Регулятор напряжения – это система, предназначенная для автоматического поддержания постоянного напряжения . Он может использовать простую конструкцию прямой связи или включать отрицательную обратную связь . Он может использовать электромеханический механизм или электронные компоненты . В зависимости от конструкции его можно использовать для регулирования одного или нескольких напряжений переменного или постоянного тока .
Электронные регуляторы напряжения встречаются в таких устройствах, как компьютерные блоки питания , где они стабилизируют напряжение постоянного тока, используемое процессором и другими элементами. В автомобильных генераторах переменного тока и генераторных установках центральных электростанций регуляторы напряжения контролируют мощность установки. В системе распределения электроэнергии регуляторы напряжения могут быть установлены на подстанции или вдоль распределительных линий, чтобы все потребители получали стабильное напряжение независимо от того, сколько мощности потребляется из линии.
Простой регулятор напряжения/тока можно сделать из резистора, включенного последовательно с диодом (или серией диодов). Из-за логарифмической формы кривых VI диода напряжение на диоде меняется лишь незначительно из-за изменений потребляемого тока или изменений входного сигнала. Когда точный контроль напряжения и эффективность не важны, эта конструкция может подойти. Поскольку прямое напряжение диода невелико, этот тип стабилизатора напряжения подходит только для регулируемого выхода низкого напряжения. Когда требуется более высокое выходное напряжение, можно использовать стабилитрон или серию стабилитронов. Регуляторы стабилитрона используют фиксированное обратное напряжение стабилитрона, которое может быть довольно большим.
Регуляторы напряжения с обратной связью работают путем сравнения фактического выходного напряжения с некоторым фиксированным опорным напряжением. Любая разница усиливается и используется для управления регулирующим элементом таким образом, чтобы уменьшить погрешность напряжения. Это образует контур управления с отрицательной обратной связью; увеличение коэффициента усиления в разомкнутом контуре имеет тенденцию повышать точность регулирования, но снижать стабильность. (Стабильность – это предотвращение колебаний или звона во время ступенчатого изменения.) Также будет компромисс между стабильностью и скоростью реакции на изменения. Если выходное напряжение слишком низкое (возможно, из-за снижения входного напряжения или увеличения тока нагрузки), регулирующему элементу подается команда до определенной точки на создание более высокого выходного напряжения - за счет меньшего снижения входного напряжения (для линейных последовательных регуляторов). и понижающие импульсные стабилизаторы) или для потребления входного тока в течение более длительных периодов времени (импульсные стабилизаторы повышающего типа); если выходное напряжение слишком велико, элемент регулирования обычно получает команду на создание более низкого напряжения. Однако многие регуляторы имеют защиту от перегрузки по току, поэтому они полностью прекращают подачу тока (или каким-либо образом ограничивают ток), если выходной ток слишком велик, а некоторые стабилизаторы также могут отключиться, если входное напряжение выходит за пределы заданного значения. диапазон (см. также: схемы лома ).
В электромеханических регуляторах регулирование напряжения легко осуществляется путем намотки чувствительного провода в электромагнит. Магнитное поле, создаваемое током, притягивает движущийся железный сердечник, удерживаемый напряжением пружины или гравитацией. По мере увеличения напряжения увеличивается и ток, усиливая магнитное поле, создаваемое катушкой, и притягивая сердечник к полю. Магнит физически соединен с механическим силовым выключателем, который размыкается при перемещении магнита в поле. По мере уменьшения напряжения уменьшается и ток, ослабляя напряжение пружины или вес сердечника и заставляя его втягиваться. При этом переключатель замыкается, и энергия снова подается.
Если конструкция механического регулятора чувствительна к небольшим колебаниям напряжения, движение сердечника соленоида можно использовать для перемещения селекторного переключателя в диапазоне сопротивлений или обмоток трансформатора для постепенного повышения или понижения выходного напряжения или для поворота положения регулятор переменного тока с подвижной катушкой.
Ранние автомобильные генераторы и генераторы переменного тока имели механический регулятор напряжения с использованием одного, двух или трех реле и различных резисторов для стабилизации выходного напряжения генератора на уровне чуть более 6,7 или 13,4 В, чтобы поддерживать батарею независимо от оборотов двигателя или изменяющейся нагрузки на сеть. электрическую систему автомобиля, насколько это возможно. Реле(а) модулируют ширину импульса тока для регулирования выходного напряжения генератора, управляя средним током возбуждения во вращающейся машине, который определяет силу создаваемого магнитного поля, которое определяет выходное напряжение без нагрузки на оборот в минуту. Конденсаторы не используются для сглаживания импульсного напряжения, как описано ранее. Большая индуктивность катушки возбуждения сохраняет энергию, передаваемую магнитному полю, в железном сердечнике, поэтому импульсный ток возбуждения не приводит к такому сильному импульсному полю. Оба типа вращающихся машин создают вращающееся магнитное поле, которое индуцирует переменный ток в катушках статора. Генератор использует механический коммутатор, графитовые щетки, работающие на медных сегментах, для преобразования вырабатываемого переменного тока в постоянный путем переключения внешних соединений под углом вала, когда напряжение меняется на противоположное. Генератор достигает той же цели, используя выпрямители, которые не изнашиваются и не требуют замены.
В современных конструкциях теперь используются полупроводниковые технологии (транзисторы) для выполнения той же функции, которую реле выполняют в электромеханических регуляторах.
Электромеханические регуляторы используются для стабилизации напряжения сети — см. Стабилизаторы напряжения переменного тока ниже.
Генераторы, используемые на электростанциях, в производстве электроэнергии на судах или в резервных энергосистемах, будут иметь автоматические регуляторы напряжения (AVR) для стабилизации их напряжения при изменении нагрузки на генераторы. Первые АРН для генераторов представляли собой электромеханические системы, но в современном АРН используются полупроводниковые устройства. АРН — это система управления с обратной связью, которая измеряет выходное напряжение генератора, сравнивает его с заданным значением и генерирует сигнал ошибки, который используется для регулировки возбуждения генератора. По мере увеличения тока возбуждения в обмотке возбуждения генератора напряжение на его выводах будет увеличиваться. AVR будет контролировать ток с помощью силовых электронных устройств; обычно небольшая часть мощности генератора используется для обеспечения тока обмотки возбуждения. Если генератор подключен параллельно с другими источниками, такими как сеть электропередачи, изменение возбуждения больше влияет на реактивную мощность, производимую генератором, чем на напряжение на его клеммах, которое в основном устанавливается подключенной энергосистемой. Если несколько генераторов подключены параллельно, система AVR будет иметь схемы, обеспечивающие работу всех генераторов с одинаковым коэффициентом мощности. [1] АРН на генераторах электростанций, подключенных к сети, могут иметь дополнительные функции управления, помогающие стабилизировать электрическую сеть от сбоев из-за внезапной потери нагрузки или неисправностей.
Это более старый тип регулятора, использовавшийся в 1920-х годах, в котором используется принцип катушки возбуждения с фиксированным положением и второй катушки возбуждения, которую можно вращать на оси параллельно с неподвижной катушкой, аналогично вариопаре.
Когда подвижная катушка расположена перпендикулярно неподвижной катушке, магнитные силы, действующие на подвижную катушку, уравновешивают друг друга, и выходное напряжение остается неизменным. Вращение катушки в одну или другую сторону от центрального положения приведет к увеличению или уменьшению напряжения во вторичной подвижной катушке.
Регулятор этого типа можно автоматизировать с помощью механизма сервоуправления, чтобы перемещать положение подвижной катушки, чтобы обеспечить увеличение или уменьшение напряжения. Тормозной механизм или зубчатая передача с высоким передаточным числом используются для удержания вращающейся катушки на месте против мощных магнитных сил, действующих на подвижную катушку.
Электромеханические регуляторы, называемые стабилизаторами напряжения или переключателями ответвлений , также используются для регулирования напряжения в распределительных линиях переменного тока. Эти регуляторы работают с помощью сервомеханизма для выбора соответствующего ответвления на автотрансформаторе с несколькими ответвлениями или путем перемещения стеклоочистителя на бесступенчатом автотрансформаторе. Если выходное напряжение не находится в допустимом диапазоне, сервомеханизм переключает отвод, изменяя коэффициент трансформации трансформатора, чтобы переместить вторичное напряжение в приемлемую область. Органы управления обеспечивают зону нечувствительности, в которой контроллер не будет действовать, не позволяя контроллеру постоянно регулировать напряжение («колеблется»), поскольку оно изменяется на приемлемо небольшую величину.
Феррорезонансный трансформатор , феррорезонансный регулятор или трансформатор постоянного напряжения — это тип насыщающего трансформатора, используемый в качестве регулятора напряжения. В этих трансформаторах используется емкостная схема , состоящая из высоковольтной резонансной обмотки и конденсатора для создания почти постоянного среднего выходного напряжения при изменяющемся входном токе или изменяющейся нагрузке. Схема имеет первичную обмотку с одной стороны магнитного шунта, а также катушку настроенной цепи и вторичную обмотку с другой стороны. Регулирование происходит за счет магнитного насыщения в участке вокруг вторичной обмотки.
Феррорезонансный подход привлекателен из-за отсутствия в нем активных компонентов, поскольку он основан на характеристиках насыщения прямоугольной петли контура резервуара для поглощения изменений среднего входного напряжения. Насыщающие трансформаторы представляют собой простой и надежный метод стабилизации источника питания переменного тока.
Феррорезонансные трансформаторы старых конструкций имели на выходе высокое содержание гармоник, что приводило к искажению формы выходного сигнала. Современные устройства используются для построения идеальной синусоидальной волны. Феррорезонансное действие является ограничителем потока, а не регулятором напряжения, но при фиксированной частоте питания оно может поддерживать почти постоянное среднее выходное напряжение, даже если входное напряжение сильно варьируется.
Феррорезонансные трансформаторы, также известные как трансформаторы постоянного напряжения (CVT) или «феррос», также являются хорошими ограничителями перенапряжений, поскольку они обеспечивают высокую изоляцию и собственную защиту от короткого замыкания.
Феррорезонансный трансформатор может работать в диапазоне входных напряжений ±40% и более от номинального напряжения.
Коэффициент выходной мощности остается в диапазоне 0,96 или выше от половинной до полной нагрузки.
Поскольку он восстанавливает форму сигнала выходного напряжения, искажение выходного сигнала, которое обычно составляет менее 4%, не зависит от каких-либо искажений входного напряжения, включая вырезы.
КПД при полной нагрузке обычно находится в диапазоне от 89% до 93%. Однако при небольших нагрузках КПД может упасть ниже 60%. Возможность ограничения тока также становится помехой, когда вариатор используется в приложениях с умеренным или высоким пусковым током, например, в двигателях, трансформаторах или магнитах. В этом случае размер вариатора должен быть рассчитан на пиковый ток, что заставляет его работать при низких нагрузках и низком КПД.
Требуется минимальное техническое обслуживание, поскольку трансформаторы и конденсаторы могут быть очень надежными. В некоторые устройства включены резервные конденсаторы, позволяющие нескольким конденсаторам выйти из строя между проверками без какого-либо заметного влияния на производительность устройства.
Выходное напряжение изменяется примерно на 1,2% на каждый 1% изменения частоты питания. Например, очень большое изменение частоты генератора на 2 Гц приводит к изменению выходного напряжения всего на 4%, что мало влияет на большинство нагрузок.
Он допускает 100% однофазную импульсную нагрузку источника питания без каких-либо требований к снижению номинальных характеристик, включая все нейтральные компоненты.
Искажение входного тока остается менее 8 % THD даже при питании нелинейных нагрузок с коэффициентом гармоник тока более 100 %.
Недостатками вариаторов являются их больший размер, слышимый гудящий звук и сильное выделение тепла, вызванное насыщением.
Регуляторы или стабилизаторы напряжения используются для компенсации колебаний напряжения в сети. Большие регуляторы могут быть стационарно установлены на распределительных линиях. Небольшие портативные регуляторы можно подключать между чувствительным оборудованием и сетевой розеткой. Автоматические регуляторы напряжения на генераторных установках для поддержания постоянного напряжения при изменении нагрузки. Регулятор напряжения компенсирует изменение нагрузки. Регуляторы напряжения распределения электроэнергии обычно работают в диапазоне напряжений, например 150–240 В или 90–280 В. [2]
Многие простые источники питания постоянного тока регулируют напряжение с помощью последовательных или шунтирующих стабилизаторов, но в большинстве случаев для опорного напряжения используется шунтирующий стабилизатор, такой как стабилитрон , диод лавинного пробоя или трубка регулятора напряжения . Каждое из этих устройств начинает проводить ток при определенном напряжении и будет проводить столько тока, сколько необходимо для поддержания напряжения на его клеммах на этом указанном напряжении путем отвода избыточного тока от неидеального источника питания на землю, часто через резистор относительно низкого номинала . рассеять лишнюю энергию. Источник питания предназначен для подачи только максимального тока, находящегося в пределах безопасной работоспособности шунтирующего регулирующего устройства.
Если стабилизатор должен обеспечивать большую мощность, выход шунтирующего регулятора используется только для обеспечения стандартного опорного напряжения для электронного устройства, известного как стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения — это электронное устройство, способное по требованию выдавать гораздо большие токи.
В активных регуляторах используется по крайней мере один активный (усилительный) компонент, например транзистор или операционный усилитель . Шунтирующие стабилизаторы часто (но не всегда) пассивны и просты, но всегда неэффективны, поскольку они (по сути) сбрасывают избыточный ток, который недоступен для нагрузки. Когда необходимо подать большую мощность, используются более сложные схемы. В целом эти активные регуляторы можно разделить на несколько классов:
Линейные регуляторы основаны на устройствах, которые работают в своей линейной области (напротив, импульсный регулятор основан на устройстве, вынужденном действовать как переключатель включения / выключения). Линейные регуляторы также подразделяются на два типа:
Раньше в качестве переменного сопротивления обычно использовалась одна или несколько электронных ламп . В современных конструкциях вместо этого используется один или несколько транзисторов , возможно, в составе интегральной схемы . Преимущество линейных конструкций заключается в очень «чистом» выходе с небольшим шумом, вносимым в их выход постоянного тока, но чаще всего они гораздо менее эффективны и не могут повышать или инвертировать входное напряжение, как импульсные источники питания. Все линейные регуляторы требуют более высокого входного сигнала, чем выходного. Если входное напряжение приблизится к желаемому выходному, регулятор «выпадет». Разность входного и выходного напряжения, при которой это происходит, называется падением напряжения стабилизатора. Стабилизаторы с низким падением напряжения (LDO) позволяют использовать входное напряжение, которое может быть намного ниже (т. е. они тратят меньше энергии, чем традиционные линейные стабилизаторы).
Полные линейные регуляторы доступны в виде интегральных схем. Эти чипы бывают с фиксированным или регулируемым напряжением. Примерами некоторых интегральных схем являются регулятор общего назначения 723 и серии 78xx /79xx.
Импульсные регуляторы быстро включают и выключают последовательное устройство. Рабочий цикл переключателя определяет, сколько заряда передается нагрузке. Это контролируется тем же механизмом обратной связи, что и в линейном регуляторе. Поскольку последовательный элемент либо полностью проводящий, либо выключен, он почти не рассеивает мощность; именно это обеспечивает эффективность коммутационной конструкции. Импульсные стабилизаторы также способны генерировать выходное напряжение, превышающее входное, или противоположной полярности, что невозможно при линейной конструкции. В переключаемых стабилизаторах проходной транзистор используется как «управляемый переключатель» и работает либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. Следовательно, мощность, передаваемая через проходное устройство, представляет собой дискретные импульсы, а не постоянный ток. Большая эффективность достигается за счет того, что проходное устройство работает как переключатель с низким импедансом. Когда проходное устройство отключено, ток отсутствует и мощность не рассеивается. Опять же, когда проходное устройство находится в состоянии насыщения, на нем возникает незначительное падение напряжения и, таким образом, рассеивается лишь небольшое количество средней мощности, обеспечивая максимальный ток для нагрузки. В любом случае мощность, теряемая в проходном устройстве, очень мала и почти вся мощность передается в нагрузку. Таким образом, КПД импульсного источника питания удивительно высок – в диапазоне 70–90%.
Импульсные регуляторы полагаются на широтно-импульсную модуляцию для управления средним значением выходного напряжения. Среднее значение повторяющегося импульсного сигнала зависит от площади под ним. При изменении рабочего цикла среднее значение напряжения изменяется пропорционально.
Как и линейные регуляторы, почти полные импульсные регуляторы также доступны в виде интегральных схем. В отличие от линейных регуляторов, для них обычно требуется дроссель , который действует как элемент накопления энергии. [3] [4] Микросхемы-регуляторы сочетают в себе источник опорного напряжения, операционный усилитель ошибки, проходной транзистор с ограничением тока короткого замыкания и защиту от тепловой перегрузки.
Простые источники питания постоянного тока можно изготовить с помощью выпрямителей. Но они страдают от изменений на входе или при нагрузке. Это положило начало разработке схем линейного регулятора (последовательного/шунтирующего)*. Линейные регуляторы поддерживают постоянное напряжение, изменяя свое сопротивление в противовес изменению входного напряжения. Однако эффективность этой системы низкая. Они тяжелые и недостаточно гибкие, чтобы их можно было выбрать для любого применения. Так был разработан импульсный источник питания (SMPS).
В импульсных источниках питания используется высокочастотный переключатель с изменяющимся рабочим циклом для поддержания выходного напряжения. Изменение выходного напряжения, вызванное переключением, фильтруется LC-фильтром . Системы импульсного источника питания возникли в те времена, когда ламповые или ламповые автомобильные радиоприемники нуждались в мощном высоковольтном источнике питания. Например, радиоприемнику потребуется 150 В постоянного тока , чтобы он вырабатывался от автомобильной энергосистемы, обычно с напряжением 12 В постоянного тока . Сегодня мы находим применение ИИП в подавляющем большинстве электронных устройств.
Импульсные источники питания по сути представляют собой преобразователи постоянного тока в постоянный. Если на входе переменный ток, вход сначала выпрямляется на постоянное напряжение. Таким образом, в зависимости от входа импульсный источник питания может иметь два (DC-AC, AC-DC) или три (AC-DC, DC-AC, AC-DC) каскада.
Два типа регуляторов имеют свои разные преимущества:
Регуляторы, питающиеся от силовых цепей переменного тока, могут использовать кремниевые управляемые выпрямители (SCR) в качестве последовательного устройства. Всякий раз, когда выходное напряжение падает ниже желаемого значения, срабатывает SCR, позволяя электричеству поступать в нагрузку до тех пор, пока напряжение сети переменного тока не пройдет через ноль (завершение полупериода). Преимущество SCR-регуляторов заключается в том, что они очень эффективны и очень просты, но поскольку они не могут завершить текущий полупериод проводимости, они не способны очень точно регулировать напряжение в ответ на быстро меняющиеся нагрузки. Альтернативой является шунтирующий регулятор SCR, который использует выход регулятора в качестве триггера. Как последовательные, так и шунтирующие конструкции шумны, но мощны, поскольку устройство имеет низкое сопротивление.
Во многих источниках питания используется более одного последовательного метода регулирования. Например, выход импульсного регулятора можно дополнительно регулировать с помощью линейного регулятора. Импульсный стабилизатор принимает широкий диапазон входных напряжений и эффективно генерирует (несколько зашумленное) напряжение, немного превышающее желаемое выходное напряжение. Затем следует линейный стабилизатор, который генерирует именно желаемое напряжение и устраняет почти весь шум, создаваемый импульсным стабилизатором. В других конструкциях в качестве «предварительного регулятора» может использоваться регулятор SCR, за которым следует регулятор другого типа. Эффективный способ создания источника питания с регулируемым напряжением и точным выходом — объединить многоотводный трансформатор с регулируемым линейным пострегулятором.
В простейшем случае используется усилитель с общим коллектором, также известный как эмиттерный повторитель, с базой регулирующего транзистора, подключенной непосредственно к источнику опорного напряжения:
Простой транзисторный стабилизатор обеспечит относительно постоянное выходное напряжение U out при изменении напряжения U in источника питания и при изменении нагрузки R L при условии, что U in превышает U out с достаточным запасом и что допустимая мощность транзистор не превышен.
Выходное напряжение стабилизатора равно напряжению стабилитрона минус напряжение база-эмиттер транзистора U Z − U BE , где U BE обычно составляет для кремниевого транзистора около 0,7 В в зависимости от тока нагрузки. Если выходное напряжение падает по какой-либо внешней причине, например, из-за увеличения тока, потребляемого нагрузкой (вызывая увеличение напряжения коллектор-эмиттер для наблюдения KVL), напряжение база-эмиттер транзистора ( U BE ) увеличивается, поворачивая транзистор включается дальше и подает больший ток, чтобы снова увеличить напряжение нагрузки.
R v обеспечивает ток смещения как для стабилитрона, так и для транзистора. Ток в диоде минимален, когда ток нагрузки максимален. Разработчик схемы должен выбрать минимальное напряжение, которое можно допустить на R v , учитывая, что чем выше это требование к напряжению, тем выше требуемое входное напряжение U in и, следовательно, тем ниже эффективность стабилизатора. С другой стороны, меньшие значения R v приводят к более высокой рассеиваемой мощности в диоде и ухудшению характеристик стабилизатора. [5]
R v определяется выражением
где
Стабильность выходного напряжения можно существенно повысить, используя дифференциальный усилитель , возможно, реализованный в виде операционного усилителя :
В этом случае операционный усилитель возбуждает транзистор большим током, если напряжение на его инвертирующем входе падает ниже выходного напряжения опорного напряжения на неинвертирующем входе. Использование делителя напряжения (R1, R2 и R3) позволяет выбирать произвольное выходное напряжение между U z и U in .
Выходное напряжение можно поддерживать постоянным только в определенных пределах. Регулирование определяется двумя измерениями:
Другими важными параметрами являются:
