Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Стабилизатор напряжения постоянного тока с непрерывным регулированием

Прецизионный стабилизатор напряжения с двойным преобразованием энергии серии СДП

ОДНОФАЗНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ СДП
■ Мощность однофазного исполнения 1-10 кВА
■ Диапазон входного напряжения 120-280 В
■ Выходное напряжение 220В
■ Точность стабилизации ±1%
■ Быстродействие — 0 сек
■ Совершенная технология двойного преобразования энергии
■ Компактный корпус 2U
■ Конструктивное исполнение для установки в стойку 19’’
ТРЕХФАЗНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ СДП
■ Мощность трехфазного исполнения 15-250 кВА
■ Диапазон входного напряжения 305-478 В
■ Выходное напряжение 380В
■ Точность стабилизации ±1%
■ Быстродействие — 0,02 сек
■ Совершенная технология двойного преобразования энергии

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ АБСОЛЮТНОЙ ЗАЩИТЫ
СДП — серия однофазных и трехфазных высокоточных стабилизаторов двойного преобразования энергии, с широким диапазоном входного напряжения, мгновенной скоростью срабатывания и идеальной синусоидальной формой выходного напряжения.

Стабилизатор напряжения серии СДП предназначен для абсолютной защиты электрооборудования малой и средней мощности от некачественной электроэнергии сети, включая всплески, выбросы, провалы и искажения, а также подавление высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из сети.

Стабилизатор серии СДП с двойным преобразованием энергии обладает наиболее совершенной технологией по обеспечению качественной электроэнергией нагрузки. От других типов регулирования, стабилизаторы двойного преобразования отличаются широким диапазоном допустимого входного напряжения, мгновенной скоростью срабатывания, точностью стабилизации в пределах 1% и высоким качеством выходного напряжения идеальной синусоидальной формы.

Стабилизатор СДП рекомендован для защиты чувствительной техники, особо требовательной к входному напряжению, реагирующей даже на незначительные изменения напряжения в сети. Стабилизаторы применимы как в бытовом — частные дома и коттеджи, так и государственном и промышленном секторе — объекты здравоохранения, связи и транспорта, военной отрасли, административные здания, торговые центры, центры обработки данных, офисы.

Стабилизаторы разработаны и серийно выпускаются АО «Электромаш» по техническим условиям ТУ 3415-010-55978767-09.

КОНСТРУКЦИЯ
Стабилизаторы напряжения СДП мощностью 1-20 кВА выполняются в компактном прямоугольном металлическом корпусе 19-ти дюймового исполнения для размещения в телекоммуникационную стойку или шкаф. Высота стабилизаторов однофазного исполнения — 2U, трехфазного — 6U. Стабилизаторы напряжения мощностью 30- 250 кВА производятся в напольном исполнении.

По заказу предусмотрены дополнительные кронштейны для крепления на стену.

Для отображения режимов работы и состояния однофазных стабилизаторов на лицевой панели размещены светодиодные индикаторы. Трехфазные модели для вывода параметров работы, снабжены LED дисплеями. На задней панели расположены кнопка включения питания стабилизатора, предохранитель, клеммы питания и нагрузки, розетки. Там же находятся разъемы для опционального подключения интерфейса RS-232 для удаленного мониторинга и порт связи USB. Охлаждение силовых блоков стабилизатора принудительное с помощью вентиляторов.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ?
Стабилизаторы СДП построены по схеме двойного преобразования энергии. По данной топологии переменное и нестабильное напряжение, поступающее из сети, проходит через входной фильтр (ВФ), обеспечивающий фильтрацию высокочастотных помех и подавление выбросов напряжения, и далее поступает на выпрямитель.

Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (ККМ-В) преобразует напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока (120-280В; 45-55Гц).

После этого постоянный ток продолжает движение к ШИМинвертору (ИНВ), который преобразует напряжение постоянного тока в идеально чистое напряжение синусоидальной формы равное 220В+/-1% и частотой 50 Гц. Вторичный источник питания (ВИП) обеспечивает напряжением постоянного тока узлы и блоки стабилизатора напряжения, необходимые для его нормального функционирования. Блок микроконтроллерного управления (БМКУ) обеспечивает необходимый алгоритм работы стабилизатора, тестирование и мониторинг состояния сети и нагрузки.

ПРЕИМУЩЕСТВА И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ.

  • Эксплуатация для любого типа нагрузки. Подключаемая нагрузка полностью защищена от высокочастотных сетевых помех и выбросов высокочастотных гармоник тока в сеть, благодаря системе эффективной фильтрации, что гарантирует высокое качество выходного напряжения даже при значительных искажениях входного напряжения как при линейной, так и нелинейной нагрузках. Допустимый коэффициент амплитуды тока нагрузки (крест-фактор) достигает значения 3/1. Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения при линейной нагрузке составляет — не более 3%, при нелинейной нагрузке — не более 5%.
  • Стабилизация частоты. Стабилизатор напряжения топологии двойного преобразования, является единственным стабилизатором, который помимо напряжения стабилизирует и контролирует частоту. Допустимое отклонение частоты входного напряжения составляет 45–55 Гц при обеспечении точности поддержания частоты выходного напряжения 50Гц ±0,5%.
  • Исключительная точность стабилизации. Выходное напряжение стабилизатора СДП поддерживается с исключительной точностью на уровне ±1%. Таким образом выходное напряжение в однофазной сети может варьировать в диапазоне от 217В до 222В и от 376 до 383В в трехфазной сети. Столь высокая точность позволяет применять стабилизаторы для любого типа оборудования, в том числе техники, работой которой управляет электроника (медицинское, измерительное, компьютерное оборудование).
  • Мгновенная реакция. Стабилизатор СДП обладает лучшим показателем скорости стабилизации. Реакция на изменение входящего напряжения — 0,02 миллисекунды. За эти доли секунды стабилизатор нейтрализует скачок напряжения и подает на вход нагрузки идеальное синусоидальное выходное напряжение, с высокой точностью стабилизации ± 1%.
  • Широкий диапазон входного напряжения. Стабилизатор СДП обладает расширенным диапазоном входного фазного напряжения – от 120 до 280 В. При отклонении входного напряжения за вышеуказанные пределы, происходит автоматическое отключение нагрузки стабилизатора. Автоматическое включение происходит при возврате входного напряжения в установленные пределы с учётом запаса напряжения равного 10В.
  • Идеальное синусоидальное напряжение на выходе. Принцип двойного преобразования энергии, реализованный в стабилизаторах СДП обеспечивает идеальное синусоидальное выходное напряжение при любых искажениях в сети, что повышает надежность системы и исключает погрешности и сбои в работе оборудования.
Читайте так же:
Таймер для двигателя постоянного тока

Стабилизаторы постоянного тока инвертирующие

Отличительные особенности:

  • двойным высокочастотным преобразованием напряжения DC/AC/DC
  • гальванической развязкой входных и выходных цепей
  • возможностью работы с заземлённым полюсом “+” или “–” *
  • способностью преобразовывать уровень напряжения как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения
  • стабилизацией выходного напряжения на заданном уровне при изменениях входного напряжения как выше, так и ниже номинального
  • низкой отключающей способностью для аппаратов защиты на выходе

*) – ограничения: для модификаций с напряжением на выходе до 60 В DC

Нестандартное применение:

На основе двух стабилизаторов тока инвертирующих можно выполнить многофункциональный автоматический ввод резерва (АВР) постоянного тока. В АВР DC применяются два стабилизатора, выходы которых объединены для параллельной работы. Входы АВР DC можно запитать от двух гальванически изолированных источников напряжения DC. Потребители на выходе АВР DC будут гальванически изолированы от обоих источников. Дополнительно, источники напряжения DC при этом могут иметь различный уровень номинального напряжения.

В зависимости от требований АВР DC может обеспечивать равномерное распределение нагрузки между источниками напряжения DC, либо работу только от приоритетного источника с переключением на резервный источник в аварийных режимах.

АВР DC на стабилизаторах имеет существенное преимущество перед АВР типа «диодная развязка», обеспечивая гальваническую изоляцию источников напряжения DC друг от друга и от потребителей. Также при применении АВР типа «диодная развязка» существует опасность подачи на потребителей удвоенного напряжения DC – в случае возникновения разнополюсных замыканий на землю в источниках напряжения DC. Аналитика на данную тему может быть предоставлена по запросу.

Функциональные возможности:

  • автоматическое включение при подаче питания на ввод DC – с сохранением всех ранее установленных параметров работы
  • параллельную работу по выходу без применения развязывающих диодов – только для однотипных стабилизаторов*
  • равномерное распре¬деление токов между стабилизаторами*
  • контроль сопротивления изоляции полюсов относительно «земли» электроустановки – отключаемый
  • измерения** и индикацию значений параметров в цифровом виде на жидкокристаллическом дисплее (LCD):

— напряжение на вводе
— напряжение на выходе
— ток на выходе
— сопротивление изоляции полюса “+” (отключаемый)
— сопротивление изоляции полюса “–” (отключаемый)

*) – ограничения: по количеству параллельно работающих стабилизаторов; не для всех исполнений типа MS
**) – индикаторы, не являются сертифицированными средствами измерения

Защиты:

  • от отклонения от нормы напряжения на вводе питания DC – электронная
  • от повышенного напряжения на выходе – электронная
  • от перегрева силовых компонентов – электронная, ограничением тока на выходе
  • от коротких замыканий и перегрузок на выходе / в нагрузке – электронная, ограничением тока на выходе до номинального уровня*
  • от внутренних коротких замыканий – аппаратами защиты
  • Стабилизатор постоянного тока оснащён входом для внешней блокировки работы.

*) – ток ограничивается за счёт снижения напряжения на выходе. Действует без ограничения по времени – до снятия перегрузки или замыкания

Опции:

  • защита от импульсных перенапряжений на вводе – УЗИП
  • защита от импульсных перенапряжений на выходе – УЗИП
  • конденсаторный модуль для обеспечения срабатывания защит на отходящих фидерах
  • встроенная панель распределения на выходе – аппараты защиты и клеммные присоединения
  • пофидерный контроль сопротивления изоляции
  • контроль положения и состояния аппаратов защиты и коммутации
  • конвертер для передачи данных во внешнюю АСУ по коммуникационному интерфейсу Ethernet
  • конвертер для передачи данных по протоколу, требуемому проектом присоединения к внешней АСУ
  • сертифицированные средства измерений электрических параметров: аналоговые, цифровые, в т.ч. с передачей данных в АСУ

Ограничения по конфигурации:

Электрические характеристики:

Номинальное напряжение на входе, DC, B110 / 220
Допустимое отклонение напряжения на входе, %от -15 до +40
Номинальное напряжение на выходе, DC, В24 / 48 / 60 / 110 / 220
Допустимое отклонение напряжения на выходе*, %± 1
Пульсация напряжения на выходе*, не более, %± 1
Номинальный ток на выходе, Аот 10 до 1500
Перегрузочная способность, А1,5×Iном в течение 3 с
Диапазон регулирования напряжения на выходе, %±15 для стабилизаторов 24 В
±20 для остальных
Коэффициент полезного действия, не менее %92

* при резистивной нагрузке

Конструкция:

Общие характеристики:

Степень защиты IP20 … 54
Сейсмостойкость по шкале MSK-64
Сейсмостойкость по шкале MSK-64 только для исполнения MS
6 баллов
от 6 до 9 баллов
ЦветRAL 7035 — стандартно / любой классический RAL — по запросу
Исполнение корпусанапольный (MS,CS)
навесной (CW)
Габаритные размеры номинальные (ШхГхВ)* для исполнения MS, мм600. 3000 x 600. 800 x 1600. 2000
Габаритные размеры номинальные (ШхГхВ)* для исполнения CS4, мм400 x 255 x 1200
Габаритные размеры номинальные (ШхГхВ)* для исполнения CS6, мм500 x 250 x 700
Габаритные размеры номинальные (ШхГхВ)* для исполнения CW4, мм400 x 255 x 600
Габаритные размеры номинальные (ШхГхВ)* для исполнения CW6, мм500 x 250 x 700
Ввод присоединенийснизу / сверху
Высота цоколя, для исполнения MS, мм100 / 200


Условия эксплуатации:

Температура хранения, ºCот -40 до +55
Температура эксплуатации, ºCот 0 до +40
Влажность (при отсутствии конденсации), %до 80 при +25ºC
Максимальная высота работы над уровнем моря, м1000

* – возможность изготовления конкретной конфигурации стабилизатора по соотношению: напряжение на входе / напряжение на выходе / ток на выходе / габаритные размеры, должна определяться по запросу

Прецизионный стабилизатор напряжения с двойным преобразованием энергии

Валерий Климов

Юрий Карпиленко

Светлана Климова

Валерий Смирнов

Однофазный стабилизатор напряжения переменного тока 220 В, 50 Гц предназначен для поддержания стабильного напряжения питания нагрузок бытового и промышленного назначения при отклонениях сетевого напряжения по амплитуде и частоте в определенном диапазоне. Группой «РУСЭЛТ» разработана новая модель однофазного стабилизатора напряжения мощностью 1-3 кВ-А на основе двойного преобразования энергии, обеспечивающего высокую точность стабилизации и низкий коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения.

Отличительные особенности стабилизатора

Стабилизатор отличается от существующих типов стабилизаторов (ступенчатых корректоров напряжения, электромеханических и др.) следующими характеристиками:

  • высокое значение коэффициента стабилизации;
  • непрерывность регулирования с малым временем реакции;
  • широкий диапазон допустимого изменения сетевого напряжения;
  • высокое качество выходного напряжения при значительных искажениях входного напряжения, при линейной и нелинейной нагрузках;
  • эффективная фильтрация высокочастотных сетевых помех и выбросов напряжения;
  • отсутствие эмиссии высокочастотных гармоник тока в сеть при работе на нелинейную нагрузку.

Структура
и принцип работы стабилизатора

Принцип действия стабилизатора основан на использовании двойного преобразования энергии аналогично источникам бесперебойного питания в сетевом режиме [1]. Структура стабилизатора содержит следующие блоки: входной фильтр (ВФ), корректор коэффициента мощности — выпрямитель (ККМ-В), ШИМ-инвертор (ИНВ), вторичный источник питания (ВИП) и блок микроконтроллерного управления (БМКУ) (рис. 1).

Назначения блоков СДП:

  • Входной сетевой фильтр (ВФ) обеспечивает подавление выбросов напряжения при переходных процессах в сети и осуществляет фильтрацию высокочастотных помех.
  • Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (ККМ-В) обеспечивают преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая при этом практически синусоидальную форму тока, потребляемого из сети, совпадающую по фазе с входным напряжением. Это позволяет обеспечить величину входного коэффициента мощности стабилизатора близкой к единице.
  • ШИМ-инвертор (ИНВ) преобразует напряжение постоянного тока в синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц. Силовые транзисторы инвертора коммутируются с частотой 19,2 кГц, обеспечивая высокую надежность и точность формирования выходного напряжения.
  • Вторичный источник питания (ВИП) обеспечивает напряжениями постоянного тока узлы и блоки
    СДП.
  • Блок микроконтроллерного управления (БМКУ) обеспечивает необходимый алгоритм работы силовых блоков СДП, тестирование и мониторинг состояния сети и нагрузки. По функциональному назначению состав БМКУ разбит на следующие узлы:
    • центральный микроконтроллер (МК);
    • узел формирования ШИМ-сигналов для управления силовыми транзисторами инвертора;
    • узел согласования входных, выходных сигналов и сигналов индикации;
    • узел формирования сигналов по интерфейсу RS232;
    • вспомогательный источник питания цепей БМКУ.

В качестве МК использован микроконтроллер типа MC68RG908MR32 (Motorola), на входы которого поступают аналоговые и цифровые сигналы измерения электрических параметров системы и состояния узлов СДП.

  • обработку аналоговой и цифровой информации о состоянии силовых блоков и режимах их работы;
  • формирование сигналов управления силовыми блоками;
  • формирование сигналов информации о состоянии системы на плату дисплея и RS-порт.

На рис. 2 представлена функциональная
схема силовой цепи стабилизатора.

Высокочастотный ККМ выполнен по схеме повышающего преобразователя (бустера) с диодным мостовым ключом и дифференциальным выходом. Силовой дроссель L1 включен во входную цепь переменного тока [3].

Силовой транзистор ККМ VT1 управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Формирование ШИМ-сигнала с частотой 30 кГц осуществляет
специализированная микросхема ККМ-контроллера типа UC3854. На входы ККМ-контроллера поступают сигналы, пропорциональные входному напряжению (Uвх), входному току (iвх)
напряжению на выходе ККМ (Uвых). Кроме этих сигналов, на микросхему ККМ-контроллера поступает сигнал управления (вкл/выкл) ККМ от центрального микроконтроллера БМКУ. Контроллер ККМ вырабатывает ШИМ-сигналы с различной скважностью на каждом полупериоде сетевого напряжения, что позволяет формировать входной ток необходимой формы и стабилизировать выходное напряжение.

За счет изменения соотношения времени открытого состояния транзистора VT1, когда в дросселе L1 запасается электромагнитная энергия, и времени
закрытого состояния транзистора, когда накопленная энергия через диоды VD5, VD6 (рис. 2) отдается в накопительные конденсаторы C1, ККМ
обеспечивает форму входного тока, близкую к синусоидальной и совпадающую по фазе с входным напряжением (рис. 3). Сигнал ШИМ с контроллера поступает на затвор
IGBT-транзистора VT1 через узел сопряжения (оптопару типа TLP250), обеспечивающий необходимое усиление сигнала и гальваническую развязку цепи управления и
силовой цепи транзистора. На накопительных конденсаторах шины постоянного тока С1 формируется высоковольтное стабилизированное постоянное напряжение для питания
инвертора Un = 760 В (±380 В). Величина емкости накопительных конденсаторов С1 выбирается из расчета 470 мкФ на каждый 1 кВ-А выходной мощности инвертора для обеспечения достаточной энергии питания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения.

Блок инвертора выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах VT2, VT3 (рис. 2). Силовые транзисторы
управляются высокочастотными (19,2 кГц) ШИМ-сигналами с блока управления через оптопары (TLP250), которые изолируют силовые цепи от цепей управления. Синусоидальное
выходное напряжение формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов с помощью выходного фильтра L2, С2 [4].

Конструктивное исполнение стабилизатора

Стабилизаторы СДП выполняются в трех модификациях: мини-тауэр, 19-дюймовые для размещения в телекоммуникационной стойке или шкафу, настенные. На рис. 4 приведен внешний вид стабилизатора телекоммуникационного исполнения, представляющий собой прямоугольный металлический корпус высотой 2U (88 мм) со съемной верхней крышкой и дополнительными уголками для крепления к профилю стойки. Охлаждение силовых блоков стабилизатора принудительное, с помощью вентиляторов, работающих в двухскоростном режиме.

На передней панели блока расположен светодиодный дисплей, отражающий режимы работы и состояние стабилизатора. При сетевом напряжении в пределах допустимого отклонения светятся два светодиода зеленого цвета, указывающие на наличие входного напряжения, работу инвертора и наличие выходного напряжения. Четыре светодиода зеленого цвета индикаторной линейки указывают приблизительное значение нагрузки СДП с шагом в 25%. Светодиод желтого цвета отражает режим перегрузки СДП, а светодиод красного цвета указывает на наличие аварийной ситуации.

Статические характеристики стабилизатора

  • Статическая точность составляет ±1%. Широтно-импульсная модуляция сигналов управления транзисторами инвертора осуществляется по синусоидальному закону и в сочетании с быстродействующей системой управления инвертором обеспечивает высокую точность поддержания выходного напряжения.
  • Диапазон входного напряжения, допустимый для работы стабилизатора, зависит от величины нагрузки и составляет:
    • 160-290 В при нагрузке >75% (до 100%);
    • 130-290 В при нагрузке >50% (до 75%);
    • 110-290 В при нагрузке

Гистерезис по автоматическому включению
стабилизатора при восстановлении входного напряжения составляет 10 В.

  • Допустимое отклонение частоты входного напряжения составляет 45-55 Гц при обеспечении точности поддержания частоты выходного напряжения 50 Гц ±0,5%.
  • Входной коэффициент мощности составляет 0,98, что обеспечивается с помощью ККМ формой входного тока, близкой к синусоидальной и совпадающей по фазе с входным напряжением.
  • Выходной коэффициент мощности составляет 0,7, что соответствует номинальной активной мощности на выходе стабилизатора: 700 Вт — для СДП 1 кВ-А; 1400 Вт — для СДП 2 кВ-А; 2100 Вт — для СДП 3 кВ-А.
  • Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения: при линейной нагрузке — не более 3%; при нелинейной нагрузке — не более 5%

При существенно несинусоидальной форме входного напряжения, соответствующей коэффициенту искажения синусоидальности 36-41% (прямоугольное напряжение со
значительным коэффициентом третьей гармоники), выходное напряжение СДП имеет синусоидальную форму Ки вых = 1-2%. Это обстоятельство особо важно при питании СДП от дизель-генераторной установки (ДГУ) малой мощности, когда напряжение ДГУ имеет значительные искажения от синусоидальной формы.

  • Допустимый коэффициент амплитуды тока нагрузки (крест-фактор) достигает значения 3/1, что обеспечивает возможность использования СДП при существенно нелинейных нагрузках.
  • Эффективность стабилизатора: КПД при 100% нагрузки составляет не менее 90%; потери на холостом ходу составляют 30 Вт для СДП 1 кВ-А и 45 Вт для СДП 2, 3 кВ-А.

Динамические характеристики стабилизатора

При исследовании поведения стабилизатора при скачках входного напряжения было отмечено, что СДП обеспечивает практически мгновенную реакцию на возмущения, и стабильность выходного напряжения остается в пределах статической точности ±1% [2].

При скачке линейной нагрузки до 100% выходное напряжение снижается на 3,5% от величины установившегося значения и затем восстанавливается до исходного уровня за 60 мс. При скачкообразном сбросе 100% линейной нагрузки зарегистрировано увеличение выход ного напряжения на 4% и возврат к установившемуся значению в течение 100 мс (рис. 5).

Перегрузочная способность и электронная защита

Современные инверторы на IGBT-транзисторах с ШИМ-регулированием обладают достаточно высокими перегрузочными характеристиками и значениями токов короткого
замыкания (Iкз), достигающими 200% номинального выходного тока. При перегрузках, не превышающих 105% номинальной мощности, СДП может продолжительное время
работать в инверторном режиме. Вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки является важным обстоятельством для понимания перегрузочных свойств СДП. При росте тока
нагрузки свыше номинального значения инвертор переходит в режим генератора тока, ограничивая максимальное значение тока на определенной величине Iогр. Чтобы
искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, необходимо устанавливать порог ограничения максимального (амплитудного) значения выходного тока в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке. На рис. 6 приведена осциллограмма тока короткого замыкания на выходе стабилизатора. Электронная защита по отключению инвертора при коротком замыкании срабатывает через 0,12 с.

Термозащита силовых транзисторов реализуется с помощью сигнала с релейного датчика температуры (+80 °С). Указанный сигнал поступает на центральный микроконтроллер (МК) блока управления. МК подсчитывает время, в течение которого транзисторы не выйдут из строя из-за перегрева, после чего выдает сигнал на отключение инвертора. Затем МК просчитывает время охлаждения транзисторов, чтобы не допустить включения инвертора сразу после окончания первой перегрузки. Если нагрузка продолжает оставаться в пределах 110-120% от номинальной, то по окончании просчета заданного времени охлаждения МК выдает сигнал на повторное включение инвертора и т. д. При больших значениях перегрузки МК через 0,2 с выдаст сигнал отключения нагрузки, повторное включение инвертора будет возможно лишь после снятия перегрузки.

Простейшие стабилизаторы напряжения. Характеристика бареттера. Принцип стабилизации напряжения. Коэффициент стабилизации

Лабораторная работа N 23

Простейшие стабилизаторы напряжения

При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо проделать следующее:

· изучить стр. 406 –408 [1] и 18-20 [2];

· ответить на вопросы для самопроверки;

· подготовить протокол лабораторной работы.

Цель работы:

изучение простейших электронных стабилизаторов напряжения.

Краткие пояснения

Для стабилизации напряжения и тока в электрических цепях используют бареттеры, терморезисторы, лампы с тлеющим разрядом (неоновые лампы, стабиловольты), полупроводниковые стабилитроны.

Вольт-амперная характеристика бареттера показана на рис.23.1. В пределах изменения напряжения от до ток практически не изменяется. Если включить бареттер последовательно с приемником, то в указанном диапазоне напряжений бареттера ток в цепи, а следовательно, и напряжение приемника, остается неизменными.

Характеристика бареттера симметрична относительно начала координат.

Одним из простейших электронных устройств является стабилизатор напряжения, выполненный на основе полупроводникового стабилитрона. Схема стабилизатора приведена на рис.23.2, а характеристика стабилитрона — на рис.23.2б. Обратите внимание, что , (обратная полярность по сравнению с рис 22.1в).

В области стабилизации напряжения, начиная от т. ВАХ характеристика может быть заменена прямой линией, пересекающей ось абсцисс в точке . Уравнение этой линии: , где на линейной части характеристики. Линейная схема замещения стабилитрона для этого участка показана рис.23.2в, а линейная схема замещения стабилизатора – на рис.23.3.

Принцип стабилизации состоит в том, что с помощью стабилитрона можно получить относительное изменение напряжения на выходе много меньше относительного изменения . Коэффициент стабилизации по напряжению равен

Коэффициент стабилизации рассчитывают графически или аналитически. Для аналитического расчета воспользуемся линейной схемой замещения (рис.23.3). Задачу решим методом узловых потенциалов.

Продифференцируем уравнение (23.3), получим

Коэффициент стабилизации получим, подставив (23.4) и (23.3) в (23.1). После преобразований имеем

Из формулы (23.5) следует:

1. Коэффициент стабилизации тем больше, чем больше и и чем меньше .

2. При (линейная цепь) или при эффект стабилизации отсутствует.

Напомним, что формула (23.5) справедлива, если рабочая точка стабилитрона находится на линейной части характеристики. Для проверки этого условия следует рассчитать по формуле (23.2), и если , то формула (23.5) справедлива, если , то применение формулы (23.5) недопустимо.

Стабилизаторы напряжения и тока

Лекция 8

2.4 Стабилизаторы напряжения и тока.
2.4.1 Принцип стабилизации. Виды стабилизаторов.

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) Внутреннее сопротивление (3) Коэффициент сглаживания пульсаций (4) где Uвх

— 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:
параметрический
и
компенсационный
. 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.

2.4.2 Параметрический стабилизатор постоянного напряжения

Стабилизатор состоит из стабилитрона и гасящего резистора Rг (см. рисунок).

По I и II законам Кирхгофа (8) Согласно 001: Подставим в эту формулу уравнения (8):

Поскольку rст<>1, то (9)

Кст увеличивается при уменьшении rст и увеличении Rг. Но при увеличении Rг нужно увеличивать Uвх. Поэтому нельзя получить очень высокий Кст. Обычно Кст не превышает нескольких десятков. Существует предельно достижимый для данного стабилитрона коэффициент стабилизации , где Но при увеличении Rг возрастает Rг и потери мощности, снижается КПД: (10) = 20-30%, что объясняется значительными потерями мощности в гасящем резисторе и самом стабилитроне. Поэтому простую схему со стабилитроном применяют для стабилизации напряжения на нагрузках, потребляющих очень малую мощность. Существенным недостатком кремниевых стабилитронов является изменение напряжения пробоя при изменении температуры. Это изменение можно выразить линейной зависимостью: (11) где — абсолютный температурный коэффициент. Стабилитроны с Uст 5В — положительный . Относительный температурный коэффициент: Для уменьшения температурной нестабильности используют схемы с температурной компенсацией. Наиболее простая схема предполагает использование одного или нескольких полупроводниковых диодов, смещённых в прямом направлении. У открытых p-n переходов отрицателен, поэтому такой способ пригоден для стабилитронов с Uст>5В. Включение термокомпенсирующих диодов приводит к росту внутренннего сопротивления ветви со стабилитроном: , где — внутреннее сопротивление термокомпенсирующего диода. Кст немного уменьшается. Другой способ заключается в использовании стабилитронов с внутренней термокомпенсацией, представляющих собой два p-n перехода, включенных навстречу друг другу и выполненных на одном кристалле. Это прецизионные стабилитроны 2С108В, 2С116В, 2С190Д с ТКН=±0,0005% / оC на градус, и другие. Параметрический стабилизатор можно умощнить, включив стабилитрон в базовую цепь эмиттерного повторителя (см. рисунок).

Таким образом, мощность нагрузки увеличена, а нестабильность снижена, так как базовый ток изменяется очень слабо в процессе стабилизации. В качестве параметрических стабилизаторов постоянного тока используют нелинейные элементы, ток которых мало зависит от напряжения, приложенного к ним. В качестве такого элемента можно использовать полевой транзистор. Если Uзи=const, то Iс

const (см. рисунок). В нашем случае затвор и исток закорочены (см. рисунок).

Стабилизатор тока применяют в параметрических стабилизаторах напряжения для стабилизации входного тока. Включение стбилизатора тока вместо гасящего сопротивления даёт возможность повысить Кст:

, где — дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора.

КПД также повышается. Традиционные стабилитроны не охватывают весь диапазон напряжений. Для получения требуемого Uвых>Uст используются операционные усилители (см. рисунок).

Например: Uст=9В, Uвых=10В. R1=1кОм, R2=9кОм. Для Iст=10мА Rо=1/(10*(1/1000))=100 Ом. Всвязи с тем. что простой стабилитрон не отвечает требованиям, предъявляемым к источникам опорного напряжения (ИОН), были разработаны СИМС (стабилитронные ИМС), которые имеют два (или три) вывода и выполнены как обычный стабилитрон, хотя в действительности они являются ИМС, содержащей пассивные и активные элементы. Все СИМС можно разделить на три группы: температурно-компенсированные СИМС; температурно-стабилизированные; опорные источники с напряжением запрещённой зоны ( bandgap ИОН). Температурно-компенсированные

— 1009ЕН1. В неё входят 9 транзисторов и резисторы. Uст=31-35 В, Iст=5 мА, ТКН 0,006 % / о C. Предназначены для питания варикапов.
Температурно-стабилизированные ИОН
содержат интегральный стабилитрон, а также прецизионный термостат, управляемый датчиком температуры (ДТ — переход БЭ транзистора). Термостат обеспечивает постоянную температуру кристалла интегрального стабилитрона при помощи нагревательной схемы, дополненной датчиком температуры. ТКН до 0,00005 % / оC, что на порядок меньше, чем у любого стабилитрона. 2С483 (аналог LM199 фирмы National Semiconductor). Опорные источники с напряжением запрещённой зоны состоят из биполярных транзисторов и резисторов. В них используется принцип термокомпенсации Uбэ падением напряжения на резисторе с положительным ТКН. Uвых=1,22 В, Еотс

0,7 В. Для изменения значения Uвых введена схема с ОУ. На этом принципе выполнен регулируемый интегральный стабилитрон типа 142ЕН19 (аналог TL431 фирмы Texas Instruments). ТКН=0,0003 % / о C, Uвых=2,5-36 В, rдиф=0,2 Ом,Iнmax=100 мА. Эти параметры намного лучше, чем у прецизионных стабилитронов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector