18. Stabilizatory napięcia i prądu stałego

Prostowniksieciowy

Siećenergetyczna(np. 230V, 50 Hz

Filtr

R0

Stabilizator

U0

R0Stabilizator U0

RP

UWE

IWE

Stabilizator w warunkach roboczych

I0

Układy zasilane

EP

Prostownik sieciowy z filtrem

U0 = f(UWE, I0, T) - dla stabilizatora napięcia

I0 = f(UWE, U0, T) - dla stabilizatora prądu

gdzie : Uwe - napięcie na wejściu stabilizatora,

U0 - napięcie na wyjściu stabilizatora,I0 - prąd na wyjściu stabilizatora,T - temperatura otoczenia.

dTdURdUS

dTT

UdI

I

UdU

U

UdU UWYWE

UWE

WE

00

00

000

1

Stabilizator napięcia

Stabilizator prądu

dTdUGdIS

dTT

IdU

U

IdI

I

IdI IWYWE

IWE

WE

00

00

000

1

gdzie : SU - współczynnik stabilizacji zmian napięcia wejściowego, SI - współczynnik stabilizacji zmian prądu wejściowego,

U - temperaturowy współczynnik stabilizacji napięcia ,I - temperaturowy współczynnik stabilizacji prądu.

T

U

I

UR

U

US UWY

WEU

0

0

0

0

;;

Parametry przyrostowe stabilizatora napięcia

Parametry przyrostowe stabilizatora prądu

T

I

U

IG

I

IS IWY

WEI

0

0

0

0

;;

UWEUWEZnUWEMin UWEMax

Zakres stabilizacji napięcia wejściowego

U0Zn

U0Min

U0

U0Max

IWEIWEZn

IWEMin IWEMax

Zakres stabilizacji prądu wejściowego

I0Zn

I0Min

I0

I0Max

T

U0

TZn

U0Zn

TMinTMax

U0Min

U0Min

Zakres zmian temperatury otoczenia

Pozostałe parametry stabilizatorów

1. Znamionowe (nominalne) napięcie wyjściowe U0Zn,2. Znamionowy (nominalny) prąd wyjściowy I0Zn,3. Zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego UWEMin, UWEMax (stabilizator napięciowy),4. Zakres dopuszczalnych zmian prądu wejściowego IWEMin, IWEMax (stabilizator prądowy),5. Prąd zwarcia I0Zw,6. Maksymalny prąd wyjściowy I0Max,7. Zakres temperatury pracy ΔT = Tmax - Tmin,

8. Sprawność energetyczna η = U0 I0/UWE IWE

Klasyfikacja układów stabilizatorów ze względu na zasadędziałania :- stabilizatory parametryczne,- stabilizatory kompensacyjne.

W stabilizatorach parametrycznych wykorzystuje się nieliniowecharakterystyki prądowo-napięciowe elementów elektronicznychalbo dwójników,wykazujących w pewnych zakresach zbliżonedo zera wartości różniczkowych rezystancji lub kondunktancji.Stabilizatory kompensacyjne są układami automatycznej regulacji,w których wykorzystuje się właściwości ujemnego sprzężeniazwrotnego.

Klasyfikacja układów stabilizatorów ze względu na sposóbumieszczenia układu realizującego stabilizację :- stabilizatory szeregowe,- stabilizatory równoległe.

Stabilizatory parametryczne

EP

RP

R0 U0

DZ

RS

I0

IZ

Prostownik z filtrem

UWE

EP

RP

R0 U0

DZ

RS

I0

IZ

Prostownik z filtrem

-

+

rZ

UZ

UWE

WEZS

ZWE

Z

ZS

Z

Z

UrR

rU

rRrR

R

rRrR

U

0

0

0

0

0

Z

S

Z

SWEU r

R

r

R

U

US

10

R0 = const >> rZ

SZ

SZ

PSZ

PSZWY Rr

Rr

RRr

RRr

I

UR

0

0

T

U

T

U

Rr

R

T

U ZZ

SZ

SU

0

Stabilizatory parametryczne stosowane są zazwyczaj tylko przy małych mocach wyjściowych i niezbyt wygórowanych wymaganiachjakościowych. Charakteryzują się one małą sprawnością , a ichwspółczynniki stabilizacji mają umiarkowaną wartość przy zmianachobciążenia i napięcia wejściowego. Wartość napięcia stabilizowanego jak i prądu wyjściowego zależągłównie od parametrów elementu nieliniowego. Jest to istotna wadatego typu układów ponieważ w przypadku konieczności zmianytych wielkości, konieczna jest wymiana elementu nieliniowego (diodyZenera).Minimalne rezystancje rZ występują dla diod Zenera o napięciu UZ

około 7 V, a minimalne współczynniki temperaturowe dla diod onapięciu Zenera z przedziału UZ = (5-6)V.

Szeregowy stabilizator kompensacyjny o działaniu ciągłym

UEB

+EP

RP

Prostownik z filtrem

R0

I0

U0

UWE

IE

R1

R2

R3

UB

Id

+

-

KU

(ΔUEB= -(1 + βUKU)ΔU0)

(ΔU0)(βUΔU0)(-βUKUΔU0)

βU= R3/(R3 + R2)

-(ΔUWE)

ΔU0 ΔUWE/(1+βUKU)

UCE

UCEQ1=UCEZn

UWE

UEB1

R01

IE

U0Q1=U0Zn

UEB2= UEB1

UEB3= UEB1

ICI0 Q1

Q2

Q3

Q4

R02>R01

UCEQ2 U0Q2

- ΔUEB2

- ΔUEB3

ΔU04

Ilustracja działania szeregowego stabilizatora kompensacyjnego przy zmianie rezystancji obciążenia

)( 1UK

)( 12 UU KK

UCE

UCEQ1=UCEZn

UWE1

UEB1

R01

IE

U0Q1=U0Zn

UEB2= UEB1

UEB3= UEB1

ICI0 Q1

Q2

Q3

Q4

R01

UCEQ2U0Q2

- ΔUEB2 (KU1)

- ΔUEB3 (KU2>KU1)

ΔU04

Ilustracja działania szeregowego stabilizatora kompensacyjnego przy zmianie napięcia wejściowego

UWE2

ΔUWE

Układy zabezpieczeń stabilizatorów

Układ z ograniczeniem prądu obciążenia

DZ2

UWE

D

DZ1

R5

R3

R4

R2

R1

T3

T1

T2

UO

RZ

UZ2

UR5

UEB3

RO

IO

Układ ogranicznika prądu obciążenia tworzą rezystory R3-R5,tranzystor T3 oraz diody D i DZ2.Elementem próbkującym prądwyjściowy jest rezystor R5. Tak długo jak spadek napięcia na nimjest mniejszy od spadku napięcia IE3R4 dioda D nie przewodzi.Gdy prąd wyjściowy przekroczy wartość dopuszczalną dioda Dzaczyna przewodzić i na rezystorze R5 ustali się napięcie równe

UR5 = UZ2 + UD – UEB3 ≈ UZ2

Napięcie UZ2 jako napięcie Zenera ma stałą wartość, a zatem prądwyjściowy dalej już nie wzrasta i wynosi

5

2

5

5max R

U

R

UI ZRO

IO

UO

IOmaxIOzw

Charakterystyka prądowo-napięciowa układu z ograniczeniem prądu obciążenia

Mimo, ze w układzie jest zastosowany ogranicznik prądu, należynadal przestrzegać, aby nie przekroczyć dopuszczalnej mocy strat PCmax tranzystora regulacyjnego T1,, określonej zależnością

Pcmax < IO max UCE1 max

przy czym napięcie UCE1 max występuje w stanie zwarcia wyjściastabilizatora.

Układ z redukcją prądu zwarcia

DZ2

UWE

DZ1

R5

R3

R4

R2

R1

T3

T1

T2

UO

RZ UR6

UR5

UEB4

RO

IOR6

R7

R8

T4

Układ zabezpieczenia tworzą rezystory R5-R7 oraz tranzystor T4.Przy normalnym obciążeniu jest on zatkany, a stan ten jest wymuszony przez dzielnik R6-R7. Elementem próbkującymprąd wyjściowy jest rezystor R5. Gdy spadek napięcia na nimwzrośnie powyżej wartości UR5 UR6 – UEB4 tranzystor T4 zaczynaprzewodzić, co w konsekwencji przeciwdziała dalszemu wzrostowiprądu wyjściowego.

Na podstawie powyższych rozważań można wyznaczyć maksymalnyprąd zwarcia z układu równań

UR5 = IO R5

UR6 = (UO + UR5) R6/(R6 + R7)UR5 – UR6 = UEB4

StądIO max R5 – (UO + IO max R5) R6/(R6 + R7) = UEB4

IO

UO

IOmaxIOzw

Charakterystyka prądowo-napięciowa układu z redukcją prądu zwarcia

Na podstawie ostatniego z równań otrzymujemy

IO max = UEB4 (R6 + R7)/ (R6 R7) + UO R6/(R6 + R7)

Jeśli UO = 0 ( zwarcie na wyjściu)

IO zw = UEB4 (R6 + R7)/ (R6 R7)