Компенсационные стабилизаторы напряжения последовательного типа

Компенсационный стабилизатор напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения — это устройства, в которых стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения на регулирующий орган через цепь обратной связи. Наибольшее распространение получили электромеханические (сервоприводные, электродинамические) компенсационные стабилизаторы напряжения и ступенчатые корректоры напряжения (дискретные, ключевые стабилизаторы).
Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменение напряжения на нагрузке (под действием изменения Uвх или Iн) передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент (РЭ), препятствующий изменению напряжения Uн .

Регулирующий элемент (транзистор) может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости

от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные (рис. 3.32, а) и последовательные (рис. 3.32, б).

Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

В схеме рис. 3.32, а стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе Rб путем изменения тока регулирующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряжения на балластном резисторе. Изменение тока нагрузки от нуля до Iнmax будет сопровождаться соответствующим изменением тока регулирующего элемента от Iнmax до нуля.

В схеме рис. 3.32, б регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществляется путем изменения напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис. 3.33, а. Транзистор T1 служит регулирующим элементом, а усилитель постоянного тока (однокаскадный) выполнен на транзисторе T2 . Источником опорного напряжения является стабилитрон Д, включенный в цепь эмиттера транзистора Т2 . Резистор R (показан пунктиром) используют для вывода стабилитрона на рабочий участок характеристики, если ток IЭ2 транзистора T2 мал. Резисторы R1,R2 являются элементами входного делителя напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора Т2 Uбэ2=((R2/(R1+R2))*(Uн-Uоп).

Силовая цепь стабилизатора, включающая источник питания, транзистор Т1, и нагрузку Rн, представляет собой усилительный каскад на транзисторе T1 с общим коллектором, в котором Uвх — напряжение питания, Uб1 — входное, а Uн — выходное напряжения (Uн=Uб1-Uбэ1). Для получения требуемого напряжения Uн необходимо, чтобы напряжение на выходе усилителя (Uк2=Uб1) было близко к напряжению Uн. Для этого питание коллекторной цепи транзистора T2 осуществляют от отдельного источника — Eк. Усилитель постоянного тока при этом обеспечивает соответствие необходимого напряжения Uк2 напряжению его входной цепи Uб2. Указанные соображения положены в основу расчета элементов схемы по заданным параметрам Uн, Iн номинального режима.

Стабилизирующее действие схемы обусловлено наличием в ней глубокой отрицательной обратной связи по приращениям выходного напряжения Uн.

Предположим, что под действием уменьшения напряжения Uвх напряжение Uн (здесь и далее имеются в виду абсолютные значения напряжений) стало меньше номинального. Снижение напряжения Uн вызывает уменьшение напряжения на базе Uб2 и напряжения Uбэ2 транзистора Т2 , а следовательно, его токов Iб2 и Iк2. Уменьшение тока Iк2 приводит к меньшему падению напряжения на резисторе Rк и увеличению напряжений Uб1 и Uбэ1 транзистора T1. Вследствие увеличения напряжения Uбэ1 напряжение Uкэ1 транзистора Т1 уменьшается, повышая тем самым почти до прежней величины напряжение Uн. Подобно рассмотренному осуществляется компенсация изменения напряжения Uн при увеличении Uвх ,а также при изменениях тока нагрузки.

Коэффициент стабилизации стабилизатора находят из соотношения

где rbx2, rб2, rк(э)2 — соответственно входное, базовое и коллекторное сопротивления транзистора T2 ; А = 1 + rд/rвх2+(R1?R2)/rвх2?2 — поправочный коэффициент, учитывающий влияние динамического сопротивления стабилитрона rд и сопротивлений делителя в базовой цепи транзистора Т2.

Приняв Uб1=const имеем Rвых=rэ1+rб1/(1+?1), что составляет достаточно малую величину. Поскольку усилитель создает в схеме отрицательную обратную связь по напряжению, выходное сопротивление получается еще меньше. Для его расчета можно воспользоваться выражением

Простейший компенсационный стабилизатор напряжения

Итак, схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения изображена на рисунке справа.

Обозначения:

1. IR — ток через балластный резистор (R0)
2. Iст — ток через стабилитрон
3. Iн — ток нагрузки
4. Iвх — входной ток операционного усилителя
5. Iд — ток через резистор R2
6. Uвх — входное напряжение
7. Uвых — выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)
8. Uст — падение напряжения на стабилитроне
9. Uд — напряжение, снимаемое с резистивного делителя (R1, R2)
10. UОУ — выходное напряжение операционного усилителя
11. Uбэ — падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора

Почему такой стабилизатор называется компенсационным и в чём его преимущества? На самом деле такой стабилизатор — это система управления с отрицательной обратной связью по напряжению, но для тех, кто не в курсе, что это такое, мы начнём издалека.

Как вы помните, операционный усилитель усиливает разность напряжений между своими входами. Напряжение на неинвертирующем входе у нас равно напряжению стабилизации стабилитрона (Uст). На инвертирующий вход мы подаём часть выходного напряжения, снятую с делителя (Uд), то есть там у нас выходное напряжение, делённое на некоторый коэффициент, определяемый резисторами R1, R2. Разность этих напряжений (Uст-Uд) — это сигнал ошибки, он показывает, на сколько напряжение с делителя отличается от напряжения на стабилитроне (обозначим эту разность буквой E).

Далее, выходное напряжение ОУ получается равным E*Kоу, где Коу — коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи (в англоязычной литературе Gopenloop). Напряжение на нагрузке равно разности напряжения на выходе ОУ и падения напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора.

Математически всё то, о чём мы говорили выше, выглядит так:

Uвых=Uоу-Uбэ=E*Kоу-Uбэ (1)

E=Uст-Uд (2)

Рассмотрим более внимательно первое уравнение и преобразуем его к такому виду:

E=Uвых / Kоу + Uбэ / Kоу

Теперь давайте вспомним — в чём же главная особенность операционных усилителей и почему их все так любят? Правильно, — их главная особенность — в огромном коэффициенте усиления, порядка 106 и более (у идеального ОУ он вообще равен бесконечности). Что нам это даёт? Как видите, в правой части последнего уравнения оба слагаемых имеют в делителе Коу, а поскольку Коу очень очень большой, следовательно оба этих слагаемых очень очень маленькие (при идеальном ОУ они стремятся к нулю). То есть наша схема при работе стремится к такому состоянию, когда сигнал ошибки равен нулю. Можно сказать, что операционный усилитель сравнивает напряжения на своих входах и если они отличаются (если есть ошибка), то напряжение на выходе ОУ меняется таким образом, чтобы разность напряжений на его входах стала равна нулю. Другими словами он стремится скомпенсировать ошибку. Отсюда и название стабилизатора — компенсационный.

Далее, у нас осталось ещё одно уравнение. С учётом того, что мы сделали с первым уравнением, второе уравнение будет выглядеть так:

0=Uст-Uд (2*)

Uд, как мы помним, — это часть выходного напряжения, снимаемая с делителя на резисторах R1, R2. Если рассчитать наш делитель, не забывая про входной ток ОУ, то получим:

и после подстановки этого выражения в уравнение (2*) сможем записать для выходного напряжения следующую формулу (3):

Входной ток операционного усилителя обычно очень мал (микро, нано и даже пикоамперы), поэтому при достаточно большом токе Iд можно считать, что ток в обоих плечах делителя одинаков и равен Iд, самое правое слагаемое формулы (3) при этом можно считать равным нулю, а саму формулу (3) переписать в следующем виде:

Uвых=Uст(R1+R2)/R2 (3*)

При расчёте резисторов R1, R2 необходимо помнить о том, что формула (3*) справедлива только в том случае, когда ток через резисторы делителя много больше входного тока операционного усилителя. Оценить величину Iд можно по формулам:

Iд=Uст/R2 или Iд=Uвых/(R1+R2).

Теперь давайте оценим область нормальной работы нашего стабилизатора, рассчитаем R0 и подумаем, что будет влиять на стабильность выходного напряжения.

Как видно из последней формулы, существенное влияние на стабильность Uвых может оказывать только стабильность опорного напряжения. Опорное напряжение — это то, с которым мы сравниваем часть выходного напряжения, то есть это напряжение на стабилитроне. Сопротивления резисторов будем считать не зависящими от протекающего через них тока (температурную нестабильность мы не рассматриваем). Зависимость выходного напряжения от падения напряжения на p-n переходе транзистора (которое слабо, но зависит от тока), как в случае с параметрическим стабилизатором на транзисторе, тоже пропадает (помните мы когда ошибку из первой формулы считали — поделили падение на переходе БЭ транзистора на Коу и посчитали это выражение равным нулю из-за очень большого коэффициента усиления операционника).

Из сказанного выше следует, что главный путь повышения стабильности тут один — увеличивать стабильность источника опорного напряжения. Для этого можно либо сузить диапазон нормальной работы (уменьшить диапазон входного напряжения схемы, что приведёт к меньшему изменению тока через стабилитрон), либо взять вместо стабилитрона интегральный стабилизатор. Кроме этого, можно вспомнить про наши упрощения, тогда вырисовываются ещё несколько путей: взять операционник с бОльшим коэффициентом усиления и меньшим входным током (это даст возможность ещё и резисторы делителя побольше номиналом взять, — КПД повысится).

Ну ладно, вернёмся к области нормальной работы и расчёту R0. Для нормальной работы схемы ток стабилитрона должен быть в пределах от Iст min до Iст max. Минимальный ток стабилитрона будет при минимальном входном напряжении, то есть:

Uвх min=IR*R0+Uст, где IR=Iст min+Iвх

Здесь аналогично, — если ток стабилитрона много больше входного тока операционного усилителя, то можно считать IR=Iст min. Тогда наша формула запишется в виде Uвх min=Iст min*R0+Uст (4) и из неё можно выразить R0:

R0=(Uвх min-Uст)/Iст min

Исходя из того, что максимальный ток через стабилитрон будет течь при максимальном входном напряжении запишем ещё одну формулу: Uвх max=Iст max*R0+Uст (5) и объединив её с формулой (4) найдём область нормальной работы:

Ну и, как я уже говорил, если получившийся диапазон входного напряжения шире, чем вам нужно, — можно его сузить, при этом возрастёт стабильность выходного напряжения (за счёт повышения стабильности опорного напряжения).

Параметрический стабилизатор

Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.

Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой. Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением. При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.

На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Пример расчёта и моделирования компенсационного стабилизатора

Исходные данные: — номинальное выходное напряжение стабилизатора Uвых – 11 В; — номинальный ток нагрузки стабилизатора Iвых – 3 А;

— используется источник V1 достаточной мощности, с выходным напряжением U1 = 2,5…3,5?Uвых = 35 В.

— номинальное сопротивление нагрузки RH = Uвых / Iвых = 3,67 Ом.

Выполнение работы:

1. Выберем стабилитрон измерительного моста. Стабилитрон VD1 выбирается со значением напряжения стабилизации Uст, равном половине выходного напряжения Uвых стабилизатора:

Uст = Uвых / 2 = 11 В / 2 = 5,5 В. Максимально близкий по напряжению стабилизации – 1N4734, Uст = 5,6 В, Iст = 45 мА.

2. Найдём резистор Rб: На резисторе падает напряжение:

URб = Uвых – Uст = 11 В – 5,6В = 4,4В

Зная падение напряжения и ток стабилизации, по закону Ома определяем сопротивление резистора:

Rб = URб / = 4,4 В / 0,045 А = 98 Ом

Ближайшее значение сопротивления резистора по номинальному ряду — 100 Ом. Мощность резистора находим из условия РRб = URб ? Iст ? K = 4.4 В ? 0,045А ? 2 = 0,396 Вт, где К-коэффициент запаса по мощности. Ближайшее наибольшее значение мощности резистора по номинальному ряду – 0,5 Вт. Таким образом, параметры Rб – 100 Ом; 0,5 Вт.

3. Определим возможные значения выходного напряжения стабилизатора, при которых происходит стабилизация. Они ограничены предельными токами стабилитрона, стоящего в мостовой измерительной цепи. а) Определим минимальное (регулируемое) напряжение стабилизации: По справочнику минимальный ток стабилизации 1N4734 Iст мин= 0,2?Iст = 0,2?45 мА = 9 мА, при этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит:

Uвых мин = Uст + (Iст мин ? Rб) = 5,6 В + (0,009 А ? 100 Ом) = 6,4 В

б) Определим максимальное (регулируемое) напряжение стабилизации: По справочнику максимальный предельный ток стабилизации 1N4734 Iст макс справочник = 162 мА. Это большой ток, при котором стабилитрон будет работать в максимальном режиме и нужны дополнительные меры защиты, поэтому ограничимся значением в 2 раза ниже максимального тока стабилизации Iст макс — 81 мА. При этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит:

Uвых макс = Uст + (Iст макс ? Rб) = 5,6 В + (0.081 ? 100) = 17,75 В (далее в расчётах 18 В)

Поскольку мощность, прикладываемая к резистору возросла, для того, чтобы резистор Rб не вышел из строя от большой рассеиваемой мощности, его мощность следует увеличить до значения:

РRб = I2ст макс ? Rб ? 2 = 0,0812 А ? 100 Ом ? 2 = 1,3322 Вт

Ближайшее значение 2 Вт.

4. Рассчитаем делитель R1, R2, R3: Нам известно, что на стабилитроне 1N4734 падает – 5,6 вольта. В режиме стабилизации, транзистор VT1 находится в «рабочей точке», это означает, что на его переходе база-эмиттер «падает» напряжение 0,65 вольта. А это в свою очередь означает, что на базе должно быть всегда 5,6 + 0,65 = 6,25 вольта относительно корпуса стабилизатора. База соединена с «ползунком» среднего регулировочного резистора, значит, это напряжение 6,25 вольта всегда присутствует на его «ползунке». Исходя из этого, можно составить, систему уравнений с тремя неизвестными. При максимальном напряжении стабилизации Uвых макс = 18 В, ползунок находится в нижнем по схеме положении, ток стабилизации Iст макс= 81 мA, а ток делителя R1, R2, R3 в 10 раз меньше: Iцепи = 8,1 мА, следовательно:

R3 = 6,25 В / Iцепи = 6,25 В/ 8,1 мА = 772 Ом; R1 + R2 = (Uвых макс — UR3) / Iцепи = 18 В / 8,1 мА = 2222 Ом.

Суммарное сопротивление R1 + R2 + R3 = 720 + 2222 = 2942 Ом. При минимальном напряжении стабилизации Uвых мин = 6,4 В, ток делителя будет:

Iцепи = Uвых мин / (R1 + R2 + R3) = 6,4 В / 2942 Ом = 2,175 мА.

Найдём значение R1 = (Uвых мин – 6,25) / Iцепи = (6,4 В – 6,25 В) / 2,175 мА = 69 Ом, отсюда значение R2 = 2222 Ом – 69 Ом = 2153 Ом, округлим значения резисторов до значений номинального ряда Е24: R1 = 68 Ом, R2 = 2,2 кОм (переменный), R3 = 750 Ом

5. Рассчитаем второй источник опорного напряжения и смещения VT2. Номинальное напряжение стабилизации стабилитрона VD2 выбираем из условия Uст2=3…4 Uст, где Uст – номинальное напряжение стабилизации стабилитрона VD1.

В качестве стабилитрона выбираем стабилитрон 1N4747, номинальное напряжение стабилизации которого Uст2 = 22 В, Iст2 = 10 мА. Найдём Rсм. Rсм = (U1 — Uст2) / Iст2 = 35 – 22 / 10 мА = 1300 Ом. Мощность резистора РRсм = (U1 — Uст2) ? Iст = 13 В ? 10 мА = 0,013 Вт, ближайшая из номинального ряда — 0,125 Вт. Для стабильной работы цепи опорного напряжения Rсм VD2, необходимо, чтобы Rк не оказывал на эту цепь шунтирующего действия. Поэтому ток Rк должен быть не менее чем в 2 раза меньше тока стабилитрона. Кроме того, на нём падает разность между входным и выходным напряжением: URк = U1 — Uвых = 35 В – 11 В = 24 В,

отсюда: Rк = URк / (Iст2/2) = 24 В / 5 мА = 4800 Ом.

Мощность РRк = URк ? Iст2 / 2 = 24 В ? 5 мА = 0,12 Вт, ближайший 0,125 Вт.

6. В качестве VT1 подойдёт транзистор 2N3501. Он удовлетворяет требованиям: — достаточно высокий коэффициент усиления (передачи) h21Э = 100; — допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 160 В,

— максимальный ток коллектора – 0,5 А.

В качестве VT2 подойдёт транзистор 2N3501. Коэффициент передачи h21Э = 100, что обеспечит усиление тока резистора Rк с 5 мА до 500 мА; В качестве VT3 выбираем 2N6284. Коэффициент передачи h21Э VT3 = 750, максимальная мощность рассеивания – 160 Вт. При выходном напряжении = 11 В и токе 3 А напряжение коллектор-эмитер VT3 должно будет 35 В -11В = 24 В В, таким образом, общая мощность рассеивания транзистора составит: РVT3 = UVT3 ? I VT3 = 24 В ? 3 А = 72 Вт. 7.Rэ = (0,65 / Iвых) ? h21Э VT3 = (0,65 В / 3 А) ? 750 = 162,5 Ом, где 0,65 В – падение на переходе база-эмиттер, Iвых – номинальный ток нагрузки = (3 ампера), h21Э VT3 — усреднённое значение коэффициента передачи транзистора (750).

Выбираем Rэ = 160 Ом.

8. RH = Uвых / Iвых

Рис. 4.17. Схема компенсационного стабилизатора напряжения непрерывного действия (пример). Построить амплитудную (передаточную) (пример на рис. 4.19) характеристику стабилизатора. Начальное напряжение источника V1 — 1 В, конечное V1 — 1,3?U1, число точек -100.

Рис. 4.18. Вид окон настройки анализа по DC.

Изменяя напряжение на выходе стабилизатора (ползунком переменного резистора R6) установить на выходе напряжение Uвых. Увеличить напряжение на входе стабилизатора на +25%, измерить Uвых(Uвх+25%), уменьшить напряжение на входе стабилизатора на -25%, измерить Uвых(Uвх-25%) и определить

ΔUвых = Uвых+25% – Uвых-25%.

ΔUвых = 11,0531 В – 11,0521 В = 1 мВ

Рис. 4.19. Вид окна с амплитудной (передаточной) характеристикой стабилизатора. Определить значение коэффициента стабилизации:

Kст = (0,5?Uвх) / (ΔUвых/Uвых),

Kст = (0,5?35В) / (1мВ/11В) = 192519 Определить КПД стабилизатора при различных значениях сопротивления нагрузки, согласно табл.2:

КПД = Pвых / Pвх = (U1?Iвх / Uвых?Iвых)100%

Таблица4.9

Результаты измерений. Зависимости от сопротивления нагрузки

Компенсационный стабилизатор

Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность подключать питание прибора с током, который не превышает наибольшего тока стабилитрона. Вследствие этого используют приборы, стабилизирующие напряжение, и получившие название компенсационных. Они состоят из двух видов: параллельные и последовательные.

Называется прибор по методу подключения элементу регулировки. Обычно используются компенсационные стабилизаторы, относящиеся к последовательному виду. Его схема:

Элементом регулировки выступает транзистор, соединенный последовательно с нагрузкой. Напряжение выхода равняется разности значения стабилитрона и эмиттера, которое составляет несколько долей вольта, поэтому считается, что выходное напряжение равно стабилизирующему напряжению.

Параметрические и компенсационные стабилизаторы. Защита стабилизатора напряжения от перегрузок.

Существует два вида стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные. В первом типе стабилизаторов используется постоянство напряжения некоторых видов приборов при изменении протекающего через них тока (например, стабилитрон). Во втором типе стабилизаторов задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке.

Полупроводниковый стабилитрон — полупроводниковый диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при протекании через него тока в заданном диапазоне, предназначенный для стабилизации постоянного напряжения. Принцип действия стабилитрона основан на использовании участка электрического пробоя на обратной ветви ВАХ p-n-перехода.

Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации Uст — падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации; минимальный Iст мин и максимальный Iст макс токи стабилитрона; температурный коэффициент напряжения стабилизации,

дифференциальное сопротивление стабилитрона, определяемое на участке пробоя,

Устройство, предназначенное для стабилизации постоянного напряжения, в котором используется стабилитрон, называется параметрическим стабилизатором напряжения, поскольку его характеристики полностью определяются параметрами стабилитрона.

Высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой

автоматические регуляторы, в которых фактически выходное напряжение

сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, что выходное напряжение стремилось бы достичь эталонного уровня. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, реже – гальванические батареи.

Роль регулирующего элемента в этой схеме играет транзистор VT1. С ростом величины входного напряжения Uвх выходное напряжение возрастает, создавая сигнал рассогласования Uбэ на входе усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT2. Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал его коллектора становится более положительным относительно земли. Напряжение база-эмиттер транзистора VT1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления этого транзистора и падению напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению. Для получения опорного напряжения Uоп используется параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из резистора Rб и стабилитрона VD1.

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

• 1 – источник напряжения;
• 2 – Элемент регулировки;
• 3 – усилитель;
• 4 – источник основного напряжения;
• 5 – определитель напряжения выхода;
• 6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

• 1 – источник напряжения;
• 2 –элемент регулирующий;
• 3 – усилитель;
• 4 – источник основного напряжения;
• 5 – измерительный элемент;
• 6 – сопротивление нагрузки.

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Стабилизатор напряжения релейный

Стабилизаторы со ступенчатым релейным переключением имеют обмотку автотрансформатора (АТ) с множеством отводов. Каждому отводу обмотки соответствуют разные коэффициенты трансформации. Электронная схема блока управления (БУ) анализируя состояние сети, коммутирует силовые реле (R), подключенные к разным секциям обмотки автотрансформатора, обеспечивая стабильное выходное напряжение.

Достоинства данного типа стабилизатора:

• относительно дешевое решение — нет дорогих и сложных в изготовлении элементов;
• широкий диапазон рабочих напряжений — нижний предел входного напряжения чаще всего 140В, но бывают модели и на 125, 110 и даже 90В. верхний предел обычно 270В-280В. При более низком или более высоком входном напряжении стабилизатор просто отключит нагрузку от сети;
• высокий КПД — потери только на трансформаторе (КПД >95%) и немного на БУ и разогрев реле;
• высокое быстродействие — одно из основных достоинств данного типа. При резком изменении входного напряжения стабилизатор не перебирает все реле по очереди, а сразу переключается на необходимое. Время реакции обычно 20 мс;
• правильная синусоида на выходе — это по сравнению с инверторными стабилизаторами которые вносят существенное искажение в синусоиду выходного напряжения — приборы-потребители это не любят.

Недостатки:

• защищает только от низкого или высокого напряжения;
• ступенчатость регулировки выходного напряжения — тут уже никуда не деться, такая технология. Обычно между выводами разница напряжения 4-10%;
• низкий коммутационный ресурс силовых реле — основная беда данного типа стабилизатора. Реле очень не любят перегрузки и при частых коммутациях быстро выходят из строя;
• максимальная мощность обычно до 12 кВА
• шум при переключении реле — да, щелчки слышно очень хорошо, к тому же, как и любой представитель трансформаторных, автотрансформатор гудит.
• низкая устойчивость к загрязненной среде и влаге — автотрансформатору необходимо охлаждение при больших нагрузках — поэтому в любом стабилизаторе очень много вентиляционных отверстий. При этом существуют модели с принудительной вентиляцией, и они как пылесос затягивает кучу пыли в корпус, которая проникает в силовые реле (особенно на мощных моделях), что быстрее выводит их из строя.

Перейдем ко второму типу стабилизаторов

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

1. U вх – необработанное напряжение входа;
2. U вых –напряжение выхода.

Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора. Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2. Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Основные виды стабилизаторов напряжения

Возрастающий спрос на стабилизаторы напряжения связан как с активным использованием этих электроприборов во всех сферах человеческой деятельности, так и с периодически возникающими в сетях проблемами с качеством электроэнергии.
Специализированные магазины и интернет-сайты предлагают большой выбор стабилизаторов отечественного и зарубежного производства, удовлетворяющих практически любые запросы покупателей.

Каждый стабилизатор, несмотря на его мощность и стоимость, построен по типовой схеме (топологии), в основе которой заложен определённый физический принцип стабилизации электрической энергии. Всего таких топологий пять:

• феррорезонансная;
• электромеханическая;
• релейная;
• полупроводниковая;
• инверторная.

Практически все виды стабилизаторов напряжения имеют свои преимущества и недостатки, которые в основном обусловлены схемой их построения. Основные параметры устройств каждого типа требуют пристального изучения, так как именно от их значений зависит эффективность работы выбранной модели стабилизатора с различной современной аппаратурой.