает ток при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Поэтому в моменты  коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, распространяющиеся как на вход, так и на выход  стабилизатора. Для поглощения помех  помехоподавляющие фильтры устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Использование в  сетях переменного тока

Рассмотренные импульсные преобразователи  напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток  на выходе. Для питания устройств  от сети переменного тока необходимо устанавливать на входе выпрямитель и сглаживающий фильтр. Стоит отметить, что импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет отрицательное дифференциальное сопротивление: при повышении напряжения на входе для сохранения выходного напряжения уменьшается входной ток, и наоборот. Если подключить такой стабилизатор через мостовой выпрямитель в сеть переменного тока, он станет источником нечётных гармоник. Поэтому, чтобы обеспечить достаточный коэффициент мощности, требуется компенсатор.

Гальваническая  развязка

Стоит отметить некоторые  особенности импульсных стабилизаторов с точки зрения гальванической развязки цепей:

• Существование импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой позволяет отказаться от низкочастотного сетевого трансформатора — необходимую гальваническую развязку будет осуществлять высокочастотный трансформатор, который работает на частоте десятков-сотен килогерц, и следовательно его габариты значительно меньше, чем обычного силового сетевого трансформатора работающего на промышленной частоте 50 Гц.
• Озвученное выше решение предполагает наличие относительно большого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит гальванически связанных с входными цепями. Эта часть, гальванически связанная с электрической сетью, обычно выделяется на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к частям, расположенным в ней. Импульсные блоки питания в составе других приборов (телевизоров, компьютеров) закрываются защитными крышками, снабжёнными предупреждающими надписями. Если при ремонте импульсного блока питания необходимо включить его со снятой крышкой, рекомендуется включать его через развязывающий трансформатор или УЗО.
• Обратная связь в импульсных стабилизаторах также требует развязки. Для этой цели применяют либо отдельную обмотку на трансформаторе, с которой снимается напряжение для сравнения с опорным, либо напряжение снимается с выхода блока питания, а развязка управляющих цепей осуществляется с помощью оптрона.
• Часто помехоподавляющие фильтры на входе импульсных блоков питания соединяются с корпусом прибора. Это делается в том случае, если предполагается подключение защитного заземления корпуса. Если защитным заземлением пренебрегли, то на корпусе прибора образуется потенциал относительно земли равный половине сетевого напряжения. Конденсаторы фильтров, как правило, имеют небольшую ёмкость, поэтому прикосновение к корпусу такого прибора неопасно для человека, но одновременное прикосновение чувствительными частями тела к заземленным приборам и к незаземленному корпусу ощутимо (говорят, что прибор "кусается"). Кроме того потенциал на корпусе может быть опасен для самого прибора.

Достоинства вторичных  источников питания с импульсной стабилизацией:

• Возможность достичь высокого коэффициента стабилизации;
• Высокий КПД;
• Большой диапазон входных напряжений, нередко с более чем двукратным перекрытием: типичные значения без переключения и без значительного ухудшения КПД для распространённых схем составляют 18...75 В пост. тока, или 90...260 В переменного тока;
• Нечувствительность к частоте входного напряжения переменного тока, влияющей только на работу входного выпрямителя и фильтра;
• Нечувствительность к качеству электропитания (к примеру, наличию гармонических составляющих переменного тока);
• Лёгкость в дистанционном управлении и отключении;
• Малые габариты и масса;
• В общем случае, меньшая стоимость.

Недостатки:

• Импульсные помехи. В связи с этим недопустимо применение низкочастотных импульсных БП для некоторых видов аппаратуры (напр., УМЗЧ);
• Невысокий cosφ, что требует включения компенсаторов коэффициента мощности;
• Меньшая надёжность, обусловленная как сложностью схемы, так и режимом работы ключевых элементов (высокое напряжение, большие мгновенные токи, большое число переключений за период эксплуатации, тяжёлый температурный режим кристалла диода или транзистора);
• Трудность самостоятельной настройки или ремонта, обязательно требующая специальных навыков;
• Тяжесть последствий при выходе из строя ключевых элементов;
• Меньшее время наработки на отказ;
• В случае их наличия, (цитата) «Сердечники из распылённого железа содержат органический диэлектрик, вследствие чего подвержены термическому старению»

 

 

Стабилизаторы переменного  напряжения.

Идеальный стабилизатор при любом значении напряжения на входе, будет выдавать постоянное значение на выходе. Кроме того, при искажении синусоиды, возникновении всплесков и провалов на входе, на выходе должен выдавать правильную синусоиду без помех. Идеальный стабилизатор способен пропускать через себя любую мощность, при этом качество стабилизации не должно снижаться. Погрешность выходного напряжения должна быть 0 %.

В реальности стабилизатор напряжения - это законченный блок, состоящий из совокупности технических  элементов, выполняющих определенные функции. Однако определить содержание устройства по названию «стабилизатор  напряжения» однозначно нельзя. В  настоящее время существует большое  количество разнообразных приборов для выполнения функции стабилизации напряжения.

По физике процесса стабилизаторы  можно разделить на два больших  вида:

• Cтабилизаторы, накапливающие энергию и далее заново генерирующие ее в виде стабильного напряжения.
• Cтабилизаторы, корректирующие напряжение, добавляя дополнительный потенциал, приводящий величину напряжения к номинальному значению.

Стабилизаторы напряжения, накапливающие энергию:

Стабилизатор напряжения системы «двигатель — генератор

Данное устройство работает по принципу преобразования электроэнергии в кинетическую и далее генерированию ее обратно в электрическую. Накопление кинетической энергии происходит при разгоне тяжелого диска — маховика, находящегося между двигателем и генератором. Такие системы применяются при трехфазном напряжении.

Даже при сильных  скачках и провалах напряжения, скорость вращения маховика остается неизменной. Импульсные скачки гасятся за счет большой инерции шатуна. Скорость же вращения маховика зависит не от величины входного напряжения, а от периодичности фаз.

Данные системы  широко использовались для питания БЭВМ. В настоящее время используются редко. В основном на объектах стратегического значения.

Феррорезонансные стабилизаторы

Физические процессы в таких стабилизаторах можно  сравнить с качелями. Раскачанные  до определенной силы качели сложно остановить или резко заставить качаться быстрее. Катаясь на качелях не обязательно  отталкиваться каждый раз — энергия колебания делает процесс инерционным. Увеличить или уменьшить частоту колебаний тоже сложно — качели имеют свой резонанс.

В феррорезонансных стабилизаторах происходят электромагнитные колебания в колебательном контуре ёмкости и индуктивности.

Данный вид стабилизаторов может применяться в комплексе  с механизмами, вносящими сильные помехи в электросеть.

Стабилизаторы инверторного типа

Стабилизаторы напряжения инверторного типа преобразуют переменное напряжение в постоянное и накапливают энергию, заряжая промежуточные ёмкости. Далее с помощью электронного генератора преобразуют постоянное напряжение опять в переменное, но уже с устойчивыми характеристиками.

Данные устройства успешно применяют для обеспечения  работы медицинского и спортивного  оборудования.

Источники бесперебойного питания

Подобно стабилизаторам инверторного типа, источники бесперебойного питания также накапливают энергию, но не в ёмкости, а в аккумуляторы. После этого также, с помощью собственного генератора выдают напряжение с нужными характеристиками.

Устройства бесперебойного питания популярны для работы в комплексе с вычислительной техникой. Кроме обеспечения стабильного напряжения, устройства исключают сбои программного обеспечения при аварийных отключениях питания.

Корректирующие  стабилизаторы напряжения:

Ферромагнитные стабилизаторы

Ферромагнитные  стабилизаторы используют свойство магнитного сердечника (магнитопровода трансформатора) насыщаться. Увеличивая напряжение на входе трансформатора, мы получаем увеличение напряжения на выходе, но до определенного уровня. При определенном напряжении сердечник  насыщается, и дальнейшее повышение  напряжения на входе уже не влияет на выходное напряжение, точнее говоря, влияет очень слабо. Трансформатор  как бы тормозит рост напряжения. Именно в таком режиме работы трансформатор  используют как стабилизатор.

Из-за своей простоты устройства популярны в быту для  стабилизации напряжения отдельных  устройств: холодильников, телевизоров  и т. д.

Электромеханические стабилизаторы напряжения

Электромеханические стабилизаторы регулируют напряжение передвижением токосъемника по специальному трансформатору, подключая тем самым  определенную обмотку. Работой механического  устройства управляет процессор, замеряя  напряжение и давая команды на смену позиции токосъемника.

Стабилизаторы успешно  используются в жилых домах и  на производствах, где приветствуется плавная регулировка и устойчивость к помехам.

Недостатком данного  вида стабилизаторов является скорость передвижения токосъемника (в районе 10 V/с у релейных и около 5-7 миллисекунд  у симисторных). Такая скорость передвижения не даёт возможность оперативно реагировать  на резкие перепады напряжения на входе  стабилизатора.

Электронные стабилизаторы напряжения

Электронные стабилизаторы  регулируют напряжение, переключая обмотки  специального трансформатора посредством  электронных ключей. Ключи управляются  процессором по специальной программе.

В настоящее время  существует два типа электронных  стабилизаторов напряжения: с полупроводниковыми и релейными ключами.

Стабилизаторы имеют  большое быстродействие, поэтому  применяются в комплексе с  дорогостоящим оборудованием, требующем  защиты от всех аномалий сети. Их также  используют в жилых домах и  на производствах. К преимуществам  электронных стабилизаторов напряжения можно отнести их возможность  работы при отрицательных температурах окружающей среды.