5. Стабилизаторы

Стабилизатор – элемент автоматики, который обеспечивает поддержание какого-либо параметра энергетической цепи на постоянном уровне. В гидравлических и пневматических цепях наиболее часто приходится поддерживать давление. В электрических цепях стабилизируют напряжение, ток или частоту, причем на практике чаще всего стабилизируют напряжение.

Электрические стабилизаторы применяют в системах автоматического регулирования в двух случаях: когда колебание напряжения питания оказывает нежелательное воздействие на изменение параметров элементов автоматики и когда значение регулируемого параметра задается в виде некоторого напряжения.

Качество стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации, показывающим отношение относительного изменения воздействующего фактора к относительному изменению выходного напряжения.

Различают два метода осуществления стабилизации: параметрический и компенсационный.

Параметрический метод основан на применении различных элементов с нелинейными статическими характеристиками, к числу которых относятся активные нелинейные сопротивления (к таким элементам относятся бареттеры, термисторы, стабиловольты, стабилитроны) и реактивные нелинейные сопротивления (дроссели с насыщенными ферромагнитными магнитопроводами и конденсаторы с нелинейными диэлектриками).

Компенсационный метод основан на применении замкнутых систем регулирования.

Параметрические стабилизаторы с активными нелинейными сопротивлениями могут применяться как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Рис. 17. Схемы стабилизаторов напряжения:

а – на бареттере; б – на стабилитроне; в – феррорезонансного; г – транзисторного

Нелинейные сопротивления по характеру нелинейности разделяют на два типа: сопротивления, у которых вольт-амперная характеристика имеет участок, где сила тока I приблизительно постоянна для некоторых пределов изменения подводимого напряжения, и сопротивления, с вольт-амперной характеристикой, имеющей участок с постоянным падением напряжения для некоторых пределов изменения тока.

Рис. 18. Стабилизатор давления

К устройствам, имеющим сопротивления первого типа, относятся обычно лампы накаливания и бареттеры. Последние представляют собой стеклянный заполненный водородом баллон, внутри которого разметена проволока из чистого железа. Если бареттер R включить последовательно с нагрузкой R_н (рис. 17, о), то в определенных пределах входного напряжения ток в цепи будет изменяться очень мало. Баретгер является стабилизатором тока.

К устройствам, имеющим нелинейные сопротивления второго типа, относятся полупроводниковые термисторы, позисторы и стабилитроны.

Термисторы – полупроводниковые терморезисторы с большим отрицательным температурным коэффициентом.

Позисторы обладают большим положительным температурным коэффициентом.

Стабилитрон (полупроводниковый диод – стабилизатор) – это германиевый или кремниевый диод.

Схема включения стабилитрона V показала на рис. 17, б. Стабилизация выходного напряжения U_вых обеспечивается при изменении входного напряжения U_вх и при изменении сопротивления нагрузки R_н. Уровень стабилизации не превышает 0,1%.

Параметрические стабилизаторы с нелинейными реактивными сопротивлениями могут применяться в непях переменного тока. Они обеспечивают более высокий КПД по сравнению со стабилизаторами на активных сопротивлениях. В рараметрических стабилизаторах чаще всего применяют дроссели в комбинации с линейными конденсаторами. Они носят название феррорезонансных. Варианты этих стабилизаторов весьма разнообразны.

Одна из простейших схем приведена на рис. 17, в.

Дроссель L1 имеет постоянную индуктивность и работает в ненасыщенном режиме. Дроссель L2 работает в нелинейном режиме, поэтому повышение напряжения на нем приводит к резкому росту тока и, как следствие этого, к увеличению падения напряжения на дросселе L1. Конденсатор С включается в схему для того, чтобы за счет феррорезонанса достичь насыщения при относительно малых токах.

Компенсационные стабилизаторы могут быть выполнены на лампах и полупроводниках. Однако в последнее время в основном находят применение полупроводники.

Схема простейшего транзисторного стабилизатора (рис. 17, г) включает усилительный элемент (транзистор V1) и измерительный элемент (диод V2). Через резистор R1 осуществляется отрицательная обратная связь. При изменении входного напряжения U_вх транзистор V1 препятствует отклонению напряжения U_вых. При увеличении U_вх возрастает ток через диод V2, что приводит к росту напряжения на резисторе и к частичному закрытию транзистора V1, т. е. увеличению падения напряжения. Значение выходного напряжения практически равно обратному напряжению на стабилизаторе V2.

Гидравлические и пневматические стабилизаторы применяют для уменьшения отклонений параметров питаемых через них элементов, т. е. для стабилизации давления. Одна из простейших схем стабилизатора давления показана на рис. 18. Жидкость (или сжатый воздух) из магистрали поступает во входную полость 1. Оттуда через зазор между корпусом 2 и золотником 3 попадает во входную полость 4, из которой осуществляется непосредственная подача к гидравлическому или пневматическому усилителю (исполнительному механизму). Если выходное давление Р_вых уменьшается, то пружина 5 переместит поршень 7 вниз и увеличит зазор клапана; при повышении давления Р_вых зазор будет уменьшаться. С помощью винта 6 можно изменить сжатие пружины 5 и тем самым задавать значение давления Р_ьых.

Кроме стабилизаторов давления, в гидравлических и пневматических системах могут применяться стабилизаторы расхода. Однако, как и стабилизаторы электрического тока, их используют значительно реже.

Контрольные вопросы и задания

1. Какой элемент автоматики называется усилителем и каково его назначение?

2. Перечислите основные характеристики усилителей.

3. Перечислите основные типы усилителей.

4. Назовите преимущества и недостатки электромеханических усилителей.

5. Объясните принцип действия магнитного усилителя.

6. Каково влияние частоты переменного тока и обратных связей на работу магнитных усилителей?

7. Кяк устроен и работает электронный ламповый усилитель?

8. Расскажите о работе полупроводниковых усилителей.

9. Расскажите о работе пневматических и гидравлических усилителей.

10. Какое назначение имеют стабилизаторы?

11. В чем основные отличия параметрических и компенсационных стабилизаторов?

12. Как устроен и работает феррорезонансный стабилизатор напряжения?

13. Расскажите о работе гидравлических и пневматических стабилизаторов давления.