Лекции.ИНФО


Феррорезонансные и параметрические стабилизаторы напряжения



 

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 wк - на среднем, вторичная w2 и дополнительная wд - 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 Uд. С увеличением входного напряжения Uвх 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 U2 при 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 Uн = U2 — UК. Следовательно, небольшие изменения напряжения U2 будут ском­пенсированы напряжением Uк, а напряжение на нагрузке будет более стабильно (кривая UН).

 

Рис.5.8. Схема феррорезонансного стабилизатора напряжения (а) и зависимости напряжений U2, UK и UH от UBX (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 Uст.

 

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 Uст min. В режиме пробоя (стабилизации) стабилитрон работает до напряжения Uст max при максимальном токе Iст 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 R0 протекает общий ток I0, равный сумме токов стабилитрона и нагрузки Iн, т. е. I0 = Iст +Iн. При этом входное напряжение UВХ распределяется на резисторе R0 и на нагрузке Rт: .

Напряжение нагрузки равно напряжению на параллельно вклю­ченном стабилитроне Uн = UСТ, которое определяется соотноше­нием: UСТ = Iст · rд, 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 DUСТ. Это изменение будет тем меньше, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Следова­тельно, изменение напряжения на входе стабилизатора DUВХ рас­пределяется на гасящем сопротивлении и на нагрузке DUН = DUСТ, т. е. - При соблюдении соотношения R0>>rД, 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 DUСТ, т.е. напряжение на нагрузке остается практически постоянным.

Изменения тока нагрузки при постоянном входном напряжении будут вызывать обратные изменения тока стабилитрона (с увеличе­нием тока Iн уменьшается ток Iст). 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: Uвх max; Uвх min; UH max; Uн; UH min; Iн; DIн [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 Uвх min ток стабилитрона не умень­шился бы ниже тока Iст min (см. рисунок 5.9, а), а при напряжении UВХ 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 αст - 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 Uст ном > 5 В) или отрицательным (при Uстном < 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.









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-17; Просмотров: 139;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная