18. Stabilizatory napięcia i prądu stałego

1. Prostownik sieciowy 18. Stabilizatory napięcia i prądu stałego U0 Sieć energetyczna (np. 230V, 50 Hz Filtr Stabilizator R0 Prostownik sieciowy z filtrem Układy zasilane RP IWE I0 EP UWE U0 R0 Stabilizator Stabilizator w warunkach roboczych

2. 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.

3. Stabilizator napięcia Stabilizator prądu gdzie : SU - współczynnik stabilizacji zmian napięcia wejściowego, SI - współczynnik stabilizacji zmian prądu wejściowego, - temperaturowy współczynnik stabilizacji napięcia , - temperaturowy współczynnik stabilizacji prądu.

4. Parametry przyrostowe stabilizatora napięcia Parametry przyrostowe stabilizatora prądu

5. U0 U0Max U0Zn U0Min UWE UWEMin UWEZn UWEMax Zakres stabilizacji napięcia wejściowego

6. I0 I0Max I0Zn I0Min IWEMin IWEZn IWEMax IWE Zakres stabilizacji prądu wejściowego

7. U0 U0Min U0Zn U0Min T TZn TMax TMin Zakres zmian temperatury otoczenia

8. 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

9. 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.

10. Stabilizatory parametryczne I0 RS IZ RP DZ UWE R0 U0 EP Prostownik z filtrem

11. I0 IZ RS RP rZ DZ R0 U0 UWE - EP UZ + Prostownik z filtrem

12. R0 = const >> rZ

13. 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.

14. Szeregowy stabilizator kompensacyjny o działaniu ciągłym IE I0 UEB R2 RP (ΔUEB=-(1 + βUKU)ΔU0) R1 R0 UWE Id U0 - (ΔUWE) KU EP R3 (ΔU0) + + (βUΔU0) (-βUKUΔU0) UB - βU= R3/(R3 + R2) Prostownik z filtrem ΔU0 ΔUWE/(1+βUKU)

15. R01 UEB1 IE IC I0 R02>R01 Q1 Q2 UEB2= UEB1 - ΔUEB2 Q3 UEB3= UEB1 - ΔUEB3 Q4 ΔU04 UWE UCE UCEQ2 U0Q2 UCEQ1=UCEZn U0Q1=U0Zn Ilustracja działania szeregowego stabilizatora kompensacyjnego przy zmianie rezystancji obciążenia

16. R01 R01 UEB1 IE IC I0 Q1 Q2 UEB2= UEB1 - ΔUEB2 (KU1) Q3 UEB3= UEB1 - ΔUEB3 (KU2>KU1) Q4 UWE2 UWE1 UCE ΔUWE ΔU04 U0Q2 UCEQ2 UCEQ1=UCEZn U0Q1=U0Zn Ilustracja działania szeregowego stabilizatora kompensacyjnego przy zmianie napięcia wejściowego

17. Układy zabezpieczeń stabilizatorów UR5 T1 DZ2 R5 R4 UZ2 R1 IO UEB3 D RZ UWE UO RO T3 R3 T2 R2 DZ1 Układ z ograniczeniem prądu obciążenia

18. 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

19. UO IO IOzw IOmax 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.

20. UR5 T1 DZ2 R5 R4 R1 RZ UEB4 R8 UR6 IO R6 T4 T3 UWE UO RO R3 T2 R7 R2 DZ1 Układ z redukcją prądu zwarcia

21. 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 UR5 = IO R5 UR6 = (UO + UR5) R6/(R6 + R7) UR5 – UR6 = UEB4 Stąd IO max R5 – (UO + IOmax R5) R6/(R6 + R7) = UEB4

22. 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)