Vojenský technický výcvik

Regulátor napětí – elektromechanické nebo elektrické (elektronické) zařízení, které má napěťový vstup a výstup, určené k udržení výstupního napětí v úzkých mezích s významnou změnou vstupního napětí a výstupního zatěžovacího proudu.

1.8.1. DC stabilizátor.

Lineární stabilizátor

Lineární stabilizátor je dělič napětí, na jehož vstup je napájeno vstupní (nestabilní) napětí a výstupní (stabilizované) napětí je odváděno ze spodního ramene děliče. Stabilizace se provádí změnou odporu jednoho z dělicích ramen: odpor je neustále udržován tak, aby napětí na výstupu stabilizátoru bylo ve stanovených mezích. Při velkém poměru vstupních/výstupních napětí má lineární stabilizátor nízkou účinnost, protože většina výkonu Pdis = (Uin – Uout) * Je odváděna jako teplo na ovládacím prvku. Proto musí být ovládací prvek schopen odvádět dostatečný výkon, to znamená, že musí být instalován na radiátor požadované plochy. Výhodou lineárního stabilizátoru je jeho jednoduchost, absence rušení a malý počet použitých dílů.

V závislosti na umístění prvku s proměnným odporem:

Sekvenční : ovládací prvek je zapojen do série se zátěží.

Paralelní : ovládací prvek je zapojen paralelně se zátěží.

V závislosti na metodě stabilizace:

Parametrické : v takovém stabilizátoru je použita část charakteristiky proudového napětí zařízení, která má velkou strmost.

Náhradní : má zpětnou vazbu. V něm se porovnává napětí na výstupu stabilizátoru s referenčním a z rozdílu mezi nimi se tvoří řídicí signál pro regulační prvek.

Paralelní parametrický stabilizátor na zenerově diodě

Používá se ke stabilizaci napětí v nízkoproudých obvodech, protože pro normální provoz obvodu musí být proud zenerovou diodou D1 několikrát (3-10) vyšší než proud ve stabilizované zátěži RL. Často se takový obvod lineárního regulátoru používá jako zdroj referenčního napětí ve složitějších obvodech stabilizátoru. Pro snížení nestability výstupního napětí způsobené změnami vstupního napětí je místo rezistoru RV použit zdroj proudu. Toto opatření však nesnižuje nestabilitu výstupního napětí způsobenou změnami odporu zátěže.

Sériový stabilizátor na bázi bipolárního tranzistoru

V podstatě se jedná o paralelní parametrický stabilizátor na zenerově diodě diskutovaný výše, připojený ke vstupu emitorového sledovače. Nemá zpětnovazební obvody pro kompenzaci změn výstupního napětí.

Její výstupní napětí je menší než stabilizační napětí zenerovy diody o hodnotu Ube, která je prakticky nezávislá na velikosti proudu protékajícího pn přechodem a pro zařízení na bázi křemíku je přibližně 0,6V. Závislost Ube na proudu a teplotě zhoršuje stabilitu výstupního napětí, oproti paralelnímu parametrickému stabilizátoru na bázi zenerovy diody.

Emitorový sledovač (proudový zesilovač) umožňuje zvýšit maximální výstupní proud stabilizátoru ve srovnání s paralelním parametrickým stabilizátorem na zenerově diodě o β krát (kde β je proudový zisk této instance tranzistoru). Pokud to nestačí, použije se kompozitní tranzistor.

Při absenci zatěžovacího odporu (nebo při zatěžovacích proudech v mikroampérovém rozsahu) se výstupní napětí takového stabilizátoru (napětí naprázdno) zvýší o 0,6 V v důsledku skutečnosti, že Ube v oblasti mikroproudu se přiblíží nule. K překonání této vlastnosti je k výstupu stabilizátoru připojen předřadný zátěžový odpor, který poskytuje zatěžovací proud několik mA.

Sériový kompenzační regulátor využívající operační zesilovač

Část výstupního napětí Uout, odebraného z potenciometru R2, je porovnána s referenčním napětím Uz na zenerově diodě D1. Napěťový rozdíl je zesílen operačním zesilovačem U1 a přiveden na bázi řídicího tranzistoru zapojeného podle emitorového sledovacího obvodu. Pro stabilní provoz obvodu by měl být fázový posun smyčky blízký 180°+n*360°. Protože část výstupního napětí Uout je přivedena na invertující vstup operačního zesilovače U1, posune operační zesilovač U1 fázi o 180°, řídící tranzistor je zapojen podle obvodu sledovače emitoru, který neposouvá fázi. Fázový posun smyčky je 180°, podmínka stability fáze je splněna.

Referenční napětí Uz je prakticky nezávislé na proudu protékajícím zenerovou diodou a rovná se stabilizačnímu napětí zenerovy diody. Pro zvýšení jeho stability při změně Uin je místo rezistoru RV použit zdroj proudu.

V tomto stabilizátoru je operační zesilovač vlastně zapojen jako neinvertující zesilovač (s emitorovým sledovačem pro zvýšení výstupního proudu). Poměr rezistorů ve zpětnovazebním obvodu určuje jeho zesílení, které určuje, kolikrát bude výstupní napětí vyšší než vstupní napětí (tj. referenční napětí dodávané na neinvertující vstup operačního zesilovače). Protože zesílení neinvertujícího zesilovače je vždy větší než jedna, je třeba zvolit hodnotu referenčního napětí Uz (stabilizační napětí zenerovy diody). méně než Uout.

Nestabilita výstupního napětí takového stabilizátoru je téměř zcela určena nestabilitou referenčního napětí v důsledku velkého zesílení smyčky moderních operačních zesilovačů ( G otevřená smyčka = 105 ÷ 106).

Aby se eliminoval vliv nestability vstupního napětí na provozní režim samotného operačního zesilovače, může být napájen stabilizovaným napětím (z přídavných parametrických stabilizátorů na zenerově diodě).

Spínací stabilizátor

V pulzním stabilizátoru je proud z nestabilizovaného externího zdroje přiváděn do paměťového zařízení (obvykle kondenzátoru nebo induktoru) v krátkých pulzech; v tomto případě je akumulována energie, která je následně uvolněna do zátěže ve formě elektrické energie, ale v případě tlumivky s jiným napětím. Stabilizace se provádí řízením délky pulzů a pauz mezi nimi – pulzně šířková modulace. Spínací stabilizátor má oproti lineárnímu podstatně vyšší účinnost. Nevýhodou pulzního stabilizátoru je přítomnost pulzního šumu ve výstupním napětí.

Na rozdíl od lineárního stabilizátoru může spínací stabilizátor převádět vstupní napětí libovolným způsobem (v závislosti na obvodu stabilizátoru):

Buck stabilizátor : Výstupní stabilizované napětí je vždy nižší než vstupní napětí a má stejnou polaritu.

Posilovací stabilizátor : Stabilizované výstupní napětí je vždy vyšší než vstupní napětí a má stejnou polaritu.

Buck-boost stabilizátor : Výstupní napětí je stabilizované, může být vyšší nebo nižší než vstupní napětí a má stejnou polaritu. Takový stabilizátor se používá v případech, kdy se vstupní napětí mírně liší od požadovaného a může se lišit, přičemž má hodnotu vyšší i nižší, než je požadováno.

Invertující stabilizátor : Výstupní stabilizované napětí má obrácenou polaritu vůči vstupu, absolutní hodnota výstupního napětí může být libovolná.

1.8.2. AC stabilizátor.

Feromagnetické stabilizátory

Během sovětské éry se rozšířily domácí ferorezonanční stabilizátory napětí. Obvykle se přes ně připojovaly televizory. První generace televizorů používaly síťové zdroje s lineárními stabilizátory napětí (a některé obvody byly dokonce napájeny nestabilizovaným napětím), které ne vždy zvládaly výkyvy síťového napětí, zejména ve venkovských oblastech, které vyžadovaly předběžnou stabilizaci napětí. S příchodem televizorů 4UPICT a USCT, které měly spínané zdroje, odpadla potřeba dodatečné stabilizace síťového napětí.

Ferorezonanční stabilizátor se skládá ze dvou tlumivek: s nenasyceným jádrem (s magnetickou mezerou) a nasyceným jádrem a také z kondenzátoru. Zvláštností charakteristiky proudového napětí nasyceného induktoru je to, že napětí na něm se mění jen málo, když se mění proud, který prochází. Volbou parametrů tlumivek a kondenzátorů je možné zajistit stabilizaci napětí při změnách vstupního napětí v dosti širokém rozsahu, avšak mírná odchylka frekvence napájecí sítě značně ovlivnila charakteristiku stabilizátoru.

Elektromechanické stabilizátory napětí

Regulace napětí v elektromechanických (elektrodynamických) stabilizátorech se provádí automaticky pohybem sběrné jednotky proudu po vinutí transformátoru, čímž je zajištěna plynulá změna jejího transformačního poměru až do dosažení zadaného výstupního napětí.

Jedná se o jediný typ stabilizátoru, který poskytuje plynulou regulaci napětí bez zkreslení tvaru sinusovky. Stabilizátory tohoto typu mají poměrně vysokou přesnost udržování výstupního napětí (2.,3 %) a poskytují nejpohodlnější napájení domácích spotřebičů. Úspěšně se používají jak v každodenním životě, tak ve výrobě.

Rozsah jejich použití však má několik omezení: prvním je nemožnost provozu při teplotách pod nulou (kvůli přítomnosti otevřených ploch s proudem a nebezpečí zkratu v důsledku kondenzace). Kromě toho mají elektromechanické stabilizátory relativně úzký rozsah vstupních napětí (obvykle 150-260 voltů) a nízkou rychlost nastavení, omezenou rychlostí pohybu servopohonu jednotky sběrače proudu.

Jako sběrač proudu se používají grafitové kartáče nebo válečky potažené grafitem. Válcová sběrná jednotka proudu je méně náladová ve vztahu k prachu, ale vyžaduje preventivní údržbu zaměřenou na zabránění zaseknutí, takže tato konstrukce se zpravidla používá v průmyslových stabilizátorech a kartáčová jednotka je instalována v modelech pro domácnost. Míra opotřebení proudových sběračů obou typů je přibližně stejná a v závislosti na intenzitě používání je nutná výměna po 7-11 letech.

Elektronické stabilizátory napětí

Dělí se na postupné a kontinuální působení. Elektronické krokové stabilizátory regulují napětí přepínáním vinutí speciálního transformátoru pomocí elektronických spínačů. Klávesy ovládá procesor pomocí speciálního programu.

V současné době existují dva typy elektronických stabilizátorů napětí: s polovodičovými a reléovými spínači. Bylo by správnější klasifikovat druhé jako elektronicko-mechanické, protože relé je elektromechanický prvek.

Stabilizátory mají vysoký výkon, proto se používají ve spojení s drahým zařízením, které vyžaduje ochranu před všemi síťovými anomáliemi. Používají se také v obytných budovách a průmyslových odvětvích. Mezi výhody elektronických stabilizátorů napětí patří jejich schopnost pracovat při nízkých okolních teplotách.

Kontinuální elektronické stabilizátory regulují napětí buď změnou odporu regulačního prvku, obvykle tranzistoru, nebo zapínáním a vypínáním regulačního prvku při vysoké frekvenci (desítky kilohertzů) a řízením doby zapnutí a vypnutí regulačního prvku ( nejčastěji IGBT tranzistor). Tato metoda řízení se nazývá PWM (pulse width modulation). Stabilizátory využívající vysokofrekvenční PWM jsou v současnosti nejpokročilejší implementací stabilizátoru střídavého napětí, a pokud jsou správně provedeny, jsou nejblíže konceptu „ideálního stabilizátoru“. Na rozdíl od stabilizátorů invertorového typu předem nepřevádí střídavé napětí na stejnosměrné napětí, ale přímo se převádí vstupní střídavé napětí, což jim zajišťuje vysokou účinnost a rozumné náklady.