Войти
Стабилизатор напряжения на интегральной схеме A регулятор напряжения - это система, предназначенная для автоматического поддержания постоянного уровня напряжения. Регулятор напряжения может использовать простую конструкцию с прямой связью или может включать отрицательную обратную связь. Он может использовать электромеханический механизм или электронные компоненты. В зависимости от конструкции его можно использовать для регулирования одного или нескольких напряжений переменного или постоянного тока.
Электронные регуляторы напряжения используются в таких устройствах, как компьютерные блоки питания, где они стабилизируют напряжения постоянного тока, используемые процессором и другими элементами. В автомобильных генераторах и генераторных установках центральных электростанций, регуляторы напряжения управляют производительностью установки. В системе распределения электроэнергии регуляторы напряжения могут быть установлены на подстанции или вдоль распределительных линий, чтобы все потребители получали стабильное напряжение независимо от того, сколько мощности потребляется из линии.
Простой регулятор напряжения / тока может быть изготовлен из резистора, соединенного последовательно с диодом (или серией диодов). Из-за логарифмической формы кривых V-I на диоде напряжение на диоде изменяется незначительно из-за изменений потребляемого тока или изменений на входе. Когда точный контроль напряжения и эффективность не важны, такая конструкция может подойти. Поскольку прямое напряжение диода невелико, этот тип регулятора напряжения подходит только для низковольтного регулируемого выхода. Когда требуется более высокое выходное напряжение, можно использовать стабилитрон или серию стабилитронов. В стабилизаторах на стабилитронах используется фиксированное обратное напряжение стабилитрона, которое может быть довольно большим.
Регуляторы напряжения обратной связи работают путем сравнения фактического выходного напряжения с некоторым фиксированным опорным напряжением. Любая разница усиливается и используется для управления регулирующим элементом таким образом, чтобы уменьшить ошибку напряжения. Это формирует контур управления с отрицательной обратной связью; увеличение коэффициента усиления без обратной связи ведет к увеличению точности регулирования, но снижает стабильность. (Стабильность - это избежание колебаний или звона во время ступенчатых изменений.) Также будет компромисс между стабильностью и скоростью реакции на изменения. Если выходное напряжение слишком низкое (возможно, из-за уменьшения входного напряжения или увеличения тока нагрузки), регулирующий элемент получает команду, до определенного момента, производить более высокое выходное напряжение - за счет уменьшения входного напряжения (для линейных последовательных регуляторов и понижающие импульсные регуляторы) или потреблять входной ток в течение более длительных периодов (импульсные импульсные регуляторы); если выходное напряжение слишком высокое, регулирующий элемент обычно получает команду произвести более низкое напряжение. Тем не менее, многие регуляторы имеют защиту от перегрузки по току, так что они полностью прекратят подачу тока (или ограничат ток каким-либо образом), если выходной ток слишком высок, а некоторые регуляторы также могут отключиться, если входное напряжение выходит за пределы заданного значения. диапазон (см. также: цепи моноблока ).
Схема простого электромеханического регулятора напряжения. 
Стабилизатор напряжения с использованием электромеханических реле для переключения. 
График выходного напряжения в временной шкале. В электромеханических регуляторах. Регулировка напряжения легко достигается путем наматывания чувствительного провода в электромагнит. Магнитное поле, создаваемое током, притягивает движущийся железный сердечник, сдерживаемый натяжением пружины или силой тяжести. С увеличением напряжения увеличивается и ток, усиливая магнитное поле, создаваемое катушкой, и притягивая сердечник к полю. Магнит физически связан с механическим переключателем мощности, который размыкается, когда магнит движется в поле. По мере уменьшения напряжения уменьшается и ток, ослабляя натяжение пружины или вес сердечника и заставляя его втягиваться. Это замыкает переключатель и снова пропускает питание.
Если конструкция механического регулятора чувствительна к небольшим колебаниям напряжения, движение сердечника соленоида можно использовать для перемещения селекторного переключателя через ряд сопротивлений или обмоток трансформатора, чтобы постепенно повышать или понижать выходное напряжение, или для изменения положения регулятора переменного тока с подвижной катушкой.
Ранние автомобильные генераторы и генераторы переменного тока имели механический регулятор напряжения, использующий одно, два или три реле и различные резисторы для стабилизации выходной мощности генератора на уровне чуть выше 6,7 или 13,4 В для поддержания заряда батареи независимо от оборотов двигателя. или переменная нагрузка на электрическую систему автомобиля, насколько это возможно. Реле модулируют ширину импульса тока для регулирования выходного напряжения генератора путем управления средним током поля во вращающейся машине, который определяет силу создаваемого магнитного поля, которое определяет выходное напряжение без нагрузки на об / мин. Конденсаторы не используются для сглаживания импульсного напряжения, как описано ранее. Большая индуктивность катушки возбуждения накапливает энергию, передаваемую магнитному полю, в железном сердечнике, поэтому импульсный ток поля не приводит к столь сильному импульсному полю. Оба типа вращающихся машин создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует переменный ток в катушках статора. В генераторе используется механический коммутатор, графитовые щетки, работающие на медных сегментах, для преобразования переменного тока в постоянный ток путем переключения внешних соединений под углом вала, когда напряжение меняется на противоположное. Генератор выполняет ту же задачу, используя выпрямители, которые не изнашиваются и требуют замены.
В современных конструкциях используются полупроводниковые технологии (транзисторы) для выполнения той же функции, что и реле в электромеханических регуляторах.
Электромеханические регуляторы используются для стабилизации сетевого напряжения - см. Стабилизаторы переменного напряжения ниже.
Регулятор напряжения для генераторов. Генераторы, используемые на электростанциях, судовых системах производства электроэнергии или в резервных энергосистемах, будут иметь автоматические регуляторы напряжения (АРН) для стабилизации их напряжений. при изменении нагрузки на генераторы. Первые АРН для генераторов были электромеханическими системами, но современные АРН используют твердотельные устройства. AVR - это система управления с обратной связью, которая измеряет выходное напряжение генератора, сравнивает этот выходной сигнал с заданным значением и генерирует сигнал ошибки, который используется для регулировки возбуждения генератора. По мере увеличения тока возбуждения в обмотке возбуждения генератора напряжение на его клеммах будет увеличиваться. AVR будет управлять током с помощью силовых электронных устройств; обычно небольшая часть выходной мощности генератора используется для обеспечения тока обмотки возбуждения. Если генератор подключен параллельно с другими источниками, такими как сеть электропередач, изменение возбуждения больше влияет на реактивную мощность, производимую генератором, чем на его напряжение на клеммах, которое в основном устанавливается подключенная энергосистема. Если несколько генераторов подключены параллельно, система АРН будет иметь схемы, обеспечивающие работу всех генераторов с одинаковым коэффициентом мощности. АРН на генераторах электростанций, подключенных к сети, могут иметь дополнительные функции управления, помогающие стабилизировать электрическую сеть от сбоев из-за внезапной потери нагрузки или неисправностей.
Принцип основной конструкции и принципиальная схема регулятора переменного напряжения с вращающейся катушкой. Это старый тип используемого регулятора в 1920-х годах, который использует принцип катушки возбуждения с фиксированным положением и второй катушки возбуждения, которая может вращаться на оси, параллельной фиксированной катушке, подобно вариопаре.
Когда подвижная катушка расположена перпендикулярно неподвижной катушке, магнитные силы, действующие на подвижную катушку, уравновешивают друг друга, и выходное напряжение остается неизменным. Вращение катушки в одном или другом направлении от центрального положения приведет к увеличению или уменьшению напряжения во вторичной подвижной катушке.
Этот тип регулятора может быть автоматизирован с помощью механизма сервоуправления, чтобы продвинуть положение подвижной катушки, чтобы обеспечить увеличение или уменьшение напряжения. Тормозной механизм или зубчатая передача с высоким передаточным числом используются для удержания вращающейся катушки на месте против мощных магнитных сил, действующих на движущуюся катушку.
Магнитный регулятор сети Электромеханические регуляторы, называемые стабилизаторами напряжения или переключателями ответвлений, также использовались для регулирования напряжения в распределительных линиях переменного тока. Эти регуляторы работают с использованием сервомеханизма для выбора соответствующего ответвления на автотрансформаторе с несколькими ответвлениями или путем перемещения стеклоочистителя на бесступенчатом автоматическом трансформаторе. Если выходное напряжение выходит за пределы допустимого диапазона, сервомеханизм переключает отвод, изменяя коэффициент трансформации трансформатора, чтобы переместить вторичное напряжение в допустимый диапазон. Элементы управления обеспечивают зону нечувствительности, в которой контроллер не будет действовать, не позволяя контроллеру постоянно регулировать напряжение («колебание»), поскольку оно изменяется на приемлемо малую величину.
феррорезонансный трансформатор, феррорезонансный регулятор или трансформатор постоянного напряжения - это тип насыщения трансформатор используется как регулятор напряжения. В этих трансформаторах используется контур резервуара , состоящий из высоковольтной резонансной обмотки и конденсатора, для создания почти постоянного среднего выходного напряжения при переменном входном токе или переменной нагрузке. Схема имеет первичную обмотку на одной стороне шунта магнита и настроенную катушку схемы и вторичную обмотку на другой стороне. Регулировка происходит из-за магнитного насыщения участка вокруг вторичной обмотки.
Феррорезонансный подход привлекателен из-за отсутствия в нем активных компонентов, поскольку он основан на характеристиках насыщения прямоугольного контура цепи резервуара для поглощения изменений среднего входного напряжения. Трансформаторы насыщения обеспечивают простой надежный метод стабилизации источника питания переменного тока.
Феррорезонансные трансформаторы старых конструкций имели выход с высоким содержанием гармоник, что приводило к искажению формы выходного сигнала. Современные устройства используются для построения идеальной синусоиды. Феррорезонансное действие является скорее ограничителем магнитного потока, чем регулятором напряжения, но при фиксированной частоте питания он может поддерживать почти постоянное среднее выходное напряжение, даже если входное напряжение сильно меняется.
Феррорезонансные трансформаторы, также известные как трансформаторы постоянного напряжения (CVT) или ферросистемы, также являются хорошими ограничителями перенапряжения, поскольку они обеспечивают высокую изоляцию и внутреннюю защиту от короткого замыкания.
Феррорезонансный трансформатор может работать в диапазоне входного напряжения ± 40% или более от номинального напряжения.
Коэффициент выходной мощности остается в диапазоне 0,96 или выше от половинной до полной нагрузки.
Поскольку он восстанавливает форму волны выходного напряжения, искажение выходного сигнала, которое обычно составляет менее 4%, не зависит от каких-либо искажений входного напряжения, включая выемки.
КПД при полной нагрузке обычно находится в диапазоне от 89% до 93%. Однако при низких нагрузках КПД может упасть ниже 60%. Возможность ограничения тока также становится препятствием, когда вариатор используется в приложениях с пусковым током от умеренного до высокого, например в двигателях, трансформаторах или магнитах. В этом случае вариатор должен быть такого размера, чтобы выдерживать пиковый ток, что заставляет его работать при низких нагрузках и низкой эффективности.
Требуется минимальное обслуживание, поскольку трансформаторы и конденсаторы могут быть очень надежными. В некоторых устройствах предусмотрены резервные конденсаторы, чтобы несколько конденсаторов выходили из строя между проверками без какого-либо заметного влияния на производительность устройства.
Выходное напряжение изменяется примерно на 1,2% на каждый 1% изменения частоты питания. Например, изменение частоты генератора на 2 Гц, что очень велико, приводит к изменению выходного напряжения всего на 4%, что мало влияет на большинство нагрузок.
Он принимает 100% однофазную импульсную нагрузку источника питания без каких-либо требований к снижению номинальных характеристик, включая все нейтральные компоненты.
Искажение входного тока остается менее 8% THD даже при питании нелинейных нагрузок с THD тока более 100%.
Недостатками вариаторов являются их больший размер, слышимый жужжащий звук и сильное тепловыделение, вызванное насыщением.
A трехфазный набор регуляторов напряжения, используемых для управления напряжением в длинных распределительных линиях переменного тока. Эта банка установлена на деревянной опоре. Каждый регулятор весит около 1200 кг и рассчитан на 576 кВА. Регуляторы или стабилизаторы напряжения используются для компенсации колебаний напряжения в электросети. Крупные регуляторы могут быть стационарно установлены на распределительных линиях. Небольшие портативные регуляторы можно подключать между чувствительным оборудованием и розеткой. Автоматические регуляторы напряжения используются в генераторных установках на кораблях, в аварийных источниках питания, на нефтяных вышках и т. Д. Для стабилизации колебаний спроса на электроэнергию. Например, когда включается большая машина, потребность в энергии внезапно возрастает. Регулятор напряжения компенсирует изменение нагрузки. Коммерческие регуляторы напряжения обычно работают в диапазоне напряжений, например 150–240 В или 90–280 В.
Многие простые источники питания постоянного тока регулируют напряжение с помощью последовательного или шунтирующие регуляторы, но большинство применить источник опорного напряжения с помощью регулятора шунта, таких как стабилитрона, лавинного пробоя диода или регулятор напряжения трубки. Каждое из этих устройств начинает проводить при определенном напряжении и будет проводить столько тока, сколько требуется для поддержания его напряжения на клеммах на этом заданном напряжении, путем отвода избыточного тока от неидеального источника питания на землю, часто через относительно низкое значение резистор для рассеивания избыточной энергии. Источник питания рассчитан на подачу только максимальной величины тока, которая находится в пределах безопасной работы шунтирующего регулирующего устройства.
Если стабилизатор должен обеспечить большую мощность, выход регулятора шунта используется только для обеспечения стандартного опорного напряжения для электронного устройства, известного как стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения - это электронное устройство, способное по запросу выдавать гораздо большие токи.
В активных регуляторах используется по крайней мере один активный (усиливающий) компонент, такой как транзистор или операционный усилитель. Шунтирующие регуляторы часто (но не всегда) пассивны и просты, но всегда неэффективны, потому что они (по существу) сбрасывают избыточный ток, недоступный для нагрузки. Когда необходимо подать больше мощности, используются более сложные схемы. В целом эти активные регуляторы можно разделить на несколько классов:
На основе линейных регуляторов на устройствах, которые работают в своей линейной области (напротив, импульсный регулятор основан на устройстве, вынужденном действовать как переключатель включения / выключения). Линейные регуляторы также подразделяются на два типа:
Раньше в качестве переменного сопротивления обычно использовались одна или несколько вакуумных трубок. В современных конструкциях вместо этого используется один или несколько транзисторов, возможно, внутри интегральной схемы. Преимущество линейных схем заключается в очень «чистом» выходе с небольшим шумом, вводимым в их выход постоянного тока, но чаще всего они намного менее эффективны и не могут повышать или инвертировать входное напряжение, как переключаемые источники питания. Все линейные регуляторы требуют более высокого входного сигнала, чем выходного. Если входное напряжение приближается к желаемому выходному напряжению, регулятор «выпадает». Дифференциал входного и выходного напряжения, при котором это происходит, известен как падение напряжения регулятора. Стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO) позволяют использовать входное напряжение, которое может быть намного ниже (т. Е. Они тратят меньше энергии, чем обычные линейные регуляторы).
Целые линейные регуляторы доступны в виде интегральных схем. Эти микросхемы бывают с фиксированным или регулируемым напряжением. Примерами некоторых интегральных схем являются регулятор общего назначения 723 и серии 78 XX / 79 XX
интегральная схема импульсного регулятора LM2676, понижающий преобразователь на 3 А. Переключение регуляторов быстро включает и выключает последовательное устройство. рабочий цикл переключателя устанавливает, сколько заряда передается нагрузке. Это контролируется аналогичным механизмом обратной связи, как в линейном регуляторе. Поскольку последовательный элемент либо полностью проводит, либо отключен, он почти не рассеивает мощность; это то, что дает коммутационной конструкции ее эффективность. Импульсные регуляторы также могут генерировать выходное напряжение, превышающее входное, или противоположную полярность, что невозможно при линейной конструкции. В импульсных стабилизаторах проходной транзистор используется как «управляемый переключатель» и работает либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. Следовательно, мощность, передаваемая через проходное устройство, представляет собой дискретные импульсы, а не постоянный ток. Повышенная эффективность достигается за счет того, что проходное устройство работает как переключатель с низким импедансом. Когда проходное устройство находится в режиме отсечки, нет тока и не рассеивается мощность. Опять же, когда проходное устройство находится в режиме насыщения, на нем появляется незначительное падение напряжения, которое рассеивает лишь небольшое количество средней мощности, обеспечивая максимальный ток нагрузки. В любом случае мощность, теряемая в проходном устройстве, очень мала, и почти вся мощность передается на нагрузку. Таким образом, КПД импульсного источника питания очень высок в диапазоне 70-90%.
Регуляторы с переключением режимов полагаются на широтно-импульсную модуляцию для управления средним значением выходного напряжения. Среднее значение повторяющейся импульсной волны зависит от площади под формой волны. Если рабочий цикл изменяется, среднее значение напряжения изменяется пропорционально.
Подобно линейным регуляторам, почти полные импульсные регуляторы также доступны в виде интегральных схем. В отличие от линейных регуляторов, они обычно требуют индуктора, который действует в качестве накопителя энергии регуляторы element.The IC сочетают в себе источник опорного напряжения, ошибки ОУ, проход транзистора с током короткого замыкания и предельной тепловой защитой от перегрузки.
Простые источники питания постоянного тока могут быть сделаны с выпрямителями. Но страдают от изменения входа или при нагрузке. Это положило начало разработке схем линейного регулятора (последовательного / шунтирующего) *. Они поддерживают постоянное напряжение, изменяя свое сопротивление противовесу изменению входного напряжения. Однако эффективность этой системы оставляет желать лучшего. Они тяжелые и недостаточно гибкие, чтобы их можно было выбирать для любого применения. Так был разработан (SMPS).
В них используется высокочастотный переключатель с переменным рабочим циклом для поддержания выходного напряжения. Изменение выходного напряжения, вызванное переключением, отфильтровывается LC-фильтром. Система импульсного источника питания возникла в те времена, когда автомобильным радиоприемникам с клапанами или лампами требовалось большое количество высокотемпературных источников питания. Пример: 150 В постоянного тока, которое будет генерироваться автомобильной системой питания обычно 12 В постоянного тока. Сегодня мы находим их применение в самых современных блоках питания ПК.
Импульсный источник питания - это в основном преобразователи постоянного тока в постоянный. Если вход переменного тока, вход сначала выпрямляется, чтобы получить постоянный ток. Таким образом, в зависимости от входа, SMPS может иметь два (DC-AC, AC-DC) или три (AC-DC, DC-AC, AC-DC) каскада.
Два типа регуляторов имеют разные преимущества:
Регуляторы, питаемые от цепей переменного тока, могут использовать кремниевые выпрямители (SCR) в качестве последовательных устройств. Когда выходное напряжение ниже желаемого значения, срабатывает SCR, позволяя электричеству течь в нагрузку до тех пор, пока напряжение сети переменного тока не пройдет через ноль (завершение полупериода). Регуляторы SCR имеют преимущества в том, что они очень эффективны и очень просты, но поскольку они не могут прервать текущий полупериод проводимости, они не способны очень точно регулировать напряжение в ответ на быстро меняющиеся нагрузки. Альтернативой является шунтирующий регулятор SCR, который использует выход регулятора в качестве триггера. И последовательная, и шунтирующая конструкции шумные, но мощные, поскольку устройство имеет низкое сопротивление.
Во многих источниках питания последовательно используется более одного метода регулирования. Например, выходной сигнал импульсного регулятора может дополнительно регулироваться линейным регулятором. Импульсный стабилизатор принимает широкий диапазон входных напряжений и эффективно генерирует (несколько зашумленное) напряжение, немного превышающее окончательно желаемый выходной сигнал. Затем следует линейный регулятор, который генерирует точно желаемое напряжение и устраняет почти весь шум, генерируемый импульсным стабилизатором. Другие конструкции могут использовать регулятор SCR в качестве «предварительного регулятора», за которым следует другой тип регулятора. Эффективный способ создания точного выходного источника питания с переменным напряжением состоит в том, чтобы объединить многоотводный трансформатор с регулируемым линейным пострегулятором.
В простейшем случае усилитель с общим коллектором , также известный как эмиттерный повторитель, используется с базой регулирующий транзистор, подключенный непосредственно к источнику опорного напряжения:
простой регулятор транзистор будет обеспечивать относительно постоянное выходное напряжение U из для изменения напряжения U в из источника питания, а также для изменения нагрузки R L при условии, что U в превышает U out с достаточным запасом и что допустимая мощность транзистора не превышается.
Выходное напряжение стабилизатора равно напряжению стабилитрона за вычетом напряжения база-эмиттер транзистора, U Z - U BE, где U BE обычно составляет около 0,7 В для кремниевого транзистора, в зависимости от тока нагрузки. Если выходное напряжение падает по какой-либо внешней причине, например, из-за увеличения тока, потребляемого нагрузкой (вызывающего уменьшение напряжения коллектор-эмиттер для наблюдения KVL), напряжение база-эмиттер транзистора (U BE) увеличивается, включая дальнейшее включение транзистора и выдачу большего тока, чтобы снова увеличить напряжение нагрузки.
Rvобеспечивает ток смещения как для стабилитрона, так и для транзистора. Ток в диоде минимален, когда ток нагрузки максимален. Разработчик схемы должен выбрать минимальное напряжение, которое может выдерживаться на R v, учитывая, что чем выше это требование напряжения, тем выше требуемое входное напряжение U в, и, следовательно, тем ниже КПД регулятора. С другой стороны, более низкие значения R v приводят к более высокому рассеиванию мощности на диоде и ухудшению характеристик регулятора.
Rvзадается как
где
Стабильность выходного напряжения может быть значительно увеличена с помощью операционного усилителя :
. В этом случае операционный усилитель управляет транзистором с большей тока, если напряжение на его инвертирующем входе падает ниже выходе опорного напряжения на неинвертирующий вход. Использование делитель напряжения (R1, R2 и R3) позволяет выбор произвольного выходного напряжения между U z и U in.
Выходное напряжение может поддерживаться постоянным только в определенных пределах. Регулировка определяется двумя измерениями:
Другими важными параметрами являются:
Портал электроники  | На Викискладе есть материалы, связанные с регуляторами напряжения. |
