Исследование компенсационного стабилизатора напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уральский колледж информационных технологий

Отчет

по лабораторно-практическому занятию

предмет: Основы промышленной электроники

Исследование компенсационного стабилизатора напряжения

Выполнил:

студентка группы № 18-к

Абдрахманов А.К.

Проверил:

преподаватель спецдисциплин Быкова Г.В.

Уральск - 2017 г.

Ход работы:

I. Теоретическая часть

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее постоянство напряжений на стороне потребителя с заданной точностью.

Они подразделяются в зависимости от рода напряжения на стабилизаторы постоянного и переменного напряжения, а по принципу на стабилизаторы параметрические и компенсационные.

Основными параметрами стабилизаторов постоянного напряжения являются:

Коэффициент стабилизации по входному напряжению - отношение относительных приращений напряжений на входе и на выходе стабилизатора:

Kcт = ДUвхUвых/ДUвыхUвх,

где ДUвх, ДUвых - приращение входного и выходного напряжения стабилизатора при неизменном токе нагрузки.

Uвх, Uвых - номинальное входное и выходное напряжение стабилизатора

Внутреннее сопротивление стабилизатора Ri, равное отношению приращения выходного напряжения ДUвых к приращению тока нагрузки ДIн при неизменном входном напряжении:

Ri = -Дuвых/Дiн

Зная внутреннее сопротивление, которое может достигать тысячных долей ома, можно определить изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки.

Коэффициент сглаживания пульсаций:

g = Uвх.m1Uвых/Uвых.m1Uвх

где Uвх.m1, Uвых.m1 - амплитуды пульсаций входного и выходного напряжений стабилизатора.

Параметрические стабилизаторы.

Параметрический стабилизатор напряжения включает в себя балластный резистор R_б, нагрузку R_н и полупроводниковый стабилитрон VD, напряжение на котором остается практически постоянным при изменении в некоторых пределах протекающего через него тока (рис. 1).

Рисунок 1. Параметрический стабилизатор

Принцип действия параметрического стабилизатора постоянного тока поясняется путем совместного анализа ВАХ стабилитрона и балластного резистора, представленных на рис. 1. Пусть входное постоянное напряжение схемы равно U_вх1, а ток стабилитрона составляет I_ст1. Положим для упрощения R_н = ? (нагрузка отключена). Тогда выражение, аналитически описывающее положение характеристики балластного резистора R_б, запишется следующим образом:

U_вх1 = U_вых1 + I_ст1R_б. (1)

Если входное напряжение увеличится на величину ДU_вх и станет равным U_вх2, то характеристика балластного резистора займет положение 2, что соответствует выходному напряжению U_вых2 и току стабилитрона I_ст2. Как видно из рис. 1, выходное напряжение останется почти неизменным, а приращение входного напряжения ДU_вх выделится на балластном резисторе R_б. Аналогичная картина будет иметь место и при уменьшении входного напряжения (в этом случае снизится падение напряжения на балластном резисторе R_б) или изменениях тока нагрузки I_н.

Эффективность действия стабилизаторов оценивают коэффициентом стабилизации, показывающим, во сколько раз относительное приращение выходного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения

(2)

Основные преимущества параметрического стабилизатора - простота конструкции, небольшое количество элементов и высокая надежность, а недостатки - низкие коэффициент стабилизации (менее 25) и КПД, малые токи стабилизации, а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Часто для увеличения коэффициента стабилизации, применяют двухкаскадный стабилизатор, показанный на рис. 2. Коэффициент стабилизации в этом случаи будет равен произведению коэффициентов стабилизации каждого каскада.

Рисунок. 2. Двухкаскадный параметрический стабилизатор

При последовательном соединении нескольких стабилитронов, увеличивается стабилизируемое напряжение. Параллельное включение стабилитронов не допускается, так как небольшая разница в рабочих напряжениях, которая всегда имеет место, приводит к неравномерному распределению протекающих через них токов.

Для расчета параметрического стабилизатора нужно знать номинальный ток нагрузки и выбрать номинальный ток стабилизации, который, примерно, будет равен полусумме минимального и максимального тока стабилизации. Сложив номинальный ток стабилитрона и нагрузки, получим номинальный ток через балластный резистор. Потом выбираем входное напряжение, примерно равное 1.5Uст. И наконец, определяем сопротивление балластного резистора. Для этого разность между входным напряжением и напряжением стабилизации делят на ток проходящий через балластный резистор.

Компенсационные стабилизаторы

Принцип действия компенсационных стабилизаторов основан на том, что любое изменение напряжения на нагрузке (вследствие изменения входного напряжения или тока нагрузки) передается на регулирующий элемент, который автоматически препятствует изменению напряжения на нагрузке. По существу компенсационные стабилизаторы являются системами с отрицательной ОС. Данные устройства делятся на стабилизаторы непрерывного действия и ключевые (импульсные) стабилизаторы.

Компенсационные стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых благодаря наличию ООС обеспечивается постоянство напряжения и тока в нагрузочном устройстве с высокой степенью точности.

Подразделяются на стабилизаторы непрерывного действия и импульсные. Структурная схема стабилизатора непрерывного действия приведена на рис 3.

Рисунок 3. Структурная схема стабилизатора

В состав стабилизатора входит блок сравнения БС, состоящий из источника опорного напряжения и резистивного делителя, усилитель постоянного тока У и регулирующий элемент РЭ. В процессе работы входное напряжение перераспределяется между падением напряжения на РЭ и выходным напряжением. При изменении Uвых цепь ОС воздействует на РЭ, изменяя его сопротивление т.о., чтобы Uвых оставалось постоянным.

Схема такого стабилизатора представлена на рис. 4. На этой схеме стабилитрон является источником опорного напряжения и обеспечивает постоянный потенциал базы транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Здесь выходное напряжение равно опорному, если не учитывать очень малое падение напряжения на эмиттерном переходе. Особенность данной схемы заключается в том, что ток нагрузки может в несколько раз превышать номинальный ток стабилитрона.

Рисунок 4. Компенсационный стабилизатор

Более лучшую стабилизацию, по сравнению с вышеуказанной схемой, обеспечивают схемы, в состав которых входят усилители разносного сигнала между выходным напряжением и опорным. Из схемы на рис. 5 видно, что транзистор VT1 является регулирующим, а VT2 усилительным элементом. Часть выходного напряжения с делителя R1, R2, R3, поступает на базу усилительного транзистора VT2, у которого потенциал фиксирован стабилитроном VD1. На VT2 происходит усиление разности этих напряжений, затем усиленная разность напряжений поступает на базу регулирующего транзистора VT1, где и происходит управление выходным напряжением. Это происходит следующим образом. С увеличением входного напряжения выходное также увеличивается, усилительный транзистор VT2 приоткрывается, ток на его коллекторе увеличивается, а потенциал падает и на коллекторе и на базе регулирующего транзистора VT1. А это значит что регулирующий транзистор подзапирается и гасит избыток выходного напряжения. В данной схеме есть возможность регулировки выходного напряжения, которая осуществляется при помощи переменного резистора R2.

Рисунок 5. Стабилизатор с регулируемым напряжением

Существует огромное множества схем транзисторных стабилизаторов. Но принцип работы остается прежним: стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет гашения избытка входного напряжения на регулирующем транзисторе. Стабилизаторами напряжения хорошо сглаживаются пульсации выпрямленного напряжения, и поэтому при наличии его в схеме, сглаживающий фильтр может отсутствовать. При этом, чтобы улучшить сглаживания, выход стабилизатора соединяют с базой усилительного транзистора через конденсатор.

Параллельный стабилизатор

Рисунок 6. Схема стабилизатора напряжения с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки R_H. Балластный резистор R2 может быть включен как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

U₀=U_st +U _{R1 .}

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения U_R1 на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_БЭ) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R2, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R1 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу.

II. Практическая часть

Задание:

1. Изучить работу компенсационного стабилизатора напряжения, его разновидности, принцип действия, схемы, достоинства и недостатки.

2. Подготовить отчёт.

3. Ответить на контрольные вопросы.

4. Сделать вывод.

Исследование компенсационного стабилизатора напряжения

Компенсационный стабилизатор отличается от параметрического наличием ООС, 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.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Принцип действия КСН основан на измен. сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала.

КСН бывают последовательного и параллельного типа.

Я КСН последовательного типа

РЭ - это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (БТ или ПТ),

СУ - схема управления - управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача - усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д - делитель напряжения, ИОН - источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется последовательная.

ИОН задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть U_ВЫХ(соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения.

КСН параллельного типа

Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ в соответствии с управляющим сигналом, вызывающее изменение падения напряжения. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство - при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети.

Я Принципиальная схема КСН.

Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из R2-R4. На VT2 собран (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется U_ВЫХ, а соответственно, и напряжение на базе VT2, который сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода изменяется, и напряжение на нагрузке остается const. С помощью R3 можно регулировать U_вых

В качестве РЭ при малом токе нагр. (0,1-0,2 А) исп. Одиночные транзисторы.

При больших токах нагр. ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.

Такая схема обладает защитой от КЗ. При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются.

Компенсационные стабилизаторы напряжения делятся на:

1. Ступенчатые стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы напряжения со ступенчатом регулированием представляют наиболее широкий класс устройств, обеспечивающих поддержание выходного напряжения с определенной точностью. Принцип стабилизации основан на автоматической коммутации (переключении) секций (обмоток) автотрансформатора (или трансформатора) с помощью силовых ключей (реле, тиристоров, симисторов). В силу ряда достоинств ступенчатые корректоры напряжения нашли наибольшее распространение на рынке стабилизаторов.

Достоинства:

- быстродействие;

- широкий диапазон входного напряжения;

- возможность работы при холостом ходе;

- отсутствие искажения синусоидальности формы выходного напряжения;

- высокое значение КПД.

Недостатки:

- ступенчатое изменение выходного напряжения, ограничивающее точность стабилизации.

2. Электромеханические стабилизаторы напряжения

Электромеханические стабилизаторы напряжения представляют собой следящую систему с использованием электродвигателя, автотрансформатора и системы управления двигателем. Такие стабилизаторы позволяют непрерывно и плавно регулировать выходное напряжение без искажения синусоидальной формы.

Достоинства:

- высокая точность регулирования;

- отсутствие помех;

- высокая перегрузочная способность;

- широкий диапазон регулирования.

Недостатки:

низкое быстродействие;

ограниченный ресурс службы при наличие требования по проведению периодических регламентных работ;

наличие открытого скользящего электрического контакта, ограничивающее среду использования.

3. Стабилизаторы напряжения с подмагничиванием трансформатора

Стабилизаторы напряжения с подмагничиванием трансформатора основаны на компенсации изменения напряжения сети путем регулирования коэффициента трансформации за счет локального подмагничивания стержней автотрансформаторов со специально выполненным магнитопроводом и системой обмоток. Подмагничивание осуществляется с помощью тиристорного регулятора. Такие стабилизаторы характеризуются высокими перегрузочными способностями, но имеют ограниченный диапазон регулирования и повышенный коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения по сравнению со ступенчатыми корректорами напряжения.

4. Стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием энергии

Стабилизаторы напряжения с двойным преобразованием энергии содержат выпрямитель и транзисторный инвертор с ШИМ управлением, обеспечивающий стабильное синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц. В настоящее время находятся в стадии промышленного освоения.

5. Высокочастотные стабилизаторы напряжения.

В последние годы предпринимаются интенсивные попытки создания высокочастотных стабилизаторов (далее, ВЧ-стабилизаторы) на базе современных силовых транзисторов. Примером для разработчиков является успешное использование высокочастотных приводов для управления асинхронными электродвигателями, построенные на сходной элементной базе. Попыткам создания ВЧ-стабилизаторов способствует также общая тенденция удешевления электронных комплектующих и рост цен на сырье, используемое в производстве низкочастотных стабилизаторов (медь, электротехническое железо и т.п.). Кроме того, ВЧ-стабилизаторам по определению присущ целый ряд важных преимуществ: они легче обычных, у них более высокая скорость стабилизации, выше точность стабилизации выходного напряжения.

Однако вплоть до последнего времени стабилизаторы не получили широкого распространения. Этому есть одна основная причина: практически все попытки построения ВЧ-стабилизаторов используют схему со звеном постоянного тока. Как следствие, такие приборы имеют КПД намного ниже традиционных приборов (т.к. используется двойное преобразование энергии). Кроме того, нагрузка при подключении к ВЧ-стабилизатору со звеном постоянного тока гальванически развязана от питания, что делает невозможным сброс реактивной энергии в сеть. Наконец, самый большой недостаток таких стабилизаторов - это их очень высокая цена: они почти на порядок дороже, чем обычные низкочастотные компенсаторы.

Контрольные вопросы

1. Какие устройства называются стабилизатором напряжения? (Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее постоянство напряжений на стороне потребителя с заданной точностью).

2. Как классифицируются стабилизаторы напряжения?(Стабилизаторы можно классифицировать по роду напряжения (тока), по мощности, точности поддержания выходного напряжения, областям применения, принципам действия).

3. Какими параметрами оценивается качество работы стабилизатора? (Качество работы стабилизаторов напряжения характеризуется следующими параметрами:

1. Коэффициент стабилизации по входному напряжению;

2. Коэффициент стабилизации по нагрузке;

3. Коэффициент сглаживания пульсаций;

4. Температурный коэффициент напряжения (ТКН).)

4. Чем отличается компенсационный стабилизатор от параметрического? (Параметический стабилизатор более простой выполнен на стабилитроне, применяется в слаботочных схемах коэффициент стабилизации очень мал, к тому же стабилизированное напряжение сильно зависит от входного напряжения источника питания. В компенсационном стабилизаторе имеется обратная связь и стабилизированное напряжение сравнивается с эталонным. Поэтому выходное напряжение стабилизатора довольно стабильно и практически не зависит от входного и от тока нагрузки.

А в общем и целом и тот и другой тип стабилизатора - плохо применяем так как у них низкий КПД. Сейчас всё чаще применяются импульсные стабилизаторы напряжения и тока.

напряжение транзистор сигнал стабилизатор

Размещено на Allbest.ru