Схемы стабилизаторов напряжения — разновидности и устройство

Стабилизаторы напряжения предотвращают поломки оборудования и бытовой техники от колебания нагрузки. Устройство совместимо с однофазной и трехфазной сетью, подходит для квартиры и частного дома. Схема стабилизатора напряжения может понадобиться при самостоятельном подключении прибора или обустройстве электросети.

Принцип работы стабилизаторов

Принцип функционирования зависит от типа оборудования. Для выделения общих моментов целесообразно рассмотреть конструкцию. Прибор состоит из таких элементов:

• Система управления. Позволяет отслеживать вольтаж на выходе, доводя его до стабильного показателя 220 В. Оборудование работает с погрешностью 10-15 %.
• Автоматический трансформатор. Имеется у релейных, симисторных, сервомоторных модификаций. Повышает или понижает номинал напряжения.
• Инвертор. Механизмом из генератора, трансформатора и транзисторов оснащаются инверторные модели. Элементы через первичную обмотку могут пропускать либо выключать ток, формируя напряжение на выходе.
• Защитный блок, источник вторичного питания. Имеются у моделей, рассчитанных на 220 Вольт.

Функция байпаса или транзита позволяет стабилизаторам подавать напряжение на выход до момента пресечения установленного предела.

Принцип действия релейных моделей

Релейный аппарат регулирует вольтаж посредством замыкания контактов реле. Контроль параметров осуществляется с помощью микросхемы, элементы которой сравнивают сетевое напряжение с опорным. Если показатели не совпадают, от микросхем стабилизаторов напряжения поступают сигналы на понижение или повышение обмотки.

При дешевизне и компактности релейное оборудование медленно реагирует на скачки напряжения, может кратковременно выключаться, не выдерживает перегрузки.

Погрешность устройств – 5-10 %.

Как работают сервоприводные приборы

Основные узлы сервоприводного аппарата – серводвигатель и автоматический трансформатор. Если напряжение отклонилось от нормы, поступает сигнал на переключение трансформаторных от контроллера к мотору. Сравнение показателей опорного и входного вольтажа осуществляет плата управления.

Сервоприводные стабилизаторы могут регулировать нагрузку трехфазной и однофазной сети. Они отличаются стойкостью, надежностью, исправным функционированием при перегрузке.

Точность приборов – 1 %.

Принцип работы инверторных устройств

Инверторный стабилизатор регулирует напряжение по системе двойного преобразования:

1. Переменный ток на входе выравнивается, пропускается через конденсаторный фильтр пульсации.
2. Выпрямленный ток подается к инвертору, трансформируется в переменный и поступает на нагрузку.

Выходное напряжение остается стабильным.

Приборы с инверторами отличаются быстротой реакции, КПД от 90%, бесперебойной и бесшумной работой в диапазоне 115-300 Вольт.

Диапазон регулирования аппарата снижается, если нагрузка увеличивается.

Особенности расчета характеристик

Чтобы установить параметрический аппарат, понадобится вычислить мощность, вольтаж на входе, ток базы транзисторов. К примеру, максимальное напряжение на выходе равняется 14 В, минимальное на выходе – 1,5 В, а максимальный ток – 1 А. Зная параметры, производится расчет:

1. Входное напряжение. Используется формула Uвх=Uвых+3. Цифра – коэффициент падения напряжения на участке перехода от коллектора к эмиттеру.
2. Максимальная мощность, которую рассеивает транзистор. Для подбора в пользу большей величины понадобится справочник. Применяются такие формулы: Pmax = 1.3 (Uвх-Uвых) Imax = 1.3 (17-14) = 3,9 Вт; Pmax = 1.3 (Uвх-Uвых1) Imax = 1.3 (17-1.5) = 20,15 Вт.
3. Ток транзисторной базы. Расчеты производятся по формуле: Iб max = Imax/h21Э min. Последний показатель равен 25, поэтому 1/25 = 0,04 А.
4. Параметры балластного тиристора. Применяется формула Rб = (Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min )= (17-14)/(0,00133+0,005) = 474 Ом. Iст min – ток стабилизации; Uст – напряжение стабилизации, которое выдает стабилитрон.

Цифры и расчеты предоставлены для резисторов с сопротивлением 1 Ом.

Схема для компенсационного стабилизатора

Компенсационные схемы объясняют подключение с обратной связью. Сами устройства имеют точное напряжение на выходе без привязки к току нагрузки.

Последовательная схема

По обозначениям из справочника можно идентифицировать:

• регулирующий узел – Р;
• источник эталонного номинала напряжения – И;
• сравниваемые показатели – ЭС;
• усилитель постоянных токов – У.

Для вычисления напряжения на выходе понадобится знать особенности работы устройства. Один транзистор будет регулировать, а второй – стабилизировать. Стабилитрон является источником опорного. Разность мощностей – напряжение на участке между эмиттером и базой.

При подаче коллекторного тока на резистор напряжение падает, имеет обратную полярность для эмиттерного узла. В результате происходит падение коллекторного и эмиттерного токов. Чтобы регулировка была плавной, для линии стабилизатора используется делитель. Ступенчатое регулирование достигается при помощи напряжения опоры стабилитрона.

Параллельная схема

Если напряжение отклонилось от номинала, возникает импульс рассогласования. Это разница между показателями выхода и опоры. Поскольку узел регулировки расположен параллельно нагрузке, он усиливает сигнал. Происходит изменение тока на элементе-регуляторе, падение напряжения резистора и сохранение постоянного номинала на выходе.

Схема параметрического стабилизатора

Схема, объясняющая процесс стабилизации опорного напряжения, будет основной для параметрических моделей. Делитель напряжения прибора представляет собой балластный резистор и стабилитрон с параллельным сопротивлением нагрузки. При колебании номинала напряжения питания и токовой нагрузки стабилизируется напряжение.

Если данный показатель возрастает на входе, увеличивается ток, проходящий через стабилитрон и резистор. Благодаря вольт-амперным показателям номинал стабилитрона почти не меняется, как и напряжение сопротивления нагрузки. Все колебания касаются только резистора.

Специфика импульсного устройства

Импульсный аппарат отличается высоким КПД даже в условиях большого диапазона напряжения. Схема устройства включает ключ, энергетический накопитель и цепь управления. Элемент регулировки подключается в режиме импульса. Принцип действия прибора:

1. От второго коллектора через второй конденсатор к базе подается положительное напряжение обратной связи.
2. Коллектор №2 открывается после насыщения током от резистора №2.
3. На переходе от коллектора к эмиттеру насыщение меньше, и он остается открытым.
4. Усилитель подключается на коллектор №3 через стабилитрон №2.
5. Подсоединение базы осуществляется к делителю.
6. Первый стабилитрон управляет открытием/закрытием второго коллектора по сигналу от третьего.

Когда второй стабилитрон открыт, энергия накапливается в дросселе, поступая поле закрытия на нагрузку.

Стабилизаторы на микросхемах

Линейный делитель отличается подачей нестабильного напряжения на вход и снятием стабильного с плеча делителя. Выравнивание осуществляет делительное плечо, поддерживающее постоянное сопротивление. Устройства отличаются простотой конструкции, отсутствием помех в работе. Микросхемы соединяются последовательно или параллельно.

Последовательные стабилизаторы

Последовательные устройства характеризуются включением элемента регулировки параллельно с нагрузкой. Существует две модификации:

• С биполярным транзистором. Не имеет авторегулируемого контура, стабильность напряжения зависит от величины тока и температурных показателей. В качестве токового усилителя используется эмиттерный повторитель или транзистор составного типа.
• С контуром авторегулировки. Компенсационный прибор работает по принципу выравнивания выходного и опорного номинала. Часть напряжения на выходе снимается с резистивного делителя, а потом сравнивается при помощи стабилитрона. Контуром регулирования является петля обратной связи со сдвигом по фазе 180 градусов. Стабилизация тока производится резистором или источником питания.

Самые популярные последовательные стабилизаторы – интегральные.

Специфика параллельного стабилизатора

Параллельный прибор отличается включением элемента регулировки параллельно подаваемой нагрузке. Стабилитрон используется полупроводникового или газоразрядного типа. Схема востребована для регулирования сложных устройств.

Снижение нестабильного показателя напряжения на входе осуществляется при помощи резистора. Допускается использовать двухполярный автомат с высокими показателями дифференциального сопротивления на отдельном участке.

Особенности приборов с тремя выводами

Стабилизаторы для переменного напряжения отличаются небольшими габаритами, выпускаются в пластиковом или металлическом корпусе. Они оснащаются каналами для входа, заземления и вывода. Конденсаторы прибора для уменьшения пульсаций запаиваются с двух сторон.

Напряжение на выходе составляет около 5 В, на входе – около 10 В, мощность рассеивания – 15 Вт.

Трехвыводные модификации позволяют получить вольтаж нестандартного номинала, необходимое для запитки макетов, маломощных АКБ, при починке или модернизации аппаратуры.

Алгоритм самостоятельной сборки аппарата

Для самостоятельного изготовления целесообразно использовать схему симистора – эффективного прибора. Он выравнивает номинал подаваемого тока при напряжении от 130 до 270 В. Сделать прибор можно на основе печатной платы из фольгированного текстолита. Сборка устройства осуществляется так:

1. Подготовка магнитопровода и нескольких кабелей.
2. Создание обмотки из провода диаметром 0,064 мм – понадобится 8669 витков.
3. Остальные проводники диаметром 0,185 мм нужны для оставшихся обмоток. Количество витков каждой – 522.
4. Последовательное соединение трансформаторов на 12 В.
5. Организация 7-ми отводов. Первые 3 изготавливаются из провода диаметром 3 мм, другие – из шин с сечением 18 мм2. Так самодельный аппарат не будет нагреваться.
6. Установка контроллерной микросхемы на платиновый теплоотвод.
7. Монтаж симисторов и светодиодов.

Для устройства понадобится прочный корпус, прикрепленный к жесткому каркасу. Самый простой вариант – полимерные или алюминиевые пластины.

Схема подключения стабилизатора

Ввод стабилизатора в частный дом выполняется при помощи трехжильного ВВГнг-кабеля, трехпозиционного выключателя и провода ПУГВ. Установка производится до счетчика, в отдельном или распределительном щитке:

1. Открыть контакты, подняв лицевую крышку.
2. Пропустить на выход и вход кабель. Фазу входа затянуть на клемме Lin, нулевой (синий) проводник – на клемме Nin, землю – на винтовой зажим с соответствующим обозначением.
3. При отсутствии земли закрутить эту жилу под винт на корпусе прибора.
4. Вернуть стабилизированное напряжение в общий щиток. Фаза подводится на выход Lout, ноль – к Nout, земля – к заземлению на входе.
5. Протестировать схему в режиме без нагрузки.

Для теста отключаются все автоматы, кроме вводного и направленного на стабилизатор.

Стабилизатор, подключенный между сетью и нагрузкой, подходит для частного или дачного дома, квартиры, производства. Прибор защищает оборудование от выхода из строя, устраняет влияние на электролинию перегрузки и коротких замыканий.