Стабилизаторы напряжения и тока: классификация и основные параметры

Зачастую сглаживающих фильтров недостаточно для надёжного энергоснабжения телекоммуникационных и мобильных систем. Чтобы минимизировать влияние отрицательных факторов таких как колебания напряжений или частоты сети, применяются устройства под названием стабилизатор.

Для начала рассмотрим что же такое стабилизатор – это прибор, который предназначен для автоматического поддержания напряжения или тока на нагрузке с определённой точностью и уменьшения влияния дестабилизирующих факторов.

Выделим следующие дестабилизирующие факторы, которые отрицательно влияют на изменение напряжения или тока на нагрузке:

1. колебания напряжения питания;
2. частота тока питающей сети;
3. температура окружающей среды;
4. изменение потребляемой мощности на нагрузке.

На рисунке 1 представлена структурная схема работы устройства. На вход поступает дестабилизированное напряжение, с выхода получаем стабилизированное.

Рисунок 1 — структурная схема работы стабилизатора

Главным предназначением стабилизатора является ослабление выше перечисленных факторов.

Классификация

Стабилизирующие устройства можно разделить в зависимости от вида напряжения или тока протекающего через него на стабилизаторы переменного и постоянного тока или напряжения. И также их можно подразделить по типу: параметрические и компенсационные.

Параметрические стабилизаторы строятся на основе таких нелинейных элементов, как транзисторы, стабилитроны и стабисторы и т. п. Это обусловлено тем, что благодаря их характеристикам (вольт-амперных, ампер-вольтовых, ом-градусных, вебер-амперных, вольт-секундных и др.) ток или напряжения могут быть стабилизированы на определённом уровне. Более подробно будут рассмотрены в следующих статьях.

Компенсационные стабилизаторы – это устройство, которое выполнено в виде системы автоматического регулирования, или другим словом содержит цепь отрицательной обратной связи. За счёт изменения параметров регулирующего элемента посредством воздействия на него сигнала обратной связи и происходит стабилизация напряжения. Схема и принцип действия более подробно будут рассмотрены в следующих статьях.

Стабилизация тока или напряжения происходит при помощи регулирующего элемента (РЭ), который, в свою очередь, может быть расположен относительно нагрузки последовательно или параллельно. Следовательно стабилизаторы можно подразделить на схемы с последовательным включением регулирующего элемента и на схемы с параллельным включением регулирующего элемента. Пример схем с вариантом включения РЭ представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 — Последовательное и параллельное включение регулирующего элемента

При последовательном соединении регулирующего элемента с нагрузкой, регулирование напряжения на выходе происходит за счёт изменения сопротивления в регулирующем элементе. Выходное напряжение при таком соединении будет равно U_вых=U_вх+ΔU_рэ.

При параллельном соединении регулирующего элемента с нагрузкой, регулировка напряжения на выходе достигается за счёт изменения тока, протекающего через регулирующий элемент. В свою очередь, стабилизация напряжения на выходе осуществляется за счёт изменения напряжения на балластном резисторе R_б. Ток на балластном резисторе можно найти исходя из первого закона Кирхгофа: сумма сходящихся токов в одном узле равна нулю. Следовательно ток на R_б  будет равен I_б=I_рэ+I_н. Главное преимущество параллельного соединения заключается в устойчивости к перегрузкам по току и выдерживание короткого замыкания в цепи нагрузки.

Для определения какой следует применить стабилизатор стоит исходить из требований, предъявляемых к качеству питающих напряжений.

Основные параметры

Основные параметры, по которым оцениваются рассматриваемые устройства следующие: качественные, массогабаритные и энергетические. По данным параметрам можно судить о массе и удельном объёме устройства.

Качественные параметры стабилизаторов постоянного напряжения:

Коэффициент стабилизации по входному напряжению – это отношение номинального и относительного изменения напряжения на входе и выходе устройства при неизменном токе нагрузки.

где U_вх, U_вых – номинальное значение напряжения на входе и на выходе;

ΔU_вх, ΔU_вых – относительно изменение напряжения на входе и на выходе.

Внутреннее сопротивление стабилизатора – это отношение изменения выходного напряжения к изменению тока нагрузки при неизменном входном напряжении.

Качество стабилизации – это отношение изменения напряжения на выходе к номинальному значению на выходе. Измеряется в процентах.

Коэффициент сглаживания пульсаций – это отношение амплитуд пульсаций и номинальных напряжения на входе и выходе устройства.

Температурный коэффициент – это отношения изменения напряжения на выходе устройства от изменения температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и тока нагрузки.

Качественные параметры стабилизаторов постоянного тока:

Коэффициент стабилизации тока по входному напряжению – это отношение номинальных и относительных изменений напряжения на входе и тока на выходе устройства при неизменном сопротивлении нагрузки.

Где U_вх, I_н – номинальное значение входного напряжения и тока нагрузки;

ΔU_вх, Δ I_н – относительно изменение входного напряжения и тока нагрузки.

Коэффициент стабилизации при изменении сопротивления нагрузки – это отношение номинального значения сопротивления и тока нагрузки к их изменению, при постоянном входном напряжении.

Где R_н, ΔR_н – номинальное сопротивление нагрузки и его изменение;

r_i – внутреннее сопротивление

Коэффициент пульсаций по току – это отношение амплитуды пульсаций тока к номинальному значению тока на выходе устройства.

Где Iн~ — амплитуда пульсаций тока в нагрузке

Качество стабилизации – это отношение изменения тока на выходе к номинальному значению на выходе. Измеряется в процентах.

Температурный коэффициент – это отношения изменения тока на выходе устройства от изменения температуры окружающей среды.

Массогабаритные параметры характеризуются следующими параметрами: удельный объём P_вых/V_ст, Вт/дм3, и удельная массам устройства P_вых/G_ст, Вт/кг, где V_ст это объём, а G_ст это масса устройства.

К энергетическим параметрам можно отнести нижеперечисленное.

Коэффициент полезного действия – это отношение активной мощности, на выходе к потребляемой мощности от сети.

Не стоит забывать про мощность, которая рассеивается на регулирующем элементе, это тоже немаловажный параметр.

Резюмируя всё выше написанное, нами была рассмотрена основная информация о видах и характеристиках стабилизаторов. Для более глубокого изучения воспользуйтесь соответствующей литературой. Для более надёжного закрепления материала в будущем ниже будут размещены вопросы и задачи для самопроверки.