Дроссель для стабилизатора тока

Дроссель для стабилизатора тока

Источник питания со сглаживающим дросселем

Источники питания со сглаживающими дросселями были очень популярны в период расцвета ламповых усилителей по одной простейшей причине, а именно из-за отсутствия конденсаторов с очень большой емкостью. Поэтому для сглаживания пульсаций после выпрямителя должны были использоваться дроссели (рис. 6.14).

Рис. 6.14 Источник питания со сглаживающим дросселем

Если бы представилась возможность изготовить источник питания со сглаживающим дросселем, в котором величина индуктивности дросселя имела бы бесконечно большое значение, то ток в силовом трансформаторе был бы полностью идентичен постоянному току, протекающему в нагрузке.

На практике источники питания никогда не достигают этого идеала, поэтому ток вторичной обмотки трансформатора представляет собой комбинацию постоянного тока нагрузки и меньшего по величине и приближающегося по форме к синусоидальному, тока дросселя. Тем ни менее, источник питания со сглаживающим дросселем имеет огромное преимущество, заключающееся в том, что он обеспечивает почти неизменный по величине ток, протекающий в цепи от силового трансформатора, а не последовательность коротких импульсов с высокими значениями размаха тока, как при работе выпрямителя на накопительный конденсатор. Для того, чтобы понять, почему это происходит, необходимо очень внимательно рассмотреть форму напряжения на выходе выпрямителя (рис. 6.15).

Рис. 6.15 Форма напряжения после двухполупериодного выпрямления

После двухполупериодного выпрямления, выходное напряжение имеет вид, привеенный на данном рисунке, однако, так как от претерпевает нелинейный процесс выпрямления, набор частот, образующих этот сигнал, отличается от набора частот (фактически одного колебания с частотой 50 Гц), поступающих на вход выпрямителя. Анализ Фурье показывает, что результат выпрямления чисто синусоидального сигнала можно представить в виде суммы высших гармоник:

Необходимо учесть, что член υ_m(RMS) в формуле является напряжением сигнала до его выпрямления.

Приведенное выше уравнение является математической формой представления периодического сигнала несинусоидальной формы в виде теоретически бесконечного ряда синусоидальных колебаний (гармоник) на частотах, кратных частоте повторения сигнала. На практике, говоря о гармониках непериодического сигнала, всегда ограничиваются их конечным числом, поскольку интенсивность гармоник убывает с ростом их номера. Учитывают только те гармоники, которые образуют примерно 95% общей энергии сигнала. Результат вычисления коэффициентов Фурье (то есть амплитуд гармоник) для нашего частного случая двухполупериодного сигнала дает следующее:

Последнее выражение показывает, что сигнал синусоидальной формы после двухполупериодного выпрямления можно представить набором (или суперпозицией), состоящим из постоянной составляющей (постоянного напряжения), равного 0,90υ_m(RMS), и последовательности уменьшающихся по амплитуде четных гармоник, кратных частоте (f) исходного синусоидального сигнала.

Таким образом, для фильтрации переменных составляющих выпрямленного тока, целесообразно использовать дроссель имеющий очень высокое реактивное сопротивление для на частотах этих переменных составляющих, поэтому только постоянная составляющая выпрямленного тока будет протекать в нагрузке выпрямителя со сглаживающим дроссельным фильтром. Выходное напряжение источника питания со сглаживающим дросселем, таким образом, будет составлять 0,9υ_m(RMS), что значительно отличается от значения √2υ_m(RMS), характерного для источника питания с накопительным конденсатором.

Минимальный ток нагрузки для источника питания со сглаживающим дросселем

К сожалению, для правильной работы источника питания со сглаживающим дросселем требуется наличие некоторого минимального тока, протекающего в нагрузке. Если величина потребляемого нагрузкой тока меньше этого минимально допустимого значения, выпрямитель возвращается к состоянию, когда происходит заряд конденсатора (теперь уже речь идет о сглаживающем конденсаторе, включенном после дросселя) импульсами напряжения и выходное напряжение возрастает до максимального значения, равного √2υ_m(RMS). Минимальное значение потребляемого тока определяется следующим выражением:

Так как на практике индуктивность дросселя частично зависит от величины протекающего по нему тока (см. кривую намагниченности или В-Н зависимость), то следует несколько увеличить получаемое по расчетам значение. Для этого можно воспользоваться упрощенной формулой, учитывающей такое увеличение (которая будет справедлива для сетей питания переменного тока с частотами 50 и 60 Гц):

Источник питания со сглаживающим дросселем всегда работает на дополнительный сглаживающий конденсатор, в силу чего требование к минимальному значению тока нагрузки приобретает особое значение, так как невыполнение этого условия может вызвать увеличение напряжения на конденсаторе до значения, составляющего примерно 157% от его номинального значения, и которое может привести к выходу конденсатора из строя. Традиционным путем решения данной проблемы является использование переключаемого дросселя, индуктивность которого резко возрастает при малых токах, и хотя такой способ практически перестал применяться после 1960-х годов, в настоящее время он вновь получил признание.

После увеличения тока сверх минимального значения, пульсации выходного напряжения будут постоянными по величине при изменении тока нагрузки, а переменные составляющие выпрямленного синусоидального сигнала будут ослаблены в соответствии с выражением:

в котором ω = 2πf.

Если принять, что только амплитуда второй гармоники выпрямленного тока вносит существенный вклад в образование пульсаций, то указанное выражение может быть представлено в следующем виде:

в которых индуктивность L выражена в генри, а емкость С в микрофарадах, а величина υ_m(RMS) является напряжением на вторичной обмотке силового трансформатора.

Несмотря на то, что бесконечно большое значение индуктивности обеспечивало бы трансформатору и дросселю номинальную величину тока, равную максимальному значению постоянного тока нагрузки, в реальности они должны обеспечивать несколько большее значение тока, при этом особое значение приобретает правильность выбора номинального значения индуктивности дросселя. Так как магнитный поток сердечника дросселя пропорционален току, протекающему в его обмотке, то при слишком высоких значениях тока сердечник насыщается и его индуктивность падает почти до нуля.

Так как в выходном напряжении выпрямителя можно выделить составляющую постоянного тока и составляющие высших гармоник (переменные составляющие), то в величине номинального тока дросселя необходимо учитывать все эти составляющие. Составляющая постоянного тока представляет собой просто ток нагрузки, однако переменная составляющая требует более внимательного анализа.

Так как в схеме после дросселя включен конденсатор, представляющий короткое замыкание по переменной составляющей, то собственно переменная составляющая выходного напряжения выпрямителя падает только на реактивном сопротивлении дросселя при протекании переменного тока. Если известна величина переменного напряжения на дросселе, то можно рассчитать величину тока.

Как уже указывалось ранее, основную роль в переменной составляющей играет вторая гармоника (как самая интенсивная из существующих), поэтому вычисления могут быть упрощены, если при расчетах учитывать только эту составляющую.

Мгновенное значение переменного напряжения на дросселе выражается:

в котором f представляет частоту второй гармоники напряжения питания сети. Реактивное сопротивление дросселя определяется выражением:

Если теперь воспользоваться законом Ома, то мгновенное значение тока, протекающего через дроссель, составит:

Так как представляет интерес максимальное значение тока, то член cos(2πft), входящий в выражение для мгновенного значения тока, будет иметь максимальное значение, равное единице, поэтому выражение может быть несколько упрощено:

Ранее было высказано утверждение, что основной вклад в переменную составляющую дает вторая гармоника, однако это утверждение требует уточнения. Если вернуться к разложению двухполупериодной последо-вательности в ряде Фурье, то видно, что вклад четвертой гармоники составляет 20% относительно напряжения второй гармоники (0,12/0,6). Так как с увеличением частоты индуктивное сопротивление дросселя (для четвертой гармоники) возрастет вдвое, то величина тока на четвертой гармоники в дросселе снизится в два раза. Таким образом, доля тока четвертой гармоники относительно величины тока второй гармоники составит только 10%. Поэтому использованное допущение оказывается вполне справедливым, и к тому же оставляет место для дальнейшего улучшения характеристик.

Параметрический стабилизатор переменного тока с дросселем насыщения

Параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне

В этой схеме в качестве линейного элемента используется активное сопротивление R_б (балластное), а в качестве нелинейного – кремниевый стабилитрон, включенный в обратном направлении. Данная схема имеет низкий кпд и применяется для стабилизации только при небольших мощностях.

ВАХ кремниевого стабилитрона имеет следующий вид:

I_min – минимальный ток, при котором происходит стабилизация,

I_max– ток, при котором происходит тепловой пробой.

На практике для увеличения напряжения стабилизации часто включают последовательно несколько стабилитронов.

В данной схеме в качестве ЛЭ представлен дроссель L_л, сердечник которого работает в линейном режиме на линейной части петли гистерезиса. L_н – насыщенный нелинейный сердечник. ВАХ имеет точно такой же вид, как было рассмотрено выше в разделе «Принцип действия параметрического стабилизатора». Для того, чтобы дроссель был насыщен необходима значительная реактивная мощность, поэтому кпд и cosφ данной схемы будут невысокими. Чтобы устранить этот недостаток, параллельно L_нвключают конденсатор С, в результате чего получается феррорезонансный стабилизатор.

Где линейный элемент L_л, а нелинейный L_нС – феррорезонансный контур.

Рассмотрим векторную диаграмму при резонансе токов:

I = I_l + I_c= 0, а сопротивление контура в точке резонанса Zк=U/ I=U/ 0=¥

Построим ВАХ феррорезонансного контура, учитывая характер токов в ветвях.

Характеристику контура получим складывая токи при одинаковых напряжениях.

Суммарная ВАХ имеет характерную точку А – точка феррорезонанса, при этом от сети ток не потребляется, а сердечник уже насыщен, т. е. проявляются нелинейные свойства элемента и происходит стабилизация.

Сопротивление контура при этом, учитывая потери, будет очень большим и активным, поэтому энергетические показатели (КПД и ) повышаются, по сравнению с первой схемой.

Недостатки данной схемы: малый коэффициент стабилизации т.к. ВАХ нелинейного элемента имеет некоторый подъём. Для устранения этого недостатка в стабилизатор вводится компенсационная обмотка (КО), и схема его имеет вид:

КО имеет небольшое количество витков W_кои располагается на сердечнике линейного дросселя L_л.Она сфазирована так, что напряжение на ней будет находится в противофазе с напряжением на параллельном контуре.

Построим ВАХ КО:

Если стабилизатор работает с неноминальным током, то произойдёт перекомпенсация, т.е. с увеличением U_вх напряжение U_вых будет уменьшаться. КО компенсирует только подъем ВАХ нелинейного элемента.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Что такое дроссель и для чего он нужен?

• Конструкция и принцип работы
• Область применения

Конструкция и принцип работы

Прежде всего поговорим о том, из чего состоит данный элемент цепи и как он работает. На схемах обозначение дросселя следующее:

Внешний вид изделия может быть таким, как на фото:

Это катушка из провода намотанного на сердечник с магнитопроводом, или без корпуса в случае высоких частот. Похож на трансформатор только с одной обмоткой. Краткий экскурс в физику, ток в катушке не может мгновенно измениться. Проведем мысленный эксперимент — у нас есть источник переменного тока, осциллограф, дроссель.

Во время начала полу волны мы наблюдаем нарастание тока с запозданием, это вызвано индуцированием магнитного потока в сердечнике. Происходит постепенное нарастание тока в обмотках, когда с источника переменного тока сигнал уходит на спад, мы наблюдаем спад тока в дросселе, опять же с некоторым опозданием, поскольку магнитное поле в магнитопроводе продолжает толкать ток в катушке и не может быстро изменить свое направление. Получается в какой-то момент ток из внешнего источника противодействует току, наведенному магнитопроводом дросселя. В цепях переменного тока назначение дросселя — выступать ограничителем или индуктивным сопротивлением.

Для постоянного тока данный элемент схемы не является сопротивлением или регулирующим элементом. Этот эффект используют для устройств, в электрических цепях, где нужно ограничить ток до нужной величины, при этом избежать излишней громоздкости и выделения тепла.

Интересное пояснение по данному вопросу вы также можете просмотреть на видео: