Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РТУ, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Например, ЛБВ вообще не могут работать без стабилизации напряжения. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения. Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Стабилизатор одновременно со своими основными функциями осуществляет и подавление пульсаций. Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации, равным отношению относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:
(1)
Качество стабилизации оценивается также относительной нестабильностью выходного напряжения
(2)
(3)
Коэффициент сглаживания пульсаций
(4)
— амплитуды пульсации входного и выходного напряжений соответственно. Для стабилизаторов тока важны следующие параметры:
Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению
(5)
Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки
(6)
Коэффициент полезного действия определяется для всех типов стабилизаторов по отношению входной и выходной активных мощностей
(7)
Существуют два основных метода стабилизации: параметрическийикомпенсационный. Параметрический метод основан на использовании нелинейных элементов, за счёт которых происходит перераспределение токов и напряжений между отдельными элементами схемы, что ведёт к стабилизации. Структурная схема параметрического стабилизатора состоит из двух элементов — линейного и нелинейного.
При изменении напряжения на входе стабилизатора в широких пределах ( ) напряжение на выходе изменяется в значительно меньших пределах ( )
Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе кремниевых стабилитронов. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода (см. рисунок (а)). Обычно рабочую ветвь изображают при ином расположении осей (см. рисунок (б)). Рабочий участок ограничен предельно допустимым по тепловому режиму Imax.
В параметрическом стабилизаторе переменного напряжения линейным элементом служит конденсатор, а нелинейным — дроссель насыщения. Компенсационный стабилизатор отличается наличием отрицательной обратной связи, посредством которой сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулируемый элемент, изменяя его сопротивление, что ведёт к стабилизации. Компенсационные стабилизаторы, в которых регулируемый транзистор постоянно (непрерывно) находится в открытом состоянии, называются линейными или с непрерывным регулированием. В импульсном стабилизаторе регулируемый транзистор работает в ключевом режиме.
Источник
Стабилизация напряжения
Существуют два метода стабилизации напряжения : параметрический и компенсационный.
При параметрическом методе стабилизации напряжения применяются нелинейные элементы, которым свойственно непостоянство сопротивления при изменении приложенного напряжения или проходящего тока. Это обусловливает нелинейность вольт-амперной характеристики.
Схема параметрического стабилизатора показана на рис. 122, а . Между входными зажимами 1—1 включена последовательная цепь, состоящая из активного линейного сопротивления R и нелинейного элемента с сопротивлением R н.э . Выходное напряжение, снимаемое с нелинейного элемента, подводится к выходным зажимам 2—2, к которым подключается нагрузка в виде сопротивления Rн.
Рис. 122. Схема (а) и вольт-амперные характеристики (б) параметрического стабилизатора напряжения.
Принцип действия стабилизатора поясняют графики, приведенные на рис. 122, б . Кривая OA является вольт-амперной характеристикой нелинейного элемента. Прямая ОВ устанавливает общую линейную зависимость между током и напряжением в нагрузке. Наклон ее определяется углом α = arctg R н . Кривая ОС представляет собой эквивалентную вольт-амперную характеристику, которая выражает зависимость между напряжением U вых и общим током I. Она получена последовательным суммированием точек двух первых характеристик при одинаковых падениях напряжения на сопротивлениях R н и R н.э .
В качестве примера на графике показано определение точки К эквивалентной вольт-амперной характеристики. Абсцисса этой точки получена суммированием отрезков аб и ав. Вольт-амперную характеристику UR = φ (I) линейного элемента схемы — сопротивления R — можно получить из уравнения
Эта характеристика представляет прямую линию DE с углом наклона к оси ординат β = arctg R. Началом ее является точка D, так как в схеме должно выполняться условие U вх = U вых + U R . Точка пересечения кривой ОС и прямой DE обозначена буквой М. Координаты точки М (напряжение (U вых и ток I) соответствуют исходному режиму работы стабилизатора.
При увеличении входного напряжения (напряжения на выходе выпрямителя) на ΔU вх прямая DE переместится параллельно самой себе и займет новое положение D’E’. Угол наклона к оси ординат останется прежним, так как сопротивление R не изменилось. Рабочей точкой теперь будет точка М’. Из графика видно, что выходное напряжение увеличилось на ΔU вых . Приращение ΔU вых вх .
Схема обладает стабилизирующими свойствами не только при изменении входного напряжения, но и при изменении тока через нагрузку. Если сопротивление нагрузки уменьшить на ΔR н , то при этом увеличится ток через нагрузку на ΔI н и прямая ОВ займет положение ОВ’ у определяемое углом наклона α’ = arctg (R н — ΔR н ). Эквивалентная вольт-амперная характеристика займет положение ОС. Таким образом, изменение тока нагрузки на ΔI н приводит к смещению рабочей точки М в положение М», которой соответствует очень незначительное изменение выходного напряжения ΔU вых . Как видно, сопротивление нелинейного элемента R н.э , входящее в схему, так изменяется, что напряжение на выходе стабилизатора (на нагрузке) остается почти неизменным, несмотря на значительные изменения, входного напряжения или тока нагрузки.
Компенсационный метод стабилизации напряжения осуществляется путем автоматического регулирования выходного напряжения. Основными элементами компенсационного стабилизатора являются чувствительный, усилительный и исполнительный элементы ( рис. 123 ).
Схема отрегулирована так, что при номинальном выходном напряжении напряжение на выходе чувствительного элемента отсутствует. Если же выходное напряжение отклонится от номинального .значения, то с выхода чувствительного элемента на усилитель поступит часть выходного напряжения, которая после усиления изменяет режим работы исполнительного элемента, включенного последовательно с нагрузкой, таким образом, что выходное напряжение вновь становится равным номинальному.
При параметрическом и компенсационном методах стабилизации процесс поддержания постоянства выходного напряжения или тока в нагрузке осуществляется при помощи как электронных ламп, так и полупроводниковых приборов, которые обеспечивают устойчивую и практически безынерционную работу стабилизатора.
На производстве и в быту широко применяется электрическая энергия. Переменным током питают системы освещение, приводы механизмов электрических приборов, его подают на сетевой разъем электронных устройств. Сбытовые организации не всегда обеспечивают надлежащее качество электрических сетей, что проявляется, в частности, в колебаниях сетевого напряжения. Это неприятное явление характерно для:
дачных поселков и небольших населенных пунктов;
сетей автономных электростанций, не входящих в единую энергосистему.
Колебания отрицательно влияют на качество функционирования техники, снижают ее надежность. Застраховать себя от этого явления можно применением стабилизатора, который включают между сетью и нагрузкой, рисунок 1.
Рисунок 1. Схема включения стабилизатора
Типы стабилизаторов напряжения по принципу работы
Стабилизацию можно выполняться различными способами. Принципы стабилизации, использованные разработчиком, определяют типы стабилизаторов напряжения.
Релейные
Релейные стабилизаторы, часто называемые ступенчатыми, представляют собой силовой трансформатор с несколькими выходами вторичной обмотки, один из которых принимается за общий. Датчик отслеживает состояние сети, при выходе за пределы разрешенных допусков осуществляет автоматическую регулировку выходного напряжения с помощью переключения реле. При срабатывании отдельных силовых реле происходит переключение обмоток с подключением нагрузки на тот вывод, напряжение на котором минимально отличается от заданного.
Конструктивная простота релейных стабилизаторов, неплохая точность регулирования, невысокая стоимость, высокая надежность обеспечивают им высокую популярность.
Недостатки:
ступенчатый характер регулирования;
заметные искажения формы синусоиды тока нагрузки при высоком входном напряжении из-за магнитного насыщения сердечника;
относительно слабая нагрузочная способность рабочих контактов реле;
высокий уровень акустического шума.
Электромеханические (сервоприводные)
Электромеханические или сервоприводные стабилизаторы устраняют один из основных недостатков стабилизаторов с механическими реле: обеспечение только ступенчатой регулировки выходного напряжения. Принцип их действия основан на изменении коэффициента трансформации. Оно реализовано с помощью щетки, соединенной с электродом выходных клемм. Щетку перемещает по вторичной обмотке тороидального трансформатора вспомогательный электродвигатель, рисунок 2.
Рисунок 2. Конструктивные особенности сервоприводного регулятора
Для электромеханических стабилизаторов характерны большой диапазон регулировки, небольшие габариты, малая стоимость.
Основные недостатки: низкое быстродействие, хорошо слышимый ночью шум работающего электродвигателя.
Инверторные стабилизаторы реализуют двухступенчатую схему получения выходного напряжения. Сначала переменный входной ток преобразуют в постоянный, а затем из него вновь генерируют переменное напряжение. Автоматическое регулирование происходит на этапе формирования постоянного тока, здесь же реализованы функции ступени стабилизации.
Существует несколько вариантов каскадного преобразования, каждому из которых соответствует подкласс инверторных стабилизаторов. Наибольшее распространение получили ШИМ-устройства и стабилизаторы на IGBT-транзисторах.
Сильные стороны этого оборудования:
высокая скорость реакции на изменения входного напряжения, точность регулировки выходного;
хорошие массогабаритные характеристики (отсутствует силовой трансформатор);
простотой получения КПД выше 50 %;
возможность плавной регулировки выходного напряжения в сочетании с широкими пределами изменения выходного электрического тока, а также работы на холостом ходе;
эффективное подавление скачков напряжения и импульсных помех.
При применении надлежащей элементной базы инверторная техника нормально функционирует при отрицательных температурах.
Главный недостаток: плохая перегрузочная способность, в т.ч. кратковременная (не более 25 – 50% на протяжении 1 – 2 с). Последнее заставляет тщательно контролировать выходную мощность устройства при работе на реактивную нагрузку (электродвигатели различного назначения, вентиляторы и т.д.). Кроме того, следует принимать во внимание сложность электрической схемы, что увеличивает риски отказа, и высокую стоимость из-за необходимости применения силовой полупроводниковой элементной базы.
Феррорезонансные
Феррорезонансный стабилизатор — это устройство трансформаторного типа. Его характерная особенность — применение обмоток трансформатора, одетых на магнитопроводы разного поперечного сечения. Параллельно вторичной обмотке L2 подключен дополнительный конденсатор С, рисунок 3. Его емкость подобрана так, чтобы за счет резонанса обеспечивать постоянное насыщение магнитопровода вторичной обмотки. Отсюда большие изменения входного напряжения не приводят к колебаниям выходного.
Рисунок 3. Схема феррорезонансного стабилизатора
Стабилизатор имеет высокую скорость отработки скачков, обладает повышенной надежностью за счет отсутствия схем переключения, обеспечивает неплохую точность стабилизации.
Отсутствие механически подвижных компонентов позволяет эксплуатировать феррорезонансные стабилизаторы при небольших отрицательных температурах.
Главные недостатки:
меньший коэффициент мощности;
значительные нелинейные искажения выходного тока, которые могут привести к нарушениям функционирования ряда бытовых приборов, например, к искажениям изображения цветного телевизора и некачественному стиранию старых записей магнитофоном;
нестабильность функционирования при вариациях частоты входного напряжения более чем на 0,5 Гц от номинального значения, что нередко встречается при питании населенного пункта от автономной электростанции.
Электронные (симисторные, тиристорные)
Так называемые электронные стабилизаторы структурно повторяют устройства на электромагнитных реле, но для ступенчатых переключений обмоток авторансформатора использованы полупроводниковые изделия. Возможно несколько разновидностей таких электронных схем, каждая из которых осуществляет автоматическое переключение коэффициента трансформации. Серийно выпускаются стабилизаторы, в которых функции ключевых элементов ступенчатого регулирования возложены на симисторы и тиристоры.
Тиристор — это полупроводниковая структура с тремя p-n-переходами, в которой выполнена глубокая положительная обратная связь. Ее наличие обеспечивает высокую скорость переключения при работе в ключевой режиме. Симистор образован двумя тиристорами с объединенными управляющими электродами, включенными встречно-параллельно, рисунок 4. За счет возможности пропускания тока этим компонентом в двух направлениях симисторные стабилизаторы демонстрируют повышенный КПД. Это выгодно отличает их от тиристорных стабилизаторов.
высокая надежность при реализации на качественной элементной базе.
Кроме того, по быстродействию электронные стабилизаторы заметно превосходят свои релейные электромеханические аналоги, т.е. хорошо отрабатывают скачки напряжения.
Недостатки:
плохо адаптированы для работы с реактивной нагрузкой;
высокая стоимость;
сложность выполнения ремонта.
Виды стабилизаторов напряжения по классу напряжения
Промышленность выпускает широкую гамму стабилизаторов.
По диапазону выходных напряжений электронное оборудование для однофазных сетей рассчитано на 220 – 240 В (популярна также промежуточная градация 230 В), доступны феррорезонансные стабилизаторы на 110 – 120 В.
Бытовое оборудование для трехфазных электросетей обеспечивает выходное напряжение 380 – 415 В вне зависимости от применяемых схемных решений и отдаваемого тока нагрузки.
Техника промышленного назначения может иметь более высокое выходное напряжение: вплоть до 6 – 10 кВ.
Походы к выбору стабилизатора
Перечень параметров, по которым выбирают стабилизаторы, обязательно включает:
мощность нагрузки или отдаваемый номинальный ток;
выходное напряжение;
тип сети (однофазная – трехфазная).
Большую помощь окажет информация о стабильности сети, уровне импульсных помех в ней.
При определении номинальной мощности суммируют мощности всех потребителей защищаемой сети. Для оценки мощности номинальной нагрузки токовую нагрузочную способность входного автомата умножают на 220 В.
При прочих равных условиях выбирают однофазные модели линейных стабилизаторов, учитывают, что модульные конструкции более удобны в обслуживании.
Учитывают эстетические параметры и количество выходных розеток, рисунок 5.
Рис.5. Вариант исполнения однофазного стабилизатора
Окончательный выбор целесообразно выполнять с учетом производителя и места изготовления. Для определения качества техники юго-восточного производства, выпускаемой без контроля со стороны ведущих западных компаний, имеет смысл изучить профильные форумы. Такой подход позволяет сделать адекватный вывод о качестве прибора.
Кроме технических параметров обязательно принимают во внимание доступность сервисного обслуживания.
Следует учесть, что в продаже имеется большой выбор 220-вольтовых однофазных и 380-вольтовых трехфазных устройств. Стабилизаторы с широким диапазоном регулировки и выходным напряжением других номиналов часто поставляются под заказ.
Заключение.
Промышленность выпускает широкую гамму бытовых стабилизаторов напряжения, что позволяет произвести выбор конкретной модели устройства с учетом конкретной области применения.
Массовый характер рынка стабилизаторов определяет большое количество работающих на нем производящих предприятий, предлагающих свою продукцию через партнерскую сеть. Поэтому перед покупкой следует выполнить тщательный многокритериальный отбор продукта.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
) напряжение на выходе изменяется в значительно меньших пределах ( 
)
Рисунок 1. Схема включения стабилизатора
Рисунок 2. Конструктивные особенности сервоприводного регулятора
Рисунок 3. Схема феррорезонансного стабилизатора
Рис. 4. Принципиальная схема простейшего варианта симисторного регулятора
Рис.5. Вариант исполнения однофазного стабилизатора
