Инверторный стабилизатор напряжения

Нестабильность напряжения сети, повышенные требования к параметрам питания у ряда аппаратуры требуют применения устройств стабилизации.

Стабилизатор переменного напряжения

Используется несколько типов конструкций, которые различаются принципом работы и техническими характеристиками:

• Феррорезонансные. В настоящее время практически не используются, ввиду искажения формы синусоиды и высокого уровня электромагнитных помех, хотя отличаются максимальным быстродействием;

Феррорезонансный стабилизатор

• Релейные (или симисторные). Наиболее распространены, благодаря наилучшему сочетанию приемлемых технических параметров и стоимости. Основные недостатки – ступенчатое изменение выходного напряжения в допустимых пределах и невысокое быстродействие, ограниченное скоростью переключения реле (только в релейных устройствах) и низкие пределы стабилизации;
• Электромеханические. Имеют наименьшие искажения формы сигнала, но характеризуются крайне низким быстродействием, особенно при больших колебаниях входного сигнала;

Электромеханический стабилизатор

• Инверторные. Наиболее прогрессивный тип стабилизаторов с двойным преобразованием, которые имеют самое высокое быстродействие и минимальные искажения формы выходного напряжения.

Основные характеристики

Основными требованиями к любому стабилизатору являются:

• Допустимая мощность нагрузки;
• Точность стабилизации;
• Допустимый диапазон входного напряжения стабилизации;
• Коэффициент искажений;
• Быстродействие.

По всем параметрам, кроме допустимой мощности, инверторный стабилизатор напряжения превосходит иные типы устройств. Ограничение по мощности вызвано тем, что в выходных каскадах используются мощные полупроводниковые элементы, нагрев которых при прохождении высоких значений тока может привести к выходу из строя.

Такой параметр, как быстродействие, в инверторном стабилизаторе отсутствует в принципе, поскольку данное устройство вообще не отслеживает параметры по входу, а контролирует только состояние на выходе. О быстродействии можно говорить только в случае скачков тока, потребляемого нагрузкой, но даже и в этом случае контроль выходных параметров и коррекция осуществляются в режиме реального времени.

Принцип работы

Функциональная схема и принцип работы устройств инверторного типа практически одинаковы. Основные элементы инверторов:

• Сетевой фильтр;
• Выпрямитель;
• Сглаживающий конденсатор;
• Выходные транзисторные ключи;
• Микроконтроллерная схема управления.

Блок-схема

Стабилизаторы (инверторы) с двойным преобразованием отличаются увеличенной емкостью сглаживающих конденсаторов и наличием корректора коэффициента мощности. Корректор нужен по двум причинам:

• Компенсация большой индуктивной нагрузки на питающую сеть;
• Компенсация напряжения на выходе сглаживающего фильтра для нормальной стабилизации при сниженном напряжении сети.

Сетевой фильтр необходим для снижения уровня помех, проникающих в электрическую сеть во время работы мощных транзисторных ключей. В работе самого стабилизатора фильтр не участвует.

Выпрямитель служит для преобразования входного переменного напряжения в постоянное, которое дополнительно сглаживается электролитическими конденсаторами большой емкости.

Батарея конденсаторов в совокупности с корректором коэффициента мощности служит накопителем энергии, позволяя скомпенсировать просадки и снижение входного напряжения. Чем больше емкость накопителя, тем более низкое значение допускается по входу. Одновременно возможен рост допустимой мощности нагрузки. Вместе с этим растет и емкостная нагрузка на сеть, внося искажения в виде фазового сдвига напряжения и тока. Таким образом, корректор коэффициента мощности является одним из важнейших составляющих стабилизатора напряжения с двойным преобразованием.

Постоянное напряжение с выхода корректора поступает на транзисторные ключи, выполненные по IGBT или MOSFET технологии.

Мощные IGBT транзисторы

Открытием ключей управляет схема на микроконтроллере, в соответствии с заложенным алгоритмом работы. Схема управления контролирует состояние выхода:

• Амплитуду;
• Частоту;
• Ток нагрузки.

На основе измеренных значений микроконтроллер изменяет параметры импульсов управления выходными ключами в режиме реального времени. В результате получается очень точная стабилизация формы и амплитуды напряжения на выходе устройства, независимо от его значения на входе и величины нагрузки.

Преимущества и недостатки

Основное преимущество инверторных устройств заключается в двойном преобразовании, когда входное напряжение изначально поступает на выпрямительный блок, преобразующий его в постоянное. Данная операция обеспечивает полную независимость работы дальнейших составляющих от параметров поступающего на вход напряжения, в особенности частоты.

Амплитуда ограничивается пороговыми значениями минимума и максимума. Лучшие устройства позволяют преобразовывать напряжение сети, меняющееся от 60 до 300 В, что недостижимо при использовании других устройств. И то, что в дальнейшей работе используется постоянный ток, делает такой параметр, как время реакции (быстродействие), совершенно бессмысленным.

Отсутствие традиционного для иных типов стабилизаторов трансформатора существенно снижает габариты и вес устройства. Только в сравнительно маломощных устройствах нижнего ценового диапазона используются выходные трансформаторы, позволяющие применить недорогие низковольтные транзисторы. Общий перечень достоинств:

• Наилучшие параметры стабилизации;
• Точное соблюдение формы и частоты сигнала;
• Большие пределы стабилизации;
• Малый вес и габариты.

Есть у инверторных устройств и недостатки, которые сужают их область применения:

• Высокая стоимость, которая растет с увеличением допустимой мощности;
• Снижение пределов стабилизации, особенно нижнего, с ростом мощности нагрузки, что связано с недостатком запасенной энергии корректора с блоком накопительных конденсаторов;
• Необходимость в интенсивном теплоотводе, вызванном нагревом выходных транзисторов;
• Необходимость в защите от пыли.

Две последние проблемы возникают из-за того, что управляющие транзисторы работают не в ключевом (переключающем) режиме, а в аналоговом (усилительном). Это сопровождается выделением тепла на переходах транзисторов, растущей с увеличением мощности нагрузки. Отвод тепла осуществляется при помощи радиаторов охлаждения, обдуваемых вентиляторами (кулерами).

Вентилятор охлаждения

Вместе с потоком воздуха внутрь устройства затягивается пыль, снижающая отвод тепла. В результате приходится производить регулярную чистку внутри устройства от пыли. Особенно это касается вентиляторов, которые при запыленности начинают производить сильный шум.

Транзисторы выходного каскада выступают ограничителями выходной мощности, которая может достигать величины 5-7 кВт. Более мощные устройства встречаются крайне редко и имеют очень высокую стоимость.

Особенности выбора

Выбор необходимого устройства диктуется теми условиями, в которых он будет работать. Это подразумевает:

• Диапазон входного напряжения;
• Допустимая мощность нагрузки.

Инверторы с двойным преобразованием используются в тех областях, где существуют высокие требования к параметрам питающего напряжения. Немаловажную роль играют также малые масса и габариты, поскольку мощные классические стабилизаторы могут весить несколько десятков килограмм.

Видео