Регулятор напряжения — это система, предназначенная для автоматического поддержания постоянного напряжения . Он может использовать простую конструкцию прямой связи или может включать отрицательную обратную связь . Он может использовать электромеханический механизм или электронные компоненты . В зависимости от конструкции он может использоваться для регулирования одного или нескольких напряжений переменного или постоянного тока .
Электронные регуляторы напряжения используются в таких устройствах, как компьютерные блоки питания , где они стабилизируют постоянное напряжение, используемое процессором и другими элементами. В автомобильных генераторах и генераторных установках центральных электростанций регуляторы напряжения управляют выходной мощностью 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 энергии потребляется из линии.
Простой регулятор напряжения/тока можно сделать из резистора , последовательно соединенного с диодом (или серией диодов). Благодаря логарифмической форме кривых VI диода, напряжение на диоде изменяется лишь незначительно из-за изменений потребляемого тока или изменений на входе. Когда точный контроль напряжения и эффективность не важны, эта конструкция может быть хороша. Поскольку прямое напряжение диода мало, этот тип регулятора напряжения подходит только для низковольтного регулируемого выхода. Когда требуется более высокое выходное напряжение, можно использовать стабилитрон или серию стабилитронов. Стабилитронные регуляторы используют фиксированное обратное напряжение стабилитрона, которое может быть довольно большим.
Регуляторы напряжения с обратной связью работают, сравнивая фактическое выходное напряжение с некоторым фиксированным опорным напряжением. Любая разница усиливается и используется для управления элементом регулирования таким образом, чтобы уменьшить ошибку напряжения. Это формирует отрицательную обратную связь; увеличение коэффициента усиления разомкнутого контура имеет тенденцию увеличивать точность регулирования, но уменьшать устойчивость. (Устойчивость - это предотвращение колебаний или звона во время ступенчатых изменений.) Также будет существовать компромисс между устойчивостью и скоростью реакции на изменения. Если выходное напряжение слишком низкое (возможно, из-за снижения входного напряжения или увеличения тока нагрузки), элемент регулирования получает команду, до определенной точки , на выработку более высокого выходного напряжения - за счет меньшего падения входного напряжения (для линейных последовательных регуляторов и понижающих импульсных регуляторов) или на выработку входного тока в течение более длительных периодов (импульсные регуляторы повышающего типа); если выходное напряжение слишком высокое, элемент регулирования обычно получает команду на выработку более низкого напряжения. Однако многие регуляторы имеют защиту от перегрузки по току, так что они полностью прекращают подачу тока (или ограничивают ток каким-либо образом), если выходной ток слишком высок, а некоторые регуляторы также могут отключаться, если входное напряжение выходит за пределы заданного диапазона (см. также: схемы с закорачивателем ).
В электромеханических регуляторах регулировка напряжения легко осуществляется путем наматывания чувствительного провода для создания электромагнита. Магнитное поле, создаваемое током, притягивает движущийся ферромагнитный сердечник, удерживаемый под действием натяжения пружины или гравитационного притяжения. По мере увеличения напряжения увеличивается и ток, усиливая магнитное поле, создаваемое катушкой, и притягивая сердечник к полю. Магнит физически подключен к механическому силовому выключателю, который размыкается, когда магнит перемещается в поле. По мере уменьшения напряжения уменьшается и ток, снимая натяжение пружины или вес сердечника и заставляя его втягиваться. Это замыкает выключатель и позволяет энергии течь снова.
Если конструкция механического регулятора чувствительна к небольшим колебаниям напряжения, движение сердечника соленоида можно использовать для перемещения селекторного переключателя по диапазону сопротивлений или обмоток трансформатора, чтобы постепенно увеличивать или уменьшать выходное напряжение, или для поворота положения регулятора переменного тока с подвижной катушкой.
Ранние автомобильные генераторы и альтернаторы имели механический регулятор напряжения, использующий одно, два или три реле и различные резисторы для стабилизации выходного напряжения генератора на уровне немного выше 6,7 или 13,4 В, чтобы поддерживать аккумулятор как можно более независимым от оборотов двигателя или переменной нагрузки на электрическую систему автомобиля. Реле модулировали ширину импульса тока для регулирования выходного напряжения генератора, управляя средним током поля 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 поля сохраняет энергию, передаваемую магнитному полю в железном сердечнике, поэтому импульсный ток поля не приводит к 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 переменного тока в постоянный путем переключения внешних соединений под углом вала, когда напряжение должно измениться. Генератор переменного тока достигает той же цели, используя выпрямители, которые не изнашиваются и не требуют замены.
Современные конструкции теперь используют твердотельную технологию (транзисторы) для выполнения той же функции, которую выполняют реле в электромеханических регуляторах.
Электромеханические регуляторы используются для стабилизации напряжения сети — см. Стабилизаторы переменного напряжения ниже.
Генераторы, используемые на электростанциях, судовых электростанциях или резервных энергосистемах, будут иметь автоматические регуляторы напряжения (АРН) для стабилизации напряжения при изменении нагрузки на генераторы. Первые АРН для генераторов были электромеханическими системами, но современные АРН используют твердотельные устройства. АРН [1] — 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 его напряжение на клеммах будет увеличиваться. АРН будет управлять током с помощью силовых электронных устройств; как правило, небольшая часть выходного тока генератора используется для обеспечения тока для обмотки возбуждения. Когда генератор подключен параллельно с другими источниками, такими как электрическая сеть передачи, изменение возбуждения оказывает большее влияние на реактивную мощность, вырабатываемую генератором, чем на его напряжение на клеммах, которое в основном устанавливается подключенной энергосистемой. При параллельном подключении нескольких генераторов система АРН будет иметь схемы, обеспечивающие работу всех генераторов с одинаковым коэффициентом мощности. [2] АРН на генераторах электростанций, подключенных к сети, могут иметь дополнительные функции управления, помогающие стабилизировать электрическую сеть от сбоев, вызванных внезапной потерей нагрузки или неисправностями.
Это старый тип регулятора, использовавшийся в 1920-х годах, в котором используется принцип катушки возбуждения с фиксированным положением и второй катушки возбуждения, которая может вращаться на оси параллельно фиксированной катушке, подобно вариокаплеру.
Когда подвижная катушка расположена перпендикулярно неподвижной катушке, магнитные силы, действующие на подвижную катушку, уравновешивают друг друга, и выходное напряжение остается неизменным. Вращение катушки в одном или другом направлении от центрального положения увеличит или уменьшит напряжение во вторичной подвижной катушке.
Этот тип регулятора может быть автоматизирован с помощью механизма сервоуправления для продвижения положения подвижной катушки, чтобы обеспечить увеличение или уменьшение напряжения. Тормозной механизм или высокочастотная передача используются для удержания вращающейся катушки на месте против мощных магнитных сил, действующих на подвижную катушку.
Электромеханические регуляторы, называемые стабилизаторами напряжения или переключателями ответвлений , также использовались для регулирования напряжения на линиях распределения переменного тока. Эти регуляторы работают с помощью сервомеханизма для выбора соответствующего ответвления на автотрансформаторе с несколькими ответвлениями или путем перемещения движка на бесступенчатом автотрансформаторе. Если выходное напряжение не находится в приемлемом диапазоне, сервомеханизм переключает ответвление, изменяя коэффициент трансформации трансформатора, чтобы переместить вторичное напряжение в приемлемую область. Элементы управления обеспечивают мертвую зону, в которой контроллер не будет действовать, не давая контроллеру постоянно регулировать напряжение («охотиться»), поскольку оно изменяется на приемлемо малую величину.
Феррорезонансный трансформатор , феррорезонансный регулятор или трансформатор постоянного напряжения — это тип насыщающего трансформатора, используемого в качестве регулятора напряжения. Эти трансформаторы используют контур резервуара, состоящий из высоковольтной резонансной обмотки и конденсатора, для получения почти постоянного среднего выходного напряжения при изменяющемся входном токе или изменяющейся нагрузке. Схема имеет первичную обмотку с одной стороны магнитного шунта и настроенную катушку контура и вторичную обмотку с другой стороны. Регулирование происходит из-за магнитного насыщения в секции вокруг вторичной обмотки.
Феррорезонансный подход привлекателен из-за отсутствия активных компонентов, полагаясь на характеристики насыщения квадратного контура резонансного контура для поглощения изменений среднего входного напряжения. Насыщающие трансформаторы обеспечивают простой и надежный метод стабилизации источника питания переменного тока.
Более старые конструкции феррорезонансных трансформаторов имели выход с высоким содержанием гармоник, что приводило к искажению выходной формы волны. 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 меняется.
Феррорезонансные трансформаторы, также известные как трансформаторы постоянного напряжения (ЕТН) или «ферромагнитные трансформаторы», также являются хорошими ограничителями перенапряжения, поскольку они обеспечивают высокую изоляцию и внутреннюю защиту от короткого замыкания.
Феррорезонансный трансформатор может работать в диапазоне входного напряжения ±40% и более от номинального напряжения.
Выходной коэффициент мощности остается в диапазоне 0,96 и выше от половинной до полной нагрузки.
Поскольку он восстанавливает форму выходного напряжения, искажения на выходе, которые обычно составляют менее 4%, не зависят от искажений входного напряжения, включая провалы.
Эффективность при полной нагрузке обычно находится в диапазоне от 89% до 93%. Однако при низких нагрузках эффективность может упасть ниже 60%. Возможность ограничения тока также становится помехой, когда CVT используется в приложениях с умеренным или высоким пусковым током, например, в двигателях, трансформаторах или магнитах. В этом случае CVT должен быть рассчитан на пиковый ток, что вынуждает его работать при низких нагрузках и низкой эффективности.
Требуется минимальное обслуживание, так как трансформаторы и конденсаторы могут быть очень надежными. Некоторые блоки включают резервные конденсаторы, чтобы позволить нескольким конденсаторам выйти из строя между проверками без какого-либо заметного влияния на производительность устройства.
Выходное напряжение изменяется примерно на 1,2% для каждого 1% изменения частоты питания. Например, изменение частоты генератора на 2 Гц, что очень много, приводит к изменению выходного напряжения всего на 4%, что имеет небольшой эффект для большинства нагрузок.
Он допускает 100% нагрузку однофазного импульсного источника питания без необходимости снижения номинальных характеристик, включая все нейтральные компоненты.
Искажение входного тока остается менее 8% THD даже при питании нелинейных нагрузок с THD тока более 100%.
Недостатками вариаторов являются их большие размеры, слышимый жужжащий звук и высокое тепловыделение, вызванное насыщением.
Регуляторы напряжения или стабилизаторы используются для компенсации колебаний напряжения в сети. Большие регуляторы могут быть постоянно установлены на распределительных линиях. Небольшие переносные регуляторы могут быть подключены между чувствительным оборудованием и настенной розеткой. Автоматические регуляторы напряжения на генераторных установках для поддержания постоянного напряжения при изменениях нагрузки. Регулятор напряжения компенсирует изменение нагрузки. Регуляторы напряжения распределения электроэнергии обычно работают в диапазоне напряжений, например, 150–240 В или 90–280 В. [3]
Многие простые источники питания постоянного тока регулируют напряжение с помощью последовательных или шунтовых регуляторов, но большинство применяют опорное напряжение с помощью шунтового регулятора, такого как диод Зенера , лавинный диод пробоя или трубчатый регулятор напряжения . Каждое из этих устройств начинает проводить при указанном напряжении и будет проводить столько тока, сколько требуется для поддержания его выходного напряжения на этом указанном напряжении, отводя избыточный ток от неидеального источника питания на землю, часто через резистор относительно низкого номинала для рассеивания избыточной энергии. Источник питания предназначен только для подачи максимального количества тока, которое находится в пределах безопасной рабочей возможности шунтового регулирующего устройства.
Если стабилизатор должен обеспечить большую мощность, выход шунта используется только для обеспечения стандартного опорного напряжения для электронного устройства, известного как стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения — это электронное устройство, способное обеспечить гораздо большие токи по требованию.
Активные регуляторы используют по крайней мере один активный (усилительный) компонент, такой как транзистор или операционный усилитель . Шунтовые регуляторы часто (но не всегда) пассивны и просты, но всегда неэффективны, поскольку они (по сути) сбрасывают избыточный ток, который недоступен для нагрузки. Когда необходимо подать больше мощности, 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 (в отличие от них, импульсный регулятор основан на устройстве, которое вынуждено действовать как переключатель вкл/выкл). Линейные регуляторы также классифицируются на два типа:
В прошлом в качестве переменного сопротивления обычно использовались одна или несколько вакуумных ламп . Современные конструкции вместо этого используют один или несколько транзисторов , возможно, в составе интегральной схемы . Линейные конструкции имеют преимущество очень «чистого» выхода с небольшим шумом, вносимым в их выход постоянного тока, но чаще всего они гораздо менее эффективны и неспособны повышать или инвертировать входное напряжение, как импульсные источники питания. Все линейные регуляторы требуют более высокого входного напряжения, чем выходное. Если входное напряжение приближается к желаемому выходному напряжению, регулятор «выпадет». Разность входного и выходного напряжений, при которой это происходит, известна как напряжение падения напряжения регулятора. Регуляторы с малым падением напряжения (LDO) допускают входное напряжение, которое может быть намного ниже (т. е. они тратят меньше энергии, чем обычные линейные регуляторы).
Целые линейные регуляторы доступны в виде интегральных схем. Эти чипы бывают фиксированного или регулируемого напряжения. Примерами некоторых интегральных схем являются регулятор общего назначения 723 и серии 78xx /79xx
Импульсные регуляторы быстро включают и выключают последовательное устройство. Рабочий цикл переключателя устанавливает, сколько заряда передается на нагрузку. Это контролируется аналогичным механизмом обратной связи, как и в линейном регуляторе. Поскольку последовательный элемент либо полностью проводит, либо выключен, он почти не рассеивает мощность; именно это обеспечивает эффективность коммутационной конструкции. Импульсные регуляторы также способны генерировать выходные напряжения, которые выше входного, или противоположной полярности — что невозможно в линейной конструкции. В импульсных регуляторах 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, поскольку проходное устройство работает как переключатель с низким импедансом. Когда проходное устройство находится в состоянии отсечки, ток отсутствует, и оно не рассеивает мощность. 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, эффективность импульсного источника питания весьма высока — в диапазоне 70–90%.
Регуляторы с переключаемым режимом используют широтно-импульсную модуляцию для управления средним значением выходного напряжения. Среднее значение повторяющейся импульсной формы сигнала зависит от площади под формой сигнала. Если рабочий цикл изменяется, среднее значение напряжения изменяется пропорционально.
Как и линейные регуляторы, почти полные импульсные регуляторы также доступны в виде интегральных схем. В отличие от линейных регуляторов, они обычно требуют индуктора , который действует как элемент хранения энергии. [4] [5] Регуляторы IC объединяют источник опорного напряжения, операционный усилитель ошибки, проходной транзистор с ограничением тока короткого замыкания и защитой от тепловой перегрузки.
Импульсные регуляторы более подвержены выходному шуму и нестабильности, чем линейные регуляторы. Однако они обеспечивают гораздо лучшую энергоэффективность, чем линейные регуляторы.
Регуляторы, питаемые от цепей переменного тока, могут использовать кремниевые управляемые выпрямители (SCR) в качестве последовательного устройства. Всякий раз, когда выходное напряжение ниже желаемого значения, SCR срабатывает, позволяя электричеству течь в нагрузку до тех пор, пока напряжение сети переменного тока не пройдет через ноль (завершение полупериода). SCR-регуляторы имеют преимущества в том, что они одновременно очень эффективны и очень просты, но поскольку они не могут прекратить текущий полупериод проводимости, они не способны очень точно регулировать напряжение в ответ на быстро меняющиеся нагрузки. Альтернативой является шунтовой регулятор SCR, который использует выход регулятора в качестве триггера. Как последовательная, так и шунтовая конструкции шумные, но мощные, так как устройство имеет низкое сопротивление.
Многие источники питания используют более одного метода регулирования последовательно. Например, выход импульсного регулятора может дополнительно регулироваться линейным регулятором. Импульсный регулятор принимает широкий диапазон входных напряжений и эффективно генерирует (несколько шумное) напряжение, немного превышающее в конечном итоге желаемое выходное. За ним следует линейный регулятор, который генерирует точно желаемое напряжение и устраняет почти весь шум, создаваемый импульсным регулятором. Другие конструкции могут использовать регулятор SCR в качестве «предварительного регулятора», за которым следует другой тип регулятора. Эффективный способ создания источника питания с переменным напряжением и точным выходом — это объединение многоотводного трансформатора с регулируемым линейным пост-регулятором.
В простейшем случае используется усилитель с общей базой , при этом база регулирующего транзистора подключается непосредственно к источнику опорного напряжения:
Простой транзисторный регулятор обеспечивает относительно постоянное выходное напряжение U вых при изменениях напряжения U вх источника питания и при изменениях нагрузки R L , при условии, что U вх превышает U вых на достаточный запас и что не превышена мощность транзистора.
Выходное напряжение стабилизатора равно напряжению стабилитрона минус напряжение база-эмиттер транзистора, U Z − U BE , где U BE обычно составляет около 0,7 В для кремниевого транзистора в зависимости от тока нагрузки. Если выходное напряжение падает по какой-либо внешней причине, например, из-за увеличения тока, потребляемого нагрузкой (что приводит к увеличению напряжения коллектор-эмиттер для наблюдения KVL), напряжение база-эмиттер транзистора ( U BE ) увеличивается, включая транзистор дальше и подавая больше тока для повторного увеличения напряжения 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 может быть допустимо на R v , имея в виду, что чем выше это требование по напряжению, тем выше требуемое входное напряжение U in , и, следовательно, тем ниже эффективность регулятора. С другой стороны, более низкие значения R v приводят к большему рассеиванию мощности в диоде и к худшим характеристикам регулятора. [6]
R v определяется по формуле
где
Стабильность выходного напряжения можно значительно повысить, используя дифференциальный усилитель , возможно, реализованный как операционный усилитель :
В этом случае операционный усилитель управляет транзистором с 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 может поддерживаться постоянным только в определенных пределах. Регулировка определяется двумя измерениями:
Другими важными параметрами являются:
