Wyklad_nr15_Stab_W12

18. Stabilizatory napięcia i prądu stałego
U0
Sieć
energetyczna
(np. 230V,
50 Hz
Prostownik
sieciowy
Filtr
Stabilizator
R
0
Prostownik sieciowy
z filtrem
RP
EP
IWE
UWE
I0
Stabilizator
U0
Układy zasilane
R0
Stabilizator w warunkach roboczych
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.
Stabilizator napięcia
U 0
U 0
U 0
1
dU 0 
dUW E 
dI 0 
dT   dUW E  RW Y dU 0   U dT
UW E
I 0
T
SU
Stabilizator prądu
I 0
I 0
I 0
1
dI 0 
dIW E 
dU 0  dT   dIW E  GW Y dU 0   I dT
IW E
U 0
T
SI
gdzie :
SU - współczynnik stabilizacji zmian napięcia wejściowego,
SI - współczynnik stabilizacji zmian prądu wejściowego,
 U - temperaturowy współczynnik stabilizacji napięcia ,
 I - temperaturowy współczynnik stabilizacji prądu.
Parametry przyrostowe stabilizatora napięcia
 UW E
U 0
SU 
; RW Y 
;
U 0
 I0

U
U 0

T
Parametry przyrostowe stabilizatora prądu
 IW E
 I0
SI 
; GW Y 
;
 I0
U 0

I
 I0

T
U0
U0Max
U0Zn
U0Min
UWEMin
UWEZn
UWEMax
Zakres stabilizacji napięcia wejściowego
UWE
I0
I0Max
I0Zn
I0Min
IWEMin
IWEZn
IWEMax
Zakres stabilizacji prądu wejściowego
IWE
U0
U0Min
U0Zn
U0Min
TMin
TZn
T
TMax
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 zasadę
działania :
- stabilizatory parametryczne,
- stabilizatory kompensacyjne.
W stabilizatorach parametrycznych wykorzystuje się nieliniowe
charakterystyki prądowo-napięciowe elementów elektronicznych
albo dwójników,wykazujących w pewnych zakresach zbliżone
do zera wartości różniczkowych rezystancji lub kondunktancji.
Stabilizatory kompensacyjne są układami automatycznej regulacji,
w których wykorzystuje się właściwości ujemnego sprzężenia
zwrotnego.
Klasyfikacja układów stabilizatorów ze względu na sposób
umieszczenia układu realizującego stabilizację :
- stabilizatory szeregowe,
- stabilizatory równoległe.
Stabilizatory parametryczne
I0
RS
IZ
RP
EP
UWE
Prostownik z filtrem
DZ
R
U
0
0
I0
IZ
RS
RP
D
EP
UWE
r
Z
Z
U
Z
Prostownik z filtrem
-
+
R
U
0
0
R0 = const >> rZ
R0 rZ
R0  rZ
rZ
U 0 
UW E 
UW E
R0 rZ
RS  rZ
RS 
R0  rZ
 UW E
RS RS
SU 
1

U 0
rZ
rZ
RW Y

U 0
rZ RS  RP 
rZ RS



 I0
rZ  RS  RP rZ  RS
U
U 0
RS U Z U Z



T
rZ  RS T
T
Stabilizatory parametryczne stosowane są zazwyczaj tylko przy
małych mocach wyjściowych i niezbyt wygórowanych wymaganiach
jakościowych. Charakteryzują się one małą sprawnością , a ich
współczynniki stabilizacji mają umiarkowaną wartość przy zmianach
obciążenia i napięcia wejściowego.
Wartość napięcia stabilizowanego jak i prądu wyjściowego zależą
głównie od parametrów elementu nieliniowego. Jest to istotna wada
tego typu układów ponieważ w przypadku konieczności zmiany
tych wielkości, konieczna jest wymiana elementu nieliniowego (diody
Zenera).
Minimalne rezystancje rZ występują dla diod Zenera o napięciu UZ
około 7 V, a minimalne współczynniki temperaturowe dla diod o
napięciu Zenera z przedziału UZ = (5-6)V.
Szeregowy stabilizator kompensacyjny o działaniu ciągłym
IE
UEB
RP
UW
E
EP
(ΔUWE)
R
(ΔUEB= -(1 + βUKU)ΔU0)
1
I
-
KU
+
UB
-
ΔU0  ΔUWE/(1+βUKU)
U
0
R3
βU= R3/(R3 + R2)
Prostownik z filtrem
R0
d
+
(-βUKUΔU0)
R2
I0
(βUΔU0)
(ΔU0)
IE  IC  I0
R01
R02>R01
UEB1
Q1
Q2
UEB2= UEB1 - ΔUEB2
Q
3
UEB3= UEB1 - ΔUEB3 ( KU 2  KU 1 )
Q4
ΔU04
UCEQ2
UCEQ1=UCEZn
( KU 1 )
UWE
U0Q2
UCE
U0Q1=U0Zn
Ilustracja działania szeregowego stabilizatora kompensacyjnego
przy zmianie rezystancji obciążenia
IE  IC  I0
R01
R01
UEB1
Q1
Q2
UEB2= UEB1 - ΔUEB2
Q
UEB3= UEB1 - ΔUEB3 (KU2>KU1)
3
Q4
UWE2
ΔU04
UCEQ2
(KU1)
UWE1
ΔUWE
UCE
U0Q2
UCEQ1=UCEZn U0Q1=U0Zn
Ilustracja działania szeregowego stabilizatora kompensacyjnego
przy zmianie napięcia wejściowego
Układy zabezpieczeń stabilizatorów
UR5
DZ2
UZ2
1
R4
R5
R1
UEB3
D
UWE
R3
T
T3
IO
RZ
UO
T
2
DZ1
R2
Układ z ograniczeniem prądu obciążenia
RO
Układ ogranicznika prądu obciążenia tworzą rezystory R3-R5,
tranzystor T3 oraz diody D i DZ2.Elementem próbkującym prąd
wyjściowy jest rezystor R5. Tak długo jak spadek napięcia na nim
jest mniejszy od spadku napięcia IE3R4 dioda D nie przewodzi.
Gdy prąd wyjściowy przekroczy wartość dopuszczalną dioda D
zaczyna przewodzić i na rezystorze R5 ustali się napięcie równe
UR5 = UZ2 + UD – UEB3 ≈ UZ2
Napięcie UZ2 jako napięcie Zenera ma stałą wartość, a zatem prąd
wyjściowy dalej już nie wzrasta i wynosi
I O max
U R5 U Z 2


R5
R5
UO
IO
IOmax
IOzw
Charakterystyka prądowo-napięciowa układu z ograniczeniem
prądu obciążenia
Mimo, ze w układzie jest zastosowany ogranicznik prądu, należy
nadal 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 wyjścia
stabilizatora.
UR5
T
DZ2
1
R4
R8
RZ
R6
R5
UR6UEB4
R3
IO
T4
T3
UWE
R1
UO
RO
T
2
DZ1
Układ z redukcją prądu zwarcia
R7
R2
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 próbkującym
prąd wyjściowy jest rezystor R5. Gdy spadek napięcia na nim
wzrośnie powyżej wartości UR5  UR6 – UEB4 tranzystor T4 zaczyna
przewodzić, co w konsekwencji przeciwdziała dalszemu wzrostowi
prądu wyjściowego.
Na podstawie powyższych rozważań można wyznaczyć maksymalny
prąd zwarcia z układu równań
Stąd
UR5 = IO R5
UR6 = (UO + UR5) R6/(R6 + R7)
UR5 – UR6 = UEB4
IO max R5 – (UO + IO max R5) R6/(R6 + R7) = UEB4
UO
IO
IOzw
IOmax
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)