Стабилизатор напряжения с пониженным током

10 советов, какой выбрать стабилизатор напряжения

Сколько техники сгубили перепады напряжения! Если вы не хотите оказаться в числе пострадавших и терпеть серьезный материальный ущерб, стоит вовремя задуматься о покупке стабилизатора напряжения. Да, придется потратиться, зато представьте, что во время проблем с электричеством холодильник, телевизор, стиральная машинка и прочая дорогостоящая техника не пострадают, как, к примеру, у не столь дальновидных соседей. Преимущества ясны – остается только разобраться, какой выбрать стабилизатор напряжения, чтобы он максимально соответствовал вашим потребностям.

Нужен ли вам стабилизатор напряжения?

Даже далекому от электротехники человеку из названия этого прибора понятно, что его основная задача – выравнивать входящее в жилище напряжение, чтобы техника не пострадала от резких перепадов этого самого напряжения. Поставщик электроэнергии должен обеспечивать напряжение 220 В (±10%) и частоту 50 ГГц. И если с частотой обычно все в порядке, то с напряжением бывают проблемы.

При серьезном скачке напряжения приборы просто выйдут из строя, а при постоянных небольших колебаниях значительно снижается срок службы техники.

Кому понадобится стабилизатор напряжения?

1. Жителям загородных домов, дачникам, а также проживающим в сельской местности.Колебания в электросетях, расположенных вдалеке от города, — не редкость.
2. Жителям городских квартир, если есть проблемы со стабильностью напряжения. Серьезные перепады могут выдать помехи в динамиках и на экранах, мигание лампочек, изменение звука работы холодильника и стиральной машины. Менее значительные перепады можно обнаружить с помощью мультиметра. Измерьте напряжение в розетке в пик потребления электроэнергии (вечером, например) и при минимальном потребление (рабочий день). Допустимое отклонение – 10%, т.е. для сети 220 В напряжение может быть 198-242 В. Если колебания более значительные, то пора задуматься о покупке стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения – это переходник между источником электроэнергии и всеми электроприборами. Он способен повышать/понижать напряжение, или же отключать электропитание в случае слишком низкого (менее 160 Вт) или высокого (более 255 Вт) напряжения. При выборе стабилизатора напряжения важно учитывать массу факторов.

Сетевой или магистральный стабилизатор?

Стабилизаторы напряжения для дома бывают:

• сетевыми. Они подключаются к розетке и предназначены для работы с одним или несколькими устройствами. Такие часто используют при установке компьютера;
• магистральными. Используются для подключения всех точек потребления электричества в доме, включая приборы освещения. Такой стабилизатор подключается не к розетке, а к электромагистрали.

Какой стабилизатор напряжения лучше выбрать? В идеале – магистральный. Но если вы живете в городе, то уместно будет использовать только сетевой стабилизатор с самой дорогой и нежной техникой.

Виды стабилизаторов напряжения

Релейный стабилизатор

За счет невысокой стоимости и достаточно высокой точности регулирования такие стабилизаторы приобрели наибольшую популярность. Силовое реле переключает обмотки трансформатора, чтобы на выходе получить нужное напряжение. Оно регулируется с шагом 5-20 В. Чем выше количество реле, тем выше точность регулировки, но при этом возрастает частота срабатываний, отсюда частые и мелкие перепады напряжения, что может сказаться на работе осветительных приборов (мерцание).

Плюсы:

• компактные размеры, небольшой вес;
• возможность работы в широком диапазоне температур (-30…+40 0 С);
• работа при перегрузке (несколько часов при напряжении 110% от номинального и несколько секунд при 200% от номинального);
• высокая скорость срабатывания;
• широкий диапазон регулирования входящего напряжения, низкая чувствительность к его искажению;
• долговечность до 10 лет;
• невысокая шумность.

Минусы:

• ступенчатая стабилизация и, как результат, изменение уровня освещенности;
• большое количество узлов в конструкции снижает надежность.

Оборудование оптимально подходит для сетей с небольшими и нечастыми перепадами напряжения.

Электромеханический стабилизатор

Стабилизатор работает за счет перемещения по обмотке трансформатора контакта, который приводится в движение сервоприводом. Бывают сетевые и магистральные.

Плюсы:

• работа с большими нагрузками;
• способность выдерживать серьезные скачки напряжения (несколько секунд при напряжении, вдвое выше номинального);
• плавность регулировки напряжения;
• бесшумность при отсутствии резких скачков напряжения;
• напряжение на входе может быть практически любым;
• высокая точность стабилизации;
• невысокая стоимость, но есть и дорогие модели с высокой скоростью срабатывания.

Минусы:

• скорость реагирования на скачок напряжения ограничена скоростью щетки (10-15 В/сек);
• чем выше мощность, тем больше вес устройства;
• оборудование не будет работать при температуре менее -5 0 С и более +40 0 С;
• шум в момент стабилизации напряжения;
• щетки и сервопривод нуждаются в регулярной замене (каждый 3-7 лет).

Такой стабилизатор хорошо подходит для сетей со стабильно пониженным или повышенным напряжением. Лампочки мерцать не будут.

Тиристорные и симисторные стабилизаторы

По принципу работы напоминают релейные стабилизаторы, но переключение между обмотками тут осуществляют полупроводниковые ключи, симисторы или тиристоры. За счет этого повышается скорость, снижается шумность, увеличивается эффективность работы. Многие модели оснащаются дисплеем, где отображается входящее и выходящее напряжение.

Плюсы:

• надежность и долговечность;
• работа с низкими и высокими входящими напряжениями;
• многие модели способны выдерживать температуру до -20 0 С;
• детали почти не изнашиваются, так как нет подвижных элементов;
• быстродействие;
• бесшумность.

Минусы:

• высокая цена;
• сложность ремонтных работ;
• невысокая устойчивость к перегрузкам;
• чем выше точность регулировки, тем выше количество ступеней, и тем ниже быстродействие.

Обычно такие стабилизаторы используют для защиты отдельной техники (компьютер, стиральная машина) при частых, но незначительных перепадах напряжения.

Инверторный стабилизатор

Самые новые и совершенные стабилизаторы. Работают по принципу двойного преобразования энергии, за счет чего лишаются многочисленных недостатков другого типа устройств.

Плюсы:

• компактность;
• работа с входным напряжением 115-300 В, при этом на выходе получаем стабильное напряжение 220 В;
• высокая точность;
• минимальная задержка.

Минусы:

• цена;
• работа оборудования требует постоянного охлаждения, за которое отвечают вентиляторы, потому придется мириться с небольшим постоянным шумом.

Оборудование подходит для любого типа техники.

Комбинированный стабилизатор

Совмещает в себе преимущества релейного и электромеханического устройств. Если происходит резкий скачок напряжения, то включается релейный механизм, так как тут важно быстродействие. При напряжениях, близких к нормативным, работает серводвигатель.

Однофазный или трехфазный?

Для большинства квартир и домов подходит однофазный стабилизатор, так как и сеть в них однофазная. При наличии трехфазной сети можно взять трехфазный стабилизатор, а можно – три однофазных.

Мощность

Мощность стабилизатора надо выбирать с запасом в 20-30%. С сетевыми устройствами все ясно, а вот с магистральными придется применить нехитрый расчет:

• надо посчитать суммарную мощность всех приборов и предметов освещения, учитывая активную и реактивную нагрузку;
• активная нагрузка характерна для приборов, которые преобразуют электроэнергию в тепло или свет (лампочка, обогреватель, утюг и т.д.). Единица измерения – кВт;
• реактивная нагрузка характерна для приборов с электродвигателями и конденсаторными батареями. Полная мощность их состоит из активной и реактивной частей, измеряется в кВА. Чтобы рассчитать потребляемую мощность, необходимо активную мощность разделить на cos(φ), оба параметра должны быть указаны на приборе. Если он не указан, то берут среднее значение – 0,7;
• суммарная мощность высчитывается по формуле, приведенной ниже, где Р – активная мощность, а Q – реактивная;
• учитывайте, что есть приборы, пусковой ток которых значительно превышает номинальный.

Диапазон стабилизируемого напряжения

Это одна из ключевых характеристики стабилизатора напряжения. Например, диапазон 130-270 В значит, что прибор сможет обеспечивать стабильное напряжение 220 В на выходе при входящем напряжении от 130 до 270 В. При более высоком или низком напряжении, стабилизатор сначала изменит выходящее напряжение на 15-18%, а потом отключит все приборы.

Чтобы понять, какой стабилизатор напряжения выбрать, надо определить, в каких пределах скачет напряжение в вашем доме. Несколько дней проводите измерения в моменты пиковых нагрузок (утром и вечером). Самое низкое и самое высокое значение учитывайте при покупке.

Точность стабилизации

Этот показатель указывает на то, насколько сильно выходное напряжение будет отличаться от номинального (220 или 230 В). Для большинства электроприборов будет достаточно точности стабилизации 5-7%. Для осветительных приборов лучше будет точность 3%, что обеспечит отсутствие мерцания. В идеале брать магистральный стабилизатор с точностью 3%, а сетевые могут иметь точность 5-7%.

Способ установки

Стабилизаторы устанавливаются настенно или напольно. Тут уже кому как удобнее. Важно, чтобы в помещении было сухо, не было пыли и критически низких или высоких температур. Вокруг прибора должно оставаться место для обеспечения эффективного охлаждения. Если речь идет о частном доме, то оптимально установить стабилизатор около распределительного щитка, а подвальные или чердачные помещения точно не подойдут.

Что еще?

Также при выборе обращайте внимание на следующие параметры:

• наличие дисплея необязательно, но будет полезным, если вам важно следить за входным и выходным напряжением;
• имя производителя очень важно. Хорошо себя показали стабилизаторы Ortea (Италия) серий Gemini, Vega, Antares, Aqarius, Orion и др. Среди отечественных производителей отметим «Бастион», «Ресанта» (сборка в Китае), «Штиль».

Некоторые бытовые приборы вовсе необязательно подключать к стабилизатору. Многие нагревательные приборы, оборудованные ТЭНами, могут функционировать при значительных скачках напряжения, а такие приборы, как насос и сварочные аппараты, обладают высокими пусковыми токами, в результате чего в стабилизаторе может сработать защита, и выключится вся сеть.

Как сделать простой стабилизатор напряжения на 12 вольт своими руками⚡

В электрической цепи автомобиля часто применяют стабилизатор напряжения 12 вольт. Автомобильные источники питания (аккумуляторная батарея и генератор) различных 12-ти вольтовых электроприборов выдают постоянный ток с напряжением от 12,5 до 14 В. Такие большие колебания способны привести к повреждению и выходу из строя чувствительных и дорогостоящих светодиодных лент, противотуманных фар, магнитол. Помимо электрических систем автомобилей подобные устройства применяются в 12-ти вольтных блоках питания, способных понижать и преобразовывать переменный ток электрической бытовой сети в более подходящий для ряда приборов постоянный.

1. Разновидности стабилизаторов 12 вольт
2. Классическая модель
3. Интегральный стабилизатор
4. Выбор устройства
5. Как сделать 12В стабилизатор
6. Стабилизатор на LM317
7. Микросхема LD1084
8. Стабилизатор на диодах и плате L7812
9. Самый простой стабилизатор — плата КРЕН

Разновидности стабилизаторов 12 вольт

В зависимости от конструкции и способа поддержания 12-ти вольтного напряжения выделяют две разновидности стабилизаторов:

• Импульсные – стабилизаторы, состоящие из интегратора (аккумулятора, электролитического конденсатора большой емкости) и ключа (транзистора). Поддержание напряжения в заданном интервале значений происходит благодаря циклическому процессу накопления и быстрой отдачи заряда интегратором при открытом состоянии ключа. По конструктивным особенностям и способу управления такие стабилизаторы подразделяются на ключевые устройства с триггером Шмитта, выравниватели с широтно-импульсной и частотно-импульсной модуляцией.
• Линейные – стабилизирующие напряжение устройства, в которых в качестве регулирующего устройства применяются подключаемые последовательно стабилитроны или специальные микросхемы.

Наиболее распространены и популярны среди автолюбителей линейные устройства, отличающиеся простотой самостоятельной сборки, надежностью и долговечностью. Импульсный вид используется значительно реже из-за дороговизны деталей и сложностей самостоятельного изготовления и ремонта.

Классическая модель

Классические стабилизаторы – это большой класс устройств, собираемых на основе таких полупроводниковых деталей, как биполярные транзисторы и стабилитроны. Среди них основную функцию по поддержанию напряжения на уровне 12 В выполняют стабилитроны – разновидность диодов, подключаемых в обратной полярности (к катоду такого полупроводникового прибора подключается плюс источника питания, к аноду – минус), работающих в режиме пробоя. Суть работы данных полупроводниковых деталей заключается в следующем:

• При напряжении подключенного к стабилитрону источника питания меньше 12 В он находится в закрытом положении и не участвует в регулировке данной характеристики электрического тока.
• При превышении порога в 12 Вольт стабилитрон «открывается» и поддерживает данное значение в заданном его характеристиками диапазоне.

В зависимости от подключения различают два варианта классического стабилизатора: линейный – регулировочные элементы подключаются последовательно нагрузке; параллельный – стабилизирующие напряжение устройства располагаются параллельно запитываемым приборам.

Устройства собирают с использованием небольших по размерам микросхем, способных работать при входном напряжении до 26-30 В, выдавая постоянный 12-ти вольтный ток силой до 1 Ампер. Особенностью данных радиодеталей является наличие 3 ножек – «вход», «выход» и «регулировка». Последняя используется для подключения регулировочного резистора, который используется для настройки микросхемы и предотвращения ее перегрузок.

Более удобные и надежные, собранные на основе стабилизирующих микросхем выравниватели постепенно вытесняют собранные на дискретных элементах аналоги.

Выбор устройства

При выборе стабилизатора учитывают следующие характеристики:

• Размеры. Выбранный стабилизатор должен компактно размещаться в запланированном для него месте для установки с возможностью нормального доступа.
• Вид. Из имеющихся в продаже устройств наиболее надежными, компактными и недорогими являются стабилизаторы на основе небольших микросхем.
• Возможность самостоятельного ремонта. Так как даже самые надежные устройства выходят из строя, необходимо отдавать предпочтение ремонтопригодным стабилизаторам, радиодетали к которым имеются в продаже в достаточном количестве и по доступной цене.
• Надежность. Выбранный стабилизатор должен обеспечивать постоянное значение напряжения без значительных отклонений от заявленного их производителем диапазона.
• Стоимость. Для электрической системы автомобиля достаточно приобрести устройство стоимостью до 200 рублей.

Также при выборе стабилизатора необходимо учитывать отзывы их покупателей, которые можно найти на специализированных форумах и сайтах.

Как сделать 12В стабилизатор

Простые, но при этом достаточно эффективные, надежные и долговечные стабилизирующие устройства можно сделать самостоятельно, используя при этом простые стабилитроны и специальные небольшие микросхемы типа LM317, LD1084, L7812, КРЕН (КР142ЕН8Б).

Стабилизатор на LM317

Процесс сборки такого стабилизирующего напряжение устройства состоит из следующих этапов:

1. К среднему выходному контакту микросхемы припаивается 130 Ом сопротивление.
2. К входному правому контакту припаивается проводник, подающий нестабилизированное напряжение от источника питания.
3. Левый регулировочный контакт припаивается ко второй ножке резистора, установленного на выходе микросхемы.

Процесс пайки такого стабилизатора занимает не более 10 минут и с учетом недорогой микросхемы не требует больших капиталовложений. При помощи подобного устройства запитывают светодиодные фонари, ленты.

Микросхема LD1084

Сборка устройства для стабилизации напряжения автомобильной бортовой сети с использованием микросхемы LD1084 производится следующим образом:

1. К входному контакту микросхемы припаивается проводник с плюсовым напряжением от диодного моста.
2. К регулировочному контакту припаивается эмиттер биполярного транзистора, базу которого через два резистора номиналом 1 кОм питает ток ближнего и дальнего света фар.
3. К контакту выхода припаивается два резистора (один — обычный на 120 Ом, а второй — подстроечный, на 4,7кОм) и электролитический конденсатор на 10 мкФ.

Для сглаживания пульсации тока после диодного моста устанавливается еще один электролитический конденсатор емкостью 10 мкф.

Стабилизатор на диодах и плате L7812

Схема стабилизатора 12 В для светодиодов на плате L7812

Простой интегральный выравниватель на диоде Шоттки и двух конденсаторах собирают следующим образом:

1. К входному контакту микросхемы припаивается: диод типа 1N4007, анод которого при помощи провода соединяется с плюсом источника питания, плюсовая обкладка мощного 16-ти вольтного электролитического конденсатора емкостью 330 мкФ.
2. К правому выходному контакту припаивается нагрузка и ножка плюсовой обкладки 16-ти вольтного электролитического конденсатора на 100 мкФ.
3. К среднему регулировочному контакту припаивается минус, идущий от батареи, и провод от минусовых обкладок конденсаторов.

От такого простого устройства можно запитывать мощные ленты из светодиодов и магнитолу.

Самый простой стабилизатор — плата КРЕН

Стабилизатор на микросхеме КРЕН

Схема стабилизатор напряжения на 12 вольт на основе платы крен (КР142ЕН8Б) включает в себя следующие компоненты:

• Припаянный к входному контакту выпрямляющий диод типа 1N4007.
• Микросхему КР142ЕН8Б либо KIA7812A.
• Два провода, припаянные к выходному и регулировочному контакту микросхемы и соединенные с нагрузкой и минусом источника питания.

Конструкция на плате КРЕН является самой простой и быстрой в сборке. При этом эффективность и область применения у нее такая же, как и у других самодельных аналогов.

Импульсный стабилизатор напряжения

Довольно часто возникают ситуации, когда характеристики электрического тока в сети не позволяют нормально эксплуатировать различные приборы и оборудование. Для решения этой проблемы используется импульсный стабилизатор тока, конструктивно напоминающий стабилизирующее устройство напряжения, работающего на основе импульсного преобразователя. Основной функцией импульсного стабилизатора является контроль над состоянием тока через нагрузку. В случае снижения тока в нагрузке подкачивается дополнительная мощность, а при повышении тока – мощность понижается.

Разновидности

По соотношению входного и выходного напряжения

• Понижающие
• Повышающие
• С произвольным изменением напряжения
• Инвертирующие

По типу ключевого элемента Интегрирующим элементом может быть В зависимости от режима работы могут быть стабилизаторы

• на основе широтно-импульсной модуляции
• двухпозиционные (или релейные)

Устройство импульсного стабилизатора

Схемы импульсных преобразователей, получившие наиболее широкое распространение, оборудуются реактивным элементом – дросселем, к которому энергия подкачивается определенными порциями с помощью специального ключа, еще называемого коммутатором. Подкачка осуществляется от входной цепи и далее поступает на нагрузку. В результате, такой режим работы дает существенную экономию электроэнергии, особенно, если стабилизатор работает на полевом транзисторе.

Однако, несмотря на явные преимущества, у импульсных преобразователей имеется ряд недостатков, для преодоления которых используются различные технические и конструктивные решения. В первую очередь это связано с электромагнитными и другими помехами, возникающими в процессе работы импульсного конвертера, а также сложной конструкцией устройства. Во время эксплуатации невозможно достичь максимального эффекта, поскольку происходит нагрев и энергия затрачивается впустую. Немаловажное значение имеет высокая стоимость импульсных устройств. Тем не менее, для многих схем экономия электроэнергии выступает на передний план, поэтому негативное влияние недостатков в большинстве случаев удается максимально снизить.

Функциональные схемы по типу цепи управления

Импульсный стабилизатор напряжения представляет собой систему автоматического регулирования. Задающим параметром для контура регулирования служит опорное напряжение, которое сравнивается с выходным напряжением стабилизатора. В зависимости от сигнала рассогласования устройство управления изменяет соотношение длительностей открытого и закрытого состояния ключа.

В представленных ниже структурных схемах можно выделить три функциональных узла: ключ (1), накопитель энергии (2) (который иногда называют фильтром) и цепь управления. При этом ключ (1) и накопитель энергии (2) вместе образуют силовую часть стабилизатора напряжения, которая вместе с цепью управления образуют контур регулирования. По типу цепи управления различают три схемы.

С триггером Шмитта

Стабилизатор напряжения с триггером Шмитта называется также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием. В нём выходное напряжение сравнивается с нижним и верхним порогами срабатывания триггера Шмитта (4 и 3) посредством компаратора (4), который обычно является входной частью триггера Шмитта. При замкнутом ключе (1) входное напряжение поступает на накопитель энергии (2), выходное напряжение нарастает, и после достижения верхнего порога срабатывания Umax триггер Шмитта переключается в состояние, размыкающее ключ (1). Накопленная энергия расходуется в нагрузке, при этом напряжение на выходе стабилизатора спадает, и после достижения нижнего порога срабатывания Umin триггер Шмитта переключается в состояние, замыкающее ключ. Далее описанный процесс периодически повторяется. В результате на выходе образуется пульсирующее напряжение, размах пульсаций которого зависит от разности порогов срабатывания триггера Шмитта.

Такой стабилизатор характеризуются сравнительно большой, принципиально неустранимой пульсацией напряжения на нагрузке и переменной частотой преобразования, зависящей как от входного напряжения, так и от тока нагрузки.

С широтно-импульсной модуляцией

Структурная схема стабилизатора напряжения с ШИМ

Как и в предыдущей схеме, в процессе работы накопитель энергии (2) или подключён к входному напряжению, или передаёт накопленную энергию в нагрузку. В результате на выходе имеется некоторое среднее значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности импульсов управления ключом (1). Вычитатель-усилитель на операционном усилителе (4) сравнивает выходное напряжение с опорным напряжением (6) и усиливает разность, которая поступает на модулятор (3). Если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор увеличивает отношение времени открытого состояния ключа к периоду тактового генератора (5). При изменении входного напряжения или тока нагрузки скважность импульсов управления ключом изменяется таким образом, чтобы обеспечить минимальную разность между выходным и опорным напряжением.

В таком стабилизаторе частота преобразования не зависит от входного напряжения и тока нагрузки и определяется частотой тактового генератора.

С частотно-импульсной модуляцией

При этом способе управления импульс, открывающий ключ, имеет постоянную длительность, а частота следования импульсов зависит от сигнала рассогласования между опорным и выходным напряжениями. При увеличении тока нагрузки или снижении входного напряжения частота увеличивается. Управление ключом может осуществляться, например, с помощью моностабильного мультивибратора (одновибратора) с управляемой частотой запуска.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Импульсный конвертер как стабилизатор тока

Многие импульсные блоки питания оборудованы системой стабилизации выходного напряжения. Подобные схемы, особенно повышенной мощности, помимо обратной связи с выходным напряжением, включают в свой состав систему контроля тока ключевого элемента.

В этом качестве может использоваться резистор с незначительным сопротивлением. Наличие такого контроля обеспечивает работу дросселя в необходимом режиме. Подобные контрольные элементы используются в простейших стабилизаторах тока, сделанных своими руками, и эффективно стабилизируют выходной ток.

Преобразователи на основе дросселя

Стабилизаторы с ёмкостным накопителем не получили широкого распространения, так как они хорошо работают только при достаточно большом внутреннем сопротивлении первичного источника. Такая ситуация возникает достаточно редко, т. к. внутреннее сопротивление источников питания стараются уменьшить, для отдачи большей мощности в нагрузку и меньших потерь энергии в источнике (например, внутреннее сопротивление бытовой сети электроснабжения в жилых помещениях составляет обычно от 0,05 Ом до 1 Ом). При работе от источника с маленьким внутренним сопротивлением в качестве накопителя энергии целесообразно использовать дроссель, либо более сложные комбинации дросселей и конденсаторов. Рассмотрим некоторые простые разновидности преобразователя.

Преобразователь с понижением напряжения

Кроме ключа S и дросселя L содержит диод D и конденсатор C. Когда ключ S замыкается, ток от источника течёт через дроссель L и нагрузку. ЭДС самоиндукции дросселя приложена обратно напряжению источника тока. В результате напряжение на нагрузке равно разности напряжения источника питания и ЭДС самоиндукции дросселя, ток через дроссель растёт, как и напряжение на конденсаторе C и нагрузке. При разомкнутом ключе S ток продолжает протекать через дроссель в том же направлении через диод D и нагрузку, а также конденсатор C. ЭДС самоиндукции приложена к нагрузке R через диод D, ток через дроссель постепенно уменьшается, как и напряжение на конденсаторе C и на нагрузке.

Преобразователь с повышением напряжения

В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда ключ замкнут, ток от источника протекает через дроссель L, ток через него увеличивается, в нём накапливается энергия. При размыкании ключа ток от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника и ЭДС самоиндукции дросселя приложены в одном направлении и складываются на нагрузке. Ток постепенно уменьшается, дроссель отдаёт энергию в нагрузку. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S.

Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет произвольно изменять величину выходного напряжения: как повышать, так и понижать. Для этого перед дросселем устанавливаются диод и ключ, как в предыдущей схеме.

Инвертирующий преобразователь

В нём дроссель подключен параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника течёт через дроссель и быстро растёт. Когда ключ размыкается, ток продолжает течь через нагрузку R и диод D. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника. Поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S замкнут — диод D закрывается, а нагрузка питается зарядом конденсатора C.

Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ, замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД. Такую схему называют синхронным выпрямителем см. синхронное выпрямление (англ.)

Гальваническая развязка

Если требуется гальваническая развязка входных и выходных цепей импульсного стабилизатора — например, по требованиям электробезопасности при использовании промышленной сети переменного тока в качестве первичного источника питания — можно применить разделительный трансформатор в рассмотренных выше основных схемах. Использование высокочастотного трансформатора в схеме преобразователя с понижением напряжения приводит к схеме однотактного или двухтактного прямоходового преобразователя (англ. forward converter). Замена дросселя в схеме инвертирующего преобразователя на дроссель с двумя или более обмотками приводит к схеме обратноходового преобразователя (англ. flyback converter).

Некоторые особенности импульсных преобразователей с гальванической развязкой входа от выхода:

Другие разновидности

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения, использующихся в стабилизаторах. Например, такие преобразователи, как Обратноходовый преобразователь и Двухтактный преобразователь имеют индуктивную развязку выходных цепей, что позволяет питать с их помощью устройства, для которых недопустима гальваническая связь с питающей сетью.

Резонансный преобразователь имеет наилучшие условия работы ключей, что позволяет строить на его основе преобразователи большой мощности (до десятков киловатт) с достаточно высоким КПД. Однако его недостатком является сложность проектирования, что мешает его широкому распространению.

Квазирезонансный преобразователь обладает значительно более высоким КПД по сравнению с широтно-импусными модуляторами, благодаря чему обеспечивается минимальное энергопотребление в дежурном режиме и низкое тепловыделение в рабочем. Выходное напряжение БП регулируется за счет изменения частоты работы преобразователя.

Видео

Стабилизаторы тока

В каждой электрической сети периодически возникают помехи, отрицательно влияющие на стандартные параметры тока и напряжения. Данная проблема успешно решается с помощью различных устройств, среди которых очень популярны и эффективны стабилизаторы тока. Они имеют различные технические характеристики, что делает возможным их использование совместно с любыми бытовыми электроприборами и оборудованием. Особые требования предъявляются к измерительному оборудованию, требующему стабильного напряжения.

1. Общее устройство и принцип работы стабилизаторов тока
2. Диодный стабилизатор тока
3. Схемы стабилизаторов тока на КРЕН
4. Стабилизатор тока на двух транзисторах
5. Регулируемый стабилизатор постоянного тока
6. Мощный импульсный стабилизатор тока
7. Стабилизатор на LM2576

Общее устройство и принцип работы стабилизаторов тока

Знание основных принципов работы стабилизаторов тока способствует наиболее эффективному использованию этих устройств. Электрические сети буквально насыщены различными помехами, негативно влияющими на работу бытовых приборов и электрооборудования. Для преодоления отрицательных воздействий используется схема простого стабилизатора напряжения и тока.

В каждом стабилизаторе имеется основной элемент – трансформатор, обеспечивающий работу всей системы. Самая простая схема включает в свой состав выпрямительный мост, соединенный с различными типами конденсаторов и резисторов. Их основными параметрами считаются индивидуальная емкость и предельное сопротивление.

Сам стабилизатор тока работает по очень простой схеме. Когда ток поступает на трансформатор, его предельная частота изменяется. На входе она будет совпадать с частотой электрической сети и составит 50 Гц. После того как будут выполнены все преобразования тока, предельная частота на выходе снизится до 30 Гц. В схеме преобразования участвуют высоковольтные выпрямители, с помощью которых определяется полярность напряжения. Конденсаторы непосредственно участвуют в стабилизации тока, а резисторы снижают помехи.

Диодный стабилизатор тока

Во многих конструкциях светильников имеются диодные стабилизаторы, более известные как стабилизаторы тока для светодиодов. Как и все типы диодов, светодиоды обладают нелинейной вольтамперной характеристикой. То есть, при изменяющемся напряжении на светодиоде, происходит непропорциональное изменение тока.

С ростом напряжения вначале наблюдается очень медленное возрастание тока, в результате, свечение светодиода отсутствует. Затем, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света и очень быстрое возрастание тока. Дальнейший рост напряжения приводит к катастрофическому увеличению тока и перегоранию светодиода. Значение порогового напряжения отражается в технических характеристиках светодиодных источников света.

Светодиоды с высокой мощностью требуют установки теплоотвода, поскольку их работа сопровождается выделением большого количества тепла. Кроме того, для них требуется и достаточно мощный стабилизатор тока. Правильная работа светодиодов также обеспечивается стабилизирующими устройствами. Это связано с сильным разбросом порогового напряжения даже у однотипных источников света. Если два таких светодиода подключить параллельно к одному источнику напряжения, по ним будет проходить ток разной величины. Разница может быть настолько существенной, что один из светодиодов сразу же сгорит.

Таким образом, не рекомендуется включение светодиодных источников света без стабилизаторов. Данные устройства устанавливают ток заданного значения без учета напряжения, приложенного к схеме. К наиболее современным приборам относится двухвыводной стабилизатор для светодиодов, применяющийся для создания недорогих решений по управлению светодиодами. В его состав входит полевой транзистор, обвязочные детали и другие радиоэлементы.

Схемы стабилизаторов тока на КРЕН

Данная схема стабильно работает с использованием таких элементов, как КР142ЕН12 или LM317. Они являются регулируемыми стабилизаторами напряжения, работающими с током до 1,5А и входным напряжением до 40В. В нормальном тепловом режиме эти устройства способны рассеивать мощность до 10Вт. Эти микросхемы обладают низким собственным потреблением, составляющим примерно 8мА. Данный показатель остается неизменным даже при изменяющемся токе, проходящем через КРЕН и измененном входном напряжении.

Элемент LM317 способен удерживать на основном резисторе постоянное напряжение, регулируемое в определенных пределах с помощью подстроечного резистора. Основной резистор с неизменным сопротивлением обеспечивает стабильность проходящего через него тока, поэтому он известен еще, как токозадающий резистор.

Стабилизатор на КРЕН отличается простотой и может использоваться в качестве электронной нагрузки, зарядки аккумуляторов и в других областях.

Стабилизатор тока на двух транзисторах

Благодаря своему простому исполнению, в электронных схемах очень часто используются стабилизаторы на двух транзисторах. Их основным недостатком считается не вполне стабильный ток в нагрузках при изменяющемся напряжении. Если же не требуется высоких токовых характеристик, то данное стабилизирующее устройство вполне сгодится для решения многих несложных задач.

Кроме двух транзисторов в схеме стабилизатора присутствует токозадающий резистор. Когда на одном из транзисторов (VT2) увеличивается ток, возрастает напряжение на токозадающем резисторе. Под действием этого напряжения (0,5-0,6В) начинает открываться другой транзистор (VT1). При открытии этого транзистора, другой транзистор – VT2 начинает закрываться. Соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через него.

В качестве VT2 используется биполярный транзистор, однако в случае необходимости возможно создать регулируемый стабилизатор тока на полевом транзисторе MOSFET, используемом в качестве стабилитрона. Его выбор осуществляется исходя из напряжения 8-15 вольт. Данный элемент используется при слишком высоком напряжении источника питания, под действием которого затвор в полевом транзисторе может быть пробит.

Более мощные стабилитроны MOSFET рассчитаны на более высокое напряжение – 20 вольт и более. Открытие таких стабилитронов происходит при минимальном значении напряжения на затворе 2 вольта. Соответственно, происходит и увеличение напряжения, обеспечивающего нормальную работу схемы стабилизатора тока.

Регулируемый стабилизатор постоянного тока

Иногда возникает необходимость в стабилизаторах тока с возможностью регулировок в широком диапазоне. В некоторых схемах может использоваться токозадающий резистор с пониженными характеристиками. В этом случае необходимо применять усилитель ошибки, основой которого служит операционный усилитель.

С помощью одного токозадающего резистора происходит усиление напряжения в другом резисторе. Это состояние называется усиленным напряжением ошибки. С помощью опорного усилителя сравниваются параметры опорного напряжения и напряжения ошибки, после чего выполняется регулировка состояния полевого транзистора.

Для такой схемы требуется отдельное питание, которое подается к отдельному разъему. Питающее напряжение должно обеспечивать нормальную работу всех компонентов схемы и не превышать уровня, достаточного для пробоя полевого транзистора. Правильная настройка схемы требует установки ползунка переменного резистора в самое верхнее положение. С помощью подстроечного резистора выставляется максимальное значение тока. Таким образом, переменный резистор позволяет выполнять регулировку тока от нуля до максимального значения, установленного в процессе настройки.

Мощный импульсный стабилизатор тока

Широкий диапазон питающих токов и нагрузок не всегда является основным требованием к стабилизаторам. В некоторых случаях решающее значение отводится высокому коэффициенту полезного действия прибора. Эту задачу успешно решает микросхема импульсного стабилизатора тока, заменяющая компенсационные стабилизаторы. Приборы этого типа позволяют создавать высокое напряжение на нагрузке даже при наличии невысокого входного напряжения.

Кроме того, существует повышающий стабилизатор тока импульсного типа. Они используются вместе с нагрузками, питающее напряжение которых превышает входное напряжение стабилизирующего устройства. В качестве делителей выходного напряжения используются два резистора, задействованные в микросхеме, с помощью которой входное и выходное напряжение поочередно уменьшается или увеличивается.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

Содержание

Стабилизаторы постоянного тока

Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности P_расс = (U_in — U_out) * I_t рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

• Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.
• Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

• Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.
• Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке R_L. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора R_V применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину U_be, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость U_be от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в β раз (где β — коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что U_be в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Часть выходного напряжения U_out, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением U_z на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя [1] . Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения U_out подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора R_V применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (т.е. опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше требуемого минимального выходного напряжения.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (G_openloop = 10 5 ÷ 10 6 ).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Импульсный стабилизатор

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но, в случае дросселя, уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

• Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.
• Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.
• Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.
• Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

Стабилизаторы переменного напряжения

Феррорезонансные стабилизаторы

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а в некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора.

Современные стабилизаторы

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

• электродинамические сервоприводные (механические)
• статические (электронные переключаемые)
• релейные
• компенсационные (электронные плавные)

Модели производятся как в однофазном (220/230 В), так и трёхфазном (380/400 В) исполнении, мощность их от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, -25%/+15%, -35%/+15% или -45%/+15%. Чем шире диапазон (особенно в отрицательную сторону), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, то есть чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 12. 18 мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2 мс/В, а вот у электронных, компенсационного типа этот параметр 0,75 мс/В. [источник не указан 943 дня]

Ещё одним важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 предельно допустимое отклонение напряжения питания ±10% от номинального. Точность современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 1% до 8%. Точности в 8% вполне хватает для обеспечения исправной работы абсолютного большинства бытовой и промышленной электротехники. Более жесткие требования (1%) обычно предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность стабилизатора работать на заявленной мощности во всем диапазоне входного напряжения, но далеко не все стабилизаторы соответствуют этому параметру. Некоторые стабилизаторы выдерживают десятикратные перегрузки, при покупке такого стабилизатора запас по мощности не требуется.