Источник стабилизированного переменного напряжения

Стабилизированные источники питания

Стабилизированный источник питания на 12 вольт . Принципиальная электрическая схема источника питания приведена на Рис.1. На входе схемы переменное напряжение сети, пониженное трансформатором до 18 вольт, выпрямляется однофазным мостовым выпрямителем в постоянное напряжение, пульсации которого сглаживаются П-образным С1R1C2 фильтром. Благодаря большой ёмкости этих конденсаторов постоянное напряжение на конденсаторе С2, то есть на входе стабилизатора напряжения, достигает 15 – 20 В.

Принцип действия стабилизатора напряжения основан на включении в выходную цепь выпрямителя последовательно с нагрузкой регулирующего составного транзистора VT1-VT2, сопротивление которого изменяется в зависимости от изменения величины напряжения рассогласования между базой и эмиттером транзистора VT3, который работает как однокаскадный УПТ с отрицательной обратной связью. Так как эмиттер транзистора VT3 соединён с выходной цепью стабилизатора через стабилитрон VD1, то все колебания выходного напряжения будут почти полностью передаваться на резистор R4, то есть на эмиттер транзистора VT3, но в тоже время лишь частично на резистор R7 и нижнюю часть переменного резистора R6 делителя напряжения R5, R6, R7, то есть на базу этого же транзистора.

Следовательно, при любом изменении величины выходного напряжения, то есть напряжения на нагрузке, появившееся приращение напряжения рассогласования между базой и эмиттером транзистора VT3 вызовет соответствующее изменение базового и коллекторного токов. Если, например, выходное напряжение увеличится, то в результате действия отрицательной обратной связи напряжение база – эмиттер транзистора VT3 станет менее положительным, его коллекторный ток уменьшится, что вызовет уменьшение падения напряжения на резисторе R2, которое является напряжением смещения на базе составного транзистора V1 – V2. При этом уменьшится и его выходной ток, но увеличится внутреннее сопротивление и падение напряжения на нём, чем компенсируется увеличившееся выходное напряжение стабилизатора. Аналогично действует процесс стабилизации выходного напряжения и при некотором его уменьшении, вызванном или колебанием напряжения питающей сети, или изменением температурных условий.
Величина выходного напряжения устанавливается резистором R6. В случае короткого замыкания на выходе стабилизатора все транзисторы почти мгновенно запираются, надёжно защищая стабилизатор и выпрямитель от появления токовой перегрузки. Резистор R3, подключённый параллельно транзистору VT1, пропуская через себя часть выходного тока выпрямителя, обеспечивает включение схемы в режим стабилизации и одновременно уменьшает выходную мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT1, повышая его надёжность.
Стабилизированные источники питания на 15 В и на 27 В . ( на Рис.2, 3 ). Схема выпрямителя на 15 В. рассчитана на ток нагрузки до 0,5 А, а схема на 27 В – ток до 1 А.

Эти стабилизированные источники питания, в схемах стабилизаторов компенсационного типа которых используются микросхемы К140УД1А, обеспечивают большой коэффициент стабилизации. Схема на Рис.2 ( 15 В ) источника питания при изменении входного напряжения на ±10% имеет Кстаб. ≥ 4000, вторая схема ( Рис.2, 27 В. ) – Кстаб. ≥ 20000. Очень низкое выходное сопротивление стабилизаторов составляет около 0,001 Ом; КПД первой схемы стабилизатора составляет около 60%, а второй – около 70%. Коэффициенты подавления пульсаций напряжения с частотой 100 Гц у первой схемы более 5000, а у второй – более 50000, что даёт возможность ограничится только емкостным сглаживающим фильтром, исключив дроссель фильтра L, который показан на схеме.


Стабилитрон VD5 в первой схеме, и VD7-VD8во второй, соединённые последовательно с полевым транзистором VT3, включены параллельно выходу стабилизатора, что повышает стабильность опорного напряжения, подаваемого на инвертирующий вход микросхемы операционного усилителя К140УД1А, работающего в качестве усилителя постоянного тока ( УПТ ), с отрицательной обратной связью. Полевой транзистор VT3 с n-каналом, включённый при короткозамкнутых выводах затвора и истока, имея большое дифференциальное сопротивление, обеспечивает необходимую величину тока ( около 10 мА ), протекающего через стабилитроны VD5 и VD7 + VD8.

Напряжение, снимаемое с резисторов R5 и R6 ( Рис.2 ) и с резисторов R6 и R7 ( Рис.3 ), подаётся на неинвертирующий вход микросхемы ОУ. Поэтому благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитронов VD5 и VD7 + VD8 и очень большому дифференциальному сопротивлению полевого транзистора VT3, включённому в цепь отрицательной обратной связи, увеличение или уменьшение выходного напряжения от номинального значения вызывает соответствующее приращение напряжение на неинвертирующем входе ОУ, которое всегда превышает приращение напряжение на инвертирующем входе ОУ. Вследствие этого напряжение на выходе ОУ ( вывод 5 ) при увеличении выходного напряжения стабилизатора уменьшается, и наоборот.

Выходное напряжение операционного усилителя, подаваемое через резистор R2 на базу транзистора VT2, управляет величиной его коллекторного тока, протекающего через резистор R1.
В обеих схемах стабилизаторов напряжения включение в регулируемую цепь двух разноструктурных транзисторов VT1 и VT2 благодаря наличию отрицательной обратной связи между ними обеспечивает получения очень низкого выходного сопротивления регулирующего элемента. При этом выход ОУ ( вывод 5 ) соединён с нагрузкой через резистор R2 и один эмиттерный переход транзистора VT2, обладающий малым сопротивлением.
К выводу 12 микросхемы подключается корректирующая RC-цепочка, улучшающая устойчивость УПТ к самовозбуждению. При помощи резистора R6 можно регулировать величину выходного напряжения стабилизатора в пределах до ± 1 вольт.

В.С. Майоров, С. В. Майоров “УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТрОЙСТВА НА ЛАМПАХ, ТРАНЗИСТОРАХ И МИКРОСХЕМАХ”, Москва, “Искусство”, 1982, стр. 156-160.

Источник

Что такое стабилизатор напряжения и зачем он нужен?

Стабилизаторы переменного напряжения картинка

Не будет преувеличением сказать, что применение стабилизаторов сетевого напряжения стало необходимостью для каждого дома. Это связано как с качеством поставляемой в наши дома и квартиры электроэнергией, так и с появлением сложной бытовой техники с электронным управлением, требовательной к качеству питающего напряжения.

Рассмотрим в нашей статье, что такое стабилизатор переменного напряжения, в чём особенности устройств разных типов и в каких случаях они применяются.

Содержание

  • Что такое стабилизатор переменного напряжения?
  • Назначение и функции стабилизаторов сетевого напряжения
  • Основные типы стабилизаторов переменного напряжения
  • Феррорезонансные
  • Электромеханические
  • Релейные
  • Электронные
  • Инверторные

Что такое стабилизатор переменного напряжения?

Стабилизатор переменного напряжения – это преобразующее устройство, главным назначением которого является защита электроприборов (например, холодильника, телевизора, стиральной, машинки, сплит-системы) от воздействий колебаний и скачков напряжения в питающей сети, способных привести их к поломке и выходу из строя.

Первые стабилизаторы появились в середине прошлого века. Это были устройства электромагнитного типа, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции – возникновении электрического тока в замкнутом контуре автотрансформатора. Они не отличались высокими значениями таких показателей эффективности работы как точность стабилизации напряжения, скорость реагирования на его изменение в сети, КПД, перегрузочная способность. К тому же, даже маломощные устройства тех времен были громоздкими и тяжёлыми.

Во многих современных автоматических регуляторах напряжения (AVR – Automatic Voltage Regulator) в качестве устройства преобразования до сих пор применяется автотрансформатор. В наиболее продвинутых инверторных устройствах нового поколения используется технология двойного, бестрансформаторного преобразования электроэнергии.

В зависимости от типа напряжения питающей сети, на которую рассчитаны стабилизаторы, существуют однофазные, трехфазные и устройства, имеющие конфигурацию 3:1 («три в один»). Первые применяются только для стабилизации питания однофазных электроприборов. Трехфазные стабилизаторы предназначены для работы в трехфазных сетях для питания оборудования, рассчитанного на 380 В, но при пофазном распределении нагрузки могут быть использованы и для питания однофазных электроприборов.

Отличительной особенностью устройств конфигурации 3:1 является возможность работы в цепях с разным типом напряжения: входное напряжение трехфазное, а на выходе стабилизатора – однофазное. Их применение предпочтительно для подключения однофазных нагрузок большой мощности – это обеспечит равномерность распределения токов потребления по всем трем фазам, исключив возможность возникновения перекоса фаз.

По принципу построения защиты стабилизаторы переменного напряжения могут быть локального типа (для индивидуального подключения отдельных электроприборов) и магистрального типа, рассчитанные на подключение всей имеющейся нагрузки в помещении. Первые – это, как правило, устройства небольшой мощности для установки по месту расположения электроприбора, подключение к входной сети и нагрузке которых выполняется при помощи штепсельных соединений (вилка-розетка). В более мощных магистральных стабилизаторах (обычно, это устройства мощностью свыше 4000 ВА) для подключения предусматривается клеммная колодка.

Назначение и функции стабилизаторов сетевого напряжения

Любое электрическое устройство, бытовой электроприбор или оборудование промышленного назначения, рассчитаны на подключение к сети переменного тока со стандартным (номинальным) значением напряжения. Эффективность и безопасность эксплуатации устройства гарантируется производителем при условии его работы в заявленном диапазоне рабочего напряжения.

Многим читателям, наверняка, приходилось сталкиваться с низким качеством электропитания: повышенным или пониженным значением напряжения питающей сети, его нестабильностью, а также искаженной формой сигнала и наличием импульсных (коммутационных) и высокочастотных помех. Это обусловлено ненадлежащим техническим состоянием сетей, их износом или несоответствием мощности устаревшего на сегодня оборудования систем электроснабжения фактическим объемам потребления электроэнергии. К сожалению, отклонения напряжения от нормы, нестабильность его значения – нередкие явления не только в сельских или дачных, но и в городских электрических сетях.

Эксплуатация бытовых электроприборов или промышленного электрооборудования в сетях с низким качеством электроэнергии может привести не только к их поломкам с последующим дорогостоящим ремонтом, но и к полному выходу из строя.

Эффективным решением организации качественного электропитания нагрузки в быту и на производстве является применение стабилизаторов напряжения. Основным назначением этих устройств является коррекция и постоянное поддержание требуемого уровня напряжения на выходе как при изменении его значения в питающей электросети, так и при возможном изменении тока нагрузки.

Многие современные стабилизаторы переменного напряжения также имеют ряд дополнительных функций:

  • коррекция формы сигнала напряжения на выходе;
  • защита от перегрева и коротких замыканий в цепи питания нагрузки;
  • защитное отключение устройства при недопустимых значениях напряжения входа (требуемый порог по верхней и нижней границе может быть задана пользователем самостоятельно);
  • подавление ВЧ- и импульсных помех выходным фильтром;
  • возможность задать требуемые значения выходного напряжения, отличные от стандартных;
  • возможность реализации мониторинга параметров и дистанционного управления стабилизатором.

Необходимо также отметить, что коррекция и стабилизация электропитания могут быть востребованы не только в случаях серьезных отклонений напряжения от нормы или при недопустимых колебаниях его значений. В соответствии с действующим в РФ ГОСТом 13109-97, определяющим качество электроэнергии, допустимые отклонения нормального напряжения в сети составляют ±10% от номинального значения. Таким образом, фазное напряжение в диапазоне 198–242 В, согласно данному стандарту, считается нормальным.

Действительно, такое напряжение обеспечит нормальную работу большинства электроприборов. Однако, для питания чувствительной к напряжению техники во избежание сбоев и ошибок в работе рекомендуется использование стабилизаторов. Так, например, для питания современных газовых котлов с электронным управлением установка стабилизатора сетевого напряжения точно не будет лишней. То же самое можно сказать относительно чувствительных к питанию электроприборов, изготовленных в странах с более жесткими требованиями стандартов качества электроэнергии.

Основные типы стабилизаторов переменного напряжения

В зависимости от принципа работы существуют следующие типы стабилизаторов:

  • феррорезонансные;
  • электромеханические (сервоприводные);
  • релейные;
  • электронные (полупроводниковые);
  • инверторные.

Далее кратко рассмотрены их основные отличия. Для получения более детальной информации рекомендуем ознакомиться со статьей о видах стабилизаторов напряжения.

Феррорезонансные

В основе преобразование напряжения лежит явление электромагнитного феррорезонанса – магнитного насыщения ферромагнитных сердечников дросселей. Благодаря статичности и простоте своей конструкции эти устройства отличаются высокими показателями безотказности и долговечности эксплуатации.

Небольшое их распространение в применении в наше время обусловлено такими недостатками как низкий КПД, модифицированность синусоиды на выходе, шум в работе, довольно узкий диапазон рабочих напряжений сети.

Электромеханические

Альтернативное название – сервоприводные, так как в их устройстве имеется сервопривод, обеспечивающий перемещение токосъемных щеток, снимающих вторичное напряжения с витков обмотки автотрансформатора. Наличие вращающихся и движущихся деталей в стабилизаторах представляет определенную уязвимость их конструкции: эксплуатация связана с частым износом деталей, расходных материалов и необходимостью регулярного технического обслуживания.

Имея неплохие технические характеристики и находясь в нижней ценовой категории, устройства востребованы как бюджетное решение задач защиты нетребовательного к питанию оборудования.

Релейные

По принципу преобразования напряжения могут быть отнесены к аналогам сервоприводных устройств. Разница между ними заключается в способе передачи вторичного напряжения с автотрансформатора. Коммутация осуществляется не токосъемными щетками с витков трансформатора, а силовыми реле, установленными на отпайках его обмотки.

Как и электромеханические, релейные устройства относятся к бюджетной категории стабилизаторов. Выигрывая в быстродействии и имея большую износостойкость, они уступают сервоприводным в точности и плавности коррекции напряжения.

Электронные

Отличаются от релейных полным отсутствием механических деталей. Коммутация выходного напряжения осуществляется полупроводниковыми силовыми ключами – тиристорами или симисторами. Главным преимуществом этих более совершенных устройств является высокое быстродействие. К сожалению, ступенчатость коррекции существенно снижает точность стабилизации напряжения.

Инверторные

На сегодняшний день этот тип стабилизаторов по праву считается наиболее «продвинутым». Упрощенно, не вдаваясь в технические подробности работу инверторного стабилизатора можно описать как преобразование выпрямителем переменного напряжение в постоянное с последующим преобразованием в стабилизированное переменное синусоидальное выходное переменное.

Развитие технологий не обошло стороной и производителей стабилизаторов напряжения. Ведущие бренды уже несколько лет назад начали выпускать устройства нового инверторного типа, использующие схему двойного преобразования напряжения. Инверторные стабилизаторы, благодаря применению в них микропроцессорных чипов и электронных ключей, превосходят ранние трансформаторные модели по техническим характеристикам, функциональным возможностям и эффективности работы.

Преимуществом стабилизаторов с двойным преобразованием, даже при использовании их в сетях с низким качеством электроэнергии, безусловно, является неизменное качество выходного напряжения как по точности приближения к номинальному значению и стабильности, так и по быстродействию и форме сигнала (идеальная синусоида).

Не будет преувеличением назвать инверторные стабилизаторы универсальными источниками питания для любой, даже особо требовательной к качеству напряжения нагрузки.

Источник

Поделиться с друзьями
Мощность и напряжение
Adblock
detector