Spänningsregulator

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 2 mars 2018; kontroller kräver 29 redigeringar .

En spänningsregulator är en elektromekanisk [ 1] eller elektrisk ( elektronisk ) anordning som har en ingångs- och utgångsspänning , utformad för att hålla utspänningen inom snäva gränser, med en signifikant förändring av ingångsspänningen och utgångsbelastningsströmmen .

En stabiliserad strömkälla ( eng. Power conditioner ) är utrustning som används för att omvandla elektrisk energi till en form som är lämplig för efterföljande användning. [2]

Beroende på typen av utspänning delas stabilisatorer in i likspännings- och växelspänningsstabilisatorer . Som regel är typen av spänning vid stabilisatorns ingång och vid dess utgång densamma (konstant eller variabel), men i vissa typer av stabilisatorer är deras typer olika.

DC-spänningsstabilisatorer

Linjär stabilisator

En linjär spänningsregulator är en spänningsdelare , vars ingång matas med en ingångsspänning (ostabil) och den utgående (stabiliserade) spänningen tas från den nedre armen på delaren. Stabilisering utförs genom att ändra motståndet hos en av delararmarna: motståndet upprätthålls konstant så att spänningen vid stabilisatorns utgång ligger inom de fastställda gränserna.

Med ett stort förhållande mellan ingångs-/utgångsspänningar har den linjära regulatorn låg effektivitet, eftersom det mesta av ingångseffekten försvinner i form av värme på kontrollelementet, effektförlusten i serieregulatorn : $P_{L}$

P_{L}=(U_{in}-U_{out})\cdot I_{out},

var är inspänningen för stabilisatorn,

U_{in}

U_{out}

- stabilisatorns utspänning,

I_{out}

- utströmmen från stabilisatorn.

Därför måste regleringselementet i stabilisatorer av denna typ och ökad effekt avleda betydande kraft, det vill säga det måste installeras på en radiator av det önskade området.

Fördelen med en linjär regulator är enkelheten, bristen på störningar och ett litet antal elektroniska komponenter som används.

Beroende på införandet av ett element med variabelt motstånd klassificeras linjära stabilisatorer i två typer:

Serie: Reglerelementet är seriekopplat med lasten.
Parallell : Reglerelementet ansluts parallellt med lasten.

Beroende på stabiliseringsmetod:

Parametrisk : i en sådan stabilisator används enhetens I–V-karakteristik , där enhetens differentialresistans är liten i ett brett spektrum av strömmar som flyter genom enheten.
Kompenserande : har feedback . I den jämförs spänningen vid stabilisatorns utgång med referensen, från skillnaden mellan dem bildas en styrsignal för reglerelementet.

Parallell parametrisk stabilisator på en halvledarzenerdiod

I denna krets kan både en halvledarzenerdiod och en gasurladdningsglödurladdningszenerdiod användas .

Sådana stabilisatorer används för att stabilisera spänningen hos kretsar med låg strömförbrukning, eftersom för att stabilisera spänningen måste strömmen genom zenerdioden vara flera gånger (3 - 10) högre än strömförbrukningen från stabilisatorn i den anslutna lasten . Typiskt används en sådan linjär regulatorkrets som en spänningsreferens i mer komplexa styrregulatorkretsar. $D1$ $R_{L}$

För att minska instabiliteten hos utspänningen som orsakas av förändringar i inspänningen, i stället för ett motstånd , ingår en tvåterminalsenhet med hög differentialresistans i I–V-sektionen i driftsströmområdet, som fungerar som en strömkälla . Denna åtgärd minskar dock inte instabiliteten hos utspänningen som orsakas av förändringen i lastresistans. $R_{V}$

Seriestabilisator bipolär transistor

I denna krets är spänningen vid basen av reglertransistorn lika med spänningen vid zenerdioden och utspänningen kommer att vara: - spänningen mellan basen och emittern på transistorn. Eftersom den beror lite på emitterströmmen, utströmmen från stabilisatorn, och är liten (0,4 V för germaniumtransistorer och 0,6-0,65 V för kiseltransistorer), stabiliserar ovanstående krets spänningen. ${\displaystyle U_{z))$ $U_{out}=U_{z}-U_{be},\$ $U_{{be}}$ $U_{{be}}$

Faktum är att kretsen är den parallella parametriska stabilisatorn för zenerdioden som diskuterats ovan , ansluten till emitterföljarens ingång . Den har ingen självreglerande krets som ger nästan fullständig kompensation för förändringar i utspänning och förändringar i utström.

Utspänningen är mindre än stabiliseringsspänningen för zenerdioden med en mängd som beror lite på mängden ström som flyter genom transistorn. Ett visst beroende av storleken på ström och temperatur försämrar stabiliteten hos utspänningen, jämfört med en parallell parametrisk stabilisator på en zenerdiod. $U_{{be}}$ $U_{{be}}$

Emitterföljaren här är en strömförstärkare och låter dig öka den maximala utströmmen från stabilisatorn, i jämförelse med en parallell parametrisk stabilisator på en zenerdiod, med en faktor för statisk strömöverföringskoefficient för transistorn i gemensamt kollektorläge . Eftersom den är flera tiotals gånger större än 1, förstärks den lilla ström som tas från den parametriska stabilisatorn med en faktor. Om sådan strömförstärkning inte är tillräcklig för att ge en given utström, används en sammansatt transistor , till exempel ett Darlington-par. ${\displaystyle B_{st))$ ${\displaystyle B_{st))$ ${\displaystyle B_{st))$ ${\displaystyle B_{st))$

Vid en mycket låg belastningsström, i storleksordningen enheter - tiotals mikroampere, ökar utspänningen för en sådan stabilisator ( öppen kretsspänning ) med cirka 0,6 V, eftersom den vid sådana strömmar blir nära noll. I vissa applikationer är detta oönskat, då är ett extra belastningsmotstånd anslutet till stabilisatorns utgång, vilket i alla fall ger en minimal belastningsström för stabilisatorn på några milliampere. $U_{{be}}$

Seriekompensationsregulator med autoregleringskrets

I sådana stabilisatorer jämförs utspänningen med referensspänningen, skillnaden mellan dessa spänningar förstärks av felsignalförstärkaren, utsignalen från felsignalförstärkaren styr reglerelementet.

Diagrammet i figuren visas som ett exempel. En del av utspänningen , hämtad från den resistiva spänningsdelaren , bestående av en potentiometer och fasta motstånd , jämförs med referensspänningen från den parametriska stabilisator-zenerdioden . Skillnaden mellan dessa spänningar förstärks av en differentialförstärkare baserad på en operationsförstärkare (op amp) , vars utgång ändrar basströmmen för transistorn ansluten enligt emitterföljarkretsen [3] . $U_{out}$ $R2$ $R1,\ R3$ ${\displaystyle U_{z))$ $D1$ $U1$

Denna krets har en autoregleringsslinga, en negativ återkopplingsslinga . Om utgångsspänningen är mindre än det angivna värdet, öppnar den reglerande transistorn mer genom återkopplingen, om utgångsspänningen är större än det angivna värdet, då vice versa.

För stabiliteten hos autoregleringsslingan bör slingfasförskjutningen vara nära 180°. Eftersom en del av utgångsspänningen matas till operationsförstärkarens inverterande ingång , som skiftar fasen med 180°, och styrtransistorn är ansluten enligt emitterföljarkretsen, som inte skiftar fasen vid låga frekvenser, säkerställer detta stabiliteten hos autoregleringskretsen, eftersom slingfasförskjutningen är nära 180°. $U_{out}$ $U1$

Referensspänningen beror på mängden ström som flyter genom zenerdioden. Huvudkällan till instabilitet hos referensspänningen är förändringar i inspänningen, eftersom med sådana förändringar ändras strömmen hos zenerdioden. För att stabilisera strömmen under förändringar ingår ibland en strömkälla istället för ett motstånd . $oss$ $U_{in}$ $R_{V}$

I denna stabilisator är op-ampen ansluten enligt schemat för en icke-inverterande förstärkare (med en emitterföljare för att öka utströmmen). Förhållandet mellan motstånden hos motstånden i återkopplingskretsen bestämmer dess förstärkning, vilket bestämmer hur många gånger utspänningen kommer att vara högre än ingången (det vill säga referensspänningen som appliceras på den icke-inverterande ingången på op-amp) . Eftersom förstärkningen för en icke-inverterande förstärkare alltid är större än ett måste värdet på referensspänningen (zenerdiodstabiliseringsspänning) väljas mindre än , eller så tas referensspänningen bort från den resistiva delaren som är ansluten till zenerdioden. ${\displaystyle U_{z))$ $U_{out}$

Instabiliteten hos utspänningen för en sådan stabilisator bestäms nästan helt av instabiliteten hos referensspänningen, eftersom de återstående källorna till instabilitet hos moderna op-förstärkare, på grund av den höga förstärkningen av moderna op-amps, når 10 5 ... 10 6 . utgångsspänningen kompenseras.

Parametrarna för en sådan stabilisator visade sig vara lämpliga för många praktiska behov. Därför har de producerats i nästan ett halvt sekel, och idag har de den bredaste applikationen, sådana stabilisatorer i integrerad design: KR142EN5A , 7805 och många andra. andra

Växlingsstabilisator

I en omkopplingsregulator tillförs spänning från en ostabiliserad extern källa till en energilagringsenhet (vanligtvis en kondensator eller induktor ) i korta pulser genererade av en elektronisk nyckel. Under nyckelns stängda tillstånd lagras energi i drivenheten, som sedan överförs till lasten. Användningen av en choke som ett lagringselement gör att du kan ändra utspänningen från stabilisatorn i förhållande till ingången utan att använda transformatorer: öka, minska eller invertera. Stabilisering utförs genom korrekt kontroll av pulsernas varaktighet och pauserna mellan dem med hjälp av pulsbreddsmodulering , pulsfrekvensmodulering eller en kombination av båda.

En pulsstabilisator, jämfört med en linjär, har en betydligt högre effektivitet, eftersom kontrollelementet arbetar i ett nyckelläge. Nackdelarna med en omkopplingsregulator är impulsbrus i utspänningen och relativ komplexitet.

Till skillnad från en linjär regulator kan en omkopplingsregulator konvertera inspänningen på ett godtyckligt sätt, beroende på regulatorkretsen och läget för att styra dess nycklar:

Buck Regulator: Den utgående stabiliserade spänningen är alltid lägre än ingångsspänningen och har samma polaritet.
Boost Regulator: Den utgående stabiliserade spänningen är alltid högre än ingångsspänningen och har samma polaritet.
Step-down stabilisator: utgångsspänningen, beroende på nyckelkontrollläge, kan vara antingen högre eller lägre än inspänningen och har samma polaritet. En sådan stabilisator används i fall där inspänningen kan skilja sig från utspänningen i vilken riktning som helst.
Inverterande stabilisator: den utgående stabiliserade spänningen har en omvänd polaritet i förhållande till ingången, det absoluta värdet på inspänningen kan vara vilket som helst.
Universal - utför alla funktioner som anges ovan.

AC spänningsstabilisatorer

Uppdelad i två huvudtyper

1) Enfas spänningsregulatorer för 220-230 volt, avsedda för hushålls-, kontors- och industribelastningar med liten kapacitet.

2) Trefas spänningsstabilisatorer för 380-400 volt, avsedda för industriella belastningar med medel och hög effekt.

Ferro-resonant stabilisatorer

Under sovjettiden användes ferroresonant spänningsstabilisatorer för hushåll i stor utsträckning . De användes ofta för att driva tv-apparater . Den första generationens TV-apparater använde nätaggregat med linjära spänningsstabilisatorer (och vissa TV-kretsar, till exempel anodspänningskretsar och elektriska glödtrådsvakuumenheter, drevs av ostabiliserad spänning), som med dagliga fluktuationer och kraftiga strömstötar, särskilt på landsbygden områden, ledde till försämrad bildkvalitet och krävde preliminär stabilisering av AC-nätspänningen.

Med tillkomsten av TV-apparater från senare generationer, till exempel 4UPITST och USST , som hade växlande strömförsörjning , försvann behovet av extern ytterligare stabilisering av nätspänningen.

En ferroresonant stabilisator består av två chokes: med en omättad kärna (med ett magnetiskt gap) och en mättad, samt en kondensator. En egenskap hos en mättad induktor är att spänningen över den ändras lite när strömmen genom den ändras, eftersom dess ferromagnetiska kärna periodvis mättas. Genom att välja parametrarna för drosslar och kondensatorer är det möjligt att säkerställa spänningsstabilisering när inspänningen ändras inom ett ganska brett område. Nackdelen med sådana stabilisatorer är känsligheten för spänningens frekvens i nätet. En liten avvikelse i nätfrekvensen påverkar avsevärt utspänningen från den ferroresonanta stabilisatorn.

Moderna stabilisatorer

För närvarande är huvudtyperna av stabilisatorer:

elektrodynamisk
med en elektromekanisk servomotor av ett styrelement, t ex en autotransformator
ferroresonant
elektroniska olika typer
- stegad (elektroniska nycklar, triac, tyristor)
- stegrelä (strömreläknappar)
- kompensation (elektronisk slät)
- kombinerad (hybrid)

Industrin producerar en mängd olika modeller med en inspänning av ett enfasnätverk, (220/230 V), och en trefas (380/400 V) version, med sin uteffekt från flera watt till flera megawatt. Trefasmodeller finns i två modifieringar: med oberoende justering för varje fas eller med justering för mellanfasspänningen vid stabilisatorns ingång.

De tillverkade modellerna skiljer sig också åt i det tillåtna inspänningsområdet, vilket till exempel kan vara följande: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, ±50%, -25% / +15%, -35% /+15% eller -45%/+15%. Ju bredare intervallet är (särskilt i riktning mot att sänka inspänningen), desto större dimensioner av stabilisatorn och desto högre kostnad vid samma uteffekt. För närvarande finns det modeller av spänningsstabilisatorer med en lägre tillåten inspänning på 90 volt.

En viktig egenskap hos en spänningsstabilisator är dess hastighet - hastigheten för svar på en störning. Ju högre hastighet, desto snabbare reagerar regulatorn på förändringar i inspänningen. Hastighet definieras som hur lång tid det tar för en regulator att ändra utspänningen med en volt. Olika typer av stabilisatorer har olika hastigheter. -->

En viktig parameter är noggrannheten för att stabilisera utspänningen från AC-nätspänningsstabilisatorn. Enligt GOST 13109-97 är den maximala tillåtna avvikelsen för utspänningen ± 10% av den nominella. Stabiliseringsnoggrannheten för moderna spänningsstabilisatorer varierar från 0,5 % till 8 %.

En noggrannhet på 8% räcker för att säkerställa korrekt drift av de allra flesta moderna hushålls- och industriella elektriska enheter med inbyggd växelriktare och strömförsörjning. Strängare krav (stabiliseringsnoggrannhet bättre än 1%) krävs för att driva komplex utrustning (medicinsk, högteknologisk, etc.). En viktig konsumentparameter är stabilisatorns förmåga att leverera märkeffekt över hela inspänningsområdet, men inte alla stabilisatorer har denna egenskap.

Effektiviteten hos högeffektsservostabilisatorer är mer än 98%, och högeffektelektroniska stabilisatorer - 96%.

Se även

78xx-seriens mikrokretsar - en serie vanliga linjära regulatorer
effektregulator
Spänningsomriktare

Anteckningar

↑ Till exempel en reläregulator av vibrationstyp för att stabilisera spänningen hos en bilgenerator .
↑ GOST R 55993-2014/IEC/TS 1836:2007 Solcellssystem. Termer, definitioner och symboler s.3.2.22
↑ Kretsar. Op Amps. spänningsregulator . Datum för åtkomst: 15 januari 2011. Arkiverad från originalet den 24 februari 2011. (obestämd)

Litteratur

Veresov G. P. Strömförsörjning av radio-elektronisk hushållsutrustning. - M . : Radio och kommunikation, 1983. - 128 sid.
Kitaev VV et al. Strömförsörjning av kommunikationsenheter. - M . : Kommunikation, 1975. - 328 sid. — 24 000 exemplar.
Kostikov VG, Parfenov EM, Shakhnov VA Strömkällor för elektroniska enheter. Kretslopp och design: Lärobok för gymnasieskolor. - 2. - M . : Hotline - Telecom, 2001. - 344 sid. - 3000 exemplar. — ISBN 5-93517-052-3 .
Shtilman V. I. Mikroelektroniska spänningsstabilisatorer. - Kiev: Tekhnika, 1976.
Lepaev D. A. Elektriska apparater för hushållsändamål. - M . : Legprombytizdat, 1991. - 272 sid. — 20 000 exemplar.

Länkar

Elektrisk stabilisator - artikel från Great Soviet Encyclopedia .
GOST R 52907-2008 "Strömförsörjning för radioelektronikutrustning. Termer och definitioner"

Ordböcker och uppslagsverk	Stor ryss Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 4182086-1 J9U : 987007546192405171 LCCN : sh85144319 NKC : ph136800