Принцип работы стабилизатора напряжения

Теория импульсных блоков питания

В обычных источниках питания изменение напряжения и гальваническая развязка выполнялись на трансформаторе со стальным сердечником, работающим на частоте 50 Гц, полупроводниковым выпрямителем и линейным стабилизатором напряжения.

Однако КПД этой схемы очень низкий (не превышает 50%), большая часть мощности преобразуется в тепло в трансформаторе, диоде и аналоговом стабилизаторе. Большая номинальная выходная мощность требует наличия сетевого трансформатора повышенного размера и большой потери тепла. Этого неудобства можно избежать, увеличив рабочую частоту до нескольких сотен кГц и заменив регулятор напряжения электронным ключом с интеллектуальным управлением. Их задача — преобразовать сетевое напряжение в постоянное, а затем в выпрямленное напряжение, выполняемое быстрым переключением транзисторов. В результате получается высокочастотное прямоугольное напряжение, которое преобразуется импульсным трансформатором и выпрямителем.

Стабилизация выходной мощности достигается изменением ширины импульса при постоянной частоте или включением переключения в определенные периоды времени в зависимости от нагрузки схемы. Наиболее важные преимущества SMPS, сравнимые с обычными блоками питания:

малый вес, уменьшенный объем, повышенная эффективность
малая емкость фильтрующих конденсаторов для высоких частот переключения
отсутствие слышимых помех из-за того, что частота переключения находится за пределами слышимого диапазона
простое управление различными выходными напряжениями
легко снижать высокое сетевое напряжение

С развитием мощных транзисторов с быстрой коммутацией для высоких частот, стало возможным использовать ИИП, работающие на частотах до 1 МГц. С помощью этого типа резонансных трансформаторов рабочие частоты могут быть увеличены даже до 3 МГц. Тем не менее, эти преимущества уменьшаются из-за нежелательного высокочастотного излучения, а также из-за более низкой скорости реакции на возможные изменения нагрузки.

Эта тенденция привела к разработке новых ферритов Mn-Zn с очень мелкой структурой зерен и материалов с уменьшенными гистерезисными потерями, что позволяет передавать мощность в диапазоне от 1 до 3 МГц. Высокие рабочие частоты приводят к дальнейшему уменьшению размеров ядер и, следовательно, всего блока питания. Новый принцип конструкции в планарной технологии позволяет изготавливать высокочастотные трансформаторы с кардинально уменьшенными размерами (плоские трансформаторы, низкопрофильные трансформаторы). Эта технология оказывает сильное влияние на разработку преобразователей постоянного и переменного тока, а также на производство гибридных импульсных источников питания.

Но вернёмся к теории. Импульсный источник питания работает контролируя среднее напряжение, подаваемое на нагрузку. Это делается путем размыкания и замыкания переключателя (обычно мощного полевого транзистора) на высокой частоте. Система более известна как широтно-импульсная модуляция — ШИМ. Схема ШИМ — самая важная, которая отличает этот тип блока питания, поэтому стоит вспомнить хотя бы само название.

На приведенной диаграмме показаны идеи, лежащие в основе работы ШИМ, и ее довольно просто понять: V = напряжение, T = период, t (вкл.) = длительность импульса. Среднее напряжение приложенное к нагрузке, можно объяснить следующей формулой:

Vo (av) = (t (on) / T) x Vi

Импульсы следуют друг за другом быстро (это порядка многих кГц, то есть тысячи раз в секунду), и для того, чтобы нагрузка не видела внезапных импульсов, необходимы конденсаторы, обеспечивающие относительно постоянный уровень напряжения. Уменьшение времени t (on) вызывает уменьшение среднего значения выходного напряжения Vo (av) и наоборот — увеличение длительности высокого вольтажного состояния t (on) увеличивает выходное напряжение Vo (av).

Частота, с которой работает ШИМ, обычно находится в диапазоне от 30 кГц до 150 кГц, но может быть намного выше.

ЛАТРы и последующая их эволюция

Помните, в советские времена широко использовались лабораторные стенды с автотрансформаторами – ЛАТРами с ручной регулировкой? Основным применением их было – лабораторные задания в рамках школьного курса по физике и вузовской телемеханики, где требовалось получить на выходе точную величину нестандартных параметров. Из категории экспериментальных ЛАТРы незаметно перекочевали в образ бытовой техники.

Одно время их можно было видеть при телевизорах, в настоящее же время их использование стало очень многообразным – от разных технологических процессов (в птицеводстве, ремонтных мастерских, стоматологии и т. п.) до устройств на 110 В. На ЛАТРе довольно просто устанавливается и не такой показатель сети.

Существуют ЛАТРы с рабочими пределами 0–250 В, и, более того, до 300 В. Чем больше порог, тем больше дополнительной мощности у прибора, позволяющей с низких значений подниматься до высоких нагрузок. Нужно понимать, что лабораторному автотрансформатору вручную задаётся такой режим, который нужен. Тем самым устанавливается дополнительный диапазон входного напряжения – так называемая дельта.

К примеру, до удалённой розетки из-за сетевого падения доходят только 200 В. При установке ЛАТРа, поворотом ручки управления можно получить на выходе 220 В. «Дельта» в этом случае будет равна 20 В. При дальнейшем падении напряжения до 180 В, ЛАТР добавит лишь выставленную «дельту» в 20 В, и на выходе можно будет получить не более, чем 180+20=200 В.

Для удобства и наблюдения аппараты позже стали выпускаться с жидкокристаллическим дисплеем, позволяющим регулировать технические показатели прибора уже с более высокой точностью. Теперь, если требуется плавная стабилизация напряжения в 220 В, рекомендуется применение таких устройств, как:

стабилизатор с регулировкой выходного напряжения;
стабилизатор с регулировкой выходного тока.

Приборы с такими названиями нередко встречаются в электрических схемах. Возникают вопросы: какая разница между ними и как они работают?

Схемы с использованием TL431

Микросхема может использоваться во многих разных схемах блоков питания. Это могут быть как регулируемые блоки питания, так и зарядные устройства к аккумуляторам. Давайте разберем несколько базовых, типовых схем, которые можно модернизировать, и на базе которых можно создавать свои замыслы и творения.

Стабилизатор напряжения на TL431 (2.5-36В, 100mA)

Данная схема позволяет заменить обыкновенный стабилитрон. Вы можете менять выходное напряжение путем изменения сопротивления резисторов R1 и R2. Чтобы провести расчет сопротивления, рекомендуем прибегнуть к использованию формулы, указанной ниже:

Стабилизатор напряжения с увеличенным максимальным током (2.5-36В)

Максимальный выходной ток TL431 равен 100мА. Однако, если вашему проекту нужен больший показатель выходного тока, то советуем вам использовать транзистор: тогда максимальный ток будет зависеть от его характеристик. Формула для расчета сопротивлений резисторов остается такой же.

Подобные схемы часто используются с другими микросхемами.К сожалению, большинство из них просто не могут пропускать высокий ток, поэтому, чтобы решить такую проблему, в дело вступает управляющий транзистор. В таком случае максимальный ток ограничивается его свойствами. Главная задача здесь — правильный подбор транзистора под управляющее напряжение на его базе.

Лабораторный блок питания на TL431 с защитой

Данная схема представляет собой регулируемый блок питания, который способен выдавать до 30Вт. И помимо этого имеет встроенную защиту от перегрузки. В случае, если ток начнет превышать допустимое значение на транзисторе Т2, то на ЛБП произойдет прекращение подачи напряжения, о чем будет сигнализировать загоревшийся светодиод.

Не стоит забывать использовать охлаждение в виде радиатора, ведь компоненты во время пиковых нагрузок будут быстро нагреваться, и со временем при частых перегревах, выходить из строя.

Стабилизатор тока на TL431 (Светодиодный драйвер)

Чаще всего стабилизаторы тока используются для запитывания светодиодов и светодиодных лент. Схема тут элементарная — вам понадобятся всего лишь пара резисторов и один транзистор.

Индикатор напряжения

Схема может понадобиться, когда вам необходимо следить за тем, чтобы напряжение не выходило за верхние и нижние пределы. Эти пределы задаются сопротивлением резисторов, по формуле, указанной ниже.

Данную схему можно модернизировать путем добавления пищалок или других звуковых устройств. Таким образом точно не получится пропустить сигнал о неправильном напряжении.

Таймер задержки на TL431

Универсальная микросхема, на которой есть возможность реализовать даже схему таймера задержки. Все, что вам понадобится — это пара резисторов и конденсатор. Их номиналы необходимо рассчитать по формуле, чтобы получить требуемое время задержки (формула указана ниже).

Такая схема возможна благодаря очень низкому показателю входного тока (4мкА). Во время замыкания главного контакта, транзистор начинает производить зарядку. После достижения показателя в 2.5В он открывается, и ток при содействии оптопаровому светодиоду (оптрону) начинает течь, от чего на внешней цепи происходит замыкание.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторах на TL431 и LM317

Эта простейшая схема позволяет правильно заряжать литиевые аккумуляторы. В этой зарядке TL431 используется в качестве источника опорного напряжения, а LM317 в качестве источника тока. Устройство заряжает аккумуляторы методом CC CV, означает, как все знают, постоянный ток (Constant Current), постоянное напряжение (Constant Voltage).

Входное напряжение для этой схемы — 9-20В. Сначала аккумулятор заряжается постоянным током, который поддается изменению, меняя сопротивление резистора R5. После того, как аккумулятор достигнет напряжения около 4.2В, он начинает заряжаться постоянным напряжением.

Учтите, что очень важно перед использованием настроить устройство: без нагрузки необходимо подстроить переменный резистор RV1 так, чтобы на выходе напряжение было равно 4.2 Вольта.

Схема мощного линейный стабилизатор

Микросхемы (далее ИМС) линейных стабилизаторов напряжения очень удобны для применения в различных схемотехнических проектах, не требующих высоких КПД и больших мощностей. При использовании правильных схемотехнических решений, они обеспечивают более высокую надёжность (за счёт меньшего числа компонентов, даже с учётом интегральных) и меньший уровень шумов, кроме того такие источники питания проще в проектировании и реализации. Дополнительным плюсом также являтся то, что многие ИМС стабилизаторов обеспечивают встроенную защиту от перенапряжения, от превышения тока и от переполюсовки входного напряжения — всё это позволяет в большинстве случаев обойтись без дополнительных элементов в схеме.

Из недостатков данных решений следует отметить два основных:

Низкий КПД — «лишнее» напряжение такие схемы фактически сбрасывают в тепло, что, соответственно, в большинстве случаев требует применения дополнительного охлаждения.
Необходимость положительной разницы напряжений между входом и выходом — даже самые лучшие модели линейных стабилизаторов имеют падение напряжения около 0.4В, а большинство перестаёт работать уже при разнице 0.5В.

Несмотря на все недостатки, такие схемы часто вполне уместно использовать в своих проектах. В данной статье пойдёт речь о различных схемотехнических особенностях применения данных микросхем.

Стабилизаторы тока на микросхемах

Применение такой элементной базы несколько увеличивает себестоимость проекта. Однако использование качественных микросхем обеспечивает хорошие стабилизационные характеристики в широком диапазоне входных параметров. С учетом хороших показателей эффективности можно рассчитывать на небольшое потребление электроэнергии.

TL431

В левой части рисунка показана схема типового подключения микросхемы TL 431 (DA1). Отмечена главная функция – поддержание напряжения 2,5 V на контрольном резисторе.

Такая конструкция пригодна для последовательного подключения нескольких десятков светодиодов суммарной мощностью 12-14 Вт. Силовые компоненты подбирают с учетом реальных потребностей. В представленном примере падение напряжения на транзисторе составит 25-35V. Рассеивается не более 1,75 Вт. В таком варианте радиатор не требуется.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h21э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

Входное напряжение Uвх = 15V,
выходное напряжение Uвых = 12V,
максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.

По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р = (Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Ремонт электромеханического стабилизатора АСН-10000/1-ЭМ

Принципиальная электрическая схема стабилизатора АСН-10000/1 ЭМ показана на рис.1, печатная плата контроллера этого стабилизатора – на фото 1.

Принцип действия электромеханических стабилизаторов основан на плавном и точном регулировании выходного напряжения. Изменение напряжения происходит за счёт скольжения электрического контакта по обмотке автотрансформатора с помощью электропривода. В стабилизаторе вырабатывается напряжение ошибки, которое усиливается операционным усилителем и транзисторным выходным каскадом (усилителем мощности), а затем оно подаётся на двигатель. В зависимости от полярности сигнала ошибки ось двигателя вращается в ту или иную сторону. На оси двигателя закреплён ползунок, который перемещается по обмотке автотрансформатора, тем самым, нормализуя выходное напряжение.

Рассмотрим одну характерную неисправность, возникающую в процессе эксплуатации электромеханических стабилизаторов, на примере АСН-10000/1-ЭМ и методы ее устранения.

Отсутствует стабилизация выходного напряжения.

Уровень выходного напряжения может быть различным и находиться в неизменном состоянии. Ощущается запах перегретых компонентов. «Ахиллесовой пятой» электромеханических стабилизаторов является реверсивный двигатель. Контроллер стабилизатора постоянно отслеживает уровень выходного напряжения. В результате этого, ротор двигателя находится почти в постоянном вращении, что приводит к преждевременному износу двигателя. После остановки двигателя может выйти из строя выходной каскад управления двигателем, собранный на комплементарной паре транзисторов Q1 TIP42C и Q2 TIP41C. Кроме этих транзисторов от перегрева выгорают резисторы R45 и R46, включенные в их коллекторную цепь. Их сопротивление 10 Ом, а мощность 2 Вт. Не лишним будет проверить также линейный стабилизатор, собранный на транзисторе Q3 TIP41C и стабилитроне DM4.

Безусловно, изношенный двигатель требует замены, но при невозможности замены можно попытаться его отреставрировать.

Один из простых способов реанимации неисправного двигателя следующий: • отключить двигатель от схемы; • подать на его выводы постоянное напряжение 5 В от мощного источника питания, например от компьютерного блока питания ATX.

При этом происходит отжиг мелких частиц «мусора» на щётках двигателя. Нормальный ток потребления двигателя должен быть в пределах 90.. .160 мА. Поскольку двигатель реверсивный, напряжение на двигатель следует подавать дважды со сменой полярности. После этих нехитрых манипуляций работоспособность двигателя временно восстанавливается.

Проектирование инвертирующего преобразователя

Рассмотрим типичные схемы повышающего преобразователя и подробно разберем процесс проектирования и расчета. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Эта форма считает номиналы сразу для всех трех схем. Если в выбранной Вами схеме этих элементов нет, то их номиналы нужно игнорировать.

Схема 1

Схема 2

Схема 3

Повышающая топология — самая простая в реализации, так как эмиттер (исток) силового транзистора в не соединен с общим проводом. Нет необходимости в специальных ухищрениях при подаче управляющего напряжения на базу (затвор). Достаточно подать это напряжение напрямую. С формированием сигнала обратной связи тоже нет никаких проблем. Если ток нагрузки относительно небольшой, то и сигнал ограничения тока снять совсем просто. В эмиттерной (истоковой) цепи устанавливается резистор. Если ток через этот резистор превышает максимально допустимый, то напряжение на этом резисторе превышает напряжение срабатывания защиты контроллера, и ключ принудительно закрывается.

Если ток нагрузки большой, то потери энергии на резисторе R7 становятся недопустимой роскошью. Тогда применяется трансформатор тока.

Если применяется маломощный контроллер, не способный раскачать мощный биполярный транзистор, то нужно поставить дополнительный транзистор, как это показано на схеме. Применение составного транзистора нежелательно, так как потери энергии на транзисторе тем больше, чем больше напряжение насыщения коллектор — эмиттер, а у составного транзистора напряжение насыщения больше в разы, чем у обычного.

На схеме 3 показано применение трансформатора тока и дополнительного маломощного транзистора. Но это не означает, что их можно применять только вместе. Трансформатор тока можно применять в схемах с полевым транзистором и в схемах с мощным контроллером. А маломощный транзистор можно применять в схемах с резистором R7. Эти два решения показаны на одной схеме просто для примера

Обратите внимание! Если в схеме 3 для управления транзисторами используется ШИМ — контроллер с открытым эмиттером на выходе, то между базой и эмиттером транзистра VT7 нужно включить резистор сопротивлением 300 — 400 Ом для надежного запирания транзистора VT7. Если же на выходе контроллера стоит двухтактный каскад, как в той микросхеме, которую применяем мы, то в таком резисторе потребности нет

Как быть в случае, если входное напряжение больше, чем допустимое напряжение на затворе полевого транзистора или допустимое напряжение питания контроллера, описано в статье про понижающий преобразователь. Для повышающего решение совершенно аналогично.

Для примера в качестве ШИМ — контроллера мы используем микросхему 1156EU3.

В схемах в качестве силового ключа используются мощный биполярный транзистор или мощный полевой транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора и полевого транзистора в качестве силового ключа.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Инвертирующий импульсный преобразователь напряжения, источник питания….
Как работает инвертирующий стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание…

Импульсный источник питания. Своими руками. Самодельный. Сделать. Лабо…
Схема импульсного блока питания. Расчет на разные напряжения и токи….

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму…
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи….

Мостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, исто…
Как работает мостовой стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание прин…

Силовой мощный импульсный трансформатор, дроссель. Намотка. Изготовить…
Приемы намотки импульсного дросселя / трансформатора….

Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко…
Как сконструировать понижающий импульсный преобразователь. Шаг 1. Как выбрать ча…

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида…
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при…

Изготовление дросселя, катушки индуктивности своими руками, самому, са…
Расчет и изготовление катушки индуктивности, дросселя. Типовые электронные схемы…

Нормы качества сетевого напряжения

Все бытовые приборы в наших домах выпускаются с характеристиками, соответствующими стандартам в области электропитания.

Российский ГОСТ 13109-97 регламентирует бытовое электропитание по таким параметрам:
уровень входного напряжения — 220В ± 5% с предельным отклонением ± 10%
частота — 50 ± 0,2 Гц с предельным отклонением ± 0,4 Гц
коэффициент несинусоидальности — до 8% с предельным отклонением до 12%.

Конечно, в зависимости от страны, стандарты могут отличаться. Например, в США в розетках не 220 вольт, а 110.
Но производимая в каждой конкретной стране техника должна соответствовать принятым в ней стандартам.
И она соответствует. Но есть другая проблема. Далеко не всегда параметры сети находятся в полном соответствии с заданным стандартом.
Вот возьмём нашу прекрасную страну. Какие объективные причины препятствуют соблюдению ГОСТа в области электропитания?
Прежде всего, это техническое несовершенство отечественных электросетей, старые трансформаторные подстанции, рост нагрузки на электросети со стороны населения отдельных коттеджных поселков, дачных районов.
Да, в отдельно взятой Москве вполне благополучная обстановка с соблюдением ГОСТа 13109-97.
Но давайте отъедем дальше. Даже совсем недалеко, за МКАД, в какой-нибудь поселок Раменского района (наша комапания «Стабы.ру» часто там устанавливает стабилизаторы).
Что мы там увидим? Что у многих жителей стоят стабилизаторы напряжения. Причем не на отопительные котлы, для которых стабилизатор является обязательным атрибутом даже в крупных городах.
Установлены стабилизаторы на весь дом. Совсем не от хорошей жизни. Просто интенсивная застройка Подмосковья увеличивает нагрузку на местные электросети.
Где-то успевают менять трансформаторы, а где-то они стоят еще с прошлого века.
В этом случае напряжение просаживается и ни о каком соблюдении стандарта уже речь не идёт.
И низкое и высокое напряжение негативно влияет на работу электроприборов
(стиральные машины, компьютеры, холодильники, микроволновые печи, насосы, электрокотлы, системы охраны и т.п.).
Избавиться от возможных финансовых потерь из-за поломки электрооборудования, можно с помощью включения стабилизаторов напряжения.
Они подключаются последовательно между токоприемником, бытовым прибором и электросетью.
Требования к регулируемым стабилизаторам определяются тем же ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Разновидности стабилизаторов

Из всей палитры разнообразных конструкций СН можно выделить следующие приборы.

Стабилизаторы постоянного напряжения

Линейный стабилизатор

Устройство есть не что иное, как делитель напряжения. СН – это микросхема с тремя выводами. Две боковые клеммы предназначены для входного/выходного тока, средний контакт служит для заземления. Регуляция напряжения происходит путём изменения величины сопротивления одного из плеч делителя. Величина сопротивления выдерживается на постоянно заданном уровне напряжения на выходе микросхемы.

Надо отметить! При большом соотношении входных и выходных напряжений КПД устройств довольно низок. Из-за этого большая часть мощности входного тока рассеивается в виде тепла. Поэтому микросхему помещают на радиатор, который будет поглощать и рассеивать излишнюю тепловую энергию.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Один из типов линейных СН – это регулирующее устройство, включённое параллельно нагрузке. В этой схеме применяют полупроводниковый стабилитрон.

Обратите внимание! Стабилитрон (диод Зенера) функционирует по принципу обратного смещения в режиме пробоя. Ток, проходящий через радиодеталь, резко увеличивается, дифференциальное сопротивление резко падает. Из-за этого во время пробоя напряжение в стабилитроне выдерживается на одном уровне с высокой точностью

Из-за этого во время пробоя напряжение в стабилитроне выдерживается на одном уровне с высокой точностью.

Стабилитрон

Стабилитроны с интегральной структурой ценятся, как самые стабильные и точные поставщики опорного напряжения. СН с высокой дифференциальной величиной сопротивления применяют на участке ВАХ (вольт-амперная характеристика) в диапазоне рабочих токов.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Как работает компенсационный стабилизатор, можно понять из схемы ниже.

Схема ПСН

Входное напряжение стабилитрона Uz равно показателю базы транзистора. Напряжение на выходе Uout будет означает разницу:

Uout = Uz – Ube,

где Ube – напряжение между эмиттером и базой.

В устройстве отсутствует контур авторегулирования. Схема последовательного стабилизатора повторяет параллельный параметрический СН, только подсоединённый к входу повторителя эмиттера. Такие радиодетали используют в платах с низкими токами нагрузки, измеряемыми в единицах мкА.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Выходной показатель напряжения в таких стабилизаторах соразмеряется с величиной опорного напряжения. Их разница обрабатывается операционным усилителем рассогласования.

Несмотря на давность использования такого вида стабилизаторов (около 50 лет), эксплуатация их до сих пор актуальна. Примером может служить СН в интегральном виде – микросхема КР142ЕН22А.

Последовательный СН КР142ЕН22А

Импульсный стабилизатор

Внешняя энергия попадает серией коротких импульсов в накопитель (дроссель или конденсатор). Накопленная энергия затем подаётся в нагрузку. Применение накопителя даёт возможность влиять на величину выходного напряжения по отношению к входному показателю.

Импульсный СН отличается от линейного аналога более высоким КПД. Также он может быть как понижающим, так и повышающим стабилизатором.

Стабилизаторы переменного напряжения

Такие устройства разделяют на две группы.

Феррорезонансные стабилизаторы

ФС применялись в основном для ламповых телевизоров прошлого века. Конструкция приборов строилась на базе двух дросселей. Один был с ненасыщаемым сердечником, вторая катушка выступала в роли конденсатора.

Определённый подбор характеристик катушек (дросселей) позволяет стабилизировать напряжение при резких изменениях входного показателя. Недостатком феррорезонансного стабилизатора считается высокая чувствительность к колебаниям частоты напряжения сетевого тока.

Современные стабилизаторы

Радиотехническая промышленность выпускает несколько типов стабилизаторов:

электромеханические (автотрансформаторы);
феррорезонансные;
электродинамические;
электронные.

Электронные СН, в свою очередь, подразделяются на ступенчатые симисторные, тиристорные, релейные, а также плавные компенсационные и комбинированные.

Дополнительная информация. Различные модели СН предназначены как для однофазной сети (220 в), так и для трёхфазного тока (400 в). Их мощность варьируется от нескольких ватт до мегаватт.

СН трёхфазного тока

Тип и диапазон входных рабочих напряжений

Входное напряжение — это величина напряжения на входе стабилизатора, при которой на выходе устройства конкретного типа мы получим минимальное отклонение от установленных параметров. Предельное входное напряжение — это напряжение на входе, при котором стабилизатор сохраняет способность нормальной работы, а погрешность параметров напряжения на выходе, как правило, превышает минимальную ошибку, но отвечает техническим требованиям нагрузки.

Располагая данными об изменении напряжения перед Вашей техникой (или внутренней сетью), вы можете выбрать стабилизатор напряжения. При этом выбранное Вами устройство должно (с учетом предъявляемых к точности стабилизации требований) перекрывать допустимый диапазон входных напряжений. Это необходимо, так как запас по предельному напряжению позволит надежнее обеспечить нагрузку качественным электропитанием.

Для некоторых видов оборудования (к примеру, для скважных электронасосов) необходима стабилизация линейного напряжения (380 В) с соблюдением точности амплитудно-фазового соотношения в трехфазной сети. Стабилизация напряжения, проведенная по отдельным фазам линии, может обернуться недопустимым перекосом фаз, что приведет к отказу оборудования или отключению напряжения непосредственно перед Вашей трехфазной сетью (380 В). В такой ситуации следует применять устройства, одновременно стабилизирующие линейное и фазное напряжение.