Общие сведения о стабилизаторах напряжения и тока с нелинейными элементами

Одни потребители электрической энергии для нормальной ра­бом требуют стабильного напряжения, а другие, например ксеноновые лампы, требуют стабильности питающего их тока. По этой причине вопросы стабилизации напряжения и тока имеют большое практическое значение.

Разберем сущность работы стабилизаторов напряжения и тока.

Изменения в режиме работы приемников электрической энер­гии, вызывающие необходимость в стабилизации, могут иметь мес­то в трех случаях:

1) при неизменном сопротивлении потребителя изменения напряжения и тока могут быть вызваны изменением питающего напряжения;

2) при неизменном питающем напряжении изменения тока и напряжения потребителя могут вызываться из­менением величины его сопротивления;

3) изменения тока и на­пряжения потребителя могут быть вызваны одновременными из­менениями питающего напряжения и сопротивления потреби­теля.

Стабилизация во всех случаях может быть осуществлена толь­ко с помощью элементов, обладающих нелинейной электрической характеристикой, т. е. элементов, не подчиняющихся закону Ома. Два возможных варианта такой электрической характерис­тики изображены на рис. 1, а и б. Свойства электрической цепи, содержащей нелинейный элемент НЭ и некоторое добавочное со­противление R (рис. 2 ), можно пояснить графическим мето­дом. Для этого помимо характеристики нелинейного элемента следует изобразить характеристику сопротивления R, отложив ее от точки, соответствующей приложенному к цепи напряжению U₀. Рабочая точка N (рис. 21, а и б) режима цепи определится пересечением характеристик.

Если теперь изменим напряжение питания на величину ∆ U₀, то рабочая точка займет новое положение - N'. При этом на нели­нейном элементе с электрической характеристикой, изображенной на рис. 1, а, мало изменится напряжение, а на нелинейном элементе с характеристикой, изображенной на рис. 1, б, будет не­значительное изменение тока.

Следовательно, нелинейный элемент с электрической харак­теристикой первого типа (рис. 21, а) может быть использован для стабилизации напряжения на сопротивлении потребителя (Z_H), если последний подключить параллельно нелинейному эле­менту). Элемент с электрической характеристикой второго типа (рис. 21, б) может быть использован для стабилизации тока, если нагрузочное сопротивление будет включено последовательно с нелинейным элементом.

Рисунок 21 Электрические характеристики нелинейных элементов, пригодных: а — для стабилизации напряжения;

б — для стабилизации тока

Рисунок 22 Схема включения нелинейного элемента с добавочным сопротивлением для стабилизации напряжения

Нетрудно заметить, что эффективность стабилизации напря­жения тем больше, чем больше рабочий участок электрической характеристики стабилизирующего элемента приближается к вер­тикальной линии. Подобной характеристикой обладает, например, газоразрядная лампа.

Для стабилизации тока желательно иметь стабилизирующий элемент с электрической характеристикой, приближающейся в рабочем диапазоне к горизонтальной прямой. Такой характери­стикой обладает, например, стабилитрон.

Отношение ∆U/∆I - для данной рабочей точки характеристики называется динамическим сопротивлением нелинейного элемента. Для стабилизаторов напряжения желательно иметь нелинейные элементы с динамическим сопротивлением близким к нулю, а для стабилизаторов тока желательно, чтобы динамическое со­противление стремилось к бесконечности.

Для оценки эффективности стабилизатора служит коэффи­циент стабилизации. Он определяется как отношение относительных изменений переменного параметра к относитель­ным изменениям стабилизируемого параметра. Если за пере­менный параметр принять напряжение питания U₀, то для слу­чая стабилизации напряжения коэффициент стабилизации

Кроме коэффициента стабилизации эффективность работы стабилизаторов напряжения и тока оценивается диапазоном ста­билизации, КПД и инерционностью устройства.

Диапазоном стабилизации называется ин­тервал изменения переменного параметра, в пределах которого относительные изменения стабилизируемого параметра не пре­вышают заданных значений.

Инерционность стабилизатора оценивается време­нем, по истечении которого стабилизатор реагирует на изме­нения переменного параметра.

Стабилизаторы переменного тока дополнительно характери­зуются коэффициентом мощности и коэффициентом искажения формы кривой, а стабилизаторы постоянного тока - выходным сопротивлением и коэффициентом фильтрации.