Стабилизатор напряжения
VOLTAGE STABILIZER

Уровень техники
Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для автоматической стабилизации напряжения. Стабилизаторы напряжения, независимо от вида, работают по похожей схеме, включающей в себя трансформатор, регулирующий элемент, управляющий элемент. Трансформатор предназначен либо для повышения, либо для понижения напряжения. Для того, чтобы он мог выполнять эту цель, монтируют регулирующий элемент. Именно он управляет работой трансформатора. Чтобы этот регулирующий компонент «знал», как управлять трансформатором, в стабилизатор монтируют управляющий элемент. Он осуществляет измерение напряжения на входе, сравнивает его с оптимальным напряжением и дает необходимую команду регулирующему элементу. Каждый стабилизационный прибор работает по такой схеме. Разница между ними заключается в строении регулирующих элементов и особенностях трансформатора.
Известен стабилизатор переменного напряжения с вольтодобавочными (вольтоповышающими и вольтопонижающими) трансформаторными регуляторами, первичные обмотки которых включаются параллельно источнику сетевого напряжения с помощью встречно-параллельных тиристоров, а вторичные обмотки - последовательно с нагрузкой. Регулирование выходного напряжения осуществляется в необходимых ограниченных пределах с помощью тиристоров импульсно-фазовым способом. Основным назначением устройства является стабилизация сетевого напряжения в условиях меняющейся нагрузки и возможного изменения ЭДС источника по принципу автоматического регулирования с применением отрицательной обратной связи по напряжению нагрузки. Для повышения быстродействия тиристорного регулятора выключение тиристоров осуществляется принудительно с помощью специального узла искусственной коммутации, основным элементом которого служат коммутирующие конденсаторы (авт. св. СССР N1092648, кл. H02J 3/12).
К недостаткам данного устройства следует отнести дискретность выходного напряжения и значительную сложность реализации.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор напряжения (патент RU 2643166, МПК Н02М 5/12, G05F 1/32, G05F 1/40).
Стабилизатор напряжения содержит трансформаторный регулятор напряжения, первый диодный мост, стабилитрон, резистор, усилитель, транзистор n-р-n типа, конденсатор, второй диодный мост, первую обмотку управления, вторую обмотку управления, причем трансформаторный регулятор напряжения соединен с первым диодным мостом со стороны нагрузки, выход первого диодного моста соединен в параллель со стабилитроном, резистором и входом усилителя, выход усилителя соединен в параллель с базой и эмиттером транзистора, коллектор и эмиттер транзистора соединены в параллель с конденсатором и выходом второго диодного моста, а вход второго диодного моста соединен с началом первой обмотки управления и концом второй обмотки управления, а конец первой обмотки управления и начало второй обмотки управления соединены между собой.
Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная отсутствием:
- защиты стабилитрона от возможной перегрузки по току;
- гальванической развязки в цепи управления.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности.
Технический результат достигается тем, что в стабилизатор напряжения, содержащий: трансформаторный регулятор напряжения; первый диодный мост; стабилитрон; резистор; усилитель; первый конденсатор; второй диодный мост; первую обмотку управления; вторую обмотку управления, причем: конец первой обмотки управления и начало второй обмотки управления соединены между собой; начало первой обмотки управления и конец второй обмотки управления подключены к входу второго диодного моста, выход которого соединен в параллель с первым конденсатором; второй (общий) выход усилителя соединен с выходом положительной полярности второго трансформатора; трансформаторный регулятор напряжения, со стороны нагрузки, соединен с входом первого диодного моста, выход положительной полярности которого соединен с катодом стабилитрона, а отрицательной полярности - с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с анодом стабилитрона, введены второй конденсатор, второй стабилитрон, биполярный транзистор р-n-р типа, оптрон, представляющий собой оптопару по типу светодиод - фотодиод, причем: второй конденсатор подключен в параллель к выходам первого диодного моста; анод светодиода оптрона соединен с катодом первого стабилитрона, а катод соединен с катодом второго стабилитрона, анод которого соединен с анодом первого стабилитрона и вторым выводом резистора; анод фотодиода оптрона соединен с первым (сигнальным) входом усилителя, а катод со вторым (общим) входом усилителя; первый (сигнальный) выход усилителя соединен с базой биполярного транзистора р-n-р типа, катод которого соединен с выходом отрицательной полярности второго диодного моста, а эмиттер -со вторым (общим) выходом усилителя.
Краткое описание чертежа
На фиг. представлена функциональная схема стабилизатора напряжения.
Осуществление изобретения
Стабилизатор напряжения содержит: трансформаторный регулятор напряжения 1; диодный мост 2; конденсатор 3; резистор 4; стабилитрон 5; стабилитрон 6; оптрон 7, представляющий собой оптопару по типу светодиод - фотодиод; усилитель 8; биполярный транзистор 9 р-n-р типа; конденсатор 10; диодный мост 11; обмотку управления 12; обмотку управления 13, причем: трансформаторный регулятор напряжения 1 соединен с диодным мостом 2 со стороны нагрузки, выход отрицательной полярности которого соединен непосредственно с первым выводом конденсатора 3 и через резистора 4, с анодами стабилитронов 5 и 6; катод стабилитрона 6 соединен с катодом светодиода оптрона 7; выход положительной полярности диодного моста 2 соединен со вторым выводом конденсатора 3, катодом стабилитрона 5 и анодом светодиода оптрона 7; анод фотодиода оптрона 7 соединен с сигнальным входом усилителя 8, а катод с общим входом усилителя 8; сигнальный выход усилителя 8 соединен с базой биполярного транзистора 9 р-n-р типа, катод которого соединен с первым выводом конденсатора 10 и выходом отрицательной полярности диодного моста 11, а эмиттер - со вторым выводом конденсатора 10, общим выходом усилителя 8 и выходом положительной полярности диодного моста 11; вход диодного моста 11 подключен к началу обмотки управления 12 и концу обмотки управления 13; конец обмотки управления 12 и начало обмотки управления 13 соединены между собой.
Блок 1 представляет собой трансформаторный регулятор напряжения (например, авт. св. СССР N1119088 А, кл. H01F 29/14; H01F 21/08).
Уc8
Усилитель 8 (фиг. 2) представляет собой трансимпедансный усилитель с нулевым напряжением смещения, реализуемый на базе инвертирующей схемы включения операционного усилителя (https://ru.wikipedia.org/wiki/Операционный_усилитель_с_токовой_обратной_связью; https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=532581, рис. 2.а). Выходное напряжение которого U, на низких частотах, определяется соотношением (1)
ФД6
где I - ток фотодиода оптрона 7;
OC
R - резистор обратной связи усилителя 8.
Cт6
Стабилитрон 6 характеризуется напряжением стабилизации U согласно условию (2)
cp.ДМ2
где U - среднее напряжение на выходе диодного моста 2 при нормальном режиме работы;
min.СД7
I - ток порога зажигания светодиода оптрона 7;
4
R - сопротивление резистора 4.
Cт5
Стабилитрон 5 характеризуется напряжением стабилизации U согласно условию (3)
мax.СД7
где I - максимально допустимый постоянный прямой ток светодиода оптрона 7.
На величину сопротивления резистора 4 накладывается условие (4)
max.ср.ДМ2
где U - максимальное напряжение на выходе диодного моста 2 при отклонении от нормального режима работы;
cp.Ст6
I - среднее значение тока стабилизации стабилитрона 6.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
В нормальном режиме работы, выходное среднее напряжение диодного моста 2, с учетом условия (2), «подводит» светодиод оптрона 7 к границе зажигания. Фототок фотодиода оптрона 7 отсутствует, согласно выражению (1), выходное напряжение усилителя 8 рано нулю, биполярный транзистор 9 р-n-р типа закрыт, диодный мост 11 не работает.
В случае возрастания напряжения на выходе трансформаторного регулятора напряжения 1, выходное среднее напряжение диодного моста 2 увеличивается, что влечет за собой увеличение тока и яркости свечения светодиода оптрона 7. Фототок фотодиода оптрона 7 возрастает, согласно выражению (1), выходное напряжение усилителя 8 увеличивается пропорционально фототоку. По мере увеличения фототока (выходного напряжения усилителя 8), степень открытия биполярного транзистора 9 р-n-р типа возрастает (сопротивление коллектор-эмиттер транзистора 9 уменьшается), тем самым облегчается путь для протекания тока с выхода диодного моста 11 через биполярный транзистора 9 р-n-р типа, таким образом меняя величину переменного тока в обмотках управления 12 и 13 трансформаторного регулятора напряжения 1, а значит и магнитного потока, что в свою очередь приводит выходное напряжения до установленной нормы.
Cт5
В случае дальнейшего возрастания напряжения на выходе трансформаторного регулятора напряжения 1, и превышения выходным средним напряжением диодного моста 2 напряжения стабилизации U, стабилитрон 5, согласно условию (3), переходит в режим электрического пробоя, предохраняя тем самым, светодиод оптрона 7 от выхода из строя.
Введение в состав схемы:
- резистора 4 способствует защите стабилитрона 5 от возможной перегрузки по току и повышению надежности функционирования стабилизатора напряжения;
- конденсатора 3, стабилитрона 5 и оптрона 7 обеспечивает гальваническую развязку в цепи управления, при одновременном повышении качества стабилизации выходного напряжения и повышении надежности функционирования стабилизатора напряжения.