Стабилизаторы напряжения

Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет  произвольно изменять величину выходного  напряжения: как повышать, так и  понижать. Для этого перед дросселем  устанавливаются диод и ключ, как  в предыдущей схеме.

Инвертирующий преобразователь

В нём дроссель подключен  параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника  течёт через дроссель и быстро растёт. Когда ключ размыкается, ток  продолжает течь через нагрузку R и диод D. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника. Поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S замкнут — диод D закрывается, а нагрузка питается зарядом конденсатора C.

Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ, замыкаемый в противофазе к основному  ключу. Во многих случаях, особенно в  низковольтных стабилизаторах, это  позволяет увеличить КПД. Такую  схему называют синхронным выпрямителем.

Другие разновидности

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения, использующихся в стабилизаторах. Например, такие преобразователи, как Обратно ходовой преобразователь и Двухтактный преобразователь имеют индуктивную развязку выходных цепей, что позволяет питать с их помощью устройства, для которых недопустима гальваническая связь с питающей сетью.

Резонансный преобразователь имеет наилучшие условия работы ключей, что позволяет строить на его основе преобразователи большой мощности (до десятков киловатт) с достаточно высоким КПД. Однако его недостатком является сложность проектирования, что мешает его широкому распространению.

Квазирезонансный преобразователь обладает значительно более высоким КПД по сравнению с широтно-импусными модуляторами, благодаря чему обеспечивается минимальное энергопотребление в дежурном режиме и низкое тепловыделение в рабочем. Выходное напряжение БП регулируется за счет изменения частоты работы преобразователя.

Особенности использования:

Фильтрация импульсных помех

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных  помех в связи с тем, что  содержит ключи, коммутирующие ток. Сложно подобрать такой режим  работы ключей, чтобы коммутация происходила  в моменты, когда через ключ не протекает ток при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Поэтому в моменты  коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, распространяющиеся как на вход, так и на выход  стабилизатора. Для поглощения помех  помехоподавляющие фильтры устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Использование в  сетях переменного тока

Рассмотренные импульсные преобразователи  напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток  на выходе. Для питания устройств  от сети переменного тока необходимо устанавливать на входе выпрямитель и сглаживающий фильтр. Стоит отметить, что импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет отрицательное дифференциальное сопротивление: при повышении напряжения на входе для сохранения выходного напряжения уменьшается входной ток, и наоборот. Если подключить такой стабилизатор через мостовой выпрямитель в сеть переменного тока, он станет источником нечётных гармоник. Поэтому, чтобы обеспечить достаточный коэффициент мощности, требуется компенсатор.

Гальваническая  развязка

Стоит отметить некоторые  особенности импульсных стабилизаторов с точки зрения гальванической развязки цепей:

• Существование импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой позволяет отказаться от низкочастотного сетевого трансформатора — необходимую гальваническую развязку будет осуществлять высокочастотный трансформатор, который работает на частоте десятков-сотен килогерц, и следовательно его габариты значительно меньше, чем обычного силового сетевого трансформатора работающего на промышленной частоте 50 Гц.
• Озвученное выше решение предполагает наличие относительно большого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит гальванически связанных с входными цепями. Эта часть, гальванически связанная с электрической сетью, обычно выделяется на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к частям, расположенным в ней. Импульсные блоки питания в составе других приборов (телевизоров, компьютеров) закрываются защитными крышками, снабжёнными предупреждающими надписями. Если при ремонте импульсного блока питания необходимо включить его со снятой крышкой, рекомендуется включать его через развязывающий трансформатор или УЗО.
• Обратная связь в импульсных стабилизаторах также требует развязки. Для этой цели применяют либо отдельную обмотку на трансформаторе, с которой снимается напряжение для сравнения с опорным, либо напряжение снимается с выхода блока питания, а развязка управляющих цепей осуществляется с помощью оптрона.
• Часто помехоподавляющие фильтры на входе импульсных блоков питания соединяются с корпусом прибора. Это делается в том случае, если предполагается подключение защитного заземления корпуса. Если защитным заземлением пренебрегли, то на корпусе прибора образуется потенциал относительно земли равный половине сетевого напряжения. Конденсаторы фильтров, как правило, имеют небольшую ёмкость, поэтому прикосновение к корпусу такого прибора неопасно для человека, но одновременное прикосновение чувствительными частями тела к заземленным приборам и к незаземленному корпусу ощутимо (говорят, что прибор "кусается"). Кроме того потенциал на корпусе может быть опасен для самого прибора.

Достоинства вторичных  источников питания с импульсной стабилизацией:

• Возможность достичь высокого коэффициента стабилизации;
• Высокий КПД;
• Большой диапазон входных напряжений, нередко с более чем двукратным перекрытием: типичные значения без переключения и без значительного ухудшения КПД для распространённых схем составляют 18...75 В пост. тока, или 90...260 В переменного тока;
• Нечувствительность к частоте входного напряжения переменного тока, влияющей только на работу входного выпрямителя и фильтра;
• Нечувствительность к качеству электропитания (к примеру, наличию гармонических составляющих переменного тока);
• Лёгкость в дистанционном управлении и отключении;
• Малые габариты и масса;
• В общем случае, меньшая стоимость.

Недостатки:

• Импульсные помехи. В связи с этим недопустимо применение низкочастотных импульсных БП для некоторых видов аппаратуры (напр., УМЗЧ);
• Невысокий cosφ, что требует включения компенсаторов коэффициента мощности;
• Меньшая надёжность, обусловленная как сложностью схемы, так и режимом работы ключевых элементов (высокое напряжение, большие мгновенные токи, большое число переключений за период эксплуатации, тяжёлый температурный режим кристалла диода или транзистора);
• Трудность самостоятельной настройки или ремонта, обязательно требующая специальных навыков;
• Тяжесть последствий при выходе из строя ключевых элементов;
• Меньшее время наработки на отказ;
• В случае их наличия, (цитата) «Сердечники из распылённого железа содержат органический диэлектрик, вследствие чего подвержены термическому старению»

 

 

Стабилизаторы переменного  напряжения.

Идеальный стабилизатор при любом значении напряжения на входе, будет выдавать постоянное значение на выходе. Кроме того, при искажении синусоиды, возникновении всплесков и провалов на входе, на выходе должен выдавать правильную синусоиду без помех. Идеальный стабилизатор способен пропускать через себя любую мощность, при этом качество стабилизации не должно снижаться. Погрешность выходного напряжения должна быть 0 %.

В реальности стабилизатор напряжения - это законченный блок, состоящий из совокупности технических  элементов, выполняющих определенные функции. Однако определить содержание устройства по названию «стабилизатор  напряжения» однозначно нельзя. В  настоящее время существует большое  количество разнообразных приборов для выполнения функции стабилизации напряжения.

По физике процесса стабилизаторы  можно разделить на два больших  вида:

• Cтабилизаторы, накапливающие энергию и далее заново генерирующие ее в виде стабильного напряжения.
• Cтабилизаторы, корректирующие напряжение, добавляя дополнительный потенциал, приводящий величину напряжения к номинальному значению.

Стабилизаторы напряжения, накапливающие энергию:

Стабилизатор напряжения системы «двигатель — генератор

Данное устройство работает по принципу преобразования электроэнергии в кинетическую и далее генерированию ее обратно в электрическую. Накопление кинетической энергии происходит при разгоне тяжелого диска — маховика, находящегося между двигателем и генератором. Такие системы применяются при трехфазном напряжении.

Даже при сильных  скачках и провалах напряжения, скорость вращения маховика остается неизменной. Импульсные скачки гасятся за счет большой инерции шатуна. Скорость же вращения маховика зависит не от величины входного напряжения, а от периодичности фаз.

Данные системы  широко использовались для питания БЭВМ. В настоящее время используются редко. В основном на объектах стратегического значения.

Феррорезонансные стабилизаторы

Физические процессы в таких стабилизаторах можно  сравнить с качелями. Раскачанные  до определенной силы качели сложно остановить или резко заставить качаться быстрее. Катаясь на качелях не обязательно  отталкиваться каждый раз — энергия колебания делает процесс инерционным. Увеличить или уменьшить частоту колебаний тоже сложно — качели имеют свой резонанс.

В феррорезонансных стабилизаторах происходят электромагнитные колебания в колебательном контуре ёмкости и индуктивности.

Данный вид стабилизаторов может применяться в комплексе  с механизмами, вносящими сильные помехи в электросеть.

Стабилизаторы инверторного типа

Стабилизаторы напряжения инверторного типа преобразуют переменное напряжение в постоянное и накапливают энергию, заряжая промежуточные ёмкости. Далее с помощью электронного генератора преобразуют постоянное напряжение опять в переменное, но уже с устойчивыми характеристиками.

Данные устройства успешно применяют для обеспечения  работы медицинского и спортивного  оборудования.

Источники бесперебойного питания

Подобно стабилизаторам инверторного типа, источники бесперебойного питания также накапливают энергию, но не в ёмкости, а в аккумуляторы. После этого также, с помощью собственного генератора выдают напряжение с нужными характеристиками.

Устройства бесперебойного питания популярны для работы в комплексе с вычислительной техникой. Кроме обеспечения стабильного напряжения, устройства исключают сбои программного обеспечения при аварийных отключениях питания.

Корректирующие  стабилизаторы напряжения:

Ферромагнитные стабилизаторы

Ферромагнитные  стабилизаторы используют свойство магнитного сердечника (магнитопровода трансформатора) насыщаться. Увеличивая напряжение на входе трансформатора, мы получаем увеличение напряжения на выходе, но до определенного уровня. При определенном напряжении сердечник  насыщается, и дальнейшее повышение  напряжения на входе уже не влияет на выходное напряжение, точнее говоря, влияет очень слабо. Трансформатор  как бы тормозит рост напряжения. Именно в таком режиме работы трансформатор  используют как стабилизатор.

Из-за своей простоты устройства популярны в быту для  стабилизации напряжения отдельных  устройств: холодильников, телевизоров  и т. д.

Электромеханические стабилизаторы напряжения

Электромеханические стабилизаторы регулируют напряжение передвижением токосъемника по специальному трансформатору, подключая тем самым  определенную обмотку. Работой механического  устройства управляет процессор, замеряя  напряжение и давая команды на смену позиции токосъемника.

Стабилизаторы успешно  используются в жилых домах и  на производствах, где приветствуется плавная регулировка и устойчивость к помехам.

Недостатком данного  вида стабилизаторов является скорость передвижения токосъемника (в районе 10 V/с у релейных и около 5-7 миллисекунд  у симисторных). Такая скорость передвижения не даёт возможность оперативно реагировать  на резкие перепады напряжения на входе  стабилизатора.

Электронные стабилизаторы напряжения

Электронные стабилизаторы  регулируют напряжение, переключая обмотки  специального трансформатора посредством  электронных ключей. Ключи управляются  процессором по специальной программе.

В настоящее время  существует два типа электронных  стабилизаторов напряжения: с полупроводниковыми и релейными ключами.

Стабилизаторы имеют  большое быстродействие, поэтому  применяются в комплексе с  дорогостоящим оборудованием, требующем  защиты от всех аномалий сети. Их также  используют в жилых домах и  на производствах. К преимуществам  электронных стабилизаторов напряжения можно отнести их возможность  работы при отрицательных температурах окружающей среды.