ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
Феррорезонансный стабилизатор (ФРС) представляет собой устройство, принцип работы которого основан на использовании резонансных явлений и нелинейных свойств насыщенных стальных магнитопроводов. Существует большое количество типов феррорезонансных стабилизаторов, которые отличаются один от другого как конструкцией, так и электрической схемой.
Рассмотрим устройство и работу наиболее часто применяемого феррорезонансного стабилизатора с магнитным шунтом, (рис. 1.19). Магнитопровод этого стабилизатора представляет собой трехстержневой сердечник с различными сечениями. На среднем стержне с большим сечением расположена первичная обмотка w1 и компенсационная wK, на крайнем стержне с меньшим сечением— вторичная обмотка w2 и резонансная wp обмотки. Третий стержень, отделенный от среднего стержня воздушным зазором, является магнитным шунтом. На обмотку w1 подается напряжение сети переменного тока. Ток, проходящий по обмотке w1, создает в среднем стержне основной магнитный поток, который замыкается через крайние стержни. Так как средний стержень имеет большое сечение, то МДС обмотки w1 не насыщает его. Стержень с обмотками w2 и wp оказывается насыщенным, так как он имеет меньшее по сравнению со средним стержнем сечение.
Изменением величины воздушного зазора между шунтом и средним стержнем создается необходимое распределение магнитного потока между шунтом и стержнем с меньшим сечением, что является дополнительным средством для более точной настройки ФРС. Конденсатором Ср, включенным параллельно с последовательно соединенными вторичной и резонансной обмотками, создан резонансный контур (резонанс токов), в ветвях которого протекают очень значительные токи, которые еще больше насыщают стержень с меньшим сечением.
Рис. 1.19. Феррорезонансный стабилизатор с магнитным шунтом
Рис. 1.20. Феррорезонансный стабилизатор со сдвинутой фазой
Феррорезонансный стабилизатор работает следующим образом. При повышении входного напряжения возрастает и магнитный поток в среднем стержне. В связи с тем что сталь крайнего стержня с меньшим сечением уже насыщена, то магнитный поток в нем возрастает незначительно и выходное напряжение стабилизатора мало изменяется. При этом избыток потока замыкается через магнитный шунт и частично рассеивается через воздух. Стабильность выходного напряжения повышается еще больше благодаря компенсационной обмотке wK, так включенной последовательно с обмоткой w2, что ее напряжение вычитается из напряжения вторичной обмотки. Напряжение компенсационной обмотки пропорционально напряжению сети, но оно значительно меньше напряжения обмотки w2. Напряжение на нагрузке феррорезонансного стабилизатора равно разности напряжений вторичной и компенсационной обмоток, поэтому небольшое приращение напряжения, «второе все же получается на вторичной обмотке w2, будет скомпенсировано увеличившимся напряжением обмотки аак.
Из-за явления резонанса ФРС чувствителен к колебаниям частоты питающей сети. Изменение частоты сети на 1% вызывает изменение стабилизированного напряжения на 1,5-—2%, что является основным недостатком ФРС. К другим недостаткам относятся искажение формы кривой выходного напряжения и зависимость выходного напряжения от характера нагрузки. Достоинствами ФРС являются небольшая стоимость, большой срок службы и надежность в работе, простота конструкции и простота в обслуживании, высокая стабильность напряжения. Феррорезонансные стабилизаторы с магнитным шунтом применены в выпрямительных устройствах типа ВУ для получения эталонного напряжения в электромагнитном стабилизаторе.
В выпрямительных блоках типа ВБ разработки 60-х годов, предназначенных для питания телефонных станций малой емкости, применены однофазные ФРС со сдвинутой фазой (рис. 1.20). Феррорезонансный стабилизатор состоит из насыщенного Τр1 и ненасыщенного Тр2 трансформаторов и резонансной емкости С. Ненасыщенный трансформатор с воздушным зазором имеет линейную характеристику и работает из-за наличия воздушного зазора на ненасыщенном участке кривой намагничивания. Ненасыщенный трансформатор имеет первичную w1 и вторичную w2 обмотки, насыщенный трансформатор — первичную w1, резонансную wр и вторичную w2 обмотки, Параллельно включенные конденсатор и резонансная обмотка представляют собой нелинейное звено стабилизатора. Вторичные обмотки насыщенного и ненасыщенного трансформаторов соединяются в несимметричную звезду и подключаются к трехфазной мостовой схеме выпрямления. При изменении напряжения сети и тока нагрузки происходит перераспределение напряжения между первичными, а следовательно, и вторичными обмотками трансформаторов и изменение угла сдвига фаз между ними. Благодаря этому напряжение на выходе моста остается скомпенсированным.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения подразделяются на две основные группы: параметрические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах и компенсационные стабилизаторы на транзисторах.
Параметрические стабилизаторы на кремниевых стабилитронах осуществляют стабилизацию напряжения за счет нелинейности вольт-амперной характеристики кремниевого стабилитрона, т. е. когда зависимость между током и напряжением не подчиняется закону Ома. Простейшая схема такого стабилизатора приведена на рис. 1.21а, а вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона — на рис. 1.21б. Принцип работы такого стабилизатора заключается в том, что при увеличении напряжения на входе стабилизатора ток через стабилитрон Д резко возрастает, вследствие чего увеличивается падение напряжения на гасящем резисторе Rг. Приращение напряжения на резисторе Rг примерно равно приращению напряжения на входе стабилизатора, а напряжение на выходе стабилизатора, равное напряжению стабилизации кремниевого стабилитрона, при этом почти не изменяется. Для увеличения стабилизируемого напряжения стабилитроны включаются последовательно.
Параметрические стабилизаторы напряжения на кремниевых стабилитронах применяются в выпрямительных устройствах в основном как источники эталонного (опорного) напряжения и как вспомогательные источники питания.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения иа транзисторах представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью.
Рис. 1.21. Параметрический стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне: а — схема; б — вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона
Рис. 1.22. Структурная схема стабилизатора постоянного напряжения с непрерывным регулированием
Стабилизация в них осуществляется за счет изменения параметров регулируемого элемента—транзистора при воздействии на него сигнала обратной связи. В этих стабилизаторах транзистор может работать как в режиме непрерывного регулирования (линейном), так и в импульсном.
Структурная схема стабилизатора напряжения, регулирующий транзистор которого работает в режиме непрерывного регулирования, показана на рис. 1.22. Такой стабилизатор состоит из регулирующего транзистора Т, включенного последовательно с нагрузкой, схемы сравнения СС и усилителя постоянного тока УПТ. Регулирующий транзистор используется как регулируемое сопротивление, величина которого изменяется так, что выходное напряжение будет оставаться практически постоянным. Схема сравнения состоит из источника опорного напряжения и делителя выходного напряжения. В схеме СС сравниваются выходное и опорное напряжения. Сигнал разности этих двух напряжений (сигнал рассогласования) подается на вход УПТ. Сигнал рассогласования, усиленный УПТ, воздействует на регулирующий транзистор. Например, при увеличении входного напряжения стабилизатора увеличивается его выходное напряжение, на выходе СС появляется сигнал рассогласования, который усиливается УПТ и поступает на вход регулирующего транзистора. Сопротивление транзистора увеличивается, увеличивается и падение напряжения на нем, в результате чего выходное напряжение уменьшается и становится равным первоначально установленному значению.
Достоинства схемы: простота и высокая точность стабилизации. Основным ее недостатком является сравнительно низкий КПД (0,5—0,6), обусловленный потерями мощности на регулирующем транзисторе.
Структурная схема стабилизатора напряжения, регулирующий, транзистор которого работает в импульсном режиме (режиме переключения), показана на рис. 1,23а.
Рис. 1.23. Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения: а — структурная схема; б — временные диаграммы стабилизатора с импульсной модуляцией; в — временные диаграммы двухпозиционного стабилизатора
Такой стабилизатор состоит из силовой цепи (регулирующий транзистор Т и фильтр Ф) схемы управления СУ. Регулирующий транзистор представляет собой периодически размыкающийся и замыкающийся ключ, т. е. транзистор быстро переходит из области закрытого состояния (отсечки) в область открытого состояния (насыщения). При импульсном регулировании источник нестабилизированного напряжения периодически подключается к нагрузке и отключается от нее, т. е. регулирующий транзистор преобразовывает напряжение постоянного тока нестабилизированного источника в последовательность периодически изменяющихся импульсов или периодически изменяющееся напряжение (рис. 1.23б,в). Периодичность переключения обеспечивается схемой управления. Так, для схемы рис. 1.23б сигнал рассогласования преобразуется в последовательность, импульсов с изменяющимися временными параметрами (длительность tоткр, период Тп или частоту переключения fn), которые затем воздействуют на регулирующий транзистор таким образом, чтобы поддержать неизменным выходное напряжение. На выходе стабилизатора имеется демодулирующее устройство, например, LC-фильтр, который вновь преобразует полученные импульсы в напряжение постоянного тока.
По способу регулирования импульсные стабилизаторы делятся на две основные группы: стабилизаторы с импульсной модуляцией и стабилизаторы релейные или двухпозиционные.
Схема управления стабилизатора с импульсной модуляцией содержит: схему сравнения СС, усилитель постоянного тока УПТ и задающий генератор ЗГ, а схема управления двухпозиционного стабилизатора — СС, УПТ и релейный элемент.
В свою очередь в стабилизаторах с импульсной модуляцией регулирование напряжения осуществляется: изменением времени: открытого состояния регулирующего транзистора при постоянной частоте переключения, т. е. широтно-импульсная модуляция (ШИМ); изменением частоты переключения регулирующего транзистора при постоянной длительности импульсов, т. е. частотноимпульсная модуляция (ЧИМ); комбинированным способом с помощью ШИМ и ЧИМ. В зависимости от величины сигнала рассогласования в случае с ЧИМ изменяется частота задающего генератора, а в случае с ШИМ — длительность импульсов.
В качестве релейного элемента у двухпозиционных стабилизаторов применяют, например, триггер с двумя порогами срабатывания (Uвых тах и
Uвых тin), который управляет регулирующим транзистором, т. е. при Uвых тах транзистор закрывается, а при Uвых тin — открывается. При открытом транзисторе напряжение на выходе Uвых растет до верхнего порога срабатывания триггера (Uвых тах), а при закрытом падает до нижнего порога срабатывания Uвых тin. Периодические переключения триггера под действием Uвых тах и Uвых тin создают в схеме автоколебания (см. рис. 1.23в), Uвых все время изменяется по величине с двойным размахом Uвых тan—Uвых тin. Период переключения триггера изменяется в зависимости от величины входного напряжения и тока нагрузки, вследствие чего среднее значение выходного напряжения поддерживается неизменным с заданной точностью стабилизации.
Импульсные стабилизаторы имеют более высокий КПД и меньшие габариты по сравнению со стабилизаторами непрерывного регулирования; КПД импульсных стабилизаторов равен 0,8—0,9.
Недостатками импульсного стабилизатора являются: сложность электрической схемы из-за большого числа элементов; большой уровень помех, получающийся за счет крутых фронтов импульсов.
