Стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы напряжения это устройства, предназначенные поддерживать величину электрического напряжения на входе приёмников (стабилизатор напряжения) или величину силы тока в сетях (стабилизатор тока), независимо от величины напряжения и нагрузки в питающих сетях. При этом стабилизатор работает при создании сетевого напряжения в заданных параметрах и в случае изменения этих параметров, стабилизатор обесточивает питаемые приборы.

Стабилизаторы различают по типу тока поступающего на вход:

  • Стабилизаторы переменного напряжения;
  • Стабилизаторы постоянного напряжения.

Принято считать, что тип тока поступающего на вход стабилизатора, и тока полученного на выходе одного типа, но допускаются и исключения.

Стабилизаторы постоянного напряжения.

Чаще всего стабилизатор напряжения представляет собой замкнутую систему, в которой напряжение на выходе равняется или пропорционально входному напряжению. Регулирование напряжения происходить автоматически. В зависимости от типа регулирующего элемента стабилизаторы подразделяются на:

  1. Линейные стабилизаторы – когда регулирующий элемент может работать в непрерывном (активном) режиме;
  2. Компенсационные стабилизаторы – когда регулирующий элемент (биополярный транзистор) работает параллельно или последовательно, по отношению к нагрузке;
  3. Импульсный (ключевой) стабилизатор – когда регулирующий элемент работает с импульсным регулированием.

Линейный стабилизатор напряжения.
Линейный стабилизатор напряжения – это стабилизатор, который преобразовывает нестабильное входное напряжение в стабильное выходное. Принцип работы стабилизатора описывается линейным соотношением напряжений 0 .

Недостатки линейного стабилизатора - низкий КПД из-за с рассеивания мощности на регулирующем элементе. При этом величина рассеивания эквивалентна разности мощностей на входе и выходе устройства. Вследствие этого стабилизатор жесткие рамки работы по входному напряжению.

Достоинства:

  • простота исполнения и легкость эксплуатации;
  • высокая надежность.

В зависимости от схемы включения стабилизаторы подразделяются на:

  • Последовательные – это стабилизаторы, в которых элемент регулирования расположен в верхнем плече (т.е. подключен последовательно нагрузке);
  • Параллельные – это стабилизаторы, в которых регулирующий элемент расположен в нижнем плече (т.е. подключен параллельно нагрузке);

Следует заметить, что последовательное расположение регулирующего элемента встречается чаще.

По способу стабилизации напряжения стабилизаторы подразделяются на:

  • Параметрические – это устройства, в котором стабилизация напряжения достигается за счет внутренних свойств электронных составляющих (например, сильной нелинейности вольт-амперной характеристики);
  • Компенсационные – это устройства, в которых стабилизация напряжения достигается рассогласованием сигнала, действующего на регулируемый элемент, вследствие отрицательной обратной связи. К линейным компенсационным стабилизаторам относятся те, у которых регулируемый элемент находится постоянно (непрервыно) в открытом состоянии. В импульсных стабилизаторах регулируемый элемент работает в ключевом режиме.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне
Работа стабилизатора основана на свойстве стабилитрона вызывать малое изменение напряжение при большом изменении тока. При этом качество стабилизации тем лучше, чем круче вольт-амперная характеристика рабочего участка. Такая схема используется, как маломощный источник стабильного напряжения или же как элемент более сложных схем.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе
Средний слой биполярного транзистора называется базой, а крайние - эмиттером и коллектором. При изготовлении транзистора эмиттер легируют более сильно, чем коллектор, чтобы содержание свободных носителей заряда в эмиттере было выше. Соответственно ток эмиттера разделяется на ток базы и ток коллектора, причем ток коллектора во много раз больше тока базы: Если изменяется ток базы, то ток коллектора изменяться очень сильно. Благодаря этому свойству транзистор используют как усилительный элемент.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя
Принцип работы данного стабилизатора в следующем: когда потенциал на «положительном» входе (Uвх.+) становится больше потенциала на «отрицательном» (Uвх.- ) - выходной сигнал (Uвых.) изменяется в положительном направлении. Характерной особенностью данного стабилизатора является, что заданное Uвых. поддерживается путем сравнения с образцовым (опорным) напряжением. Выходное напряжение с потенциометра подается на инвертирующий вход, а образцовое напряжение (со стабилитрона) - на неинвертирующий вход. При небольшом изменении напряжения на выходе стабилизатора на инвертирующем входе появляется сигнал рассогласования, который многократно усиливается и изменяет напряжение на регулирующем транзисторе таким образом, что напряжение на выходе стабилизатора практически не изменяется. Сигналы, поданные на эти входы, суммируются с учетом их знака и многократно усиливаются Этот процесс длится всего несколько микросекунд.

Импульсный стабилизатор
Существует несколько иных принципов преобразования постоянного напряжения, отличающиеся тем, что регулировочный элемент работает в ключевом режиме (т.е. либо полностью насыщен, либо находится в отсечке) и для преобразования напряжения используется реактивный элемент: конденсатор или индуктивность. Стабилизаторы напряжения, выполненные на основе таких преобразователей, именуются импульсными стабилизаторами напряжения.

Импульсные стабилизаторы обладают по сравнению с линейными рядом преимуществ. КПД их несравненно выше, так как благодаря использованию ключевого режима работы регулирующего транзистора средняя рассеиваемая в нем мощность оказывается существенно меньше, чем в линейном стабилизаторе. Малые тепловые потери позволяют уменьшить их габариты. Кроме того, наряду с обычным режимом понижения входного напряжения импульсные стабилизаторы могут работать в режиме его повышения и инвертирования.

Недостатки: самый высокий среди всех стабилизаторов уровень выходных шумов.

По типу режимов импульсные стабилизаторы различаются:

  1. Понижающий стабилизатор –выходное напряжение ниже входного;
  2. Повышающий стабилизатор – выходное напряжение выше входного;
  3. Инвертирующий стабилизатор – выходное напряжение отрицательное;

Стабилизаторы переменного напряжения
По типам конструкции стабилизаторы напряжения делятся на:

  • феррорезонансные;
  • электромеханические;
  • электронные.

Феррорезонансные стабилизаторы
Феррорезонансные стабилизаторы - одни из самых старых и простых стабилизаторов. Однако используют их мало из-за большого числа недостатков подобной схемы. Сам процесс ферромагнитного резонанса вполне аналогичен резонансу в линейных цепях, состоящих из индуктивностей и емкостей. В нелинейной цепи, такой как феррорезонансный трансформатор, резонанс используется для уменьшения колебаний напряжения во вторичной цепи.

В феррорезонансном трансформаторе одна из магнитных цепей (выходная) находится в режиме насыщения, а другая (входная) не достигает насыщения. Большие изменения входного напряжения не могут привести к значительным изменениям напряжения на выходе из-за насыщения выходной магнитной цепи.

Недостатки феррорезонансных стабилизаторов напряжения: высокий уровень шума; и чувствителность к частоте питающего напряжения;

Достоинства устройств данного типа: высокая точность и скорость регулирования выходного напряжения.

К современным типам стабилизатора относятся:

  1. Электромеханические стабилизаторы;
  2. Электронные (ступенчатого регулирования);
  3. Компенсационные стабилизаторы (электронные плавные).

Стабилизаторы напряжения подразделяются на две большие группы:

  • однофазные стабилизаторы напряжения – предназначены для работы с сетью переменного тока напряжением 220В и частотой 50/60 Гц. Их часто называют бытовыми стабилизаторами;
  • трехфазные стабилизаторы напряжения служат для работы в электросетях с напряжением 380В и предназначены для защиты промышленного оборудования, либо в домах с трехфазной сетью.

У стабилизаторов существует два диапазона входного напряжения:

  • рабочий - когда входное напряжение находится в пределах, при которых на выходе обеспечивается заявленная величина стабилизации ±5%;
  • предельный - когда стабилизатор сохраняет работоспособность, но напряжение на выходе отличается от заявленной величины в большую или меньшую стороны