Регулированный стабилизатор напряжения с ограничению по току

Линейный стабилизатор напряжения с регулировкой на TL431 и NPN транзисторах

Всем привет!
В последнее время я увлекся сборкой схем линейных стабилизаторов напряжения. Такие схемы не требуют редких деталей, а подборка компонентов и настройка также не вызывает особых сложностей. В этот раз я решил собрать схему линейного стабилизатора напряжения на «регулируемом стабилитроне» (микросхеме) TL431. TL431 выступает в качестве источника опорного напряжения, а силовую роль выполняет мощный NPN транзистор в корпусе ТО -220.

При входном напряжении 19В, схема способна служить источником стабилизированного напряжения в пределах от 2,7 до 16 В при токе до 4А. Стабилизатор оформлен в виде модуля, собранного на макетной плате. Выглядит следующим образом:

Стабилизатор требует блок питания постоянного тока. Имеет смысл применять такой стабилизатор с классическим линейным блоком питания, состоящим из железного трансформатора, диодного моста и конденсатора большой емкости. Напряжение в сети может меняться в зависимости от нагрузки и как следствие, будет меняться напряжение на выходе трансформатора. Данная схема будет обеспечивать стабильное выходное напряжение при изменяющимся входном. Нужно понимать, что стабилизатор понижающего типа, а также на самой схеме падает 1-3 В напряжения, поэтому максимальное выходное напряжение будет всегда меньше входного.

В качестве блока питания для данного стабилизатора в принципе можно использовать и импульсные блоки питания, например от ноутбука на 19 В. Но в этом случае, роль именно стабилизации будет минимальной, т.к. заводские импульсные блоки питания и так на выходе выдают стабилизированное напряжение.

Подбор компонентов
Максимальный ток, который может через себя пропустить микросхема TL431, согласно документации – 100 мА. В моем случае, я ограничил ток с запасом до примерно 80 мА при помощи резистора R1. Нужно рассчитать резистор по формулам.

Для начала нужно определить сопротивление резистора. При максимальном входном напряжении 19В по закону Ома сопротивление рассчитывается следующим образом:
R= U/I = 19В / 0,08A = 240 Ом

Нужно рассчитать мощность резистора R1:
P=I^2*R = 0,08 А * 0,08 А * 240 Ом = 1,5 Ватта

Я использовал советский резистор на 2 Ватта

Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения, которое «программирует» TL431, причем резистор R3 переменный, что позволяет менять опорное напряжение, которое потом повторяется каскадом из транзисторов. Я использовал R2 – 1К Ом, R3 — 10К оМ. Мощность резистора R2 зависит от выходного напряжения. Например, при выходном напряжении 19В:
P=U^2/R = 19 * 19/ 1000 = 0,361 Ватт

Я использовал резистор в 1 Ватт.

Резистор R4 служит для ограничения тока на базе транзистора VT2. Номинал подбирать лучше опытным путем, контролируя выходное напряжение. Если сопротивление будет слишком большим, это заметно ограничит выходное напряжение схемы. В моем случае – это 100 Ом, мощность годится любая.

В качестве основного силового транзистора (VT1) лучше использовать транзисторы в корпусе ТО – 220 или более мощном (ТО247, ТО-3). Я использовал транзистор Е13009, купленный на Али Эксресс. Транзистор на напряжение до 400В и ток до 12А. Для подобной схемы высоковольтный транзистор – не самое оптимальное решение, но работать будет нормально. Транзистор скорее всего поддельный и 12 А не выдержит, а вот 5-6А вполне. В нашей схеме ток до 4А, поэтому для данной схемы годится. В данной схеме транзистор должен быть способен рассеять мощность до 30-35 Ватт.

Рассчитывается рассеваемая мощность как разница между входным и выходным напряжением умноженная на ток коллектора :
P = (U выход -U вход)*I коллектора
Например, входное напряжение у нас 19 В, мы выставили выходное напряжение 12 В, а ток коллектора у нас 3 А
Р = (19В-12В) *3А = 21 Ватт – вполне нормальная ситуация для нашего транзистора.

А если мы продолжим снижать выходное напряжение до 6В, то картина будет другая:
Р = (19В-6В) *3А = 39 Ватт , что не очень хорошо для транзистора в корпусе ТО-220 (еще нужно учитывать, что при закрытии транзистора ток тоже будет уменьшаться: на 6В ток будет около 2-2,5А, а не 3). В таком случае лучше либо использовать другой транзистор в более массивном корпусе, либо уменьшить разницу между входным и выходным напряжением (например, если блок питания трансформаторный, путем переключения обмоток).

Также транзистор должен быть рассчитан на ток от 5А и больше. Лучше брать транзистор со статическим коэффициентом передачи тока от 20. Китайский транзистор вполне соответствует данным требованиям. Перед запайкой в схему, я его проверил (ток и рассеиваемую мощность) на специальном стенде.

Т.к. TL431 может выдавать ток не более 100 мА, а для питания базы транзистора требуется больший ток, потребуется ещё один транзистор, который будет усиливать ток с выхода микросхемы TL431, повторяя опорное напряжение. Для этого и нужен транзистор VT2.
Транзистор VT2 должен быть способен подавать достаточный ток на базу транзистора VT1.

Грубо определить необходимый ток можно через статический коэффициент передачи тока (h21э или hFE или β) транзистора VT1. Если мы хотим на выходе иметь ток в 4 А, а статический коэффициент передачи тока VT1 равен 20, то:
I базы = I коллектора / β = 4 А / 20 = 0,2 А.

Статический коэффициент передачи тока будет меняться в зависимости от тока коллектора, так что это значение ориентировочное. Замер на практике показал, что нужно около 170 мА подать на базу транзистора VT1, чтобы ток коллектора был 4А. Транзисторы в корпусе ТО-92 начинают заметно греться при токах выше 0,1 А, поэтому в данной схеме я использовал транзистор КТ815А в корпусе ТО-126. Транзистор рассчитан на ток до 1,5А, статический коэффициент передачи тока — около 75. Небольшой радиатор для данного транзистора будет уместен.
Конденсатор С3 нужен для стабилизации напряжения на базе транзистора VT1, номинал — 100 мкФ, напряжение 25В.

На выходе и входе установлены фильтры из конденсаторов: С1 и С4 (электролитические на 25В, 1000 мкФ) и С2, С5 (керамические 2-10 мкФ).
Диод D1 служит для защиты транзистора VT1 от обратного тока. Диод D2 нужен для защиты от транзистора при питании коллекторных электродвигателей. Двигатели при отключении питания ещё какое-то время крутятся и в режиме торможения работают как генераторы. Вырабатываемый таким образом ток идет в обратном направлении и может повредить транзистор. Диод в данном случае замыкает двигатель на себя и ток не доходит до транзистора. Резистор R5 выполняет роль малой нагрузки для стабилизации в холостом режиме, номинал 10к Ом, мощность любая.

Схема практически не имеет защит (имеется в виду, что нет защиты от КЗ, защиты от переполюсовки, плавного старта, ограничения по току и т.д.), поэтому использовать ее нужно очень аккуратно. По той же причине не рекомендуется использовать подобные схемы в «лабораторных» блоках питания. Для этой цели лучше подойдут готовые микросхемы в корпусе ТО-220 на токи до 5А, например КР142ЕН22А. Либо как минимум для данной схемы нужно сделать дополнительный модуль для защиты от КЗ.

Способы понижения постоянного и переменного напряжение в электросети: описание и рекомендации

Правила устройства электроустановок указывают, что для переносимого освещение напряжение не должно быть больше пятидесяти Вольт, а если пространство замкнуто, не больше двенадцати Вольт.

В этом случае электричество подаётся через трансформатор, благодаря которому человек может не бояться поражения электрическим током. При этом электричество может быть небезопасным даже для подключения малогабаритной техники.

В этой статье рассмотрим варианты, с помощью которых можно изменить напряжение до необходимых значений.

Способы понизить переменный ток

Иногда к сети необходимо подключать устройства, которые не предназначены для питания от двухсот двадцати Вольт. Это касается самых разных приборов: как смартфонов или небольшой бытовой техники, так и инструментов или элементов систем освещения.

Как подключить приборы из Соединённых Штатов Америки

Приборы из США чаще всего рассчитаны на сто десять Вольт, в то время как стандартное значение электрической проводки в домах России подразумевает двести двадцать Вольт. Есть несколько способов, которые могут изменить напряжение в сети:

1. Перемотка трансформатора питающего устройства. Но стоит помнить о том, что многие устройства функционируют за счёт импульсного питания, и в некоторых ситуациях лучше всего постараться избежать перемотки. Поэтому можно использовать трансформатор для понижения.
2. Автотрансформатор или трансформатор с отводом от обмотки. Их часто можно увидеть в старых телевизорах и электрических прибора прошлого века.

Помните о том, что включение трансформатора может грозить обрывом обмотки после отведения к ста десяти Вольтам. В этом случае все двести двадцать отойдут к прибору, это приведёт к его поломке.

Среди готовых устройств выделяют автоматические трансформаторы от производителя Штиль.

Приобретая устройства данного типа проверяйте, на какое установленное значение тока ориентированы обмотки прибора. Это необходимо, чтобы прибор мог выдержать нужную мощность.

Трансформатор является самым надёжным способом понижения электротока до нужных значений. Сегодня в магазинах можно найти самые разные приборы от множества производителей.

Некоторые из них представляют собой коробки из металла, некоторые оснащены корпусом из пластика. Они отличаются по размерам и функциям.

Существует ряд параметров, которым должен быть оснащён трансформатор для понижения питания:

1. На выходе трансформатор рассчитан на сто десять Вольт, на входе двести двадцать Вольт.
2. Трансформатор должен быть рассчитан на мощность примерно на двадцать процентов больше, чем в приборе, который будет подключён к нему.
3. Лучше оснащать цепи предохранителем.
4. Все проводники и соединения должны обладать изоляцией, вывод тока должен обладать ограничениями.

Как понизить ток для источников освещения с малой мощностью

Источники освещения, которые можно переносит, работают от пониженного тока. При этом такие светильники используются достаточно часто, особенно для ремонта в разных помещениях и на открытом воздухе.

Иногда такие источники света задействуют в качестве освещения на приборах производства, например, для освещения пространства разных видов станков. Чтобы снизить напряжение с двухсот двадцати Вольт до тридцати шести Вольт, лучше использовать следующие виды трансформаторов:

1. ОСО-0.25-220/36 В.
2. ОСМ-0.063кВт-220/36.
3. ОСЗР-0.063кВт-220/36 В.
4. ЯТП-0,25-220-36В (трансформатор в корпусе из металла с дополнительной защитой).

Чтобы понизить напряжение с двухсот двадцати Вольт до двенадцати вольт, лучше использовать следующие виды трансформаторов:

1. ОСО25-220/12 В.
2. TRS-300W-AC-220 B-AC-12 B (занимает совсем мало места).
3. INDEL-TSZS30/005 M (малой мощности с установкой на ДИН-рейку).

Как понизить ток в электрической сети дома

Проблема со слишком большим или со слишком маленьким напряжением может возникнуть в электрической сети дома. Это может стать причиной поломок некоторых потребителей энергии.

Если нужно с двухсот шестидесяти Вольт снизить напряжение до двухсот двадцати, лучше всего использовать стабилизатор напряжения. Встречаются самые разные виды этих устройств.

Дешевле стоит стабилизатор с реле, принцип работы которого похож на действие автоматического трансформатора с переключением отводов от обмотки.

Если Вы хотите обезопасить отдельные потребители энергии, например, телевизор или компьютер, можно использовать устройство с малой мощностью на один Киловатт. Например, СВЕН ВР-Л1000 стоимость около 1000 рублей.

При этом такие приборы рассчитаны на меньшую мощность, например данное устройство на самом деле выдерживает нагрузку менее 0,5 Киловатт. Перед покупкой внимательно сверяйтесь с параметрами прибора. Большинство таких устройств рассчитаны на напряжение в двести шестьдесят Вольт.

Обезопасить электрическую проводку целого дома можно с помощью более мощных приборов, например, RUCELF-SRWII-12000. Это устройство рассчитано на двенадцать тысяч Вольт-Ампер и может выдержать напряжение на входе до двухсот семидесяти Вольт.

Использование балластного конденсатора для устройств малой мощности

Необязательно в каждом случае использовать трансформатор для понижения напряжение. Балластный конденсатор тоже может помочь в таких ситуациях. Данные устройства работают с ограничением тока при помощи сопротивления ёмкости.

Правильно рассчитывать ёмкость нужно с учётом мощности потребляемого тока в сети.

Способы понизить постоянный ток

Возникают ситуации, когда напряжение нужно понизить и в блоках питания. Расскажем о стандартных ситуациях, в которых нужно понизить постоянное напряжение.

Многие микроконтроллеры работаю от трёх Вольт, и к такому значению подойдёт не каждый блок питания. Понизить напряжение на выходе можно, заменив стабилитрон в обратной связи цепи. Стабилитрон может как понизить, так и повысить напряжение.

Чтобы понять, как своими руками установить этот элемент, рекомендуем посмотреть следующее видео:

Иногда в современных приборах используются стабилитроны, которые можно регулировать, если заменять в них резисторы или их соотношение. Понизить напряжение можно и с помощью параметрического стабилизатора. В этом случае заменять стабилитрон на плате не придётся.

Диодная цепочка в разрыве цепи тоже может стать хорошим вариантом решения проблемы. При этом на всех кремниевых диодах напряжение станет ниже, главное правильно рассчитать нужное количество диодов.

Иногда зарядные устройства нужно подключать к автомобильной сети, где напряжение варьируется от двенадцати до почти пятнадцати Вольт.

В этом случае стабилизировать напряжение можно с помощью линейных стабилизаторов Л7809 или Л7805. Не обязательно выбирать именно такие стабилизаторы, можно подобрать их аналоги с нужным значением.

Преобразователи импульсов тоже можно использовать в качестве регуляторов напряжение. По запросам DC-DC step down/buck converter Вы можете найти плату LM2596, которая отлично подойдёт для понижения напряжения до нужных значений.

Чтобы расширить познания в области снижения напряжения, советуем посмотреть следующие наглядные видео:

Это основные способы, с помощью которых можно контролировать напряжение. Используйте советы данной статьи для того, чтобы понизить постоянный и переменный ток!

Онлайн помощник домашнего мастера

Реле напряжения – современные виды, принцип действия и особенности применения. Схемы подключения эффективной защиты от скачков напряжения!

• Оборудование

Современная жизнь не мыслима без электричества. Для полноценной повседневной жизни человек научился подводить его в свой дом и управлять им. Однако, есть серьезные недостатки, вносящие проблемы простому жителю, с которыми ему приходится смириться. И исправить последствия которых ему не под силу.

Краткое содержимое статьи:

Что такое колебание напряжения?

Колебание напряжения – частое явление, приводящее к сгоранию электротехники и ее повреждению. Организации, занимающиеся ремонтом, обслуживанием и модернизацией подстанций, трансформаторов, силовых линий не слишком спешат что-то изменить, улучшить, достичь большей стабильности. С каждым годом становится только хуже.

Причины появления нестабильного напряжения – различны. В основном это неисправность оборудования, повреждение линий электропередач и применение «древних сварочников», перегружающих бытовую сеть.

Обычное колебание напряжение допустимо в пределах 170-240 В. Когда оно выше или ниже, начинаются проблемы: возрастает мощность (сила тока), начинает плавиться и гореть изоляция, выходить из строя электроооборудование и бытовая техника, не рассчитанные на такую нагрузку.

На фоне неразберихи и безответственности появляются аварийные ситуации, провоцирующие появление причин для резких скачков напряжения:

• Появление в розетке напряжения 380 В в результате попадания фазы на нейтральный провод (например, при порыве ветра);
• Когда обрывается или перегорает нулевой провод при низкой нагрузке – напряжение стремится к росту к 400 В;
• Перекос по загруженности сети, ток распределяется неравномерно;
• Сварочные работы, при подключении к электросети трансформатора или выпрямителя.

Защитить свою бытовую технику стало возможным благодаря применению реле напряжения, установленному на схеме ввода электропитания.

Правильно настроенное и подключенное реле напряжения позволило многим сохранить своё имущество от сбоев в поставке электроэнергии, ее чрезмерных скачков, мгновенно отключая электросеть, обесточивая ее.

Описание и характеристики реле напряжения

Электронная начинка и силовая часть, разъединяющая нагрузку, помещенные в пластиковый корпус – такова конструкция прибора, называемого на жаргоне электриков «отсекателем». Компаратор или микропроцессор является основным органом управления.

В конструкции реле напряжения имеется термодатчик, защищающий от перегрева собственные детали при плохом контакте подключения. Крепится на ДИН-рейку щитка или к стене с помощью саморезов.

Быстродействие, зависящее от порога срабатывания – главный параметр, правильное выставление которого очень важно для правильной работы всего устройства. Некоторым моделям хватает несколько десятков наносекунд, чтобы обесточить электросеть от нагрузки и спасти оборудование.

Напряжение не выравнивается как в случае с стабилизатором, а просто – «отсекается» от подключенного оборудования. Отсюда и его профессиональное название.

Принцип действия реле очень прост: постоянно идет измерение текущего значения напряжения тока. Когда превышается верхний или нижний порог срабатывания, размыкается электрическая сеть, перестает осуществляться внешняя подача тока.

Через некоторое время, когда подача электроэнергии нормализуется до требуемых параметров, прибор сомкнет контакты, возобновит подачу питания.

От того, какова суммарная токовая нагрузка дома, зависит особенность правильного выбора реле напряжения. Рекомендуется посмотреть на корпусе устройство его параметры. Пропускная способность РН должна быть на 30% выше, чем номинальная мощность сети. Иными словами, если токовая нагрузка дома 25 А, то нужно подбирать реле на 32 А.

Классификация

В зависимости от типа электросети, особенностям подключения, исполнения, реле напряжения бывают:

• Трехфазными;
• Однофазными;
• Цифровыми;
• Электромеханическими;
• По типу розетка – вилка;
• В виде удлинителя;
• Для установки в распределительном электрошкафу (щитке) на DIN-рейку.

Простая инструкция: как установить и подключить РН

На фото реле напряжения мы видим коробку с визуально видимыми контактами, которые нужно подключить так, чтобы РН размыкало цепь при недопустимых параметрах тока. Местонахождение подходящих клемм для фазы и нулевого провода обозначены на корпусе устройства. Там же обычно имеется и мини-чертеж правильного подключения.

Важно хорошо ориентироваться в электрической схеме, так как контакты могут находиться как снизу, так и сверху.

Для работы нам понадобится:

• Инструкция от производителя с принципиальной схемой;
• Автоматический выключатель;
• Реле напряжения;
• Монтажный провод сечением минимум 2,5 мм (лучше всего – медный одножильный);
• Отвертки (крестовые и плоские);
• Плоскогубцы (пассатижи) с кусачками;
• Индикатор или мультиметр;
• Острый нож;
• Дрель для сверления отверстий под крепление;
• Саморезы.

В процессе монтажа, соблюдаем простые рекомендации, чтобы продлить срок службы и не испортить дорогостоящий прибор:

Отключаем главный АВ, отвечающий за подачу тока. Проверяем полное его отсутствие с помощью специальных индикаторов. Точно соблюдаем инструкцию, входящую в комплект устройства.

У однофазного прибора три разъема с контактами, которые нужно правильно подключить.

Первоначально в схеме перед РН подключаем автоматический выключатель (АВ) для защиты прибора от тока короткого замыкания. Подключаем фазу и ноль к клеммам выключателя. На выходе – сам прибор. Ноль идет без нагрузки. Фаза – с автомата на РН после которого идет разводка проводки на электроприборы.

Размещаем устройство так, чтобы к нему был доступ для обслуживания и регулировки.