Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Простейший стабилизатор постоянного тока

Простые электронные ограничители тока

Infineon IRF9540N

В. И. Иволгин, г. Тамбов

Любое электронное устройство имеет источник питания, за счет энергии которого оно выполняет свои функции. И неудивительно, что в печати значительное место отводится их описаниям, рекомендациям по конструированию, рассмотрению работы отдельных узлов, предложениям по их улучшению.

Следует отметить, что современные источники питания, как правило, обладают довольно низким выходным сопротивлением. И по этой причине в нештатных ситуациях, даже при низких напряжениях на их выходе, не исключены значительные токовые перегрузки, приводящие к повреждению источника или самого устройства. В связи с этим источники питания, как правило, снабжаются системами защиты. Они достаточно разнообразны, обладают большей или меньшей автономностью относительно конструкции самого источника.

Один из вариантов такого устройства, которое можно использовать в виде самостоятельного узла, предлагается в [1]. Его принцип действия основан на ограничении потребляемого тока, в качестве датчика которого применяется низкоомный резистор, включенный последовательно в один из проводов между источником питания и нагрузкой. Напряжение с датчика, пропорциональное потребляемому току, после усиления используется для управления проходным транзистором. Изменением в нужный момент режима его работы и выполняется непосредственная защита от перегрузки.

В указанной статье в качестве прототипа приводится хорошо известная структура на двух биполярных транзисторах (Рисунок 1). Основной недостаток устройства – значительное падение напряжения на нем, которое достигает максимального значения при предельном рабочем токе. По данным автора, оно составляет примерно 1.6 В, причем на проходном транзисторе VT1 падает около 1 В, а на токовом датчике Rs – остальные 0.6 В. В связи с чем автором предлагается другая схема, которая позволяет снизить падение напряжения на нем до 0.235 В при токе ограничения в 1.3 А. Это значение достаточно мало, правда достигается оно использованием более сложной схемы, содержащей около 20 элементов [1].

Рисунок 1.Принципиальная схема прототипа
ограничителя тока.

С другой стороны, эта конструкция, по сравнению с предложенной автором, привлекает своей простотой. И в связи с этим возникает вопрос: а можно ли, оставаясь в рамках такой простой структуры, добиться снижения падения напряжения на подобном предохранителе без ее заметного усложнения? И каким образом?

Как следует из приведенных числовых данных по прототипу, наибольшее падение напряжения приходится на проходной биполярный транзистор VT1. Анализ показывает, что при подобном включении добиться его насыщения, и тем самым достичь малых значений падения напряжения, невозможно без дополнительного источника питания. Но его введение только для этой цели было бы накладным. И хотя можно было бы, наверное, предложить и какие-то другие способы уменьшения этих потерь на VT1, будет рациональнее сразу произвести замену биполярного транзистора на полевой с низким значением сопротивления канала. Это позволит уменьшить как падение напряжения на регулирующем транзисторе, так и собственное потребление ограничителя за счет снижения токов управления. Кроме того, целесообразно изменить связи между транзисторами так, чтобы преобразовать ограничитель в систему двух усилительных каскадов, вместо лишь одного в исходной структуре. В конечном итоге принципиальная схема исследуемого ограничителя будет выглядеть уже так (Рисунок 2), которую можно рассматривать и как упрощенный вариант устройства, приведенного в [2].

Рисунок 2.Принципиальная схема преобразованного
ограничителя тока.

Проверка работоспособности предлагаемого ограничителя, а также выполнение измерений, проводились на макете, в котором использовались в качестве VT1 полевой транзистор IRF9540, установленный на радиаторе, VT2 – транзистор SS8550 с β ≈ 300, RS – резистор 1.2 Ом, R1 – 4.2 кОм, а нагрузкой являлся набор переменных проволочных резисторов необходимой мощности. Напряжение на входе ограничителя составляло 12 В. Результаты измерений приведены на Рисунке 3.

Рисунок 3.Зависимость падений напряжения на датчике
тока RS и проходном транзисторе VT1 на
начальной стадии ограничения.

Испытание ограничителя коротким замыканием показало, что при выполнении этой манипуляции ток через проходной транзистор устанавливается на уровне 0.5 А при напряжении на токовом датчике 0.60 В. И, таким образом, подобный ограничитель тока вполне работоспособен. Можно также отметить его довольно высокое выходное сопротивление в режиме ограничения тока – при изменении напряжения на его выходе в интервале 0…11.3 В ток через нагрузку практически остается равным 0.5 А. Кроме того, в связи с известной зависимостью параметров транзисторов от температуры, была проконтролирована зависимость значения ограничения тока от нагрева VT2. Как оказалось, ее величина составила всего около –0.2% относительной погрешности на градус.

Из анализа графиков следует, что падение напряжения на проходном транзисторе этой конструкции уже достаточно мало и даже на краю токового диапазона не превышает 0.1 В. Можно так же отметить, что на графике зависимости падения напряжения на VT1 визуально можно выделить два интервала. На первом из них, при токах от 0 до 0.45 А, рост падения напряжения является его линейной функцией, что указывает на насыщение транзистора в этой части диапазона. И действительно, вычисленное по этим данным сопротивление канала транзистора составляет приблизительно 0.125 Ом, что практически совпадает с паспортными данными используемого транзистора VT1. При бóльших же токах, в интервале 0.45 – 0.5 А, происходит сначала медленный, а затем резкий нелинейный рост этой величины, связанный уже с включением механизма ограничения тока.

Таким образом, из приведенных выше данных следует, что общее падение напряжения на ограничителе заметно снизилось, и уже определяется в основном не падением напряжения на VT1, а напряжением датчика RS. Каким же образом можно уменьшить последнюю величину?

Ответ напрашивается сам собой – нужно уменьшить значение RS, как это и сделано в [1], а для компенсации снижения уровня сигнала датчика использовать дополнительный усилитель. Но с другой стороны, и в рассмотренной выше схеме (Рисунок 2) такой усилитель, выполненный на транзисторе VT2, уже есть. Тем не менее, его параметры не позволяют снизить падение напряжения RS до меньших значений, хотя он и обладает достаточно высоким коэффициентом усиления. В связи с этой проблемой рассмотрим подробнее особенности работы VT2 в роли предварительного усилителя сигнала с датчика тока.

Как следует из принципиальной схемы (Рисунок 2), ограничение тока через VT1 происходит за счет изменения напряжения на его затворе, возникающего при изменении коллекторного тока транзистора VT2. Управление же его режимом осуществляется напряжением с резистора датчика тока RS. И, как следует из данных последних измерений (Рисунок 3), выход устройства на полное ограничение тока происходит только при напряжениях около 0.6 В на его базе относительно эмиттера. Этим обстоятельством и определяется величина сопротивления резистора RS.

Но характерно, что часть напряжения на датчике в диапазоне от 0 до 0.55 В можно считать «лишней», поскольку в этом интервале VT2 практически не «чувствует» его, а по настоящему «рабочим» для него будет только интервал 0.55 — 0.6 В. Сдвинув же нижнюю границу чувствительности усилителя, визуально составляющую 0.55 В, к нулю, можно будет решить проблему снижения значения RS.

Технически этого результата можно достичь, например, вводом в цепь между базой VT2 и правым выводом RS отдельного вспомогательного источника напряжением 0.55 В. Но удобнее сформировать его применением делителя из двух резисторов, включенных между общим проводом и эмиттером транзистора VT1 (резисторы R2, R3, Рисунок 4). И его параметры должны обеспечивать падение напряжения на R2, равное 0.55 В. Для меньшей зависимости этой величины от входного тока транзистора ток этого делителя желательно выдерживать в пределах 0.5 — 1 мА. При этих условиях уже незначительное напряжение на RS переведет транзистор VT2 в активный режим начала ограничения, а полное ограничение тока произойдет при падения напряжения на RS всего лишь немногим более 0.05 В. Понятно, что изменением этих резисторов можно будет изменять порог ограничения тока. И это будет удобнее, чем подбирать величину RS.

Читайте так же:
Стабилизатор тока для фонарика от лития
Рисунок 4.Принципиальная схема ограничителя
тока со сниженным падением напряжения
на резистивном датчике.

Новая редакция принципиальной схемы ограничителя, уже с учетом изложенных соображений, представлена на Рисунке 4. Его макет для испытаний был выполнен с сохранением деталей устройства предыдущей версии с изменением сопротивления RS на 0.2 Ом, а установленные дополнительные резисторы R2 и R3 имеют значения, соответственно, 680 Ом и 15 кОм. Условия проведения испытаний и измерений сохранены теми же, что и ранее.

Основные результаты испытаний, как следует из представленных графиков (Рисунок 5), сводятся к следующему. Как и ранее, ток короткого замыкания устройства составляет 0.5 А. Точнее, реально при указанных значениях резисторов R2, R3, он составил 0.48 А, но это значение было скорректировано включением последовательно с R3 дополнительного переменного резистора. Что касается максимального значения падения напряжения на датчике RS, то оно упало пропорционально уменьшению величины установленного RS и составило всего около 0.1 В. График падения напряжения на регулирующем транзисторе, по сравнению с аналогичным параметром предыдущей схемы, в общем, сохранил свои черты, хотя и несколько изменился. Так, например, следует обратить внимание на то, что в этот раз область резко нелинейного роста падения напряжения на проходном транзисторе сместилась в диапазон 0.4 — 0.5 А, а в остальной – растет практически линейно. Из этого следует, что определенный резерв по снижению падения напряжения на датчике тока RS еще есть.

Рисунок 5.Зависимость падения напряжения на RS и
проходном транзисторе VT1.

Как уже отмечалось, незначительная коррекция тока ограничения в этой конструкции была проведена изменением сопротивления R3, но когда требуется его значительное изменение, удобнее пользоваться R2. При расчете его величины целесообразно предварительно задаться величиной максимального падения напряжения VSM на датчике тока RS в режиме ограничения. В принципе, это значение может быть любым из интервала от 0 до 0.6 В. Но нужно иметь в виду, что с его уменьшением ухудшается температурная стабильность предложенного решения. Так при VSM = 0.6 В температурный коэффициент зависимости изменения предела ограничения тока в области комнатных температур не превышает значения 0.2% на градус, а при VSM = 0.1 В этот показатель возрастает уже до 1.5% . Эта величина в ряде случаев может оказаться еще приемлемой, и ее условно можно принять за нижнюю границу интервала допустимых значений VSM, верхняя же будет обусловлена максимальным падением напряжения на базе транзистора VT2 в режиме ограничения тока. Если для расчета выбрать VSM равным 0.15 В, то из этого условия при заданном токе ограничения IM, например, 1.5 А, определится величина

Далее, допустив, что в режиме ограничения сумма падений напряжения на RS и R2 будет равняться 0.6 В, как это следует из результатов предшествующих измерений (Рисунок 3), получим уравнение:

(1),

из которого следует, что

(2).

При VВХ = 12 В и R3 = 15 кОм получаем, что R2 = 0.58 кОм.

При необходимости этим резистором, если его заменить на переменный, можно будет оперативно менять ток ограничения в значительных пределах, что, правда, будет сопровождаться изменением величины максимального падения напряжения VSM и соответствующего ему изменения температурного коэффициента нестабильности.

Подводя итог обсуждению вопроса о конструкции простого ограничителя тока (Рисунок 4), можно сделать вывод о том, что изменения, внесенные в структуру прототипа (Рисунок 1), в конечном итоге, позволили снизить потери напряжения на нем до десятых долей вольта. Следует также добавить, что его работа выборочно была проверена и в других режимах, не отраженных в статье. В частности, при токах ограничения в диапазоне от 10 мА до 5 А и входных напряжениях 7, 12 и 20 В. Для адаптации к этим условиям изменялись лишь значения RS ( 0.05, 0.2 и 1.2 Ом), а для задания тока ограничения в качестве R2 использовался переменный резистор на 1 кОм, сопротивление которого устанавливалось в соответствии с расчетом по (2). Все остальные элементы, включая и транзисторы, оставались прежними.

Линейные блоки питания: простота конструкции и ремонта

Линейные блоки питания — это источник питания, не содержащий никаких коммутационных или цифровых компонентов. Он обладает некоторыми замечательными характеристиками по сравнению с импульсными блоками питания, такими как очень низкий уровень шума и пульсаций, невосприимчивость к помехам от сети, простота, надежность, простота конструкции, расчета и ремонта.

БП также могут генерировать как очень высокие напряжения (тысячи вольт), так и очень низкие напряжения (менее 1V). Линейные блоки питания могут легко генерировать несколько выходных напряжений. С другой стороны, они большие по размеру, тяжелые и требуют большего теплоотвода. Линейные источники питания существуют уже несколько десятилетий, были созданы задолго до появления полупроводников.

Что такое линейные блоки питания

Линейные блоки питания могут быть фиксированными, например, как источник питания 5V, который может потребоваться для логической схемы, или несколько фиксированных блоков питания, необходимых для ПК (+5, +12 или -12V). На настольном лабораторном блоке питания вы можете использовать источник переменного тока. В дополнение к одиночным источникам вы также можете получить двойные схемы питания, например, для схем операционного усилителя ±15V, и даже БП двойного контроля, которые синхронизированы по напряжению друг с другом.

Некоторые примеры:

  • +5V логические и микропроцессорные схемы
  • +12V LED освещение, общая электроника
  • Схемы операционного усилителя ±15V
  • Стендовое испытательное питание 0-30V
  • +14,5V зарядное устройство

В этой статье мы рассмотрим отдельные компоненты блока питания, а затем с нуля разработаем небольшой блок питания 12V и регулируемый двойной блок питания 1–30V.

Компоненты линейного блока питания

  • Секция ввода сети содержит компоненты подключения к электросети, обычно выключатель, предохранитель и контрольную лампочку. Используйте хорошее заземление и изолируйте все силовые части внутренней проводки изоляционным материалом для защиты от случайного контакта.
  • Трансформатор выбирают в соответствии с требуемым выходным напряжением и эффективно изолирует все другие цепи от сетевых контактов. Трансформатор может иметь несколько отводов первичной обмотки, чтобы обеспечить различное входное напряжение сети, и несколько отводов вторичной обмотки, соответствующих требуемому выходному напряжению. Кроме того, между отводами первичной и вторичной обмоток имеется экран из медной фольги, который способствует уменьшению емкостной связи с высокочастотным сетевым шумом.
  • Выпрямитель может быть таким же простым, как одинарный диод (не подходит), двухполупериодный мост с центральным ответвлением или двухполупериодный мост. Следует использовать выпрямительные диоды более мощные, чем рассчитывалось. По моему опыту ремонта многих неисправных блоков питания, проблемы обычно возникают из-за выхода из строя диода, которые горят либо из-за слишком большого тока, либо из-за скачков напряжения в сети.
  • Учитывая это, выберите диод с высоким PIV (пиковое обратное напряжение). При установке диодов держите выводы на длинной стороне, так как именно здесь рассеивается большая часть их тепла. В высоковольтных источниках питания часто встречаются небольшие конденсаторы, подключенные параллельно диодам, чтобы помочь им быстрее восстанавливаться.
  • Конденсатор является постоянно работающим компонентом и должен заряжаться до пика вторичного напряжения (Vsec*1,414), а затем быстро отдавать накопленную энергию в нагрузку. Конденсаторы из алюминиевой фольги представляют собой рулон бумаги из алюминия, заполненный маслом. Однако, они имеют свойство со временем высыхать и, как следствие, терять свою емкость. Если возможно, разместите их подальше от источников тепла при компоновке.
  • Танталовые конденсаторы имеют гораздо более низкое последовательное сопротивление (эквивалентное последовательное сопротивление), поэтому лучше справляются с пульсациями. Вы можете использовать их в цепи регулятора. При разводке схемы, старайтесь свести все заземления в одну точку. Регулятор также должен иметь небольшой выходной ток, когда он не находится под нагрузкой; 1кОм будет достаточно.
  • На рисунке ниже зеленая кривая представляет собой то, как форма волны выглядела бы без конденсатора, а красная форма волны — это «заряд» конденсатора на каждом полупериоде, а затем разряд из-за тока нагрузки. Результирующая форма волны — это пульсирующее напряжение.

  • Регулятор бывает разных типов: последовательный, шунтирующий, простой и сложный. Будет отдельная статья о регуляторах, но в этом руководстве мы сосредоточимся на разработке двух простых регуляторов на основе интегральной микросхеме с фиксированным регулятором 7812 и регулируемым регулятором LM317.
  • Читайте так же:
    Стабилизатор тока для катушки

    Линейные блоки питания — проектирование

    Разработка линейного блока питания похожа на чтение на иврите: вы начинаете с конца и продвигаетесь к началу. Ключевая спецификация — это напряжение на выходе, которое мы хотим иметь, и какую величину тока мы можем получить от него без падения напряжения. В этом проекте давайте нацелимся на 12V при токе 1 А и 3V на регуляторе. У любого регулятора должна быть определенная необходимая разница между входным и выходным напряжениями для правильной работы. Если не указано иное, предположите, что это минимум 3V. Некоторые из используемых здесь регуляторов рассчитаны только на 2V.

    Если на выходе нам нужно 12V, то на конденсаторе нужно 12 + 3 = 15V. Теперь, когда этот конденсатор заряжается и разряжается, в нем должна присутствовать переменная составляющая, то есть пульсация напряжения. Чем больше ток, потребляемый конденсатором, тем хуже пульсации, и это тоже нужно учитывать. При выборе значения 10%, т.е. 1,2V (размах), ограничение рассчитывается следующим образом:

    где f равно 50 или 60 в зависимости от частоты вашей сети. Следовательно, нам необходимы:

    Это возвращает нас к диодам. Поскольку диоды подают не только ток нагрузки, но и ток заряда конденсатора, они будут использовать больший ток.

    В двухполупериодном мосту ток составляет 1,8*I нагрузки. На центральном отводе, это 1,2*I нагрузки. Учитывая это, мы должны использовать диоды не менее 2 А.

    Теперь мы переходим обратно к вторичной обмотке трансформатора и ее удельному напряжению. В любой надежной системе мы должны учитывать допуски. Если мы будем следовать только минимальным требованиям к конструкции, вход регулятора может упасть ниже уровня падения напряжения, что окажет значительное влияние на сеть. В коммерческих проектах обычно указывается ± 10%, поэтому, если у нас напряжение 230 В, это означает, что оно может упасть до 207V.

    Таким образом, необходимое напряжение на вторичной обмотке будет следующим:

    где 0,92 — КПД трансформатора, а 0,707 — 1/√2.

    Vreg — падение напряжения регулятора, Vrect — падение напряжения на 2 диодах, которое составляет 2*0,7 для цепи центрального отвода и 4*0,7 для полного моста. Пульсации напряжения V было указано как 10% от 12V или 1,2V, поэтому:

    Это означает, что готового трансформатора на 15V должно хватить. Бывает, что вы не можете найти подходящий трансформатор, но есть в наличии другой, с более высоким напряжением. Обратной стороной этого является то, что на стабилизаторе будет более высокое напряжение и, как следствие, большая мощность, рассеиваемая его радиатором.

    Последнее, что нужно сейчас указать, — это габаритная мощность трансформатора в ВА. Это простая и распространенная ошибка — думать, что ВА будет Vsec*Iload, т.е. 15*1 = 15VA. Но мы не должны забывать, что трансформатор также заряжает конденсатор, поэтому в зависимости от конфигурации, нагрузка 1,2 или 1,8*I означает большую разницу, то есть 1,8*1*15 = 27 ВА.

    На этом конструирование завершается. А как насчет предохранителя? Это целая наука, но для этого простого блока питания я бы оценил его в 2 раза больше первичного входного тока. Таким образом, в данном случае ВА равно 27, а напряжение сети составляет 230V, а I=2*27/230 = 250 мА.

    Теперь мы можем добавить в регулятор последние несколько компонентов:

    Для C1 мы рассчитали его на 4200 мкФ. Но поскольку регулятор удалит большую часть пульсации, она может быть меньше или вдвое меньше той, что составляет 2200 мкФ. Назначение C2 и C3 — обеспечение стабильности и помехоустойчивости регулятора. Конденсаторы C2 10 мкФ и C1 1 мкФ. В идеале эти емкости должны быть танталового типа, но если вы вынуждены использовать алюминий, вам следует удвоить значение.

    Шунтирующим диодом D3 часто пренебрегают, но он важен. Если произойдет короткое замыкание на входе регулятора, любая накопленная емкость в нагрузке Vcc, включая C3, разрядится на заднюю часть регулятора и, возможно, спалит его. Но D3 спасает от такой ситуации.

    Теперь давайте заменим фиксированный регулятор на регулируемый на основе популярного и простого в использовании LM317 и добавим дополнительную отрицательную версию LM337, чтобы сформировать двойной регулируемый блок питания. Обратите внимание, что мы использовали трансформатор с центральным отводом, а также полный мостовой выпрямитель. Следующие примечания в равной степени относятся к отрицательной половине блока питания. Единственное, что осталось рассчитать — это R6 и R7.

    Если вы сделаете R6 = 220, тогда для любого напряжения между Vmax и Vmin, R7 = (176*Vout) — 220. Итак, если вы хотите 9V, R7 будет 176*9 — 220 = 1k4. Вы также можете использовать двойной подстроечный резистор от 5 до 10kОм (линейный) для одновременной регулировки обеих сторон. Трансформатор с вторичной обмоткой 25/0/25 подойдет. C8 и C9 обеспечивают помехоустойчивость и могут составлять 10 мкФ. C10 и C11 — 1 мкФ, а C4 и C7 — 1000 мкФ. Минимальное выходное напряжение составляет около 1,25V.

    Как работает выпрямитель напряжения

    Выпрямитель напряжения – это устройство для преобразования переменного электричества в постоянный ток. В его основе находится полупроводниковый прибор, имеющий одностороннюю проводимость. Такими приборами служат диод или тиристор. Если существует небольшая мощность, несколько сотен Ватт, используется однофазный выпрямитель. Они применяются в самых различных электрических устройствах.

    Существуют преобразователи, рассчитанные на тысячи и более Ватт. Здесь используются другие элементы электроники, рассчитанные на такие высокие мощности. В данной статье будут рассмотрены все типы выпрямителей тока, зачем они нужны и по каким принципам они функционируют. В качестве дополнения материал содержит несколько видеороликов и одну научно-популярную статью.

    Структура и особенности

    Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

    Читайте так же:
    317 как стабилизатор тока

    Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

    Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

    Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

    Полупроводниковые схемы

    Любой выпрямитель — это схема. Она включает в себя вторичную обмотку трансформатора, выпрямляющий элемент, электрический фильтр и нагрузку. При этом существует возможность получать умножение напряжения. Выпрямленное напряжение — это сумма постоянного и переменного напряжений. Переменная составляющая — это нежелательная компонента, которую уменьшают тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе быть не может.

    Его можно уменьшить двумя способами:

    • улучшая эффективность электрического фильтра;
    • улучшая параметры выпрямляемого переменного напряжения.

    Простейший выпрямитель однополупериодный. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой схеме получается самым большим. Но если выпрямляется трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе, а также одним и тем же фильтром, получится в три раза меньший коэффициент пульсаций. Однако наилучшими характеристиками обладают двухполупериодные выпрямители.

    Использовать обе полуволны переменного напряжения можно двумя способами:

    • по схеме моста;
    • по схеме со средней точкой обмотки (схема Миткевича).

    Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. В схеме моста используется меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосте необходимы четыре диода. В схеме со средней точкой необходимо в два раза больше витков вторичной обмотки со средней точкой, что является недостатком. Еще один недостаток этой схемы — необходимость симметрии частей обмотки относительно средней точки.

    Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но зато в этой схеме нужны только два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде существует напряжение. Его величина почти не изменяется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая на полупроводниковом диоде, растет по мере увеличения силы выпрямленного тока.

    При выпрямлении тока большой силы два диода схемы со средней точкой будут экономичнее и компактнее в сравнении с четырьмя диодами выпрямительного моста. Схемы выпрямителей в свое время не появились из ниоткуда. Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называются в связи с именами своих первооткрывателей. Мостовая схема именуется как «полный мост Гретца». Схема со средней точкой — «выпрямитель Миткевича».

    Силовой трансформатор

    Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства. Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U2 влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста Uн.

    Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f1 с сетью питания U1, I1, и нагрузочную цепь с Uн, Iн одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

    Диодный мост

    Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный. В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов. На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

    Устройство фильтрования

    Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки. В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

    Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

    Отличия выпрямителя и стабилизатора

    В связи с ростом энергопотребления домохозяйств подстанции не редко приходится модернизировать. В ином случае качество энергоснабжения заметно снижается. Решением проблемы может стать установка стабилизатора или выпрямителя напряжения. Под выпрямителем тока понимается полупроводниковое, механическое, электровакуумное устройство. Большинство таких приборов создают «пульсирующий» ток. Их основные преимущества заключаются в следующем:

    • незначительные пульсации напряжения, неразрывная форма выходного тока;
    • высокий КПД во всем регулировочном диапазоне;
    • эффективное воздушное охлаждение;
    • герметичность конструкции обеспечивает защиту от проникновения внутрь агрессивных сред;
    • современные модели имеют промышленный интерфейс для управления с пульта или компьютера при различной удаленности;
    • возможность задать автоматический режим работы;
    • модульная конструкция выпрямителей высокой мощности позволяет работать при неисправности одного силового модуля;
    • оптимальные массогабаритные параметры;
    • возможность использования в качестве устройства выпрямления одно- и трехфазного тока.

    Представленные в продаже выпрямители тока просты в обслуживании и отличаются высокой степенью ремонтопригодности. Для них характерен высокой энергетический фактор, то есть небольшое реактивное энергопотребление (за исключением тиристорных моделей).

    Стабилизаторы компенсационного типа работают за счет воздействия колебаний выходного напряжения через цепочку обратной связи на регулирующий элемент. Как правило, это замкнутые системы автоматической регулировки, поэтому их иногда именуют регуляторами напряжения. Через регулирующий орган ток проходит импульсно или непрерывно. Преимущества стабилизаторов напряжения:

    • многофункциональность в отличие от выпрямителей. Современные модели стабилизаторов не только регулируют напряжение, но и могут включать задержку его подачи;
    • возможность сетевого мониторинга посредством вольтметров встроенного типа;
    • наличие дополнительной защиты от замыканий в подключенной сети и перенапряжений с внешней стороны;
    • позволяют владельцу быть в курсе происходящего с электросетью.

    В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке

    Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, приведенными на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосте присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому k = 1. В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна p= k · q = 1 · 2 = 2. По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, это двухтактный однофазный выпрямитель тока.

    Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих типов выпрямителей тока несколько отличаются. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде.

    Читайте так же:
    Стабилизатор тока малого напряжения

    В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

    Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше использовать трехфазный выпрямитель тока. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока. Она показана на рисунке 6.

    Механическое выпрямление напряжения

    Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Его величина при этом будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но однонаправленный электрический ток при этом получается, как при положительном полупериоде напряжения, так и при его отрицательном значении. При этом нагрузка при переходе напряжения через ноль должна отключаться от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу механическими контактами.

    Они либо приводились в движение синхронным двигателем, либо перемещались достаточно быстродействующим соленоидом. В обеих схемах контакты, переключающие напряжение, перемещаются синхронно с напряжением. В схеме с двигателем они вращаются, замыкаясь в нужный момент времени. Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении аналогичен коллектору двигателя постоянного тока. Количество ламелей – контактов определяется числом оборотов синхронного двигателя.

    При переходе синусоиды выпрямляемого напряжения через ноль обе щетки контактируют либо с началом, либо с концом ламели. Начало ламели совпадает с острием стрелки, указывающей направление вращения двигателя. Время контакта щеток с ламелью совпадает с длительностью половины периода выпрямляемого напряжения.

    Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит выпрямить скачкообразное изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только как выпрямитель напряжения электросети.

    Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо на время, когда сердечник втягивается, либо наоборот. Он может сработать только при некотором минимальном напряжении, которое достаточно для перемещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через ноль не будет обработана как следует.

    Но зато такой выпрямитель может быть изготовлен довольно-таки небольшим. Поэтому он был широко распространен в свое время. Очевидно то, что без коммутации электрической цепи выпрямления напряжения не может быть. А возможности механического контакта ограничены мощностью искры, которая возникает в момент разрыва электрической цепи. Она постепенно уничтожает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая мощность при его размыкании.

    Как выбрать стабилизатор напряжения: мифы и правда о приборе

    Как и любое узкопрофильное сложное устройство, стабилизатор напряжения выступает в роли источника большого количества мифов и заблуждений. На самом деле, неспециалисту выбрать такое устройство будет достаточно сложно, но разбираться в принципе его работы и значении основных параметров стоит каждому, кто хочет приобрести стабилизатор для своего дома.

    1. Что может и чего не может стабилизатор
    2. Как выбрать стабилизатор напряжения для дома: типы устройств
    3. Как выбрать стабилизатор напряжения: основные характеристики
    4. Как правильно выбрать стабилизатор напряжения: полезные советы
    5. Лучшие производители и модели

    Что может и чего не может стабилизатор

    Услышав название «стабилизатор напряжения», люди, не разбирающиеся в электротехнике, решают, что этот прибор создан для того, чтобы справляться с любыми проблемами электросети, то есть скачками напряжения, короткими замыканиями и так далее. На самом же деле это загадочное устройство всего лишь поддерживает параметры сети в рамках ГОСТ. Именно поэтому выбирать стабилизатор напряжения для квартиры практически не имеет смысла, так как в городских электросетях почти не бывает существенных отклонений от нормы. Мало кто знает, что в розетке может быть не только 220 вольт, но от 198 до 244, и это норма. Перегореть проводка и техника может только после 250 вольт.

    А вот для загородного дома или дачи такой полезный приборчик является чуть ли не необходимостью, если вы не хотите после каждой грозы или замыкания на подстанции менять проводку и технику. А если учесть, что замыкания – причина пожаров, то становится ясно, что без описываемого прибора никак не обойтись.

    Среднестатистический стабилизатор напряжения не умеет:

    • исправлять форму сигнала входного напряжения и выправлять синусоиду;
    • фильтровать помехи на высоких и низких частотах, это функция специализированного фильтра, но не стабилизатора;
    • полностью защищать от коротких замыканий.

    Так зачем же вообще выбирать стабилизатор напряжения? – спросите вы. Все просто, этот прибор может отрегулировать вольтаж сети, подняв его при слишком низких показателях и понизив – при слишком высоких. Кроме того, при слишком резком скачке напряжения гаджет отключает питание электроприборов. Этого вполне достаточно для того, чтобы чувствительная электроника не сгорела, а вам не пришлось выкладывать кругленькую сумму на ремонт или замену.

    Как выбрать стабилизатор напряжения для дома: типы устройств

    Прежде, чем начать разбирать по полочкам отдельные характеристики и параметры стабилизаторов в общем, нужно оговориться, что прибор может быть сетевым и магистральным. Сетевой тип – это такой себе переходник между электроприбором и розеткой, соединяющийся напрямую к последней. Магистральный, как можно понять из названия, подключается к электрической магистрали и защищает абсолютно все электроприборы в доме. Покупать первый вариант имеет смысл, если вы переживаете за какую-то конкретную технику, например, домашний ПК, второй – если напряжение прыгает часто, и защита нужна всему, даже лампочкам.

    Различают три основных типа стабилизаторов:

    1. Релейные, они же ступенчатые – самый популярный и щадящий для вашего бюджета вариант. Под корпусом такого варианта находится автоматическое реле, которое анализирует входящее и исходящее напряжение и понижает или повышает его до нужного уровня. Помимо доступной цены, к преимуществам такого варианта можно отнести его компактные размеры, способность работать и при морозе в -20 градусов, и на сорокоградусной жаре и бесшумность работы. Единственный минус напрямую вытекает из принципа работы – напряжение стабилизируется путем переключения между разными реле, и в ходе этого могут мигать лампочки. Если вас не смущает иногда возникающая из-за этой особенности атмосфера фильма ужасов, то можете смело брать именно этот тип.
    2. Электронные или тиристорные – полупроводники этого прибора могут менять свою проводимость примерно сто раз за секунду, если вам это о чем-то говорит. Если перейти на человеческий язык, то такой стабилизатор обладает большей настройки напряжений по сравнению с предыдущим вариантом, при этом нет задержек и сохраняется мощность, поэтому о мигающих лампочках можете забыть. Минусы – большая цена и размер. Такой вариант хорош для частного дома, в котором много дорогостоящей и чувствительной электротехники.
    3. Электромеханические, они же сервоприводные – могут быть и сетевыми, и магистральными, а диапазон входящих напряжений от 130 до 260 вольт, то есть этот вариант подстрахует технику даже в случае очень серьезных скачков. Кроме того, такой стабилизатор стойко выдерживает перегрузки, отсекает часть помех и может похвастаться хорошей мощностью. Ложка дегтя – устройство не работает на морозе и тем сильнее шумит при работе, чем больше мощность. Реакция медленнее, чем у электронных.
    Читайте так же:
    Экономичный стабилизатор напряжения с малым потреблением тока

    Подводя итоги, можно сказать, что электронные стабилизаторы являются самыми мощными и надежными, но и самыми дорогими, электромеханические дешевле, но не могут похвастаться такими высокими характеристиками. Золотая середина – релейные модели, поэтому именно их чаще всего выбирают для защиты электроприборов.

    Как выбрать стабилизатор напряжения: основные характеристики

    Конечно, определяющей характеристикой, на которую нужно смотреть в первую очередь при выборе гаджета, это его мощность. Рассчитать ее очень просто – нужно суммировать мощности всех электроприборов, подключаемых к сети. Но тут стоит учесть два нюанса. Во-первых, если речь идет не о настольной лампе или радио, а о насосной станции или станке, то есть приборах с высокими пусковыми токами, запас мощности должен быть больше суммы мощностей минимум в три раза. Во-вторых, даже если к сети подключены только лампочки, стоит брать прибор с запасом мощности хотя бы в 20%. А вдруг вы захотите включить в розетку ноутбук, и при этом случиться скачок напряжения? Поэтому запас всегда должен быть.

    Второй важный параметр – это фазность. Выбирается фазность прибора по количеству фаз в сети, то есть однофазный – для сети с одной фазой на 220 вольт, а трехфазный – для сети на 380 вольт. Трехфазный вариант существенно дороже, поэтому, если к сети с тремя фазами подключены приборы на одну фазу, то можно схитрить и поставить три однофазных стабилизатора – на каждую из фаз по одному. Это будет выгоднее.

    К другим важным параметрам можно отнести следующие:

    • активная нагрузка – нагрузка, которую оказывают на сеть приборы, дающие свет или тепло. Активная нагрузка есть у утюга, обогревателя, электрической варочной поверхности и даже лампочки. Измеряется она в киловаттах и при выборе стабилизатора суммируется;
    • реактивная нагрузка – нагрузка от индуктивных и емкостных устройств, то есть от электродвигателей и других подобных приборов. Если вам нужно посчитать общую мощность такого электроприбора, то для этого нужно суммировать активную и реактивную;
    • диапазон напряжений – чем он больше, тем надежнее, но не всегда имеет смысл переплачивать, покупая модель с самым широким диапазоном. Особенно это актуально, если речь идет о более-менее стабильной электросети. Чтобы понять, какой диапазон вам нужен, достаточно просто замерять напряжение в сети несколько дней подряд пару раз в день. К слову, тут также стоит учитывать, что на некоторых моделях указывается диапазон входного напряжения и предельный диапазон. Вторые цифры – это пороговые значения, после преодоления которых стабилизатор просто отключает питание электроприборов;
    • точность – максимальное отличие исходящего напряжения от золотых 220 вольт. Допустимый уровень точности составляет плюс-минус 7% от номинала, но лампочки начинают мигать, если точность выше 3%. Чем выше точность, тем меньше заметны скачки напряжения, если объяснять по-простому;
    • тип монтажа – стабилизаторы различают настенные и напольные. Первые монтируются на стену, вторые ставятся на пол. Выбирая тип монтажа прибора, стоит учитывать, что влажные, пыльные или грязные места – не лучший выбор для устройства, работающего с электричеством. А электромеханические модели еще и не переносят мороз, поэтому не стоит устанавливать их на улице или просто в неотапливаемом помещении.

    Интересная, но необязательная функция, которую можно учитывать при выборе стабилизатора напряжения для дачи или дома, это наличие дисплея. На нем отображается входное и выходное напряжение, нагрузка и другие данные, которые будут для вас совершенно бесполезны, если вы не разбираетесь в электротехнике.

    Кстати, если вы купили стабилизатор напряжения, то не стоит включать паранойю и подключать к нему абсолютно все электроприборы. Постоянное напряжение для стабильной работы нужно холодильнику, телевизору, компьютеру, телефону и лампочкам, а вот обогреватель нормально работает и при скачках напряжения. Более того, если подсоединить к прибору мощное устройство типа электросварочного аппарата, то оно может привести к срабатыванию защиты и отключению тока в принципе. Если нужно защитить, например, только холодильник с телевизором, то оптимальным выходом станет покупка двух сетевых стабилизаторов вместо одного магистрального.

    Как правильно выбрать стабилизатор напряжения: полезные советы

    При выборе устройства есть ряд небольших и неочевидных нюансов, которые стоит учитывать и которые могут существенно облегчить вам жизнь:

    • мощности 10-15 кВт почти всегда хватает для дома, если вы, конечно, не “гаджетоманьяк”, у которого в доме пять телевизоров и три холодильника или владелец дома с мощными отопительными приборами, электронасосами и помпами;
    • пиковая нагрузка на электросеть наблюдается утром и вечером, поэтому делать замеры на мощность нужно именно в это время;
    • сеть в доме может быть низковольтной или амплитудной, напряжение в первой стабилизируется при помощи обычного бытового стабилизатора, во второй – нет. Для амплитудной сети нужен специальный широкодиапазонный прибор;
    • точная стабилизация нужна всего 2% электротехники в мире, остальная нормально работает в диапазоне от 198 до 244 вольт;
    • некоторые дешевые некачественные модели при работе могут терять до половины мощности, поэтому не стоит экономить;
    • мощность европейской и китайской электротехники измеряется в вольт-амперах (кВА), а не в киловаттах (кВт). 10 кВт – это больше, чем 10 кВА в 0,7 раза;
    • для отопительного котла нужен только электронный вариант стабилизатора.

    Если учитывать все эти моменты, то выбрать модель будет гораздо проще. А если вы совсем не разбираетесь в электротехнике, то можно и нужно воспользоваться помощью профессионального электрика или хотя бы спросить совета на тематических форумах.

    Лучшие производители и модели

    Чтобы понимать, какие стабилизаторы заслуживают доверия, а какие – нет, нужно хотя бы поверхностно ориентироваться в фирмах и моделях. Так мировым лидером в сфере изготовления таких устройств является итальянская компания Ortea. Вся ее продукция отлично переносит морозы, может похвастаться большой мощностью, точностью и другими плюсами. Самая популярная модель от компании – Ortea Vega 1.

    Бастион – российская компания, которая обещает пожизненную гарантию на некоторые свои модели. Разработка, изготовление всех частей и сборка приборов полностью происходит на территории РФ, отсюда и относительно невысокая цена. Если вы заинтересовались этим брендом, то обратите внимание на модель Teplocom ST-555.

    Ресанта – стабилизаторы китайского производства, бывают трехфазными и однофазными, разной мощности и точности, в общем, удовлетворяют самые разные потребности.

    Если же рассматривать конкретные модели, то по ряду характеристик можно выделить следующие:

    • QUATTRO ELEMENTI STABILIA 1000 – лучшая маломощная модель для бытовой техники, при этом, недорого стоит. Минус – невысокая точность;
    • QUATTRO ELEMENTI STABILIA 12000 – лучшая высокомощная модель, точность стабилизации у которой также, увы, хромает;
    • PROGRESS 8000ТR – лидер 2017 года в плане точности. При работе шумит, но при погрешности стабилизации всего в 3% это не критично;
    • RUCELF SDWII-12000-L – лучшая электромеханическая модель и, в принципе, один из лучших стабилизаторов. Защищает не только от скачков напряжения, но и от короткого замыкания, перегрева и помех. Стоит недешево, зато надежность высокая.
    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector