Какими способами осуществляют стабилизацию вторичных напряжений

Обновлено: 02.07.2024

Сегодня наше существование напрямую зависит от электричества. Будь то, крупные промышленные объекты или частные дома – все они регулярно потребляют электроэнергию. Но, к сожалению, часто в электрической сети возникают перепады, скачки напряжения и другие помехи. Несмотря на то, что основные параметры электросети прописаны в ГОСТ, колебания напряжения в российских сетях - частая проблема.

Падение и перепады напряжения можно определить по миганию лампочек, их тусклому свету, слабой работе нагревательных приборов и при резком выключении и включении электротехники.

Чем данная ситуация опасна?

Если для бытовой техники это влечет за собой лишь уменьшение срока эксплуатации, то для приборов, где важны точные значения, таких как лабораторное, медицинское или производственное оборудование – это сулит поломкой дорогостоящего оборудования или искажением его показателей.

Более того, иногда это может грозить безопасности жизни людей, чье состояние, зависит от работы приборов, например, в случае пациентов в реанимации.

Что такое перенапряжение, виды и способы борьбы с ним

Первый вид перенапряжения - импульсное перенапряжение . Возникает при грозовых воздействиях на электросеть или при коммутационных процессах, как во внешней сети, так и в самой электроустановке. Длительность 1-3 мс. Сила скачка может быть от 1 до 10 кВ. Среди возможных последствий - неожиданный сбой в работе цифрового оборудования или его выход из строя. Бороться с импульсным перенапряжением нужно применяя ограничители перенапряжения (ОПН) в виде разрядников или варисторов, используя разделительные трансформаторы, стабилизаторы. Например, все стабилизаторы напряжения торговой марки "Полигон" оснащены устройствами защиты от импульсных перенапряжений.

Второй вид перенапряжения - это длительное отклонение напряжения сети в сторону превышения нормы .

Наиболее частые причины возникновения этого явления:

Провода сети питания имеют определенное сопротивление, и при протекании тока нагрузки на этих проводах возникает падение напряжения. Величина падения напряжения зависит от сечения провода, материала (медь или алюминий) и его длины. При проектировании объектов эти значения учитываются в расчетах, чтобы на нагрузке величина напряжения находилась в норме.

К сожалению, в эксплуатации находится множество электросетей, спроектированных десятки лет назад, а уровень нагрузки значительно вырос. Яркий пример – сети различных садоводств и других загородных потребителей. Недостаточное сечение линий и, как результат, потери в этих линиях приводят к тому, что напряжение питания у потребителя становится ниже нормы, особенно не везет тем, кто находится в конце линии (см. рис. фаза L2).

Наиболее негативно это явление сказывается на сетях с недостаточным сечением проводников. Давайте рассмотрим пример на приведенном ниже рисунке. Фаза L2 перегружена. У потребителей, подключенных к этой фазе низкое напряжение, падение напряжения в нейтральном проводнике значительное. Согласно векторной диаграмме напряжения, в трехфазной сети происходит смещение точки нейтрали (N) и на мало загруженных фазах L1 и L3 появляется высокое напряжение. Кроме того, перекос нагрузок негативно сказывается на трансформаторе подстанции.

Не секрет, что некоторые виды оборудования при включении обладают большими пусковыми токами (электродвигатели до 6 крат от величины рабочего тока, трансформаторы до 12 крат). На момент пуска в электросети наблюдается провал напряжения ниже допустимых значений. В некоторых случаях эти провалы могут оказаться критичными для другого оборудования, подключенного на эту же линию питания.

При коротком замыкании между L и N наблюдается эффект схожий с перекосом нагрузки, но усугубленный тем, что падение напряжения в линии нейтрали достигает значений до 110 В. На фазе замыкания происходит провал напряжения, на других фазах - значительное превышение напряжения до момента срабатывания защиты. Замыкания также могут быть между фазами, фазой и корпусом.

Электросети, помимо активного сопротивления проводников, обладают еще ёмкостью и индуктивностью. Периодическое отключение мощной нагрузки приводит к кратковременному всплеску напряжения в сети за счет общей индуктивности сети, что вряд ли можно назвать положительным событием.

Положительный эффект этого явления используется в системе зажигания автомобиля. Генератор 12 В – прерыватель – катушка зажигания (индуктивность) – свеча. Катушка зажигания в определенный момент отключается от генератора прерывателем (прекращается ток) и вся энергия, запасенная индуктивностью катушки, в виде высоковольтного выброса с напряжением до десятков киловольт поступает на свечу зажигания.

Тяжелейший вид аварии, при котором в трёхфазной сети фазные напряжения могут достигать значений более 300 В. Все будет зависеть от величин фазных нагрузок на момент обрыва нейтрали. На мощных однофазных потребителях с низким сопротивлением напряжение составит несколько вольт, а на малых нагрузках - ближе к линейному напряжению. Процесс динамичен. Малые нагрузки начинают выгорать из-за высокого напряжения с коротким замыканием. На время протекания тока короткого замыкания напряжение на мощных нагрузках меняется с малого до практически линейного в 380 В. Стандартная защита в виде типовых автоматов не всегда успевает отработать и потеря некоторого оборудования достаточно частое явление. Более эффективной защитой от данного вида аварии является применение реле контроля напряжения (РКН), реле контроля фаз (РКФ) для трехфазных нагрузок или стабилизатора напряжения, у которого данные функции уже аппаратно встроены.

Чтобы обезопасить себя от перечисленных ранее видов перенапряжения, необходимо установить стабилизатор напряжения.

Какие задачи выполняет стабилизатор напряжения?

Это устройство, которое гарантирует получение стабилизированного напряжения 220 В и защищает технику от скачков и перепадов напряжения. Стабилизатор подходит как для компьютерной, бытовой техники, аудио-видео систем, так и для котлов, насосов, станков, цехов, медицинского оборудования. Стабилизатор обеспечивает качественную, исправную работу и долгий срок службы электротехники в квартире, загородном доме, офисе и на производстве.

По каким параметрам подбирают стабилизатор?

Стабилизаторы бывают разными, и важно подобрать подходящий лично вам стабилизатор. Для этого необходимо обратить внимание на следующие параметры:

Мощность нагрузки: для этого нужно сложить мощности всех электроприборов, которые одновременно будут работать.
Тип сети: однофазная или трехфазная. Однофазный стабилизатор представляет собой напольный блок, который можно установить как в комнате, так и в хозяйственном помещении. Для трёхфазной сети используется трёхфазный стабилизатор в виде 3-х независимых однофазных стабилизаторов или одного шкафа (для больших мощностей).
Принцип работы стабилизатора: релейный, электромеханический (сервомоторные, сервоприводные), электронный (симисторные, тиристорные) . Так электромеханические больше подходят для промышленных, медицинских, космических объектов, а электронные для малых производств, загородных домов.
Точность коррекции напряжения: +/- 1% - 20%.

Итак, теперь Вы знаете, что представляет из себя стабилизатор напряжение и с какими проблемами он справляется. Важно помнить, что результатом перепадов напряжения в лучшем случае будет потеря несохраненных данных на компьютере, в худшем - повреждения электроприборов и даже угроза жизни людей.

Параметры стабилизаторов напряжения

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации K_ст, выходное сопротивление R_вых и коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации определяют из выражения K_ст= [ ∆u_вх/ u_вх] / [ ∆u_вых/ u_вых]

где u_вх, u_вых — постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆u_вх — изменение напряжения u_вх; ∆u_вых — изменение напряжения u_вых, соответствующее изменению напряжения ∆u_вх.

Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина K_ст составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Таким образом, коэффициент стабилизации — это отношение относительного изменения напряжения на входе к соответствующему относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением R_вых= | ∆u_вых/ ∆i_вых|

где ∆u_вых— изменение постоянного напряжения на выходе стабилизатора; ∆i_вых— изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина R_вых составляет единицы Ом, а у более совершенных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора η_ст — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р_н, к мощности, потребляемой от входного источника напряжения Р_вх: η_ст = Р_н / Р_вх

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Интересное видео о стабилизаторах напряжения:

Параметрические стабилизаторы

Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82).
Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного напряжения (рис. 2.82, в).
Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения u_э (на ∆u_э), а значит, и входного напряжения u_вх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину ∆u_вых.

Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше ∆uвых.

Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения ∆u_вх (на схеме пунктир):

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением.

В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 2.83, а).

Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис. 2.83, б. Здесь СУЭ и ИОН с целью упрощения не показаны). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление R_б, включаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные).

В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Рассмотрим типичную принципиальную схему непрерывного стабилизатора (рис. 2.84, а).
Эта схема соответствует приведенной выше структурной схеме последовательного стабилизатора. Для того чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допущений, которые были рассмотрены при изучении операционного усилителя,изобразим эту схему по-другому. При этом цепи питания операционного усилителя для упрощения рисунка изображать не будем.
Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R2, R3, DA и VT построен неинвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R1 и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

Подставляя выражение для i_R2 в предыдущее уравнение, получим − u_ст/ R₃· R₂= u_ст – u_вых. Следовательно, u_вых = u_ст· ( 1 + R₂/ R₃)

Последнее выражение в точности повторяет соответствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение u_ст).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабилизатору К142ЕН1 внешних элементов — на рис. 2.85.
Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току, а R₁ — для регулирования выходного напряжения. Микросхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы.

Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 − 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 − 50%.

В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через силовой элемент, максимален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилизатор напряжения (рис. 2.86).
Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение t_вкл / t_выкл, где t_вкл, t_выкл — длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше напряжение на выходе.

В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор.

Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.

Ещё одно интересное видео о стабилизаторах:

Стабилизатор напряжения - применение, принцип работы

Стабилизатор напряжения — это электрическое устройство, которое используется для подачи постоянного напряжения на нагрузку на своих выходных клеммах независимо от каких-либо изменений или колебаний на входе, то есть входящего питания.

Основное назначение стабилизатора напряжения заключается в защите электрических или электронных устройств (например, кондиционера, холодильника, телевизора и так далее) от возможного повреждения в результате скачков напряжения или колебаний, повышенного или пониженного напряжения.

Рис.1 — Различные типы стабилизаторов напряжения

Стабилизатор напряжения также известен как AVR (автоматический регулятор напряжения).

Использование стабилизатора напряжения не ограничивается домашним или офисным оборудованием, которое получает электропитание извне.

Даже места, которые имеют свои собственные внутренние источники питания в виде дизельных генераторов переменного тока, сильно зависят от этих AVR для безопасности своего оборудования.

Зачем нужны стабилизаторы напряжения и его важность

Все электрические устройства спроектированы и изготовлены для работы с максимальной эффективностью с типичным источником питания, который известен как номинальное рабочее напряжение. В зависимости от расчетного безопасного предела эксплуатации рабочий диапазон (с оптимальной эффективностью) электрического устройства может быть ограничен до ± 5%, ± 10% или более.

Из-за многих проблем источник входного напряжения, которое мы получаем, всегда имеет тенденцию колебаться, что приводит к постоянно меняющемуся источнику входного напряжения. Это изменяющееся напряжение является основным фактором, способствующим снижению эффективности устройства, а также увеличению частоты его отказов.

Рис. 2 — Проблемы из-за колебаний напряжения

Как работает стабилизатор напряжения

Основная работа стабилизатора напряжения заключается в выполнении двух необходимых функций: функции понижения и повышения напряжения.

Функция понижения и повышения — это не что иное, как регулирование постоянного напряжения от перенапряжения.

Эта функция может выполняться вручную с помощью селекторных переключателей или автоматически с помощью дополнительных электронных схем.

Рис. 4 — Принципиальная схема функции понижения в стабилизаторе напряжения

Рис. 6 — Принципиальная схема функции повышения напряжения в стабилизаторе напряжения

Видео совет при выборе стабилизатор напряжения

Особенности сетевых стабилизаторов

Принципиальная схема стабилизатора напряжения данного типа представляет собой набор транзисторов, а также диодов. В свою очередь механизм замыкания в ней отсутствует. Регуляторы при этом имеются обычного типа. В некоторых моделях дополнительно устанавливается система индикации.

Она способна показать мощность скачков в сети. По чувствительности модели довольно сильно отличаются. Конденсаторы, как правило, в цепи имеются компенсационного типа. Система защиты у них отсутствует.

Устройства моделей с регулятором

Для холодильного оборудования востребованным является регулируемый стабилизатор напряжения. Схема его подразумевает возможность настройки прибора перед началом использования. В данном случае это помогает в устранении высокочастотных помех. В свою очередь электромагнитное поле проблем для резисторов не представляет.

Конденсаторы также включаются в регулируемый стабилизатор напряжения. Схема его не обходится без транзисторных мостов, которые соединяются между собой по коллекторной цепочке. Непосредственно регуляторы могут устанавливаться различных модификаций. Многое в данном случае зависит от предельного напряжения. Дополнительно учитывается тип трансформатора, который имеется в стабилизаторе.

Стабилизаторы "Ресанта"

Схема стабилизатора напряжения "Ресанта" представляет собой набор транзисторов, которые взаимодействуют между собой по коллектору. Для охлаждения системы имеется вентилятор. С высокочастотными перегрузками в системе справляется конденсатор компенсационного типа.

Также схема стабилизатора напряжения "Ресанта" включает в себя диодные мосты. Регуляторы во многих моделях устанавливаются обычные. Ограничения по нагрузке у стабилизаторов "Ресанта" есть. В целом помехи ими воспринимаются все. К недостаткам следует отнести высокую шумность трансформаторов.

Схема моделей с напряжением 220 В

Схема стабилизатора напряжения 220 В отличается от прочих устройств тем, что в ней имеется блок управления. Данный элемент соединяется напрямую с регулятором. Сразу за системой фильтрации имеется диодный мост. Для стабилизации колебаний дополнительно предусмотрена цепь из транзисторов. На выходе после обмотки располагается конденсатор.

С перегрузками в системе справляется трансформатор. Преобразование тока осуществляется им же. В целом диапазон мощности у данных устройств довольно высокий. Работать эти стабилизаторы способны и при минусовой температуре. По шумности они не отличаются от моделей других типов. Параметр чувствительности сильно зависит от производителя. Также на нее влияет тип установленного регулятора.

Принцип работы импульсных стабилизаторов

Схема электрическая стабилизатора напряжения данного типа схожа с моделью релейного аналога. Однако отличия в системе все же есть. Главным элементом в цепи принято считать модулятор. Занимается данное устройство тем, что считывает показатели напряжения. Далее сигнал переносится на один из трансформаторов. Там проходит полная обработка информации.

Высокочастотные модели стабилизаторов

По сравнению с релейными моделями, высокочастотный стабилизатор напряжения (схема показана ниже) является более сложным, и диодов в нем задействуется больше двух. Отличительной особенность приборов данного типа принято считать высокую мощность.

Трансформаторы в цепи рассчитаны на большие помехи. В результате данные приборы способны защитить любую бытовую технику в доме. Система фильтрации в них настроена на различные скачки. За счет контроля напряжения величина тока может изменяться. Показатель предельной частоты при этом будет увеличиваться на входе, и уменьшаться на выходе. Преобразование тока в этой цепи осуществляется в два этапа.

Первоначально задействуется транзистор с фильтром на входе. На втором этапе включается диодный мост. Для того чтобы процесс преобразования тока завершился, системе требуется усилитель. Устанавливается он, как правило, между резисторами. Таким образом, температура в устройстве поддерживается на должном уровне. Дополнительно в системе учитывается источник питания. Использование блока защиты зависит от его работы.

Стабилизаторы на 15 В

Для устройств с напряжением 15 В используется сетевой стабилизатор напряжения, схема которого по своей структуре является довольно простой. Порог чувствительности у приборов находится на малом уровне. Модели с системой индикации встретить очень сложно. В фильтрах они не нуждаются, поскольку колебания в цепи незначительные.

Особенности моделей на 5 В

Для устройств с напряжением 5 В используют специальный сетевой стабилизатор напряжения. Схема их состоит из резисторов, как правило, не более двух. Применяют такие стабилизаторы исключительно для нормального функционирования измерительных приборов. В целом они являются довольно компактными, а работают тихо.

Модели серии SVK

Модели данной серии относятся к стабилизаторам латерного типа. Чаще всего их используют на производстве для уменьшения скачков от сети. Схема подключения стабилизатора напряжения этой модели предусматривает наличие четырех транзисторов, которые расположены попарно. За счет этого ток преодолевает меньшее сопротивление в цепи. На выходе у системы имеется обмотка для обратного эффекта. Фильтров в схеме предусмотрено два.

За счет отсутствия конденсатора процесс преобразования также происходит быстрее. К недостаткам следует отнести большую чувствительность. На электромагнитное поле прибор реагирует очень остро. Схема подключения стабилизатора напряжения серии SVK регулятор предусматривает, как и систему индикации. Напряжение максимум устройством воспринимается до 240 В, а отклонение при этом не может превышать 10 %.

Автоматические стабилизаторы "Лигао 220 В"

Для систем сигнализации является востребованным от компании "Лигао" стабилизатор напряжения 220В. Схема его построена на работе тиристоров. Использоваться данные элементы способны исключительно в полупроводниковых цепях. На сегодняшний день типов тиристоров существует довольно много. По степени защищенности они делятся на статические, а также динамические. Первый вид используется с источниками электричества различной мощности. В свою очередь динамические тиристоры имеют свой предел.

Если говорить про компании "Лигао" стабилизатор напряжения (схема показана ниже), то в нем имеется активный элемент. В большей степени он предназначен для нормального функционирования регулятора. Представляет он собой набор контактов, которые способны соединяться. Необходимо это для того чтобы увеличивать или уменьшать предельную частоту в системе. В других моделях тиристоров может иметься несколько. Устанавливаются они между собой при помощи катодов. В результате коэффициент полезного действия устройства можно значительно повысить.

Низкочастотные устройства

Для обслуживания устройств с частотой менее 30 Гц существует такой стабилизатор напряжения 220В. Схема его схожа со схемами релейных моделей за исключением транзисторов. В данном случае они имеются с эмиттером. Иногда дополнительно устанавливается специальный контроллер. Многое зависит от производителя, а также модели. Контроллер в стабилизаторе необходим для передачи сигнала на блок управления.

Для того чтобы связь была качественной, производители используют усилитель. Устанавливается он, как правило, на входе. На выходе в системе имеется обычно обмотка. Если говорить про предел напряжения в 220 В, конденсаторов можно найти два. Коэффициент передачи тока у таких устройств довольно низкий. Причиною этого принято считать малую предельную частоту, которая является следствием работы контроллера. Однако коэффициент насыщения находится на высокой отметке. Во многом это связано именно с транзисторами, которые устанавливаются с эмиттерами.

Полупроводниковые диоды, обладающие односторонней проводимостью благодаря вольт – амперной характеристике p –n перехода или перехода Шотки, находят весьма широкое и разнообразное применение в радиотехнических устройствах. Нелинейность прямой ветви вольт – амперной (ВАХ) характеристики используется для преобразования спектра входного сигнала, например для детектирования модулированных сигналов ил выделения суммарной или разностной частоты при подаче на вход двух сигналов разной частоты. Односторонняя проводимость диодов используется для выпрямления переменного тока, т.е. преобразования его в пульсирующий ток одного направления, из которого затем с помощью фильтров получают постоянный по величине и направлению ток.

Явление пробоя и обратная ветвь ВАХ после пробоя p - n перехода используется в диодах специальной конструкции (стабилитронах) для стабилизации напряжения и тока в нагрузке при случайных изменениях этих величин. Наличие барьерной емкости p – n перехода и ее зависимость от величины обратного напряжения используется для электрического управления емкостью различных электрических цепей, например, колебательных контуров, с использованием диодов специальной конструкции – варикапов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Диодный выпрямитель

Переменный ток промышленной частоты 50 Гц, энергией которого питается абсолютное большинство бытовых и промышленных приборов и машин абсолютно не пригоден для питания радиоэлектронных устройств, для работы которых необходимы источники питания постоянного (по величине и направлению) тока или напряжения. Получение такого тока или напряжения из переменного осуществляется в несколько этапов, одним из которых является выпрямление. В результате этой операции из синусоидального переменного тока получают постоянный по направлению, но изменяющийся по величине – пульсирующий ток (напряжение).

Эту операцию практически повсеместно сейчас выполняют с помощью полупроводниковых диодов, используя их одностороннюю проводимость. Для удобства и наглядности несколько идеализируем вольт – амперную характеристику (ВАХ) диода, считая обратный ток пренебрежительно малым, а прямую ветвь заменим прямой (рис.1).

На рис.1,а реальная ВАХ показана штриховой линией, и добавлена еще одна координатная ось времени, позволяющая изобразить закон изменения входного напряжения диода от времени. На рис.1,б показан закон изменения тока, протекающего через диод, от времени.

Из графиков нетрудно понять, что диод открыт и пропускает ток только пир положительной полуволне входного напряжения, а при отрицательной полуволне на диод действует запирающее обратное напряжение и ток в цепи не проходит, с учетом принятой нами идеализации ВАХ. По этой же причине (линейность прямой ветви ) ток в цепи будет представлять собой последовательность синусоидальных импульсов, длительность которых и интервал между импульсами равны половине периода.

Если в качестве нагрузки включить резистивный элемент (рис.2), то падение напряжения на нем будет повторять по форме ток. С помощью последующих операций фильтрации и стабилизации из такого пульсирующего напряжения или тока получают постоянный не только по направлению, но и по величине ток. Выпрямитель на рис.2 называется однополупериодным, поскольку ток в цепи течет только одну полуволну периода. Есть схемы, использующие два или четыре диода, которые позволяют получить синусоидальные импульсы тока или напряжения в каждом полупериоде с одинаковой полярностью. Такие схемы называются двухполупериодными.

Операция фильтрации пульсирующего напряжения основана на использовании элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Дело в том, что последовательность синусоидальных импульсов можно представить рядом Фурье, в который будет входить постоянная составляющая и бесконечный набор гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного напряжения. Амплитуды этих гармонических составляющих уменьшаются с ростом частоты. Поскольку индуктивный элемент обладает сопротивлением прямо пропорциональным частоте, а емкостный элемент - обратно пропорциональным, то выбрав индуктивный элемент с достаточно большой индуктивностью и включив его последовательно с нагрузкой, а конденсатор достаточно большой емкости включив параллельно нагрузке, можно практически полностью избавиться от гармонических составляющих тока или напряжения в нагрузке, сохранив при этом постоянную составляющую.

Стабилизатор напряжения

Стабилитроны

Функцию стабилизации напряжения на нагрузке при колебаниях входного напряжения, или изменении тока нагрузки выполняют стабилизаторы напряжения. Основным элементом стабилизатора является диод специальной конструкции, рабочим участком ВАХ которого является обратная ветвь в области пробоя. Такие диоды называются стабилитронами.

Полупроводниковые стабилитроны изготавливаются на основе кремния в связи с малым обратным током и резким переходом в область лавинного или туннельного пробоя. Основные виды и механизмы пробоя подробно рассмотрены в лабораторной работе №2. Стабилитроны с напряжением пробоя U_пр 1/2 (N_d, N_a – концентрации донорной и акцепторной примеси), составляет обычно сотые доли мкм, что и обеспечивает возможность квантово – механического туннелирования. Из – за малой ширины перехода и высокой концентрации носителей в области пространственного заряда напряженность электрического поля E достигает значений E = (2…4)*10 5 В/см. При такой напряженности поля на электроны в валентных связях действует электростатическая сила, способная вырвать их из связи и привести в зону проводимости. Поэтому туннельный пробой называют также зенеровским пробоем по имени ученого, предложившего этот механизм пробоя и резкого роста числа носителей. Опыт показывает, что туннельный пробой возможен при см -3 . В резких p – n переходах, кроме специальных случаев, концентрация примеси составляет 10 16 …10 17 см -3 . В плавных p – n переходах с линейным или экспоненциальным распределением примесей туннельный пробой возможен только при напряжениях, значительно превышающих напряжение лавинного пробоя, даже при сильном легировании n и p – областей.

С ростом температуры перехода напряжение туннельного пробоя уменьшается (отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН)), поскольку при этом уменьшается ширина p – n перехода и растет вероятность туннелирования носителей в зону проводимости.

Значение напряжения лавинного пробоя обычно , и зависит оно от ширины запрещенной зоны E_g. Большему значению E_g требуется большая энергия носителя для ударной ионизации, а значит, и напряжение пробоя будет больше.

Зависимость напряжения лавинного пробоя от материала полупроводника и степени легирования базы диода можно выразить формулой:

где: A и B – коэффициенты, зависящие от материала и типа проводимости полупроводника, - удельное сопротивление базы диода. Для базы диода

n – типа, например

где: - подвижность электронов, - концентрация электронов (основных носителей) в базе диода, e – заряд электрона.

При уменьшении степени легирования базы диода уменьшается ее электропроводность σ, растут удельное сопротивление и напряжение лавинного пробоя .

Поскольку коэффициенты A и B в (2.1) не поддаются аналитическому расчету, на практике пользуются полуэмпирическими соотношениями для оценки напряжения пробоя резких несимметричных p – n переходов

и плавных p – n переходов:

где: E_g – ширина запрещенной зоны полупроводника ( E_g(Ge) = 0,67 эВ, (E_g(Si) = 1,12 эВ), N – концентрация примеси в слабо легированной области (см -3 ), α – градиент концентрации примеси в плавном p – n переходе (см -4 ).

С ростом температуры полупроводника увеличивается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, возрастает вероятность столкновения свободных носителей с ними и уменьшается поэтому длина свободного пробега носителей. Чтобы при меньшей длине пробега носитель набрал необходимую для ионизации атомов энергию, необходимо повышение внешнего напряжения. Поэтому напряжение лавинного пробоя с ростом температуры возрастает (положительный ТКН).

У стабилитронов с напряжением пробоя 5…7 В пробой определяется совместным действием туннельного и лавинного механизмов, поэтому у них напряжение пробоя при увеличении температуры практически не изменяется, т.к. ТКН туннельного и лавинного пробоя имеют противоположные знаки и компенсируют друг друга.

Принцип стабилизации напряжения

Принцип стабилизации напряжения с помощью стабилитрона удобно пояснить с помощью схемы простейшего параметрического стабилизатора напряжения (рис.3) и обратной ветви ВАХ стабилитрона, представленной на рис.4.

Стабилитроны, в отличие от других диодов, имеют свое графическое изображение в схемах, показанное на рис.3.

При входном напряжении стабилитрон пропускает лишь пренебрежимо малый обратный ток, поэтому ток в цепи определяется суммой сопротивлений . Если превысит наступает режим пробоя p – n перехода и при малых изменениях напряжения на стабилитроне и нагрузке ток через стабилитрон изменяется весьма значительно. Ток через балластное сопротивление равен сумме токов стабилитрона и нагрузки . Так, если входное напряжение повысилось, то это приведет к росту тока стабилитрона и тока через сопротивление . Падение напряжения на возрастает, а на нагрузке и стабилитроне напряжение изменяется весьма незначительно.

Параметры стабилитрона

Наиболее важными параметрами стабилитрона являются следующие:

1. Напряжение стабилизации - значение напряжения на стабилитроне при протекании через него заданного (номинального) тока стабилизации. Напряжение пробоя, т.е. и напряжение стабилизации зависит от толщины p – n перехода или удельного сопротивления базы (см.(2.1)). Чем выше степень легирования базы, тем меньше ее удельное сопротивление, и тем ниже будет напряжение стабилизации.

2. Максимально – допустимая мощность рассеяния , стабилитрона при комнатной температуре:

где: - максимальный ток стабилитрона, - номинальное напряжение стабилизации. По величине стабилитроны делятся на три группы:

- стабилитроны малой мощности Вт;

- стабилитроны средней мощности Вт;

- стабилитроны большой мощности Вт;

3. Минимальный и максимальный токи стабилизации (рис.4).

Эти токи ограничивают область вольт – амперной характеристики стабилитрона, в которой он способен выполнять свои функции при обеспечении заданной надежности работы.

Начало рабочего участка ВАХ в точке А (рис.4), который и соответствует значению тока . При меньших значениях тока дифференциальное сопротивление стабилитрона еще велико и зависит от величины тока достаточно резко. Кроме того, в стабилитронах с лавинным пробоем при меньших токах процесс ударной ионизации крайне неустойчив, поэтому в выходном сигнале возникают значительные шумы. Они исчезают, когда процесс ударной ионизации становится устойчивым, т.е. при токах, больших, чем . У маломощных стабилитронов может быть 1…3 мА.

Точка B на ВАХ стабилитрона ограничивает рабочий ток по величине сверху и соответствует току ; Этот ток определяется значением максимально допустимой мощности рассеяния (см.(2.5)):

Превышение тока над приводит к разогреву p – n перехода, к лавинному пробою добавляется тепловой, ток растет еще быстрее и стабилитрон выходит из строя.

Значение для разных типов стабилитронов может лежать в пределах от 10 мА до 2 А.

4. Дифференциальное сопротивление стабилитрона , находится как:

и определяет тангенс угла наклона обратной ветви ВАХ к оси тока. В рабочей области ВАХ (участок AB) практически линейна, поэтому дифференциальное сопротивление можно находить как:

Значение - изменяется от долей Ома до десятков Ом для различных типов стабилитронов. Если же , то дифференциальное сопротивление резко возрастает, поэтому при таких токах стабилитрон перестает выполнять свои функции.

Значение определяет качество стабилитрона. Чем меньше изменения напряжения стабилизации при заданном изменении тока стабилитрона , тем выше качество стабилитрона.

5. Статическое сопротивление или сопротивление стабилитрона постоянному току в рабочей точке определяется:

6. Добротность стабилитрона определяют как

Из рис.4 видно, что , поэтому . Чем больше это отношение, тем лучше стабилизирующее действие прибора. Как правило, .

7. Температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) указывает влияние температуры окружающей среды на напряжение стабилизации:

где: - отклонение напряжения стабилизации от номинального при изменении температуры на .

Из (2.11) следует, что определяется отношением относительного изменения напряжения стабилизации ( ) к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Типичный график зависимости от напряжения стабилизации показан на рис.5. Как видно из графика ТКН изменяется по величине и знаку, что объясняется различными механизмами пробоя, обсужденными в п.2.2.1.

У стабилитронов с пробоем лавинного типа . Для компенсации температурного дрейфа напряжения стабилизации используют последовательное включение с основным стабилитроном одного или нескольких диодов в прямом направлении, прямые ветви ВАХ которых имеют отрицательный ТКН. Таким образом суммарный ТКН может быть сведен практически к нулю. Например, в прецизионных стабилитронах Д 818 и КС 191 используют три последовательно соединенных p – n перехода, размещенных в одном корпусе. Один из них включен в обратном направлении и работает как стабилизирующий, а два других, компенсирующих, - в прямом. У них ТКН очень мал: %/ .

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.012)

Читайте также: