книги из ГПНТБ / Белопольский, И. И. Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений

как высокостабильные стабилитроны имеются только на напряжения 8—9 в.

Несмотря на указанные недостатки, схема последова­ тельного стабилизатора рассматриваемого типа широко применяется на практике, в частности, для создания интегральных (гибридных и твердотельных) стабилиза­ торов.

Существенным преимуществом линейных стабилиза­ торов (последовательного и параллельного типов)

6) у

Рис. 7. Блок-схемы ключевых стабилизато­ ров выпрямленного напряжения.

а — параллельная; б — последовательная.

является хорошее сглаживание ими пульсаций выпрям­ ленного напряжения, что позволяет получать весьма малые (единицы милливольт) пульсации выходного на­ пряжения. С уменьшением выходных напряжений умень­ шаются также и абсолютные величины пульсации на входе стабилизаторов, что несколько компенсирует от­ носительное увеличение минимального напряжения на переходе коллектор — эмиттер регулирующего транзи­ стора, а при достаточно малых величинах входного на­ пряжения позволяет питать стабилизатор от бесфильтровых выпрямителей (6, 9 и 12-фазных).

К недостаткам последовательных стабилизаторов следует отнести их малую надежность при токовых пе­ регрузках и особенно при коротких замыканиях на вы­ ходе. Для повышения надежности последовательных стабилизаторов необходимы специальные устройства за­ щиты, приводящие к некоторому усложнению их схем.

Практические схемы линейных стабилизаторов и ме­ тоды их инженерного расчета приведены в [Л. 4, 5, 7].

Перейдем к рассмотрению особенностей построения и свойств ключевых (импульсных) стабилизаторов.

Так же как и линейные, ключевые стабилизаторы де­ лятся на стабилизаторы с параллельным и последова­ тельным включением регулирующего элемента относи­ тельно нагрузки. Блок-схемы ключевых стабилизаторов приведены на рис. 7. Эти схемы отличаются от схем рис. 6 измененной схемой регулирующего элемента (РЭ) и наличием дополнительного элемента (ПЭ), преобра­

ствующих на ключевой элемент (транзистор). Регулирующий элемент состоит из транзистора Т,

сглаживающего индуктивно-емкостного фильтра LC и диода Д. В схеме рис. 7,а диод Д предотвращает раз­ ряд конденсатора С через замкнутый транзистор Т. В схеме рис. 7,6 диод Д обеспечивает протекание тока от индуктивности L в нагрузку при разомкнутом транзи­ сторе Т.

По типу применяемых на практике преобразователь­ ных элементов ключевые стабилизаторы делятся на две группы: 1) релейные (двухпозиционные), у которых прерывистый режим работы возникает в результате использования в цепи обратной связи элемента с релей­ ной характеристикой и 2) широтно-импульсные, в кото­ рых управление транзистором Т осуществляется с по­ мощью задающего генератора, формирующего последо­

По своим энергетическим показателям параллельные и последовательные стабилизаторы ключевого типа при­ мерно равноценны.

Ключевые стабилизаторы имеют .больший к. п. д., чем у линейных транзисторных стабилизаторов, что объясняется значительным (в 3—4 раза) снижением по­ терь в регулирующем транзисторе при его работе в клю­ чевом режиме по сравнению с работой в непрерывном режиме в линейном стабилизаторе.

Повышение к. п. д. особенно важно при питании ста­ билизатора от источника энергии небольшой мощности,

20

что является характерным для передвижных и бортовых источников питания. Уменьшение потерь на нагревание улучшает тепловой режим радиоэлектронной аппарату­ ры, что особенно важно при использовании полупровод­ никовых приборов, а также позволяет уменьшить габа­ рит и массу теплоотводящих радиаторов регулируемых транзисторов и трансформаторов выпрямителей, рассчи­ тываемых на меньшую мощность.'

Параллельные стабилизаторы ключевого типа, вы­ полненные по схеме рис. 7,а, целесообразно применять в тех случаях, когда выходное напряжение стабилиза­ тора превышает его входное напряжение. Увеличение выходного напряжения получается при подключении диода Д на зажим 2 индуктивности L, как это показано пунктиром на схеме рис. 7,а, за счет введения дополни­ тельного напряжения от обмотки Ь2з в контур, образо* ванный нагрузкой Rw диодом Д и источником энергии, питающим стабилизатор.'

Параллельная схема является более экономичной, так как она позволяет облегчить режим работы тран­ зистора за счет уменьшения коммутируемой им мощно­ сти. Поскольку в такой схеме при закрытом транзисторе к его зажимам может прикладываться напряжение, пре­ вышающее выходное напряжение стабилизатора [Л. 8], эту схему целесообразно применять при низких напря­ жениях и больших токах нагрузки.

В последовательных стабилизаторах ключевого ти­ па, выполненных по схеме рис. 7,6, выходное напряже­ ние всегда меньше входного, так как эти стабилизаторы представляют собой по существу делители напряжения [Л. 8]. Это свойство предопределяет их преимуществен­ ное использование для получения низких напряжений. Однако при необходимости значительного понижения выходного напряжения условия использования транзи­ стора РЭ в последовательной схеме ухудшаются.

Следует также остановиться на возможностях реали­ зации параллельных и последовательных стабилизаторов с различными схемами управления. Параллельный ста­ билизатор не может работать в режиме двухпозиционно­ го релейного регулирования с обратной связью по вы­ ходному напряжению, в то время как метод широтно­ импульсного регулирования может быть применен как в параллельном, так и в последовательном стабилиза­ торах.

21

для сердечников дросселей насыщения (д. н.) материа­ лов с прямоугольной петлей перемагннчпвапия и при весьма малом активном сопротивлении рабочих обмоток д. и. может рассматриваться как ключевой элемент, пе­ риодически коммутируемый с частотой, синхронной с ча­ стотой сети.

Тиристорные стабилизаторы по принципу своего дей­ ствия аналогичны дроссельным стабилизаторам с д. и. на сердечниках с прямоугольной петлей перемагничивания и принадлежат к классу ключевых стабилиза­ торов.

Транзисторные стабилизаторы, регулируемые по це­ пям переменного тока, относятся к стабилизаторам, ре­ гулирующий элемент которых представляет собой управляемое активное сопротивление. Однако транзи­ сторы могут использоваться не только в качестве регу­ лируемых .сопротивлений, но и в ключевом режиме, в инверторах (статических преобразователях постоянно­ го напряжения в переменное повышенной частоты), вхо­ дящих в состав стабилизаторов напряжения. В этом случае питание стабилизатора может производиться как от сетей постоянного, так и переменного напряжения (в последнем случае через входной выпрямитель). Не­ смотря на усложнение схемы, стабилизаторы с инверто­ рами обеспечивают большой выигрыш как за счет резко­ го уменьшения размеров и массы трансформатора и фильтра основного выпрямителя при повышении часто-

Рис. 8. Блок-схемы однофазных дроссельных стабилизаторов выпрямленного напряжения.

23

ты питания, так и вследствие возможности исключения трансформатора и сглаживающего фильтра выпрямите­ ля, питающего стабилизатор от сети переменного тока.

Дроссельные стабилизаторы, как и другие стабили­ заторы, регулируемые по цепям выпрямленного напря­ жения, могут выполняться по схемам параллельного и последовательного включения регулирующего элемента относительно нагрузки. Однако на практике преимуще­ ственно применяется последовательное включение.

Блок-схемы дроссельных стабилизаторов выпрямлен­ ного напряжения приведены на рис. 8 (при питании от однофазной сети переменного напряжения) и на рис. 9 (при питании от трехфазной сети). В этих схемах, кро­ ме использованных ранее, приняты следующие обозна­ чения: Тр— трансформатор, В — вентильная группа, Ф — сглаживающий фильтр.

Схемы рис. 8,а и 9,6 отличаются друг от друга ме­ стом включения регулирующего элемента (д. н.). При не­ обходимости получения

д. н.; 2) при больших токах нагрузки возникают кон­ структивные и технологические трудности в процессе из­ готовления д. н. [Л. 11].

Простейшие „схемы регулирующих элементов (д. и. без обратной связи), приведенные на рис. 8 и 9, на прак­ тике находят ограниченное применение, так как они тре­ буют значительной мощности усилительных элементов

24

I

(УЭ). С целью уменьшения мощности управления реко­ мендуется применять д. и. с внутренней обратной связью, приведенные на рис. 10.

' Наиболее часто в дроссельных однофазных стабили­ заторах используются схемы по рис. 10,а. В трехфазных стабилизаторах применяются схемы по рис. 10,6—г. Схема рис. 10,6 представляет собой комбинацию трех схем рис. 10,а, включенных в трехфазную сеть. Схема рис. 10,е, предложенная в [Л. 12], по своим характери­ стикам лишь незначительно отличается от схемы 10,6, однако она позволяет уменьшить вдвое число вентилей в цепях рабочих обмоток д. н., и поэтому ее применение является вполне оправданным.

В трехфазных стабилизаторах, выполненных по схе­ мам рис. 10,6, 0, наблюдается значительная асимметрия токов, потребляемых из сети. В схеме рис. 10,а, предло-

Рис. 10. Схемы дроссельных регуляторов.

женной в [Л. 13], осуществляется автоматическое вырав­ нивание этих токов. Одна из фаз питающей сети в дан­ ной схеме (фаза, содержащая д. и. с самонасыщением) является опорной; рабочий ток этой фазы после вы­ прямления используется для питания обмоток внешней обратной связи д. и. двух остальных фаз, благодаря чему и происходит выравнивание рабочих токов во всех фазах.

25

Основными достоинствами дроссельных стабилизато­ ров по сравнению с транзисторными линейными стаби­ лизаторами являются: 1) меньшие масса и объем, осо­ бенно при повышенной частоте питающей сети; 2) вы­ сокая надежность, обусловленная большей надежностью регулирующего элемента (д. н.), по сравнению с тран­ зисторами; 3) возможность построения стабилизаторов на большие токи нагрузки, что особенно важно для рас­ сматриваемой области применения.

К недостаткам дроссельных стабилизаторов следует отнести: 1) большую инерционность (т. е. худшие ди­ намические свойства), в результате чего схема с запаз­ дыванием реагирует на быстрые изменения тока на­ грузки и напряжения сети; 2) больший уровень пульса­ ций выпрямленного напряжения, вызванный инерцион­ ностью схемы и существенными искажениями формы питающих напряжений и их асимметрией; 3) низкий ко­ эффициент мощности, обусловленный потреблением из сети реактивной мощности дросселями насыщения.

Таким образом, дроссельные стабилизаторы напря­ жения можно рекомендовать для получения низких на­ пряжений при больших токах (до сотен ампер) и по­ вышенных частотах питания в тех случаях, когда не предъявляются высокие требования к величинам пуль­ сации выпрямленного напряжения и к динамическим свойствам стабилизаторов.

Практические схемы дроссельных стабилизаторов на­ пряжения и методы их инженерного расчета приведены в [Л. 4, 5, 11, 12].

Перейдем к рассмотрению особенностей построения

ик свойствам тиристорных стабилизаторов. Так же как

ив дроссельных, в применяемых на практике схемах тиристорных стабилизаторов используется последова­ тельное относительно нагрузки включение регулирую­ щих элементов (тиристоров).

Блок-схемы тиристорных стабилизаторов, питающих­

ся от однофазных сетей переменного напряжения, приве­ дены на рис. 11, а от трехфазных — на рис. 12.

Схемы рис. 11,а и в по своим качествам близки к схе­ мам дроссельных стабилизаторов напряжения, приве­ денным на рис. 8,а и б. Основным недостатком этих схем является значительное искажение формы переменного напряжения, подаваемого на выпрямитель. Однако с по­ мощью тиристорных коммутаторов-регуляторов можно

26

резко уменьшить эти искажения, применив ступенчатое регулирование переменного напряжения (см. рис. 11,6). Сущность этого способа регулирования заключается в том, что для стабилизации выходного напряжения используются как регулирование путем изменения мо-

а)

Рис. 11. Блок-схемы однофазных тиристор­ ных стабилизаторов выпрямленного напря­ жения.

Q — с. регулятором в цепи переменного напряже­ ния; б — с регулятором-коммутатором в цепи пе­ ременного напряжения; в — с регулятором в цепи выпрямителя.

мента включения тиристоров, так и переключение с од­ ного отвода трансформатора на другой. Поэтому в дан­ ной схеме не требуются большие величины углов регу­ лирования, что приводит к меньшим искажениям формы выходного напряжения.

Схемы трехфазных тиристорных стабилизаторов, при­ веденные на рис. 12, аналогичны соответствующим схе­

27

чески развязанными цепями управления тиристорами. Кроме того, тиристоры как в прямом, так и в обратном направлении должны быть рассчитаны на полное на­ пряжение сети. .Схема регулятора по рис. 13,6 состоит из четырех диодов и одного тиристора. Ее достоинством является защищенность тиристора выпрямительными диодами от воздействия обратного напряжения, а также простота схемы управления. Промежуточное место меж­ ду рассмотренными схемами занимает схема регулятора по рис. 13,ß, в которой тиристоры также защищены от

28