Стабілізатор напруги

1. Стабілізатори постійної напруги [ правити | правити код ]
2. Паралельний параметричний стабілізатор на напівпровідниковому стабілітроні [ правити | правити код ]
3. Послідовний стабілізатор на біполярному транзисторі [ правити | правити код ]
4. Послідовний компенсаційний стабілізатор з контуром авторегулирования [ правити | правити код ]
5. Імпульсний стабілізатор [ правити | правити код ]
6. Стабілізатори змінної напруги [ правити | правити код ]
7. Ферорезонансні стабілізатори [ правити | правити код ]
8. Сучасні стабілізатори [ правити | правити код ]

Наши партнеры ArtmMisto

Стабілізатор напруги ( англ. Voltage regulator) - електромеханічне [1] або електричне ( електронне ) Пристрій, що має вхід і вихід з напрузі , Призначене для підтримки вихідної напруги в вузьких межах, при істотній зміні вхідної напруги і вихідного струму навантаження.

Джерело стабілізованого живлення ( англ. Power conditioner) - обладнання, яке використовується для перетворення електричної енергії в форму, придатну для подальшого використання. [2]

За типом вихідного напруги стабілізатори діляться на стабілізатори постійної напруги і змінної напруги . Як правило, вид напруги на вході стабілізатора і на його виході збігаються (постійне або змінне), але в деяких типах стабілізаторів їх види різні.

Стабілізатори постійної напруги [ правити | правити код ]

Лінійний стабілізатор [ правити | правити код ]

Лінійний стабілізатор напруги являє собою дільник напруги , На вхід якого подається вхідний (нестабільний) напруга, а вихідна (стабілізована) напруга знімається з нижнього плеча дільника. Стабілізація здійснюється шляхом зміни опору одного з плечей дільника: опір постійно підтримується таким, щоб напруга на виході стабілізатора знаходилося в встановлених межах.

При великому відношенні величин вхідного / вихідного напруг лінійний стабілізатор має низький ККД, так як більша частина вхідної потужності розсіюється у вигляді тепла на регулюючому елементі, потужність втрат в послідовному стабілізаторі P L {\ displaystyle P_ {L}} :

P L = (U i n - U o u t) ⋅ I o u t, {\ displaystyle P_ {L} = (U_ {in} -U_ {out}) \ cdot I_ {out},} де U i n {\ displaystyle U_ {in}} - вхідна напруга стабілізатора, U o u t {\ displaystyle U_ {out}} - вихідна напруга стабілізатора, I o u t {\ displaystyle I_ {out}} - вихідний струм стабілізатора.

Тому регулюючий елемент в стабілізаторах такого типу і підвищеної потужності повинен розсіювати значну потужність, тобто повинен бути встановлений на радіатор потрібної площі.

Перевага лінійного стабілізатора - простота, відсутність перешкод і невелика кількість використовуваних електронних компонентів.

Залежно від включення елемента із змінним опором лінійні стабілізатори класифікуються на два типи:

• Послідовний: регулюючий елемент включений послідовно з навантаженням.
• Паралельний: регулюючий елемент включений паралельно навантаженні.

Залежно від способу стабілізації:

• Параметричний: в такому стабілізаторі використовується ділянку ВАХ приладу, де диференційний опір приладу мало в широко діапазоні зміни струмів, що протікають через прилад.
• Компенсаційний: має Зворотній зв'язок . У ньому напруга на виході стабілізатора порівнюється з еталонним, з різниці між ними формується керуючий сигнал для регулюючого елемента.

Паралельний параметричний стабілізатор на напівпровідниковому стабілітроні [ правити | правити код ]

У цій схемі може бути застосований як напівпровідниковий стабілітрон , так і газорозрядне стабілітрон тліючого розряду .

Такі стабілізатори застосовується для стабілізації напруги схем з малим споживаним струмом, так як для стабілізації напруги струм через стабілітрон D 1 {\ displaystyle D1} повинен в кілька разів (3 - 10) перевищувати струм споживання від стабілізатора в приєднаної навантаженні R L {\ displaystyle R_ {L}} . Зазвичай така схема лінійного стабілізатора застосовується в якості джерела опорного напруги в більш складних схемах регулюють стабілізаторів.

Для зниження нестабільності вихідної напруги, викликаної змінами вхідної напруги, замість резистора R V {\ displaystyle R_ {V}} включають двухполюсник з високому диференціальним опором на ділянці ВАХ в діапазоні робочих струмів, що працює як джерела струму . Однак цей захід не зменшує нестабільність вихідної напруги, викликану зміною опору навантаження.

Послідовний стабілізатор на біполярному транзисторі [ правити | правити код ]

У цій схемі напруга на базі регулюючого транзистора дорівнює напрузі на стабілітроні U z {\ displaystyle U_ {z}} і вихідна напруга буде: U o u t = U z - U b e, {\ displaystyle U_ {out} = U_ {z} -U_ {be}, \} U b e {\ displaystyle U_ {be}} - напруга між базою і емітером транзистора. Так як U b e {\ displaystyle U_ {be}} мало залежить від струму емітера, - вихідного струму стабілізатора, і невелика (0,4 В для германієвих транзисторів і 0,6-0,65 В для кремнієвих транзисторів) наведена схема здійснює стабілізацію напруги.

Фактично схема являє собою розглянутий вище паралельний параметричний стабілізатор на стабілітроні , Підключений до входу емітерного повторювача . У ньому немає контуру авторегулирования, що забезпечує практично повну компенсацію змін вихідної напруги і змін вихідного струму.

Вихідна напруга менше напруги стабілізації стабілітрона на величину U b e {\ displaystyle U_ {be}} , Яка мало залежить від величини струму, що протікає через транзистор. Деяка залежність U b e {\ displaystyle U_ {be}} від величини струму і температури погіршує стабільність вихідної напруги, в порівнянні з паралельним параметричних стабілізатором на стабілітроні.

Емітерний повторювач тут є підсилювачем струму і дозволяє збільшити максимальний вихідний струм стабілізатора, в порівнянні з паралельним параметричних стабілізатором на стабілітроні, в B s t {\ displaystyle B_ {st}} раз, B s t {\ displaystyle B_ {st}} - статичний коефіцієнт передачі струму транзистора в режимі з загальним колектором . Так як B s t {\ displaystyle B_ {st}} в кілька десятків разів більше 1, малий струм, що відбирається від параметричного стабілізатора посилюється в B s t {\ displaystyle B_ {st}} раз. Якщо такого посилення струму недостатньо для забезпечення заданого вихідного струму, то застосовують складовою транзистор , Наприклад, пару Дарлінгтона.

При дуже малому струмі навантаження, порядку одиниць - десятків мкА, вихідна напруга такого стабілізатора ( напруга холостого ходу ) Зростає на приблизно 0,6 В, так як U b e {\ displaystyle U_ {be}} при таких токах стає близьким до нуля. У деяких застосуваннях це небажано, тоді до виходу стабілізатора підключають додатковий навантажувальний резистор, що забезпечує в будь-якому випадку мінімальний струм навантаження стабілізатора в кілька міліампер.

Послідовний компенсаційний стабілізатор з контуром авторегулирования [ правити | правити код ]

У таких стабілізаторах вихідна напруга порівнюється з опорною напругою, різниця цих напруги посилюється підсилювачем сигналу неузгодженості, вихід підсилювача сигналу неузгодженості управляє регулюючим елементом.

Як приклад наведена схема на малюнку. Частина вихідної напруги U o u t {\ displaystyle U_ {out}} , Що знімається з резистивного подільника напруги , Що складається з потенціометра R 2 {\ displaystyle R2} і постійних резисторів R 1, R 3 {\ displaystyle R1, \ R3} порівнюється з опорною напругою U z {\ displaystyle U_ {z}} від параметричного стабілізатора - стабилитрона D 1 {\ displaystyle D1} . Різниця цих напруг підсилюється диференціальним підсилювачем на операційному підсилювачі (ОУ) U 1 {\ displaystyle U1} , Вихід якого змінює базовий струм транзистора, включеного за схемою емітерного повторювача [3] .

У цій схемі є контур авторегулирования, - петля негативного зворотного зв'язку . Якщо вихідна напруга менше заданого, то через зворотний зв'язок регулюючий транзистор відкривається більше, якщо вихідна напруги більше заданого, - то навпаки.

Для стійкості контуру авторегулирования петлевий зсув фази повинен бути близький до 180 °. Так як частина вихідної напруги U o u t {\ displaystyle U_ {out}} подається на інвертується вхід операційного підсилювача U 1 {\ displaystyle U1} , Що зрушує фазу на 180 °, а регулюючий транзистор включений за схемою емітерного повторювача, який при низьких частотах фазу не зрушується, це забезпечує стійкість контуру авторегулирования, так як петлевий зсув фази близький до 180 °.

Опорна напруга U z {\ displaystyle Uz} залежить від величини струму, що протікає через стабілітрон. Основне джерело нестабільності опорного напруги - зміни вхідного напруги, так як при таких змінах змінюється струм стабілітрона. Для стабілізації струму при змінах U i n {\ displaystyle U_ {in}} замість резистора R V {\ displaystyle R_ {V}} іноді включають джерело струму .

У цьому стабілізаторі ОУ включений за схемою неінвертуючий підсилювача (З емітерний повторювачем, для збільшення вихідного струму). Співвідношення опорів резисторів в ланцюзі зворотного зв'язку задають його коефіцієнт посилення, який визначає у скільки разів вихідна напруга буде вище вхідного (тобто опорного, поданого на неінвертуючий вхід ОП). Оскільки коефіцієнт посилення неінвертуючий підсилювача завжди більше одиниці, величина опорного напруги U z {\ displaystyle U_ {z}} (напруга стабілізації стабілітрона) повинна бути обрана менше, ніж U o u t {\ displaystyle U_ {out}} , Або опорна напруга знімають з резистивного дільника, підключеного до стабілітрону.

Нестабільність вихідної напруги такого стабілізатора практично повністю визначається нестабільністю опорного напруги, так як за рахунок великого коефіцієнта посилення сучасних ОУ, що досягають 105 ... 106, інші джерела нестабільності вихідної напруги виявляються компенсувати.

Параметри такого стабілізатора виявилися придатними для багатьох практичних потреб. Тому вже майже півстоліття випускаються, і на сьогодні мають найширше застосування, такі стабілізатори в інтегральному виконанні: КР142ЕН5А , 7805 і мн. ін.

Імпульсний стабілізатор [ правити | правити код ]

В імпульсному стабілізаторі напруга від нестабілізованої зовнішнього джерела подається на накопичувач енергії (зазвичай конденсатор або дросель ) Короткими імпульсами формуються за допомогою електронного ключа. Під час замкнутого стану ключа в накопичувачі запасається енергія, яка потім передається в навантаження. Застосування в якості накопичувального елемента дроселя дозволяє змінювати вихідна напруга стабілізатора щодо вхідного без використання трансформаторів: збільшувати, зменшувати або інвертувати. Стабілізація здійснюється належним управлінням тривалістю імпульсів і пауз між ними за допомогою широтно-імпульсної модуляції , частотно-імпульсної модуляції або їх комбінації.

Імпульсний стабілізатор в порівнянні з лінійним володіє значно більш високим ККД, так як регулюючий елемент працює в ключовому режимі. Недоліки імпульсного стабілізатора - імпульсні перешкоди в вихідній напрузі і відносна складність.

На відміну від лінійного стабілізатора, імпульсний стабілізатор може перетворювати вхідна напруга довільним чином, залежать від схеми стабілізатора і режиму управління його ключами:

• Понижуючий стабілізатор: вихідна стабілізована напруга завжди нижче вхідного і має ту ж полярність.
• Підвищує стабілізатор: вихідна стабілізована напруга завжди вище вхідного і має ту ж полярність.
• Повишающе-понижуючий стабілізатор: вихідна напруга в залежності від режиму управління ключами може бути як вище, так і нижче вхідного і має ту ж полярність. Такий стабілізатор застосовується у випадках, коли вхідна напруга може відрізнятися від вихідної напруги в будь-яку сторону.
• Инвертирующий стабілізатор: вихідна стабілізована напруга має зворотну полярність щодо вхідного, абсолютне значення вхідної напруги може бути будь-яким.
• Універсальний - виконує всі функції перерахованих.

Стабілізатори змінної напруги [ правити | правити код ]

Поділяються на два основних види

1) Однофазні стабілізатори напруги на 220-230 вольт призначення, побутові, офісні та промислові навантаження невеликих потужностей.

2) Три стабілізатори напруги на 380-400 вольт призначення, промислові навантаження середніх і великих потужностей.

Ферорезонансні стабілізатори [ правити | правити код ]

За часів СРСР набули широкого поширення побутові ферорезонансні стабілізатори напруги. Зазвичай їх використовували для харчування телевізорів . В телевізорах перших поколінь застосовувалися мережеві блоки живлення з лінійними стабілізаторами напруги (а деякі ланцюга телевізора, наприклад, ланцюги анодного напруги і напруження електровакуумних приладів харчувалися нестабілізованою напругою), що при добових коливаннях і різких скачках напруги, особливо в сільській місцевості, призводило до погіршення якості зображення і вимагало попередньої стабілізації змінного напруги.

З появою телевізорів більш пізніх поколінь, наприклад, 4УПІЦТ і УСЦТ , що мали імпульсні блоки живлення , Зникла необхідність у зовнішній додаткової стабілізації напруги мережі.

Ферорезонансний стабілізатор складається з двох дроселів: з ненасищаемой сердечником (які мають магнітний зазор) і насиченим, а також конденсатора. Особливість насиченого дроселя в тому, що напруга на ньому мало змінюється при зміні струму через нього, так як його феромагнітний сердечник періодично насичується. Підбором параметрів дроселів і конденсаторів можна забезпечити стабілізацію напруги при зміні вхідної напруги в досить широких межах. Недоліком таких стабілізаторів є чутливість до частоти напруги в мережі живлення. Незначне відхилення частоти мережі живлення істотно впливає на вихідну напругу феррорезонансного стабілізатора.

Сучасні стабілізатори [ правити | правити код ]

В даний час основними типами стабілізаторів є:

• електродинамічні
• з електромеханічним сервоприводом регулюючого елемента, наприклад, автотрансформатора
• ферорезонансні
• електронні різних типів
  • ступінчасті (силові електронні ключі, сімісторних, тиристорні)
  • ступінчасті релейні (силові релейні ключі)
  • компенсаційні (електронні плавні)
  • комбіновані (гібридні)

Промисловістю виробляються різноманітні моделі з вхідною напругою однофазної мережі, (220/230 В), так і трифазної (380/400 В) виконанні, з вихідною потужністю їх від декількох одиниць ват до декількох мегават. Трифазні моделі випускаються двох модифікацій: з незалежним регулюванням по кожній фазі або з регулюванням по среднефазному напрузі на вході стабілізатора.

Випускаються моделі також розрізняються по допустимому діапазону зміни вхідного напруги, який може бути, наприклад, таким: ± 15%, ± 20%, ± 25%, ± 30%, ± 50%, - 25% / + 15%, -35% / + 15% або -45% / + 15%. Чим ширше діапазон (особливо в бік зниження вхідної напруги), тим більше габарити стабілізатора і вище його вартість при тій же вихідній потужності. В даний час існують моделі стабілізаторів напруги з нижнім допустимим вхідним напругою 90 вольт.

Важливою характеристикою стабілізатора напруги є його швидкодія, - швидкість відгуку на обурення. Чим вище швидкодія, тим швидше стабілізатор відреагує на зміни вхідної напруги. Швидкодія визначається як проміжок часу, за який стабілізатор здатний змінити вихідну напругу на один вольт. У різного типу стабілізаторів різна швидкість швидкодії. ->

Важливим параметром є точність стабілізації вихідної напруги стабілізатора змінного напруги. Згідно ГОСТ 13109-97 гранично допустиме відхилення вихідної напруги на ± 10% від номінального. Точність стабілізації сучасних стабілізаторів напруги коливається в діапазоні від 0,5% до 8%.

Точності в 8% цілком вистачає для забезпечення справної роботи переважної більшості сучасної побутових і промислових електротехнічних пристроїв з вбудованими інверторними і імпульсними блоками живлення. Так як потужність обладнання безпосередньо залежить від напруги, то для забезпечення коректної (заявленої виробником) роботи з прогнозованим результатом і витратою електроенергії необхідно точне напруги (0,5-1%). [ Джерело не вказано 1270 днів ] Більш жорсткі вимоги (точність стабілізації краще 1%) пред'являються для харчування складного обладнання (медичне, високотехнологічне і подібне). Важливим споживчим параметром є здатність стабілізатора віддавати номінальну потужність у всьому діапазоні вхідної напруги, але не всі стабілізатори мають таку властивість.

ККД сервопривідних стабілізаторів великої потужності більше 98%, а електронних великої потужності - 96%.

• Вересів Г. П. Електроживлення побутової радіоелектронної апаратури. - М.: Радио и связь, 1983. - 128 с.
• Китаєв В. В. Електроживлення пристроїв зв'язку. - М.: Зв'язок, 1975. - 328 с. - 24 000 прим.
• Костиков В. Г., Парфьонов Е. М., Шахно В. А. Джерела електроживлення електронних засобів. Схемотехніка та конструювання: Підручник для вузів. - 2. - М.: Гаряча лінія - Телеком, 2001. - 344 с. - 3000 екз. - ISBN 5-93517-052-3 .
• Штільман В. І. Мікроелектронні стабілізатори напруги. - Київ: Техніка, 1976.
• Льопа Д. А. Електричні прилади побутового призначення. - М.: Легпромбитіздат, 1991. - 272 с. - 20 000 прим.