Regulator de voltaj

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 2 martie 2018; verificările necesită 29 de modificări .

Un regulator de tensiune este un dispozitiv electromecanic [1] sau electric ( electronic ) care are o tensiune de intrare și de ieșire , conceput pentru a menține tensiunea de ieșire în limite înguste, cu o modificare semnificativă a tensiunii de intrare și a curentului de sarcină de ieșire.

O sursă de energie stabilizată ( ing. Power conditioner ) este un echipament folosit pentru a converti energia electrică într-o formă adecvată pentru utilizare ulterioară. [2]

În funcție de tipul tensiunii de ieșire, stabilizatorii sunt împărțiți în stabilizatori de tensiune continuă și stabilizatori de tensiune alternativă . De regulă, tipul de tensiune la intrarea stabilizatorului și la ieșirea acestuia sunt aceleași (constante sau variabile), dar în unele tipuri de stabilizatori tipurile lor sunt diferite.

Stabilizatoare de tensiune DC

Stabilizator liniar

Un regulator de tensiune liniar este un divizor de tensiune , a cărui intrare este alimentată cu o tensiune de intrare (instabilă), iar tensiunea de ieșire (stabilizată) este preluată de la brațul inferior al divizorului. Stabilizarea se realizează prin schimbarea rezistenței unuia dintre brațele divizorului: rezistența este menținută în mod constant, astfel încât tensiunea la ieșirea stabilizatorului să fie în limitele stabilite.

Cu un raport mare de tensiuni de intrare / ieșire, regulatorul liniar are o eficiență scăzută, deoarece cea mai mare parte a puterii de intrare este disipată sub formă de căldură pe elementul de control, pierderea de putere în regulatorul de serie : $P_{L}$

P_{L}=(U_{in}-U_{out})\cdot I_{out},

unde este tensiunea de intrare a stabilizatorului,

U_{in}

U_{out}

- tensiune de ieșire a stabilizatorului,

I_{out}

- curentul de iesire al stabilizatorului.

Prin urmare, elementul de reglare în stabilizatorii de acest tip și puterea crescută trebuie să disipeze o putere semnificativă, adică trebuie instalat pe un radiator din zona necesară.

Avantajul unui regulator liniar este simplitatea, lipsa interferențelor și un număr mic de componente electronice utilizate.

În funcție de includerea unui element cu rezistență variabilă, stabilizatorii liniari sunt clasificați în două tipuri:

Seria: Elementul de reglare este conectat în serie cu sarcina.
Paralel : Elementul de reglare este conectat în paralel cu sarcina.

În funcție de metoda de stabilizare:

Parametric : într-un astfel de stabilizator, este utilizată caracteristica I-V a dispozitivului, unde rezistența diferențială a dispozitivului este mică într-o gamă largă de curenți care circulă prin dispozitiv.
Compensator : are feedback . În ea, tensiunea la ieșirea stabilizatorului este comparată cu cea de referință, din diferența dintre ele se formează un semnal de control pentru elementul de reglare.

Stabilizator parametric paralel pe o diodă zener semiconductoare

În acest circuit, pot fi utilizate atât o diodă Zener cu semiconductor , cât și o diodă Zener cu descărcare luminoasă cu descărcare în gaz .

Astfel de stabilizatori sunt utilizați pentru a stabiliza tensiunea circuitelor cu un consum redus de curent, deoarece pentru a stabiliza tensiunea, curentul prin dioda zener trebuie să fie de câteva ori (3 - 10) mai mare decât consumul de curent de la stabilizatorul în sarcina conectată. . De obicei, un astfel de circuit regulator liniar este utilizat ca referință de tensiune în circuitele regulatoare de control mai complexe. $D1$ $R_{L}$

Pentru a reduce instabilitatea tensiunii de ieșire cauzată de modificările tensiunii de intrare, în locul unui rezistor , în secțiunea I–V este inclus un dispozitiv cu două terminale cu o rezistență diferențială mare în domeniul curentului de funcționare, care funcționează ca sursă de curent . . Cu toate acestea, această măsură nu reduce instabilitatea tensiunii de ieșire cauzată de modificarea rezistenței la sarcină. $R_{V}$

Tranzistor bipolar stabilizator de serie

In acest circuit, tensiunea de la baza tranzistorului de reglare este egala cu tensiunea de la dioda zener iar tensiunea de iesire va fi: - tensiunea dintre baza si emitorul tranzistorului. Deoarece depinde puțin de curentul emițătorului, curentul de ieșire al stabilizatorului și este mic (0,4 V pentru tranzistoarele cu germaniu și 0,6-0,65 V pentru tranzistoarele cu siliciu), circuitul de mai sus stabilizează tensiunea. $U_{z)$ $U_{out}=U_{z}-U_{fi},\$ $U_{{fi}}$ $U_{{fi}}$

De fapt, circuitul este stabilizatorul parametric paralel cu diodă Zener discutat mai sus , conectat la intrarea emițătorului adept . Nu are un circuit de autoreglare care oferă o compensare aproape completă pentru modificările tensiunii de ieșire și modificările curentului de ieșire.

Tensiunea de ieșire este mai mică decât tensiunea de stabilizare a diodei zener cu o sumă care depinde puțin de cantitatea de curent care trece prin tranzistor. O anumită dependență de mărimea curentului și a temperaturii degradează stabilitatea tensiunii de ieșire, în comparație cu un stabilizator parametric paralel pe o diodă Zener. $U_{{fi}}$ $U_{{fi}}$

Urmatorul emițătorului aici este un amplificator de curent și vă permite să creșteți curentul maxim de ieșire al stabilizatorului, în comparație cu un stabilizator parametric paralel pe o diodă Zener, cu un factor de - coeficientul de transfer de curent static al tranzistorului în modul colector comun . Deoarece este de câteva zeci de ori mai mare decât 1, curentul mic preluat de la stabilizatorul parametric este amplificat de un factor. Dacă o astfel de amplificare a curentului nu este suficientă pentru a furniza un anumit curent de ieșire, atunci se folosește un tranzistor compozit , de exemplu, o pereche Darlington. $B_{st)$ $B_{st)$ $B_{st)$ $B_{st)$

La un curent de sarcină foarte scăzut, de ordinul unităților - zeci de microamperi, tensiunea de ieșire a unui astfel de stabilizator ( tensiune în circuit deschis ) crește cu aproximativ 0,6 V, deoarece la astfel de curenți devine aproape de zero. În unele aplicații, acest lucru este nedorit, apoi un rezistor de sarcină suplimentar este conectat la ieșirea stabilizatorului, care în orice caz asigură un curent de sarcină minim al stabilizatorului de câțiva miliamperi. $U_{{fi}}$

Regulator de compensare în serie cu circuit de autoreglare

În astfel de stabilizatori, tensiunea de ieșire este comparată cu tensiunea de referință, diferența dintre aceste tensiuni este amplificată de amplificatorul de semnal de eroare, ieșirea amplificatorului de semnal de eroare controlează elementul de reglare.

Diagrama din figură este prezentată ca exemplu. O parte din tensiunea de ieșire , luată de la divizorul de tensiune rezistiv , constând dintr-un potențiometru și rezistențe fixe , este comparată cu tensiunea de referință de la dioda stabilizatoare-zener parametrică . Diferența dintre aceste tensiuni este amplificată de un amplificator diferențial bazat pe un amplificator operațional (amplificator operațional) , a cărui ieșire modifică curentul de bază al tranzistorului conectat conform circuitului urmăritor emițător [3] . $U_{out}$ $R2$ $R1,\R3$ $U_{z)$ $D1$ $U1$

Acest circuit are o buclă de autoreglare, o buclă de feedback negativ . Dacă tensiunea de ieșire este mai mică decât valoarea specificată, atunci prin feedback tranzistorul de reglare se deschide mai mult, dacă tensiunea de ieșire este mai mare decât valoarea specificată, atunci invers.

Pentru stabilitatea buclei de autoreglare, defazarea buclei ar trebui să fie aproape de 180°. Deoarece o parte din tensiunea de ieșire este alimentată la intrarea inversoare a amplificatorului operațional , care schimbă faza cu 180 °, iar tranzistorul de control este conectat conform circuitului urmăritor al emițătorului, care nu schimbă faza la frecvențe joase, acest lucru asigură stabilitatea circuitului de autoreglare, deoarece defazatul buclei este aproape de 180 ° . $U_{out}$ $U1$

Tensiunea de referință depinde de cantitatea de curent care curge prin dioda zener. Principala sursă de instabilitate a tensiunii de referință este modificările tensiunii de intrare, deoarece cu astfel de modificări curentul diodei Zener se modifică. Pentru a stabiliza curentul în timpul schimbărilor , uneori este inclusă o sursă de curent în locul unui rezistor . $Noi$ $U_{in}$ $R_{V}$

În acest stabilizator, amplificatorul operațional este conectat conform schemei unui amplificator neinversător (cu un emițător urmăritor pentru a crește curentul de ieșire). Raportul rezistențelor rezistențelor din circuitul de feedback determină câștigul acestuia, care determină de câte ori tensiunea de ieșire va fi mai mare decât cea de intrare (adică tensiunea de referință aplicată intrării neinversoare a amplificatorului operațional) . Deoarece câștigul unui amplificator neinversător este întotdeauna mai mare decât unu, valoarea tensiunii de referință (tensiunea de stabilizare a diodei zener) trebuie aleasă mai mică decât , sau tensiunea de referință este îndepărtată din divizorul rezistiv conectat la dioda zener. $U_{z)$ $U_{out}$

Instabilitatea tensiunii de ieșire a unui astfel de stabilizator este determinată aproape complet de instabilitatea tensiunii de referință, deoarece datorită câștigului mare al amplificatoarelor operaționale moderne, ajungând la 10 5 ... 10 6 , sursele rămase de instabilitate ale tensiunea de ieșire este compensată.

Parametrii unui astfel de stabilizator s-au dovedit a fi potriviți pentru multe nevoi practice. Prin urmare, de aproape o jumătate de secol, au fost produse, iar astăzi au cea mai largă aplicație, astfel de stabilizatori în design integral: KR142EN5A , 7805 și multe altele. alții

Stabilizator de comutare

Într-un regulator de comutare, tensiunea de la o sursă externă nestabilizată este furnizată unui dispozitiv de stocare a energiei (de obicei un condensator sau inductor ) în impulsuri scurte generate de o cheie electronică. În timpul stării închise a cheii, energia este stocată în unitate, care este apoi transferată la sarcină. Utilizarea unui șoc ca element de stocare vă permite să modificați tensiunea de ieșire a stabilizatorului în raport cu intrarea fără utilizarea transformatoarelor: creșterea, scăderea sau inversarea. Stabilizarea se realizează printr-un control adecvat al duratei impulsurilor și al pauzelor dintre ele, utilizând modularea lățimii impulsurilor , modularea frecvenței impulsurilor sau o combinație a ambelor.

Un stabilizator de impuls, în comparație cu unul liniar, are o eficiență semnificativ mai mare, deoarece elementul de control funcționează într-un mod cheie. Dezavantajele unui regulator de comutare sunt zgomotul de impuls în tensiunea de ieșire și complexitatea relativă.

Spre deosebire de un regulator liniar, un regulator de comutare poate converti tensiunea de intrare într-un mod arbitrar, în funcție de circuitul regulatorului și de modul de control al tastelor sale:

Regulator Buck : Tensiunea stabilizată de ieșire este întotdeauna mai mică decât tensiunea de intrare și are aceeași polaritate.
Boost Regulator: Tensiunea stabilizată de ieșire este întotdeauna mai mare decât tensiunea de intrare și are aceeași polaritate.
Stabilizator descendente : tensiunea de ieșire, în funcție de modul de control al tastei, poate fi fie mai mare , fie mai mică decât tensiunea de intrare și are aceeași polaritate. Un astfel de stabilizator este utilizat în cazurile în care tensiunea de intrare poate diferi de tensiunea de ieșire în orice direcție.
Stabilizator inversor : tensiunea stabilizată de ieșire are o polaritate inversă față de intrare, valoarea absolută a tensiunii de intrare poate fi oricare.
Universal - îndeplinește toate funcțiile enumerate mai sus.

Stabilizatoare de tensiune AC

Împărțit în două tipuri principale

1) Regulatoare de tensiune monofazate pentru 220-230 volți, destinate sarcinilor menajere, de birou și industriale de capacități mici.

2) Stabilizatoare de tensiune trifazate pentru 380-400 volți, destinate sarcinilor industriale de putere medie și mare.

Stabilizatori fero-rezonanți

În epoca sovietică , stabilizatorii de tensiune ferorezonanți de uz casnic erau utilizați pe scară largă . Au fost utilizate în mod obișnuit pentru alimentarea televizoarelor . Televizoarele din prima generație foloseau surse de alimentare cu stabilizatori de tensiune liniari (și unele circuite TV, de exemplu, circuitele de tensiune anodică și dispozitivele electrice de vid cu filament, erau alimentate cu tensiune nestabilizată), care, cu fluctuații zilnice și supratensiuni bruște, în special în mediul rural. zone, a dus la deteriorarea calității imaginii și a necesitat stabilizarea prealabilă a tensiunii de rețea de curent alternativ.

Odată cu apariția televizoarelor din generațiile ulterioare, de exemplu, 4UPITST și USST , care aveau surse de alimentare comutatoare , nevoia de stabilizare suplimentară externă a tensiunii rețelei a dispărut.

Un stabilizator ferorezonant este format din două șocuri: cu un miez nesaturat (care are un spațiu magnetic) și unul saturat, precum și un condensator. O caracteristică a unui inductor saturat este că tensiunea pe el se schimbă puțin atunci când curentul prin el se modifică, deoarece miezul său feromagnetic se saturează periodic. Prin selectarea parametrilor bobinelor și condensatorilor, este posibil să se asigure stabilizarea tensiunii atunci când tensiunea de intrare se modifică într-un interval destul de larg. Dezavantajul unor astfel de stabilizatori este sensibilitatea la frecvența tensiunii din rețea. O ușoară abatere a frecvenței rețelei afectează în mod semnificativ tensiunea de ieșire a stabilizatorului ferorezonant.

Stabilizatoare moderne

În prezent, principalele tipuri de stabilizatori sunt:

electrodinamic
cu un servomotor electromecanic al unui element de control, de exemplu un autotransformator
ferorezonant
electronice diferite tipuri
- trepte (chei electronice de alimentare, triac, tiristor)
- releu în trepte (comutatoare releului de putere)
- compensare (netedă electronică)
- combinat (hibrid)

Industria produce o varietate de modele cu o tensiune de intrare a unei rețele monofazate, (220/230 V) și o versiune trifazată (380/400 V), cu puterea lor de ieșire de la câțiva wați la câțiva megawați. Modelele trifazate sunt disponibile în două modificări: cu reglare independentă pentru fiecare fază sau cu reglare pentru tensiunea de fază medie la intrarea stabilizatorului.

Modelele produse diferă și în domeniul de tensiune de intrare admisibil, care poate fi, de exemplu, următorul: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, ±50%, -25% / +15%, -35% /+15% sau -45%/+15%. Cu cât gama este mai largă (în special în direcția scăderii tensiunii de intrare), cu atât dimensiunile stabilizatorului sunt mai mari și costul acestuia este mai mare la aceeași putere de ieșire. În prezent, există modele de stabilizatoare de tensiune cu o tensiune de intrare admisă mai mică de 90 de volți.

O caracteristică importantă a unui stabilizator de tensiune este viteza sa - viteza de răspuns la o perturbare. Cu cât viteza este mai mare, cu atât regulatorul va răspunde mai rapid la modificările tensiunii de intrare. Viteza este definită ca timpul necesar unui regulator pentru a schimba tensiunea de ieșire cu un volt. Diferite tipuri de stabilizatori au viteze diferite. -->

Un parametru important este precizia stabilizării tensiunii de ieșire a stabilizatorului de tensiune de rețea de curent alternativ. Conform GOST 13109-97, abaterea maximă admisă a tensiunii de ieșire este de ± 10% din valoarea nominală. Precizia de stabilizare a stabilizatorilor moderni de tensiune variază de la 0,5% la 8%.

O precizie de 8% este suficientă pentru a asigura funcționarea corectă a marii majorități a dispozitivelor electrice moderne de uz casnic și industriale cu invertor încorporat și surse de alimentare comutatoare. Sunt necesare cerințe mai stricte (precizie de stabilizare mai bună de 1%) pentru alimentarea echipamentelor complexe (medicale, high-tech, etc.). Un parametru important pentru consumator este capacitatea stabilizatorului de a furniza putere nominală pe întregul interval de tensiune de intrare, dar nu toți stabilizatorii au această proprietate.

Eficiența stabilizatorilor servo de mare putere este de peste 98%, iar stabilizatorii electronici de mare putere - 96%.

Vezi și

Microcircuite seria 78xx - o serie de regulatoare liniare comune
regulator de putere
Invertoare de tensiune

Note

↑ De exemplu, un releu-regulator de tip vibrație pentru stabilizarea tensiunii unui generator auto .
↑ GOST R 55993-2014/IEC/TS 1836:2007 Sisteme fotovoltaice. Termeni, definiții și simboluri p.3.2.22
↑ Circuite. Amplificatoare operaționale. regulator de tensiune . Data accesului: 15 ianuarie 2011. Arhivat din original pe 24 februarie 2011. (nedefinit)

Literatură

Veresov G. P. Alimentarea cu energie a echipamentelor radio-electronice de uz casnic. - M . : Radio şi comunicare, 1983. - 128 p.
Kitaev VV et al. Alimentarea cu energie a dispozitivelor de comunicație. - M . : Comunicare, 1975. - 328 p. — 24.000 de exemplare.
Kostikov VG, Parfenov EM, Shakhnov VA Surse de alimentare pentru dispozitive electronice. Circuiterie și design: manual pentru licee. - 2. - M . : Hot line - Telecom, 2001. - 344 p. - 3000 de exemplare. — ISBN 5-93517-052-3 .
Shtilman V. I. Stabilizatoare de tensiune microelectronice. - Kiev: Tekhnika, 1976.
Lepaev D. A. Aparate electrice de uz casnic. - M . : Legprombytizdat, 1991. - 272 p. — 20.000 de exemplare.

Link -uri

Stabilizator electric - articol din Marea Enciclopedie Sovietică .
GOST R 52907-2008 „Surse de alimentare pentru echipamente electronice radio. Termeni și definiții"

Dicționare și enciclopedii	Rusă mare Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	GND : 4182086-1 J9U : 987007546192405171 LCCN : sh85144319 NKC : ph136800