Устройства для стабилизации напряжения и силы тока

Основными возмущениями, действующими на величину напряжения устройств электроавтоматики, является нестабильность сетевого напряжения и изменение величины нагрузки. Для поддержания стабильных напряжений и силы тока используются устройства, называемые стабилизаторами переменного и постоянного тока, которые подразделяются на параметрические и компенсационные.

При параметрической стабилизации используется нелинейная зависимость между силой и напряжением в газоразрядных и кремниевых стабилитронах. В компенсационных устройствах стабилизация достигается за счет контроля уровней стабилизируемых величин посредством воздействия обратных связей.

Стабилизаторы характеризуются коэффициентом стабилизации по напряжению либо силе тока, показывающим, во сколько раз относительное изменение напряжения или силы тока на входе стабилизатора выше относительного изменения напряжения или силы тока на его выходе:

К_и = (ΔU₁ / U₁) / (ΔU₂ / U₂); К₁ = (Δ I₁ / I₁) / (ΔI₂ / I₂), (4.2.1)

где U₁, U₂ – напряжение на входе и выходе стабилизатора, В; ΔU₁, ΔU₂ – изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора, В; I₁ и I₂ – сила тока соответственно на входе и выходе стабилизатора, А; Δ I₁, Δ I₂ и изменения силы тока на входе и выходе стабилизатора, А.

Рассмотрим принцип действия параметрического стабилизатора напряжения, включающего нелинейный элемент. В качестве нелинейных элементов чаще всего используется полупроводниковые стабилитроны.

Простейшая схема параметрического стабилизатора напряжения приведена на рисунке 4.4, а. Стабилитрон подключен параллельно нагрузке. Увеличение напряжения U₁ вызывает возрастание силы тока нагрузки и, значит, напряжение на стабилитроне. Происходит резкое увеличение падения напряжения на сопротивлении R1. Вследствие этого напряжение на нагрузке R_н вернется к прежней величине. Аналогичная картина наблюдается при изменении величины нагрузки R_н. Для увеличения коэффициента стабилизации в таких устройствах используется каскадное включение стабилизаторов. Коэффициент стабилизации одного каскада такого стабилизатора составляет 20 – 50.

а – параметрического (напряжения); б - параметрического (тока); в – компенсационного (с непрерывной регулировкой напряжения)

Рисунок 4.4 – Схемы стабилизаторов

В параметрическом стабилизаторе силы тока, рисунок 4.4, б в качестве стабилизирующих элементов используются транзисторы, а также бареттеры. Бареттер Б представляет собой чаще всего вольфрамовую нить, запаянную в герметический баллон с водородом. При увеличении температуры, например, от величины силы тока сопротивление нити бареттера возрастает, что позволяет стабилизировать напряжение на зажимах нагрузки R_н. Бареттеры могут использоваться в стабилизаторах как постоянного, так и переменного тока.

В компенсационном стабилизаторе напряжения, рисунок 4.4, в при увеличении напряжения U₁ сила тока I_н увеличивается. При этом напряжение базы U_б1 транзистора Т2 усилителя уменьшается, сила тока транзистора Т2 увеличивается и потенциал коллектора этого транзистора, равный потенциалу базы транзистора Т1, также увеличивается. В результате этого регулирующий транзистор Т1 еще больше запирается, его сопротивление возрастает и падение напряжения на регулирующем транзисторе увеличивается, возвращая почти к прежней величине выходное напряжение. В схеме усилитель на транзисторе Т2 питается от дополнительного источника напряжением U₂ коэффициент стабилизации такого стабилизатора К_ст > 100.

В качестве источников питания электрических элементов широко применяются электромагнитные стабилизаторы напряжения. Основные виды стабилизаторов трансформаторного действия: ферромагнитные и феррорезонансные (содержащие емкость).

Ферромагнитный стабилизатор напряжения представляет собой трехстержневой магнитопровод, на среднем стержне которого расположена первичная обмотка ω₁, рисунок 4.5, а. На правом стержне, работающем в условиях сильного магнитного насыщения, расположена вторичная обмотка ω₂. На левом ненасыщенном стержне расположена компенсационная обмотка ω_к. При колебаниях напряжения U₁ на входе стабилизатора изменяется магнитный поток в среднем стержне, но поток в правом стержне изменяется незначительно, т.к. стержень насыщен. Поэтому колебания напряжения U^'₂ на выходе вторичной обмотки стабилизатора (кривая 1 на рисунке 4.5, б) незначительны и компенсируются напряжением U_к компенсационной обмотки, зависимость которого от напряжения U₁ имеет вид прямой линии, т.к. левый стержень стабилизатора ненасыщен (прямая 2 на рисунке 4.5, б). При правильном подборе параметров обмоток и магнитопровода стабилизатора угол наклона α прямолинейного участка кривой 1 равен углу наклона прямой 2. В этом случае напряжение на выходе оказывается стабилизированным:

Рисунок 4.5 – Электромагнитная схема ферромагнитного стабилизатора напряжения и графики напряжений

Так, при колебаниях напряжения U₁ в пределах ±20% от номинального значения при неизменных нагрузке и частоте выходное напряжение колеблется в пределах ±3%, т.е. коэффициент стабилизации по напряжению k ≈ 7. Обычно для ферромагнитных стабилизаторов: небольшой коэффициент стабилизации по напряжению, низкий КПД (не более 4 - 60%),небольшой коэффициент мощности (не более 0,4), несинусоидальное выходное напряжение. Указанные недостатки ограничивают применение ферромагнитных стабилизаторов напряжения.

Феррорезонансный стабилизатор напряжения обладает лучшими свойствами, рисунок 4.6, а. Он состоит из реактора 1, магнитопровод которого при заданном диапазоне напряжений U₁ насыщен, конденсатора C, автотрансформатора 2, магнитопровод которого ненасыщен. Обмотка автотрансформатора 2 включена так, что напряжение на выходе стабилизатора

,

где  - напряжение на выводах реактора;  - напряжение на выводах автотрансформатора, рисунок 4.6, а.

Рисунок 4.6 – Электромагнитная схема феррорезонансного стабилизатора напряжения и графики напряжений

Напряжение  благодаря резонансу токов в контуре L₁C, где L₁ - индуктивность реактора, имеет резко нелинейную зависимость от напряжения U₁ (кривая 1 на рисунке 4.6, б). Напряжение  пропорционально напряжению U₁ (прямая 2) и компенсирует изменение напряжения  на прямолинейном участке кривой 1. При этом условии напряжение на выходе стабилизатора U_ст изменяется незначительно при заданном диапазоне колебания напряжения на входе стабилизатора (кривая 3). Коэффициент полезного действия феррорезонансного стабилизатора достаточно высок и составляет 80 – 85%, а коэффициент стабилизации по напряжению k_U = 20 ÷ 40.

К недостаткам феррорезонансных стабилизаторов относится заметная зависимость коэффициента стабилизации от частоты тока в сети и от коэффициента мощности нагрузки. Указанные недостатки в этом стабилизаторе проявляются в меньшей степени, чем в ферромагнитном стабилизаторе. Для ослабления несинусоидальности выходного напряжения ферромагнитных и феррорезонансных стабилизаторов в схему стабилизаторов вводят компенсирующие контуры.