Методика расчета стабилизаторов напряжения

Стабилизатор напряжения рассчитывают с учетом исходных данных, основными из которых являются (см. рисунок 5.12,6): макси­мальное U_{и mах}, номинальное U_Н, минимальное U_{н min1} напряжения на выходе стабилизатора; максимальный I_{н mах}, минимальный I_{н min}, токи нагрузки; коэффициент стабилизации К_ст; выходное сопро­тивление R_щых; температурная нестабильность выходного напряже­ния; минимально допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения U_П; технические данные на полупроводниковые при­боры.

Входное напряжение U_вх стабилизатораможет быть определено с учетом максимального выходного напряжения U_{н mах} и падения напряжения U_кэ на участке коллектор-эмиттер регулирующего транзистора. При этом необходимо учитывать колебания входного напряжения DU_вх, напряжение пульсации U_П (амплитудное зна­чение), падение напряжения U_в на внутреннем сопротивлении источ­ника питания (выпрямитель):

. (5.6)

Уменьшение входного напряжения DU_вх выразим через относи­тельный коэффициент отклонения , т.е. .Амплитуду напряжения пульсации U_п выразим через относительный коэффициент пульсации , откуда . Подставляя эти выражения в формулу (5.6), получим

отсюда .

При питании от выпрямителя коэффициент пульсации выбирают зависимости от выходного напряжения стабилизатора: при ,а при U_H< 5 В .

Минимально допустимое напряжение на участке коллектор -эмиттер регулирующего транзистора в активном режиме выбирают из технических данных. Для трехкаскадного регулирующего эле­мента, состоящего из германиевых транзисторов, , а для трехкаскадного регулирующего элемента, состоящего из кремниевых транзисторов, В. При параллельном включение транзисторов в регулирующем элементе U_кэmin должно быть увеличено на значение падения напряжения на симметрирую­щих резисторах U_c ≈ 0,5 В. Необходимо учитывать и падение на­пряжения в выпрямителе U_B, которое зависит от входного тока I_вх и внутреннего сопротивления выпрямителя R_B, тогда U_B=I_BXR_B. Входной ток равен сумме тока нагрузки и дополнительного тока управления схемой стабилизатора, т.е. I_BX=I_H+I_Д. В свою оче­редь, дополнительный ток включает в себя токи стабилитрона и делителя . Дополнительный ток можно определить из соотношения . Внутреннее сопротивление выпря­мителя рассчитывается в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки стабилизатора. При напряжении на выходе U_я < 5 В ; при В .

На основании выбранных значений можно определить искомые напряжения, в том числе номинальное входное ; максимальное входное ; мгновенное максимальное входное ненагруженного источника ; номинальное входное нагру­женного источника ; максимальное входное нагруженного выпрямителя .

Выбор регулирующего транзистора осуществляется по макси­мальной мощности, выделяемой в нем,

Максимальное мгновенное падение напряжения на участке кол­лектор-эмиттер регулирующего транзистора

.

Сопротивление R_с учитывают только при параллельном включе­нии регулирующих транзисторов. На основании полученных значе­ний Р_кmах и U_кэmах определяют максимальный ток коллектора регулирующего транзистора, а для повышения надежности необ­ходимо выбрать транзистор с допустимым током, в раз превышающим ток нагрузки стабилизатора ( ).

При Вт в регулирующем элементе применяют параллельное соединение транзисторов. Тогда сопротивление сим­метрирующих резисторов , где N -число параллельно соединяемых транзисторов.

При меньшей мощности выясняется необходимость применения составного транзистора и числа его каскадов. Определяется максимально возможное изменение тока базы регулирующего транзисто­ра где DI_н - максимально возможное изменение тока нагрузки.

Если мА, то следует применять составной транзистор, общий коэффициент которого определяется из условия

Ток I_б max выбирают равным (0,05 - 0,1) мА.

Число транзисторов составного регулирующего элемента определяют по общему коэффициенту .

Используя минимальное значение коэффициента передачи тока

мощного транзистора VТ1, найдем режимы транзистора VТЗ. Его максимальный коллекторный ток , где I_R5-ток, протекающий через резистор R5, который выбирают с учетом максимального обратного тока коллектора VT1\ в зави­симости от температуры окружающей среды:

где I_коб - обратный ток коллектора при температуре окружающей среды

T_max - максимально допустимая температура окружающейсреды.

Падение напряжения на участке коллектор –эмиттер

Сопротивление резистора .

Расчет цепи обратной связи сводится в основном к расчету источника опорного напряжения, сопротивления делителя RЗR4, резистора R1 и к выбору транзистора усилителя постоянного тока. Расчет источника опорного напряжения сводится к выбору со­противления резистора R2, с помощью которого задается ток

стабилитрона VD1. Как видно из схемы (см. рисунок 5.12,6) .В процессе стабилизации будет изменяться ток стаби­литрона I_ст, и сопротивление гасящего резистора R2 необходимо

выбрать таким, чтобы выполнялось условие ,тогда (ток I_к2выбирается равным от 2 до 3 мА). Сопротивление .Максимальный ток стаби­литрона .

Сопротивление резисторов выходного делителя напряжения: .

Сопротивление делителя R_Д=R3+R4, тогда: ; .

Сопротивление резистора .

Максимальный коллекторный ток , а

мощность, рассеиваемая на транзисторе, .

Полученные значения сравнивают с предельно допустимыми для выбранного транзистора. Если они превышают их, то выбранное значение тока I_к2 снижают и расчет выполняют повторно. Остальные параметры стабилизатора определяются по выражениям (5.1)-(5.4).

Стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием, обладая довольно высокими качественными показателями, вместе с тем имеют сравнительно низкий к. п. д., повышение которого прак­тически невозможно без увеличения массы и габаритных размеров радиаторов регулирующих элементов. Значительное увеличение к. п. д. при снижении габаритных размеров возможно в стабилиза­торах с импульсным регулированием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими параметрами характеризуются стабилизаторы напряжения и тока?

2. Почему аккумуляторы в буферном режиме подразделяют на основную и дополнительную группы?

3. Что такое угол запаздывания? Как регулируется напряжение в тиристорных выпрямителях?

4. Как регулируется напряжение дросселями насыщения?

5. Как с помощью вольтодобавочного трансформатора осуществляется стаби­лизация напряжения?

6. За счет чего стабилизируется напряжение в феррорезонансных стабилизаторах напряжения?

7. В чем состоит преимущество компенсационных стабилизаторов напряжения перед параметрическими?

8. Для чего в регулирующем элементе компенсационного стабилизатора на­пряжения применяют составной транзистор?

9. Для чего в компенсационном стабилизаторе напряжения применяют диффе­ренциальный усилитель постоянного тока?

10. Как регулируется напряжение в понижающем, повышающем и полярно-инвертирующем импульсном стабилизаторе напряжения?

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Инверторы

В инверторах коммутация тока осуществляется электронными приборами, работающими в ключевом режиме. При работе в этом режиме электронный прибор может находиться в одном из двух состояний: открытом или закрытом. В обоих состояниях мощность, рассеиваемая на электродах, очень мала. Инвертор переходит из закрытого состояния в открытое и обратно очень быстро, так что и за время коммутации потери незначительны. Поэтому при работе в ключевом режиме к. п. д. инверторов может достигать 80-90%.

Инверторы классифицируют по ряду признаков. В зависимости от типа применяемых электронных приборов различают ламповые, транзисторные, тиратронные и тиристорные инверторы. В зависимости от системы управления их подразделяют на инверторы с внешним возбуждением и самовозбуждением. В инверторах с внешним возбуждением в состав системы управления входит авто­номный генератор, создающий управляющие сигналы в виде им­пульсов или гармонических колебаний. В инверторах с самовозбуж­дением коммутация осуществляется за счет положительной об­ратной связи в самом инверторе. Инверторы классифицируют также по числу фаз выходного напряжения (одно- и трехфазные); по форме выходного напряжения (синусоидальная, прямоугольная).

В устройствах автоматики и связи на транспорте наиболее широко распространены транзисторные и тиристорные инверторы.

Транзисторные инверторы. Инверторы выполняют по одно- и двухтактным схемам.

Однотактная схема инвертора с внешним возбуждением (рисунок 6.2, а) состоит из транзистора VTи дросселя L. Коллекторный ток транзистора VТ определяется управляющим напряжением u_эб, приложенным между базой и эмиттером, и имеющим форму прямоугольных импульсов (рисунок 6.2, б).

При положительной полярности управляющего напряжения транзистор VТ открыт, и все напряжение источника постоянного тока U₀ приложено к нагрузке. Ток дросселя i_Lвозрастает почти линейно. Ток, отдаваемый источником i_H, равен сумме токов, протекающих через дроссель и нагрузку.

Рис. 6.2. Схема однотактного инвертора с внешним возбуждением (а) и временные диаграммы напряжений и токов (б)

Рис. 6.3. Схема однотактного транзисторного инвертора с самовозбуждением (а) и выходные характеристики транзистора (б)

После поступления управляющего импульса отрицательной полярности транзистор закрывается, но ток в нагрузке I_н будет существовать за счет энергии, запасенной в дросселе. Направление тока изменяется, а его значение будет уменьшаться по экспоненци­альному закону. Так как среднее значение напряжения на дросселе и нагрузке равно нулю, то среднее значение напряжения на нагрузке при закрытом транзисторе равно U₀. Следовательно, максимальное напряжение на нагрузке U_Hmax превышает среднее значение на DU. Изменение напряжения U_эк зависит от индуктивности дросселя. Чем больше индуктивность, тем меньше DUи форма кривой напряже­ния на нагрузке ближе к прямоугольной. Напряжение на закрытом транзисторе U_эк больше чем в 2 раза превышает напряжение источника тока U₀. Достоинством рассматриваемой схемы инвер­тора является ее простота, а к недостаткам относятся: несиммет­ричность формы кривой выходного напряжения и зависимость ее от нагрузки; небольшая мощность в нагрузке - доли или единицы ватт.

Однотактная схема инвертора с самовозбуждением (рисунок 6.3, а) состоит из транзистора VТ и трансформатора Т с тремя обмотками, первичной I, вторичной II и обмоткой обратной связи III. В схеме возникают колебания при выполнении двух условий: баланса фаз и баланса амплитуд. Условие баланса фаз заключается в том, что напряжение, подаваемое на базу, должно быть в противофазе с напряжением на коллекторе транзистора. При выполнении этого условия обеспечивается положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд заключается в том, что напряжение обратной связи должно быть не менее определенного значения, необходимого для поддержания генерации. Оба условия достигаются подключе­нием обмотки обратной связи с определенным числом витков.

При подключении источника тока с напряжением U₀в цепях базы и коллектора протекают токи I_к и I_эк. За счет индуктивности Lпервичной обмотки ток I_эк будет возрастать по закону, близкому к линейному . При увеличении тока I_эк возрастает магнитный поток в сердечнике трансформатора, наводится э.д.с. в обмотках и появляется ток в нагрузке. Рабочая точка на этом этапе смещается по характеристике транзистора (рисунок 6.3, 6) из начала координат (точка О) в область насыщения (точка А), где возрастание тока I_к прекращается. При этом магнитный поток также прекращает возрастать, вследствие чего изменяется поляр­ность э.д.с, в обмотках трансформатора, уменьшается ток базы транзистора, а затем и ток коллектора. Этот процесс носит лавино­образный характер, который приводит к быстрому запиранию транзистора. При этом рабочая точка смещается в область отсечки (точка Б). К моменту насыщения транзистора в сердечнике на­капливается магнитная энергия W=0.5LI_K². При запирании тран­зистора ток в нагрузке будет продолжаться за счет энергии, запа­сенной в трансформаторе. Направление тока в нагрузке изменится, а его значение будет уменьшаться. К моменту, когда ток в нагрузке будет равен нулю, восстановится первоначальное значение потен­циалов в цепи обратной связи, рабочая точка сместится в начале координат (точка О) и процессы будут повторяться. Преобразова­тели этого типа целесообразно применять при высоком выходном напряжении, малых токах и мощностях в нагрузке, достигающих нескольких десятков ватт, их к. п. д. 60-70%. Схему используют и в качестве задающего генератора в инверторе с внешним возбуждением.

Двухтактная схема инвертора с самовозбуждением (рисунок 6.4, а) состоит из двух транзисторов VT1и VT2, а также из трансформатора Т с тремя обмотками, сердечник которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Отрицательное смещение на базы транзисторов подается со средней точки делителя напряжения R1R2, к которому подключено входное напряжение U₀. Сопротив­ление резистора R1 много меньше, чем у резистора R2, поэтому между базой и эмиттером каждого транзистора действует неболь­шое напряжение, приходящееся на резистор R1и составляющее десятые доли вольта. Конденсатор С облегчает запуск инвертора. В момент включения питания ток заряда конденсатора проходит через резистор R1. При этом на нем кратковременно увеличивается падение напряжения и на базах транзисторов возрастает отрица­тельный потенциал.

После включения инвертора в первый момент благодаря нали­чию отрицательного смещения на базах открываются оба транзис­тора. Параметры транзисторов не могут быть абсолютно одина­ковыми, поэтому коллекторные токи будут несколько отличаться друг от друга. Предположим, что ток транзистора VT1превышает ток транзистора VT2, что приведет к тому, что в трансформаторе будет преобладать магнитный поток, возникающий за счет тока i_к1. Благодаря этому э.д.с., возникшие в других обмотках за счет взаимоиндукции, будут иметь полярность, указанную на схеме. На базе транзистора VT1 появится отрицательный потенциал относи­тельно эмиттера, а на базе VT2 - положительный. При этом тран­зистор VT1будет продолжать открываться и ток i_к1 увеличиваться, а транзистор VТ2 начнет закрываться. Этот процесс нарастает лавинообразно. К моменту времени t₁транзистор VТ1 открыт и находится в режиме насыщения (рисунок 6.4, в и г), а транзистор VТ2 закрыт и находится в режиме отсечки (рисунок 6.4, д). С момента насыщения транзистора VТ1 к обмотке I’ трансформатора будет приложено почти все напряжение источника постоянного тока (рисунок - 6.4, д). На этом заканчивается процесс включения инвертора.

Рис. 6.4. Схема двухтактного транзисторного инвертора с самовозбуждением (а), характеристика намагничивания сердечника трансформатора (б); временные диаграммы напряжений и токов (в-е)

Дальше начинается линейный процесс. Индукция в сердечнике трансформатора нарастает линейно со скоростью

,

где U_KH - напряжение коллектор - эмиттер насыщенного транзистора;

S -площадь поперечного сечения сердечника

w -число витков обмотки I’.

Коллекторный ток транзистора

;

где i’_H-ток нагрузки, приведенный к первичной обмотке;

i’₀- ток, нейтрализующий намагничивание, создаваемое током отсечки запертого транзистора I_K0; i_μ - ток намагничивания.

Ток намагничивания и нейтрализации на этом этапе очень малы. Линейный процесс продолжается до момента времени t₂, ког­да индукция в сердечнике достигнет индукции насыщения B_S(рисунок 6.4,6). С этого момента начинается коммутационный процесс. Ток коллектора нарастает из-за увеличения тока намагничивания i_μ. При этом степень насыщения транзистора падает. Заряд неоснов­ных носителей в его базе уменьшается. К моменту времени t₃ коллекторный ток транзистора возрастает настолько, что он выхо­дит из насыщения. Напряжение на транзисторе начинает возрастать (рисунок 6.4,5), что приведет к уменьшению напряжения на первичной обмотке трансформатора и положит начало закрывания транзисто­ра VT1. При запирании транзистора VT1сердечник трансформатора Т начинает перемагничиваться, что приводит к появлению на обмотках трансформатора напряжений, противоположных по знаку тем, которые были ранее (см. рисунок 6.4,а). Процесс развивается лавинообразно и к моменту времени t₄ приводит к запиранию транзистора VT1и открыванию транзистора VT2.

После переключения транзисторов вновь начинается линейный процесс, который сопровождается изменением индукции от + В_S до —В_S. В дальнейшем процессы повторяются. При этом импульсы напряжения на вторичной обмотке трансформатора и на нагрузке будут иметь форму, близкую к прямоугольной (рисунок 6.4, е).

На коллекторном переходе закрытого транзистора действует сумма напряжений источника постоянного тока U₀ и э.д.с., индуци­рованная в коллекторной обмотке закрытого транзистора (см. рисунок 6.4, а), поэтому для успешной работы в инверторе транзисторы должны иметь допустимое напряжение U_кэбольше 2U₀. Частота колебаний инвертора с насыщающимся трансформатором в основ­ном определяется конструктивными данными трансформатора и напряжением источника постоянного тока . Опти­мальная частота колебаний лежит в диапазоне 400-600 Гц. При работе инвертора на повышенных частотах следует учитывать длительность коммутационных процессов, которые зависят от инерционности транзисторов и схемы инвертора. Для приведенной схемы она практически равна времени рассасывания заряда неос­новных носителей в базах транзисторов. Особенностью схемы инвертора является наличие значительных выбросов коллекторных токов транзисторов, возникающих в процессе коммутации. Данный преобразователь применяют при мощностях не более 50-100 Вт, обеспечивая к.п.д. порядка 70-80%. При больших мощностях существенно увеличиваются потери в трансформаторе. Недостат­ком преобразователя является сильное влияние тока и характера нагрузки на частоту, форму и выходное напряжение.

Двухтактная схема инвертора с внешним возбуждением (рисунок 6.5) позволяет полностью развязать цепи задающего генерато­ра ЗГ и нагрузки R_н. В качестве инверторов с внешним возбужде­нием чаще всего используют схемы двухтактных усилителей мощности с выходным трансформатором. Задающий генератор ЗГ представляет собой маломощный преобразователь с самовозбужде­нием, не отличающийся от рассмотренных ранее.

Рис. 6.5. Схема двухтактного инвертора с внешним возбуждением

Рис. 6.6. Схема мостового параллельного тиристорного инвертора

Диоды VD1 и VD2 защищают транзисторы от перенапряжения и обеспечивают возвращение реактивной энергии, накапливаемой в трансформаторе, источнику постоянного тока. При этом форма кривой напряжения приближается к прямоугольной. Выходной трансформатор преобразователя доводить до насыщения нет необ­ходимости, благодаря чему уменьшаются потери и к.п.д. может достигать 80-90%. Преобразователи этого типа выполняются мощ­ностью до 500 Вт.

Тиристорные инверторы. В качестве элементов в схемах инверто­ров широко применяют управляемые вентили -тиристоры, которые по сравнению с транзисторами имеют такие особенности.

Тиристоры открываются при подаче в цепь управляющего элект­рода импульса тока. Однако у открытого прибора управляющие электроды теряют управляющие свойства, и закрывание тиристора практически может быть достигнуто снижением анодного напряже­ния до нуля или подачей отрицательного напряжения на анод. В большинстве инверторов в качестве элемента, обеспечивающего закрывание тиристоров, используют коммутирующий конденсатор, включаемый последовательно или параллельно по отношению к нагрузке. В зависимости от этого схемы инверторов называют последовательными или параллельными. Наиболее широкое расп­ространение получили схемы параллельных инверторов.

Мостовая схема параллельного инвертора (рисунок 6.6) содержит тиристоры VS1, VS2, VS3 и VS4, включенные по мостовой схеме. В одну диагональ моста включен источник постоянного тока U₀, а в другую - первичная обмотка трансформатора Т. Параллельно пер­вичной обмотке трансформатора включен коммутирующий кон­денсатор С. Дроссель L- обеспечивает постоянство тока, потребляе­мого от источника. Принцип работы схемы заключается в следую­щем. Управляющие импульсы от внешнего источника подаются одновременно на тиристоры VS1 и VS4, которые открываются, и через них протекает ток i_L, равный сумме тока первичной обмотки трансформатора i₁, и тока заряда конденсатора i_c.Коммутирующий конденсатор заряжается до напряжения U_с ~ U₀. Затем управляю­щие импульсы открывают тиристоры VS2 и VS3, вследствие чего к тиристорам VS1 и VS4будет приложено отрицательное напряжение U₀и они запираются. Ток в первичной обмотке трансформатора меняет направление, конденсатор С перезаряжается до напряжения U_С = U_о с противоположной полярностью. Затем под воздействием управляющих импульсов вновь открываются тиристоры VS1и VS4, и процесс повторяется.

Рис. 6.7. Схема параллельного инвертора на тиристорах (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б)

Двухтактная схема параллельного инвертора на тиристорах (рисунок 6.7, а) получила наиболее широкое распространение. В схеме используют такие же элементы, как и в мостовой, но ток коммути­руется только двумя тиристорами VS1 и VS2. К концу отрезка времени t₀ – t₁ (рисунок 6.7,6) тиристор VS1 закрыт, а VS2 открыт, конденсатор С заряжен и имеет полярность, указанную на схеме в скобках. В момент времени t₁ на управляющий электрод тиристора VS1 подается положительный импульс i_у1, и он открывается. Напряжение на конденсаторе С через малое сопротивление откры­того тиристора VS1 оказывается приложенным к еще открытому

тиристору VS2 и в течение очень малого промежутка времени (микросекунд) его закрывает. Ток i_а1 открытого тиристора VS1, протекая по верхней половине первичной обмотки трансформатора Т, наводит в нижней обмотке э.д.с. с полярностью (см. рисунок 6.7,а). Конденсатор С под воздействием разности потенциалов на концах первичной обмотки трансформатора начинает перезаряжаться. По мере заряда конденсатора ток i_с уменьшается. Напряжение u_а1 на открытом тиристоре мало, а его ток i_а1, равный току i_L при достаточно большой индуктивности дросселя L остается практи­чески неизменным. В момент времени t₂на управляющий электрод: тиристора VS2 подается положительный импульс i_у2, который его открывает. Напряжение на конденсаторе С (его полярность указана на рисунке 6.7,а без скобок) вызывает быстрое запирание тиристора VS1. При этом ток конденсатора резко изменяет направление, и он вновь начинает перезаряжаться. Таким образом, процесс коммутации тиристоров периодически повторяется, и на выходе инвертора возникает переменное напряжение u_н. Для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы время работы t_δ, в течение которого на аноде тиристора сохранялся отрицательный потенциал, было бы больше времени выключения t_выкл. В противном случае закрывае­мый тиристор вновь откроется, что приведет к короткому замыка­нию источника постоянного тока.