Sfera-perm.ru

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

Расчет стабилизаторов напряжения постоянного тока

Расчет мощности стабилизатора напряжения

Калькулятор расчета мощности стабилизатора напряжения для дома.

Для правильного выбора мощности стабилизатора, необходимо определить сумму мощностей всех потребителей, нуждающихся одновременно в снабжении электроэнергией. А также, имейте ввиду потребителей, включающихся единовременно. ..на них тоже рассчитывайте. ВАЖНО: Необходимо учитывать, что электродвигатели имеют пусковые токи гораздо выше номинальных. Мощность стабилизатора при использовании асинхронных двигателей, компрессоров, насосов должна в 3-5 раз превышать номинальную мощность потребителей.

Для того чтобы правильно рассчитать мощность стабилизатора напряжения необходимо последовательно сложить мощность всех потребителей включаемых одновременно с учетом пусковых токов.

Мощность каждого бытового прибора Вы можете посмотреть в паспорте или на самом приборе, как правило эта цифра указывается на задней стенке прибора.

Так же необходимо учитывать различные типы нагрузки.

Нагрузка существует как активная, так и реактивная.

Активная нагрузка, потому и называется активной, что вся потребляемая электроэнергия преобразуется в другие виды энергии (тепловую, световую и др.). Многие приборы и устройства имеют только активную нагрузку. К таким приборам и устройствам можно отнести лампы накаливания, обогреватели, электроплиты, утюги и т.д. Если их указанная потребляемая мощность составляет 1 кВт, для их питания достаточно стабилизатора мощностью 1кВт.

Реактивные нагрузки. К таким устройствам можно отнести приборы и изделия имеющие электродвигатель. Среди бытовой техники, таких устройств очень много — это почти вся электронная и бытовая техника. Такие приборы имеют полную мощность и активную. Полная мощность исчисляется ВА (вольт-амперы), активная мощность исчисляется Вт (ваттах).

Полная мощность (вольт-амперы) и активная мощность ( ватты) связаны между собой коэффициентом cos ф. На электроприборах имеющих реактивную составляющую нагрузки , часто указывают их активную потребляемую мощность в ваттах и cos ф.

Для того чтобы Вам подсчитать полную мощность в ВА, нужно активную мощность в Вт разделить на cos ф.

Например: если на дрели написано «700 Вт» и » cos ф = 0,7″, это означает, что на самом деле потребляемая инструментом полная мощность будет равна 700/0,7=1000 ВА. Если cos ф не указан, то в среднем активную мощность можно разделить на 0,7.

Высокие пусковые токи.

Многие приборы в момент пуска могут потреблять энергии в несколько раз больше чем их номинальная мощность. К таким приборам относятся все устройства содержащие двигатель.

К примеру, глубинный насос, холодильник и т.д.. Указанную в паспорте потребляемую мощность необходимо умножить на 3-5 раз, иначе Вы не сможете включить эти устройства через стабилизатор, потому что будет срабатывать защита от превышения мощности.

После того как Вы получили суммарную мощность всех приборов, необходимо посчитать какие именно приборы будут включатся одновременно и у каких приборов есть пусковые токи. Только в этом случае Вы правильно рассчитаете правильную мощность стабилизатора напряжения необходимого для питания Вашей бытовой техники.

Рекомендуется выбирать модель стабилизатора с 20% запасом по мощности. Во-первых, Вы обеспечите «щадящий» режим работы стабилизатора, тем самым, увеличив его срок службы, во-вторых, создадите себе резерв мощности для дополнительного подключения нового оборудования.

Расчет стабилизатора

Примеры расчета стабилизаторов

Пример I . Рассчитать стабилизатор тока на ток I ст = 12 ма. Стабилизатор должен обеспечить отклонения тока в нагрузке, не превышающие ±0,5 ма при изменении сопротивления нагрузки R = 12 ком на ±30% и колебаниях питающего напряжения на ±10%.

Читайте так же:
Регулируемый стабилизатор тока для зарядных устройств

По заданному току стабилизации (12 ма) в качестве регулирующей лампы можно выбрать лучевой тетрод 6П1П, обеспечивающий ток свыше 45 ма. Определяем пределы изменения сопротивления нагрузки:

R н + 0,3R н = R н.макс = 12 + 0,3·12 = 15,6 ком;
R н — 0,3R н = R н.мин = 12 — 3,6 = 8,4 ком.

Пределы изменения напряжения на нагрузке:

U н.макс =I ст R н.макс = 12·10 -3 ·15,6·10 3 = 187 в:
U н.мин =I ст R н.мин = 12·10 -3 ·8,4·10 3 = 187 в:

Минимальное напряжение на аноде регулирующей лампы выбираем в той части анодных характеристик, где анодный ток меньше зависит от анодного напряжения. Этому условно соответствует U а.мин = 150 в.

Необходимо задаться падением напряжения на катодном сопротивлении R 4 в пределах 50—200 в. Следует иметь в виду, что чем больше падение напряжения U R4 , тем больше на этом сопротивлении будет входное напряжение стабилизатора. Задаемся значением U R4 = 100 в.

Допустимые пределы изменения напряжения на входе стабилизатора

U вх.мин = U н.макс + U а.мин + U R4 = 187 + 150 + 100 = 437 в.

Входное питающее напряжение по заданию может меняться в пределах ±10%.
Тогда максимальное входное напряжение

U вх.макс = U ср ·1,1 = U вх.мин /0,9·1,1 = 437/0,9 1.1 = 535 в.

Максимальное анодное напряжение

U а.макс = U вх. макс —U н.мин — UR 4 = 535 — 101 — 100 = 334 в.

Рассчитываем максимальную мощность, рассеиваемую на аноде лампы 6П1П:

P а.макс =U а.макс I ст = 334·12·10 -3 =4вт а.доп = 12 вт.

Напряжение на экранной сетке U с2 выбираем из следующих соображений:

  1. Величина U с2 должна быть меньше U а.мин , так как в противном случае ток экранной сетки может превысить анодный ток, и мощность, рассеиваемая на экранной сетке, превысит допустимую.
  2. Стабилизирующее действие схемы тем больше, чем меньше меняется ток экранной сетки I с2 при изменении напряжения на аноде. Однако изменения напряжения на аноде тем сильнее влияют на ток I с2 , чем больше напряжение U с2 .
  3. Слишком малое напряжение U с2 тоже нельзя выбирать из-за того, что при этом нельзя стабилизировать достаточно большие токи.

В нашем случае ток невелик и поэтому можно задаться U с2 = 50 в.

Стабилизированное напряжение, которое необходимо обеспечить, чтобы UС2 = 50 в, определяется по формуле

U ст.с2 =U с2 + U R4 =50+100= 150 в.

Такое стабилизированное напряжение может обеспечить стабилитрон СГ1П, с напряжением горения 150 в.

По анодным характеристикам выбранного тетрода 6П1П определяем напряжение смещения при Uа.мин, составляющее —4 в.

Ток экранной сетки определяется также по соответствующим характеристикам. При U а.мин = 150 в, U с2 = 50 в и U с1 = -4в, искомый ток I с2 = 1 ма.

Рассчитываем мощность, рассеиваемую на экранной сетке:

Р с2 = U с2 I с2 =50·1·10 -3 =0,05 вт с2 доп = 2,5 вт

Рассчитываем сопротивление R 4 :

Полное изменение тока нагрузки, вследствие изменения входного напряжения, сопротивления и тока экранной сетки, рассчитываем по приближенной формуле

В нашем случае U с2 невелико, поэтому слагаемым ΔI с2 можно пренебречь и тогда

т. е. ток I ст меняется на ±0,185 ма, что вполне удовлетворяет заданию.

Задавшись током делителя R 1 —R 2 —R 3 (обычно в пределах 1 — 4 ма), рассчитываем суммарное сопротивление

Сопротивления, составляющие делитель, определяем из соотношения

Задавшись R 3 = 39 ком, рассчитываем R 1 и R 2 : R 1 = 14 ком; R 2 = 22 ком.

Ограничивающее сопротивление R огр находим, задавшись минимальным током через стабилитрон I ст.мин = 8 ма, по формуле

Сопротивление, компенсирующее изменения входного напряжения, определяем по приближенной формуле

R 5 = (0,2 ÷ 0,5) μ R к = 0.3 · 300 · 8,4 = 750 ком

Схема рассчитанного стабилизатора тока приведена на рис. 129 .

Рис. 129. Схема к примеру расчета электронного стабилизатора тока.

Пример 2 . Рассчитать электронный стабилизатор напряжения , обеспечивающий стабилизированное напряжение U ст = 300 в при токе нагрузки 50 ма. Напряжение сети 220 в изменяется в пределах от 200 до 230 в.

В задании не предъявляется особых требований к качеству стабилизации. Поэтому можно использовать схему электронного стабилизатора напряжения с одним усилителем; в качестве регулирующей лампы выбираем тетрод 6П1П в триодном соединении.

Источником опорного напряжения выбираем стабилитрон СПП (напряжение стабилизации 150 в) и в качестве усилительной лампы используем один из триодов лампы 6Н2П с напряжением на аноде 150 в ( рис. 130 ).

Рис. 130. Схема к примеру расчета электронного стабилизатора напряжения.

В выбранной схеме стабилитрон питается от стабилизированного напряжения, поэтому анодный ток можно считать постоянным и небольшим. Задаемся значением опорного тока I оп = 10 ма. Тогда общий ток стабилизатора

I = I н + I оп = 50 + 10 = 60 ма

Напряжение на входе стабилизатора (на выходе выпрямителя) является суммой заданного стабилизированного напряжения, которое требуется обеспечить на нагрузке, и падения напряжения на регулирующей лампе. Минимальное напряжение на последней будет при минимальном напряжении на входе. Для лампы 6П1П U мин может находиться в пределах 120—150 в. Задавшись U мин = 130 в, получаем

U вх.мин = U ст + U а.мин = 300 + 130 = 430 в.

Предполагая, что напряжение на входе стабилизатора меняется пропорционально изменению напряжения сети, находим

Напряжение на регулирующей лампе следует определить как разность между напряжением на входе стабилизатора и U ст = 300 в:

U а.мин = 430 — 300 = 130 в;
U а.ном =473 -300 = 173 в;
U а.макс =494 — 300 =194 в.

Как видно, напряжение на регулирующей лампе доходит до 200 в и при токе 60 ма на аноде 6П1П будет рассеиваться мощность Р а = 12 вт > P а.доп = 10 вт. Поэтому параллельно регулирующей лампе следует включить шунтирующее сопротивление R ш , которое разгрузит лампу.

При минимальном напряжении на аноде ток через шунтирующее сопротивление минимален, а ток через регулирующую лампу максимален. Следовательно, отрицательное напряжение смещения на управляющей сетке регулирующей лампы должно быть минимальным.

Воспользовавшись семейством анодных характеристик лампы 6П1П, выбираем U с.мин = — 3 в при U а.мин = 130 в. При этом анодный ток получается равным 40 ма.

Минимальный ток через шунтирующее сопротивление определяется как разность между общим током стабилизатора и током через регулирующую лампу:

I ш.мин = I ст — I а.макс = 60 — 40 = 20 ма.

Ток через сопротивление шунта при напряжении на нем, равном на U а.ном ,

Ток через сопротивление шунта при U а.макс

Ток через регулирующую лампу при изменениях входного напряжения

I а.ном = 60-26,5 = 33,5 ма;
I а.мин = 60 — 30 = 30 ма.

Мощность Р а = U а I а , выделяемая на аноде регулирующей лампы при любых изменениях режима, должна быть меньше Р а.доп . Мощность, выделяемая в шунтирующем сопротивлении,

Р ш = U а.макс I ш.макс = 194·30·10 -3 = 6 вт.

Пользуясь семейством анодных характеристик 6П1П, по известным значениям U а и I а определяем напряжение смещения (в нашем случае это —2 в, —6 в, —12 в).

Величину анодной нагрузки R а2 лампы 6Н2П выбираем равной 2Ri=98 ком.

Тогда анодный ток

Напряжение на аноде усилительной лампы

U а2 = U ст — | U с1 | — U оп = 300 — 2 — 150 = 148 в.

Напряжение смещения на сетке лампы 6Н2П определяется при помощи ее анодных характеристик, по известным значениям I а2 и U а2 .

Сопротивление делителя определяем, задавшись током через него порядка 1 ма:

Сопротивление нижнего плеча

Ограничивающее сопротивление в цепи стабилитрона

Определение напряжения на нагрузке

  • Помощь
  • Акции
  • Новости
  • Статьи
  • Вакансии
  • Клиенты
  • Реквизиты
  • Калькуляторы

Падение напряжения в электрической сети может стать настоящей проблемой с приобретением современных мощных электроприборов. Чаще всего от этого страдают жильцы старых многоквартирных и частных домов, проводка в которых проложена 20, а то и 30 лет назад. Для энергопотребителей тех времен сечения кабеля было вполне достаточно, однако сегодня практически все пользователи полностью перешли на электрическую технику, эксплуатация которой требует модернизации проводки.

Наглядную картину можно наблюдать на примере освещения. Когда в электрической сети падает напряжение при подключении нагрузки с малым сопротивлением, лампы начинают гореть с меньшей яркостью. Причиной такого явления может быть недостаточное сечение проводки.

Чтобы убедиться в том, что источник выдает больший вольтаж, чем потребитель, необходимо вычислить напряжение на нагрузке. Сделать это можно путем включения в цепь вольтметра или по формуле. В первом случае измерительный прибор, который изначально имеет достаточно высокое сопротивление на входе, необходимо подключать параллельно линии. Это позволяет избежать шунтирования нагрузки и искажения результатов измерения.

Как рассчитать напряжение по формуле

Когда возникают перебои в подаче электроэнергии к приборам, важно проанализировать работу линии. При этом следует определить напряжение на нагрузке по формуле – такое решение дает максимально точный результат и позволяет вычислить другие параметры аналогичным способом. Так, формула расчета напряжения на нагрузке выглядит следующим образом:

U1 – напряжение источника;

ΔU – падение напряжения в линии;

R – сопротивление линии.

В том случае, если сопротивление линии и напряжение источника постоянны, напряжение на нагрузке напрямую зависит от силы тока в линии.

Например, при подключении прибора в электрическую сеть с напряжением 220 В, током 10 А и сопротивлением линии, равным 2 Ом, напряжение на нагрузке составит:

В режиме холостого хода падения напряжения в линии нет (ΔU = 0), поэтому напряжение на нагрузке теоретически равно вольтажу источника (U2 = U1). Однако на практике напряжение источника равняться напряжению потребителя не может, поскольку и проводка, и источник электроэнергии, и подключенный к сети прибор имеют собственное сопротивление.

Пример. Напряжение источника составляет 220 В, внутреннее его сопротивление можно не учитывать. Сопротивление проводки – 1 Ом. Сопротивление включенного в сеть электрического прибора – 12 Ом. Суммарное сопротивление цепи составит 13 Ом. Ток в линии рассчитывается по закону Ома и составляет:

Напряжение на нагрузке вычисляется по формуле, приведенной выше:

Таким образом, видно, что напряжение на нагрузке меньше исходных 220 В, остальной вольтаж «теряется» на проводах.

Падение напряжения при подключении нагрузки потребителя

Из-за скачков вольтажа в сети страдают преимущественно жители частного сектора, дачных и коттеджных поселков. Из-за чего же происходит падение напряжения при подключении потребителя?

Первая причина этого явления – недостаточное сечение электрической проводки в доме. Дело в том, что слишком тонкие жилы кабеля не выдерживают большой нагрузки, которая возникает при включении в сеть электроприборов с высокой мощностью. Вторая причина – некачественные контакты в местах соединения проводов, что создает дополнительное сопротивление на линии.

Из-за падения напряжения в обоих случаях есть риск перегрева проводки или участка, в котором находится неисправный контакт. Это может стать причиной полного прекращения подачи электроэнергии на объект и даже возгорания.

Иногда падение напряжения наблюдается не на стороне пользователя, а на линиях электропередач. Оно может возникать вследствие перегрузки подстанции. В этом случае решить проблему может лишь поставщик электроэнергии путем замены устаревшей подстанции на более новую модель с современной релейной защитой. Еще одной причиной низкого напряжения может быть недостаточное сечение проводов на линии электропередач, а также нестабильное распределение нагрузки фаз на стороне подстанции. Как и в первом случае, устранить эти недочеты может только поставщик коммунальной услуги.

Узнать, действительно ли поставщик электроэнергии виноват в «провалах» напряжения, можно, опросив соседей. Если у них подобной проблемы нет, значит, стоит искать причину на территории участка. Зачастую этот вопрос успешно решается путем замены проводки на новый кабель с большим сечением. Однако в некоторых случаях падение напряжения продолжает наблюдаться. Причина может заключаться в так называемых «скрутках» – соединениях проводов путем их скручивания. Дело в том, что каждый некачественный контакт на линии снижает конечное напряжение в сети. Чтобы этого избежать, рекомендуется использовать заводские зажимы, которые гораздо более надежны, чем другие способы соединения электрических кабелей, а также абсолютно безопасны.

В случаях с применением низковольтных аккумуляторных батарей тоже могут наблюдаться «провалы». Если при включении потребителей падает напряжение зарядки источника питания, наиболее вероятная причина этого – некачественные контакты.

При падении напряжения в сети принципиально важно выяснить и устранить причину этого. В противном случае бездействие может обернуться печальными последствиями, особенно если дело касается электрической бытовой проводки. Современные кабели с подходящим сечением и качественно выполненные соединения проводов – залог длительной и эффективной работы всех электроприборов.

Делитель напряжения: схема и расчёт

Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения (voltage divider). Это схема, строящаяся на основе пары резисторов.

В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе Vout? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?

Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков пока к выходу Vout ничего не подключено. А суммарное сопротивление пары резисторов при последовательном соединении:

Таким образом, сила тока протекающая через резисторы

Теперь, когда нам известен ток в R2, расчитаем напряжение вокруг него:

Или если отавить формулу в общем виде:

Так с помощью пары резисторов мы изменили значение входного напряжения с 9 до 5 В. Это простой способ получить несколько различных напряжений в одной схеме, оставив при этом только один источник питания.

Применение делителя для считывания показаний датчика

Другое применение делителя напряжения — это снятие показаний с датчиков. Существует множество компонентов, которые меняют своё сопротивление в зависимости от внешних условий. Так термисторы меняют сопротивление от нуля до определённого значения в зависимости от температуры, фоторезисторы меняют сопротивление в зависимости от интенсивности попадающего на них света и т.д.

Если в приведённой выше схеме заменить R1 или R2 на один из таких компонентов, Vout будет меняться в зависимости от внешних условий, влияющих на датчик. Подключив это выходное напряжение к аналоговому входу Ардуино, можно получать информацию о температуре, уровне освещённости и других параметрах среды.

Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно расчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта Vout.

Подключение нагрузки

С делителем напряжения не всё так просто, когда к выходному подключения подключается какой-либо потребитель тока, который ещё называют нагрузкой (load):

В этом случае Vout уже не может быть расчитано лишь на основе значений Vin, R1 и R2: сама нагрузка провоцирует дополнительное падение напряжения (voltage drop). Пусть нагрузкой является нечто, что потребляет ток в 10 мА при предоставленных 5 В. Тогда её сопротивление

В случае с подключеной нагрузкой следует рассматривать нижнюю часть делителя, как два резистора соединённых параллельно:

Подставив значение в общую формулу расчёта Vout, получим:

Как видно, мы потеряли более полутора вольт напряжения из-за подключения нагрузки. И тем ощутимее будут потери, чем больше номинал R2 по отношению к сопротивлению L. Чтобы нивелировать этот эффект мы могли бы использовать в качестве R1 и R2 резисторы, например, в 10 раз меньших номиналов.

Пропорция сохраняется, Vout не меняется:

А потери уменьшатся:

Однако, у снижения сопротивления делящих резисторов есть обратная сторона медали. Большое количество энергии от источника питания будет уходить в землю. В том числе при отсоединённой нагрузке. Это небольшая проблема, если устройство питается от сети, но — нерациональное расточительство в случае питания от батарейки.

Кроме того, нужно помнить, что резисторы расчитаны на определённую предельную мощьность. В нашем случае нагрузка на R1 равна:

А это в 4-8 раз выше максимальной мощности самых распространённых резисторов! Попытка воспользоваться описанной схемой со сниженными номиналами и стандартными 0.25 или 0.5 Вт резисторами ничем хорошим не закончится. Очень вероятно, что результатом будет возгарание.

Применимость

Делитель напряжения подходит для получения необходимого заниженного напряжения в случаях, когда подключенная нагрузка потребляет небольшой ток (доли или единицы миллиампер). Примером подходящего использования является считывание напряжения аналоговым входом микроконтроллера, управление базой/затвором транзистора.

Делитель не подходит для подачи напряжения на мощных потребителей вроде моторов или светодиодных лент.

Чем меньшие номиналы выбраны для делящих резисторов, тем больше энергии расходуется впустую и тем выше нагрузка на сами резисторы. Чем номиналы больше, тем больше и дополнительное (нежелательное) падение напряжения, провоцируемое самой нагрузкой.

Если потребление тока нагрузкой неравномерно во времени, Vout также будет неравномерным.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector