§ 42. Стабилизаторы напряжения
Стабилизаторы напряжения с дросселями насыщения.
Автоматическая стабилизация напряжения с дросселями насыщения используется в выпрямительных устройствах типов ВУ, ВУК, ВУЛС и других, предназначенных для электропитания аппаратуры связи. Устройство дросселей насыщения ДрН рассмотрено в § 13.
На рис. 85 изображена принципиальная схема стабилизированного однофазного выпрямителя с дросселем насыщения. Обмотка переменного тока дросселя включена последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора Тр. Обмотка подмагничивания W_ получает постоянный ток I_ от маломощного выпрямителя, который входит в состав автоматического устройства АУ. К автоматическому устройству подводится переменное входное напряжение Uc и постоянное выходное U0. Напряжение Uc распределяется между обмотками w± и пропорционально их полным сопротивлениям. В установившемся режиме выпрямленное напряжение ί/0 остается неизменным. С изменением входного напряжения или тока нагрузки АУ автоматически изменит ток подмагничивания I_ дросселя ДрН таким образом, чтобы восстановить прежнее значение выпрямленного напряжения U0. Например, с увеличением входного напряжения АУ, получив повышенное выпрямленное напряжение t/θ, уменьшит ток подмагничивания в обмотке w_ дросселя. В результате увеличится полное сопротивление обмотки дросселя, снизится напряжение на первичной обмотке трансформатора Тр, восстановится выпрямленное напряжение U0.
Дроссельные регуляторы напряжения просты, надежны в работе и обеспечивают стабилизацию напряжения при значительных мощностях, к. п. д. их довольно высок, так как они потребляют главным образом реактивную мощность. Вместе с этим дроссельные регуляторы напряжения уменьшают коэффициент мощности электропитающей установки (за счет индуктивности дросселя), несколько искажают форму кривой переменного напряжения.
Промышленность выпускает отдельные стабилизаторы напряжения с дросселями насыщения. Их обозначают буквами СТС или СОС (стабилизаторы трехфазные или однофазные сухие). Входное напряжение этих стабилизаторов — 220 или 380 В, выходное напряжение — 220 или 380 В, мощность — от 2,5 до 100 кВ·А.
Феррорезонансные стабилизаторы напряжения.
Нелинейным элементом в феррорезонансных стабилизаторах служит резонансный контур, состоящий из насыщенного дросселя и конденсатора, включенных последовательно или параллельно. Рассмотрим одну из распространенных схем феррорезонасного стабилизатора с параллельным контуром (рис. 86).
На трехстержневом сердечнике, собранном из пластин трансформаторной стали, размещаются обмотки. Первичная обмотка находится на среднем ненасыщенном стержне магнитопровода. Вторичная обмотка α2 и соединенная с ней последовательно обмотка wc находятся на правом насыщенном стержне магнитопровода. Магнитное насыщение правого стержня достигается уменьшением его поперечного сечения и подключением конденсатора С, который вместе с обмотками wв и wc образует колебательный контур, настроенный на частоту 50 Гц. Левый стержень с воздушным зазором выполняет роль магнитного шунта.
Емкостная обмотка wc, соединяясь последовательно со вторичной обмоткой w2i увеличивает общую индуктивность колебательного контура. Это позволяет снизить необходимую емкость конденсатора, уменьшить габаритные размеры и массу всего стабилизатора напряжения. На среднем стержне магнитопровода располагается также компенсационная обмотка wK с небольшим числом витков, предназначенная для повышения уровня стабилизации напряжения. Нагрузка r- соединяется последовательно с компенсационной обмоткой wK и подключается ко вторичной обмотке w2 стабилизатора напряжения. Напряжение компенсационной обмотки UK находится в противофазе со вторичным напряжением стабилизатора U2. Поэтому напряжение на входе стабилизатора Uвых =-U2 —
Для уяснения принципа работы стабилизатора построим кривые напряжений U2, UK и UВЫХ в зависимости от изменения напряжения сети UВХ (рис. 87). С повышением входного напряжения UΒΧ возрастает магнитный поток среднего стержня Фх Ф2 + Ф3 (см. рис. 86). С изменением входного напряжения от 0 до Uвх1 основная часть потока замыкается по правому стержню магнитопровода. На этом участке напряжение вторичной обмотки U2 быстро возрастает. При дальнейшем увеличении входного напряжения (от UΒΧ1 до Uвх2) происходит перераспределение магнитных потоков по стержням магнитопровода. Так как в правом стержне наступает насыщение, то магнитный поток в нем, а следовательно, и индуктируемое напряжение изменяются незначительно. Наоборот, магнитный поток левого стержня магнитопровода на этом участке быстро увеличивается.
Рис. 85. Схема дроссельного стабилизатора напряжения
Рис. 88. Схема феррорезонального стабилизатора напряжения
Рис. 87. Кривые, поясняющие принцип работы стабилизатора
Рис. 88. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона
Из графика видно, что напряжение вторичной обмотки U2 стабилизируется в области насыщения правого стержня магнитопровода, когда входное напряжение меняется от UВХ1 до UВХ2. Качество стабилизации напряжения повышается за счет компенсационной обмотки wr. Напряжение на компенсационной обмотке UK изменяется пропорционально входному напряжению Uвх и направлено всегда навстречу напряжению U2. Сложив ординаты кривых U2 = f (UВХ) и UК = f (UВХ) с учетом их знаков, получим кривую выходного напряжения стабилизатора Uвых = f(UВХ). Эта кривая в области насыщения правого стержня магнитопровода почти параллельна оси абсцисс.
Промышленность выпускает феррорезонансные стабилизаторы типов С, СН и УСН. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения обеспечивают постоянное напряжение на выходе при сравнительно широком пределе изменения входного напряжения, надежны в работе и практически безынерционны. К недостаткам стабилизаторов этого типа относятся: чувствительность к изменению частоты питающей сети; относительно низкий к. п. д. (50—70 %); зависимость выходного напряжения от характера и величины нагрузки; искажение формы кривой напряжения на выходе вследствие насыщения сердечника.
Стабилизаторы напряжения с кремниевыми стабилитронами.
Стабилитронами называют диоды, применяемые для стабилизации напряжения. Наибольшее распространение получили кремниевые стабилитроны, обладающие большой устойчивостью к тепловому пробою.
Рассмотрим вольт-амперную характеристику кремниевого стабилитрона (рис. 88). Для стабилизации напряжения обычно используется участок АВ этой характеристики, когда к стабилитрону подводится обратное напряжение. При напряжении Ua начинается электрический пробой р-n-перехода. Этому напряжению соответствует минимальный ток стабилизации Обратному напряжению Ub соответствует максимальный ток стабилизации Iтах и наибольшая допустимая мощность в стабилитроне Ртах=UвImax. При напряжениях более Uв мощность, выделяемая в стабилитроне, превышает установленный предел. В результате электрический пробой переходит в тепловой и наступает необратимое разрушение р-n-перехода.
Рис. 89. Схема и характеристика стабилизатора напряжения с кремниевым стабилитроном
Таким образом, в области электрического пробоя (на участке АВ вольт-амперной характеристики) кремниевые стабилитроны не перегреваются выше допустимой температуры и не выходят из строя. Причем, напряжение пробоя остается почти постоянным в условиях, когда обратный ток меняется от Imin до Imах. Именно это свойство кремниевых диодов используется для стабилизации напряжения. На рис. 89, а приведена схема простейшего стабилизатора напряжения с кремниевым стабилитроном.
Рис. 91. Мостовая схема стабилизатора напряжения
Рис. 90. Схема стабилизатора с компенсацией температурного коэффициента напряжения
Для увеличения стабилизированного напряжения стабилитроны включают последовательно. Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как невозможно подобрать стабилитроны с совершенно одинаковыми вольт-амперными характеристиками. Поэтому при параллельном включении работает только один стабилитрон, у которого электрический пробой наступает раньше. Необходимо отметить, что кривая вольт-амперной характеристики кремниевого диода имеет резкий излом при прямом напряжении 1—1,5 В. Поэтому кремниевые диоды можно использовать для стабилизации малых напряжений. В этом случае их включают в прямом направлении по аналогичным схемам.
Падение напряжения на кремниевом стабилитроне зависит от температуры окружающей среды. С увеличением температуры обратное падение напряжения увеличивается, а прямое — уменьшается. Следовательно, кремниевые стабилитроны, включенные в обратном направлении, обладают положительным температурным коэффициентом напряжения (ТКН), а те же стабилитроны, включенные в прямом направлении — отрицательным температурным коэффициентом напряжения.
Чтобы исключить температурные изменения выходного напряжения стабилизатора, в его схему включают несколько кремниевых стабилитронов. Одна их часть включается в обратном направлении и имеет положительный ТКН, а другая часть — в прямом направлении и имеет отрицательный ТКН. Для полной компенсации положительного ТКН одного стабилитрона необходимо включать последовательно несколько стабилитронов в прямом направлении, обладающих отрицательным ТКН (рис. 90).
Кроме простейших схем стабилизаторов напряжения с кремниевыми стабилитронами, применяются и более сложные схемы. В мостовую схему стабилизатора напряжения (рис. 91) входят сопротивления резисторов R1, R2, R3 и кремниевый стабилитрон КС. Входное напряжение подается на одну диагональ моста, стабилизированное напряжение снимается с другой диагонали. Выходное напряжение стабилизатора
Рис. 92. Графики напряжений в мостовой схеме стабилизатора
Из графиков напряжений UКС, UR3 и Uвых (рис. 92) видно, что выходное напряжение стабилизатора остается практически постоянным при изменении входного напряжения от
до U вх mах·
Коэффициент стабилизации мостовой схемы значительно выше, чем простейшей схемы (см. рис. 89).
Кремниевые стабилитроны используют не только для непосредственной стабилизации напряжений различных источников питания. В ряде случаев они применяются для получения опорного (т. е. определенного, неизменного) напряжения. Поэтому кремниевые стабилитроны называют также опорными диодами.