Преобразователь переменного тока

Введение

 

В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в  течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью  доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются  на работе аппаратуры.

Источники стабилизированного тока, поддерживающие неизменным ток нагрузки при колебаниях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки, получили широкое распространение для питания катушек электромагнитов, для питания анодных цепей магнетронов и некоторых других электровакуумных приборов, а также для измерительных и различных специальных целей.

 

Одна из схем стабилизаторов тока приведена на рисунке ниже.

 

Рисунок 1 - Схема  лампового компенсационного стабилизатора  тока с двухкаскадным УПТ

Схема обладает высокой стабильностью  и не требует отдельного источника  для питания усилителя постоянного  тока и цепи опорного напряжения.

 

В качестве регулирующих ламп в схемах стабилизаторов тока применяются в  большинстве случаев пентоды  или тетроды. Применение этих ламп способствует повышению внутреннего сопротивления  стабилизатора, что улучшает стабильность тока при колебаниях сопротивления  нагрузки.

 

При увеличении напряжения на входе  Ео или при уменьшении сопротивления нагрузки ток нагрузки стремится возрасти. Это приводит к увеличению падения напряжения на катодном резисторе обратной связи R5, через который проходит почти весь ток нагрузки (кроме тока через стабилитроны Л4 и параллельные им цепи). При этом возрастает отрицательное смещение на сетке первого каскада УПТ (Л3), уменьшается отрицательное смещение на сетке второго каскада (Л2) и увеличивается минус на сетке регулирующих ламп Л1.

 

Сопротивление регулирующих ламп для  постоянного тока возрастает и на них падает почти весь излишек  напряжения, вызванный увеличением  входного напряжения или уменьшением  сопротивления нагрузки. Ток нагрузки Iст при этом остается почти неизменным. При уменьшении входного напряжения или при увеличении сопротивления нагрузки схема работает аналогично.

 

Чем больше коэффициенты усиления усилителя  Ку и регулирующей лампы μр и чем больше сопротивление резистора R5, тем меньше изменения (нестабильность) выходного тока ΔIст.

 

Относительная нестабильность тока нагрузки в зависимости от относительной  нестабильности входного напряжения выражается приближенной формулой (для малых  изменений входного напряжения)

Внутреннее сопротивление стабилизатора тока

 

где Ен — падение напряжения на катодном резисторе Rк.

 

В схеме стабилизатора тока временная и температурная стабильность тока нагрузки Iст зависит не только от стабильности резисторов делителя R1, R2,R3, но и от стабильности катодного резистора R5. Поэтому для этих цепей рекомендуется использовать проволочные резисторы или резисторы, имеющие близкие ТКС одного знака.

 

Исходными данными для расчета выпрямителя, питающего стабилизатор, являются:

 

выпрямленное напряжение

 

выпрямленный ток

 

I0 = Iст.макс

 

Коэффициент пульсации напряжения на входе стабилизатора тока выбирается исходя из соображений, изложенных в методике расчета стабилизатора напряжения.

 

Среди других схем стабилизаторов тока следует отметить аналогичную схему стабилизатора с одним каскадом усиления постоянного тока.

 

Рисунок 2 - Схема  стабилизатора тока с однокаскадным УПТ

 

 

В данной схеме источник опорного напряжения и УПТ питаются от напряжения, которое падает на катодном резисторе R5.

Так же стабилизацию тока можно реализовать на электронном приборе – баретер.

Бареттер представляет собой заполненный водородом стеклянный баллон, внутрь которого помещена тонкая платиновая (железная, вольфрамовая) проволока (нить). Такое устройство имеет нелинейное сопротивление, при котором в определённом диапазоне токов незначительный прирост силы тока даёт значительное увеличение напряжения на выводах.

 

Существуют также полупроводниковые эквиваленты водородного бареттера, собранные на полупроводниковых приборах (транзисторах) или интегральные.

 

Принцип действия состоит в том, что при увеличении приложенного напряжения возрастает температура нити накала и, следовательно, ее сопротивление. В результате при изменении напряжения на бареттере сила тока практически не изменяется. Таким образом, бареттер, включенный последовательно с нагрузкой, поддерживает в ней стабильный ток при изменениях напряжения питания.

 

Бареттеры, как правило, могут работать и при постоянном и при переменном токе.

 

В обозначении бареттера первое число указывает его номинальный ток бареттирования в амперах, вторые два числа — пределы бареттировании в вольтах.

Широко используются стабилизаторы основаны на работе полевого и биполярного транзисторов.

Если на затвор мощного полевого транзистора подать такое напряжение смещения, при котором происходит насыщение тока стока, то можем получить источник постоянного тока.

Рисунок 3 –  Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Достоинство применения мощного полевого транзистора в качестве стабилизатора постоянного тока - очень высокое выходное сопротивление, обеспечивающее стабильность тока при сильных изменениях напряжения. В отличие от импульсных преобразователей, в данных конструкциях полевые транзисторы находятся в режиме насыщения, поэтому необходимо учитывать возможность чрезмерного повышения температуры во время работы. Следовательно, для стабилизаторов тока, важную роль играют радиаторы. Мощные полевые транзисторы представляют собой идеальные источники тока или токоприемники, что особенно полезно их применение в качестве постоянной токовой нагрузки и использования для управления током с помощью цифровых сигналов, используя лишь цифро-аналоговый преобразователь, как источник опорного напряжения.

Рисунок 4 –  Стабилизатор тока

Принцип работы стабилизатора тока, одновременно и токоприемника очень прост. Подбирается мощный полевой транзистор, способный выдерживать максимальное напряжение и пропускать максимально допустимый ток, а в качестве измерительного элемента применяется мощный низкоомный резистор. Операционный усилитель используется, как обычный компаратор, контролирующий напряжение на этом резисторе, сравнивая его с опорным напряжением, которое получается с помощью регулятора, стабилитрона или цифро-аналогового преобразователя. Точный расчет этой схемы целиком зависит от стабильности сопротивления резистора, напряжения смещения усилителя и от стабильности опорного напряжения. Другой пример - схема двухвыводного стабилизатора тока.

Рисунок 5 - Схема  двухвыводного стабилизатора тока

 Применение мощного транзистора обеспечивает стабилизацию тока в широком диапазоне: от нескольких миллиампер до максимального допустимого тока данного полевого транзистора.

 

2. В нашем случае, для стабилизации токам ы использовали биполярный транзистор и лампу.

 

Рисунок 6 –  Схема стабилизатора тока на биполярном транзисторе

При измерении данной схемы получили значения тока и напряжения и ВАХ представлених в таблице 1 и на рисунке 7, соответственно.