В статье "Миниатюрный сетевой маломощный БП. Как это было раньше" я рассказал о расчете блока питания, схема которого известна примерно с 70-х годов прошлого века. Подобные блоки собирали многие, но пользовались готовыми данными для изготовления трансформатора, так как методика расчета не приводилась.
В комментариях один читатель высказал утверждение, что это феррорезонансный стабилизатор. К сожалению, дискуссии не получилось, так как оппонент перешел к личностным выпадам вместо предметного обсуждения.
Тем не менее, я посчитал, что будет полезным хотя бы кратко рассказать о феррорезонансных стабилизаторах. Все таки с ними сталкивались далеко не все. А ведь когда то они стояли у многих, особенно в деревнях, и использовались для подключения телевизоров и радиоприемников к сети.
Принцип стабилизации переменного напряжения в феррорезонансных стабилизаторах
Для стабилизации постоянного напряжения используют стабилитроны.
- "Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост"
Однако, для стабилизации переменного напряжения, среднеквадратичного (действующего) напряжения, используется иной способ. Но лежащий в его основе принцип такой же, как и при использовании стабилитронов.
Стабилизирующим элементом в феррорезонансных стабилизаторах является нелинейная индуктивность. И это ключевой момент. Без нелинейной индуктивности стабилизатор не является феррорезонансным.
Здесь и далее будут использоваться среднеквадратичные (действующие) токи и напряжения. И отдельно оговариваться и уточняться это не будет.
Нелинейной является индуктивность намотанная на сердечнике работающем в режиме насыщения. При насыщении сердечника индуктивность такой катушки резко снижается. Вот это и используется для стабилизации напряжения.
Давайте посмотрим на эквивалентную схему
Не правда ли, схема почти повторяет схему параметрического стабилизатора на стабилитроне? Только вместо стабилитрона здесь используется нелинейная индуктивность. Поскольку для нас пока не важно, что из себя представляет сопротивление нагрузки и балластное сопротивление, они показаны как некие комплексные сопротивления Zн и Zб соответственно.
А теперь вспомним петлю гистерезиса ферромагнитных материалов и ВАХ намотанных на таких сердечниках катушек индуктивности
Сравните ВАХ нелинейной индуктивности (на переменном токе) с ВАХ стабилитрона (на постоянном токе). Их схожесть очевидна. Как и схожесть схем стабилизаторов.
Но давайте посмотрим еще и на физику процессов, что бы все окончательно встало на свои места. Из закона электромагнитной индукции для мгновенных значений напряжения на катушке
Приращение индукции катушки за полупериод питающего напряжения можно получить интегрированием
Ранее я уже говорил, что в феррорезонансных стабилизаторах сердечник катушки обязательно работает в режиме насыщения. Поэтому полная амплитуда изменения индукции в катушке (за период) будет равна удвоенной индукции насыщения Bs материала сердечника. То есть, является константой для каждого отдельно взятого сердечника.
Таким образом, можно получить формулу для среднего значения напряжения на катушке за период. Я опущу промежуточные математические операции
То есть, наш феррорезонансный стабилизатор переменного напряжения, в котором сердечник катушки индуктивности (дросселя) насыщается в каждом полупериоде, обеспечивает неизменное среднеквадратичное значение выходного напряжения независимо от входного напряжения (при условии неизменной частоты), вида линейного (это важно!) балластного сопротивления Zб, вида и значения сопротивления нагрузки Zн. При этом форма выходного напряжения будет отличаться от синусоидальной.
Нужно понимать, что независимость выходного напряжения от Zн несколько ограничена. Так как обязательно должно соблюдаться условие насыщения сердечника. А при малом Zн сердечник может перестать насыщаться, что приведет к выходу из режима стабилизации.
Тоже самое можно сказать и о входном напряжении, пределы изменения которого не могут быть бесконечными.
Две основные схемы феррорезонансных стабилизаторов
Возникает вопрос, что использовать в качестве балластного сопротивления Zб? Чисто активное сопротивление использовать можно, но эффективность стабилизатора при этом будет низкой, так на на балласте будет рассеиваться слишком большая мощность. Остаются два возможных варианта, но уже реактивного, балласта: конденсатор и катушка индуктивности. Давайте кратко рассмотрим их оба.
Стабилизатор напряжения с резонансом напряжений
В данном случае в качества балласта используется конденсатор.
Схема этого варианта феррорезонансного стабилизатора действительно похожа на схему маломощного БП, который я упоминал в начале статьи. Но не нужно забывать о ключевом моменте, о нелинейной индуктивности, которая и является стабилизирующим элементом в феррорезонансном стабилизаторе. В том блоке питания развязывающий трансформатор работал без насыщения сердечника, а значит нельзя считать его феррорезонансным стабилизатором. При всей схожести схем.
Такие стабилизаторы обладают худшими параметрами по сравнению рассматриваемыми далее стабилизаторами с резонансом токов. Форма выходного напряжения более искажена, а КПД и точность стабилизации ниже. Потребляемый от сети ток является резко не синусоидальным. Высокочастотные помехи и скачки напряжения практически полностью передаются в нагрузку.
Кроме того, процесс запуска (входа в стабилизацию) и выхода из стабилизации сопровождается значительными скачками токов и напряжений. Немного позже мы поговорим, с чем это связано.
Стабилизаторы с резонансом напряжений используются при невысоких требованиях к форме выходного напряжения и мощностях нагрузки до нескольких десятков ватт. Зато их схема проще, а стоимость ниже.
Стабилизатор напряжения с резонансом токов
В данном случае в качестве балласта используется катушка индуктивности, но уже линейная, с не насыщающимся сердечником.
Эта схема сложнее, чем в случае емкостного балласта. Дело в том, что сердечник балластной индуктивности должен оставаться ненасыщенным при насыщении сердечника нелинейной индуктивности. А это приводит к увеличению его размера и введения немагнитного зазора (требует увеличения количества витков). И рассеиваемая такой линейной индуктивность реактивная мощность будет слишком большой.
Для устранения этого недостатка в схему и добавляют дополнительный конденсатор С. Его емкость выбирают такой, чтобы резонансная частота контура LбС была примерно равной частоте питающей сети. При этом в контуре LбС возникает режим близкий к резонансу напряжений, а намагничивающий нелинейную индуктивность ток циркулирует в основном в контуре LC, что позволяет снизить рассеиваемую в Lб мощность. Одновременно это повышает и качество стабилизации выходного напряжения.
Стабилизаторы с резонансом токов обладают лучшими, по сравнению со стабилизаторам с резонансом напряжений, характеристиками. Их точность стабилизации выше, в форма выходного напряжения лучше. Кроме того, они практически не чувствительны к скачкам входного напряжения и лучше подавляют высокочастотные помехи. Их можно использовать при мощностях нагрузки до нескольких киловатт и даже десятков киловатт.
При этом их схема сложнее и они дороже. Использования двух различных дросселей можно избежать применением комбинированных дросселей с объединенной магнитной системой. Однако, это приводит к сложным конфигурациям индуктивных элементов, нестандартным формам сердечников и сложной намотке.
Триггерный эффект в последовательной феррорезонансной цепи
Я обещал кратко рассказать, почему использование балластного конденсатора приводит к более сложному запуску стабилизатора и значительным скачкам токов и напряжений во время переходного процесса.
Все дело в том, что для такой цепи на ВАХ появляется участок с отрицательным сопротивлением. Нужно отметить, что участок с отрицательным сопротивлением появляется только для нелинейной индуктивности, когда сердечник работает с намагничиванием.
Давайте рассмотрим вот такую схему
Напомню, что индуктивность у нас нелинейная. R - активное сопротивление обмотки. А теперь посмотрим на ВАХ этой схемы
Здесь черным цветом показана ВАХ нелинейной индуктивности, красным ВАХ конденсатора, синим ВАХ сопротивления. Результирующая ВАХ показана зеленым цветом. Справа показана векторная диаграмма цепи. Если сопротивление R сравнительно мало, то на результирующей ВАХ появляется тот самый участок с отрицательным сопротивлением.
При плавном повышении напряжения при переходе через точку 2 ток в цепи скачком изменится c I2 до I4. А при снижении напряжения при переходе через точку 3 ток цепи скачком изменится с I3 до I1. При этом резко изменяется и сдвиг фаз между током и напряжением.
Такое скачкообразное изменение тока в цепи при незначительном изменении питающего напряжения и называется триггерным эффектом последовательной феррорезонансной цепи.
Поскольку у нас схема питается от источника напряжения, то возникает неоднозначность положения точки на ВАХ при изменении напряжения в питающей сети. А это и приводит к значительным скачкам токов и напряжений во время переходных процессов в стабилизаторе при использовании емкостного балласта.
Триггерный эффект в параллельной феррорезонансной цепи
В схеме стабилизатора с резонансом током на ВАХ тоже есть участок с отрицательным сопротивлением. Но сама ВАХ имеет другой вид
Здесь возникает неоднозначность положения точки на ВАХ при изменении тока. При изменении напряжения неоднозначности положения точки на ВАХ нет.
Особенности работы и выбора материала сердечника
В феррорезонансных стабилизаторах дроссели всегда работают в режимах сильного периодического насыщения. Поэтому форма петли гистерезиса и величина остаточной индукции не имеют существенного значения. Однако, имеет смысл использовать материалы с возможно большей индукцией насыщения и ярко выраженным явлением насыщения.
Насыщающиеся сердечники работают в напряженном тепловом режиме, поэтому вопрос охлаждения сердечника имеет существенное значение. Кроме того, при выборе материала сердечника стремятся сократить потери от вихревых токов и гистерезиса. Наиболее часто для сердечников нелинейных дросселей используют холоднокатаную сталь.
При использовании стали следят за тем, что бы направление магнитного потока в сердечнике совпадало с направлением проката, так как холоднокатаная сталь обладает значительной анизотропией свойств. Проще всего этого достичь используя витые ленточные магнитопроводы.
Пермалои обладают меньшей индукцией насыщения, но их петля гистерезиса существенно ближе к прямоугольной. Кроме того, они чувствительны к механическим нагрузкам (например, удары). Поэтому пермалои используют в насыщающихся сердечниках при относительно небольшой мощности и повышенных частотах.
Расчет феррорезонансных стабилизаторов
Сразу скажу, что я не буду приводить методики расчета, так они достаточно сложные. А Zen все таки не совсем то место, где стоит это описывать. Желающие все таки с ними ознакомиться могут найти их в различной литературе (в том числе в учебниках), но преимущественно старых лет выпуска. Практические методики расчета есть и в литературе по силовой электронике.
Теоретические основы расчета можно найти в учебниках ТОЭ, так как феррорезонансные стабилизаторы скорее относятся к электротехнике, чем к электронике.
В целом можно выделить такие основные методики расчета
- Эмпирические формулы и номограммы. Это самый простой, ни о самый неточный метод. От появился одним из самых первых. Но вполне пригодный для простых маломощных стабилизаторов и в любительской практике.
- Метод эквивалентных синусоид. Это более сложный и точный метод. Используются приемы анализа линейных электрических цепей. При этом физическая картина процессов в стабилизаторах учитывается довольно точно, хоть и со значительными упрощениями. Недостатком метода является то, что формы токов и напряжений считаются синусоидальными, что не является верным. Но метод довольно точный и самый популярный.
- Аналитический анализ с решением дифференциальных уравнений. Самый точный, но и самый сложный метод. Для схемы стабилизатора составляются системы дифференциальных уравнений, которые потом решаются тем или иным методом (как математическим, так и численным).
Заключение
Феррорезонансные стабилизаторы переменного напряжения используют довольно простые и понятные физические принципы. Причем ключевым моментом является использование дросселя с насыщающимся сердечником как стабилизирующего элемента.
При этом расчет таких стабилизаторов не является простым. Как и изготовление. Такие стабилизаторы ранее относительно широко применялись в быту (из-за нестабильности напряжения в сети). Они до сих пор применяются в промышленности. Но самостоятельное их изготовление любителями вряд ли целесообразно.
Являлся ли рассматриваемый в упомянутой в начале статьи БП феррорезонансным стабилизатором? Однозначно не являлся. Почему так я уже рассказал. Может ли этот БП в каких то случаях стать феррорезонансным стабилизатором? Да, может. Если для изготовления трансформатора использовать не подходящий сердечник, который будет входит в насыщение. Будет ли это критичным? Нет, не будет. Просто блок питания не будет работать так, как задумано. Скачки токов и напряжений в момент включения будут сглажены фильтрующим конденсатором и ничего страшного не произойдет.
