Параметрический стабилизатор напряжения

Стабилитрон-2 (расчёт сопротивлений по заданным напряжению и току)

В этой схеме подстроечный резистор R3 своим верхним выводом соединён со средним и с выходом делителя, поэтому фактически он входит в состав R4 — нижнего плеча. Обрыв этих резисторов не так страшен — стабилитрон откроется полностью, и на выходе останется только 2,5 вольта. Всю тепловую нагрузку при этом на себя примет R1.

Поскольку регулировка делителя развёрнута, то и расчёты проводятся наоборот — по известному R2.

Инструкция:1. Задать входное и выходное напряжения Uвх, Uвых, ток нагрузки Iнагр, собственный ток стабилизатора Iстаб (1…2 мА). 2. Установить R3max и R3* в нули. 3. Выбрать R2 из таблицы стандартных номиналов и внести его в графу. Калькулятор выдаст расчётное значение суммы R3 и R4. 4. Задать стандартный номинал R4 — меньше, чем сумма R3+R4. 5. Указать максимальное сопротивление подстроечного резистора R3max. Итоговая сумма R4+R3max должна быть больше расчётного значения. Чем ближе R4 к сумме и чем меньше R3, тем уже будет диапазон регулировки Umin, Umax. 6. Сопротивление R1 и мощность PR1max рассчитываются по токам Iнагр, Iстаб, Iдел и максимальному напряжению на выходе Umax. 7. Мощность PVD1min рассеивается на TL431, когда к ней подключена нагрузка (штатный режим), мощность PVD1max — когда НЕ подключена. Следите, чтобы стабилизатор и R1 не перегревались, так как без нагрузки через них течёт сумма токов Iнагр, Iстаб, Iдел. 8. При сборке схемы R3* может быть постоянным. Если же техзадание требует делителя на двух резисторах R2 и R4, то R3max и R3* надо оставить на нулях.

Нюансы расчета стабилизатора тока

Расчет стабилизатора производится на основании напряжения стабилизации U и тока (среднего) I. К примеру, напряжение входного делителя составляет 25 В, на выходе нужно получить 9 В. Вычисления предусматривают:

Подбор по справочнику стабилитрона. Ориентируются на напряжение стабилизации: Д814В.
Поиск среднего тока I по таблице. Он равен 5 мА.
Вычисление подающего напряжения как разности стабильного напряжения входа и выхода: UR1 = Uвx — Uвых, или 25-9=16 В.
Деление полученного значение по закону Ома на ток стабилизации по формуле R1 = UR1 / Iст, или 16/0,005=3200 Ом, или 3,2 кОм. Номинал элемента будет 3,3 кОм.
Вычисление максимальной мощности по формуле РR1 = UR1 * Iст, или 16х0,005=0,08.

Через резистор проходит ток стабилитрона и выходной, поэтому его мощность должна быть в 2 раза больше (0,16 кВт). На основании таблицы данному номиналу соответствует 0,25 кВт.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения, показанный на схеме ниже, рассчитывается аналогично:

По заданному значению Uст подбирают подходящий стабилитрон и по его характеристике определяют Imin и Imax. По этим данным подсчитывают ток Iст = ( Imin + Imax)/2. Общий ток Iвх равен Iст + Uст/Rн. чтобы обеспечить поддержку на нагрузке Uст = Iст Rн при уменьшении напряжения в сети, поданное на входе Uвх выбирают процентов на 20 выше чем Uст. Это превышение будет использоваться на балластном резисторе Rб, величину которого найдем по формуле:

Для определения качества стабилизатора введен коэффициент стабилизации, равный отношению относительных отклонений входного напряжения к относительным отклонениям напряжения на нагрузке:

При Kст = 1 стабилизация отсутствует. Чем больше Kст отличается от единицы, тем эффективнее стабилизация.

У параметрических стабилизаторов коэффициент стабилизации не очень большой. Для качественной стабилизации используются так называемые компенсационные стабилизаторы. Стабилизирующим элементом в них являются обычные транзисторы, которые автоматически управляются таким образом, чтобы их коллекторное напряжение изменялось и компенсировало отклонение входящего напряжения.

Схема параметрического стабилизатора

Симисторный стабилизатор напряжения

Представленный ниже базовый вариант можно модернизировать. На втором рисунке показано последовательное расположение стабилитронов. Так можно составлять несколько приборов для получения необходимого значения напряжения Uст. Встречное соединение применяют для стабилизации переменного напряжения, когда действие функциональных компонентов ограничено соответствующими периодами волнового колебательного процесса.

Схемы

К сведению. Этот пример создан с применением классических принципов деления напряжения элементами Rогр и VD. Если правильно рассчитать рабочий режим, изменения на выходе источника питания будут сглажены.

УЗИП — что это такое и для чего нужно

Довольно распространенным явлением считается возникновение импульсных помех в сети. Подобные явления могут возникать во время выключения или включения мощных приборов, а также во время непогоды. Сеть представляет собой цепь RLC, в которой регулярно возникают колебания, которые и способствуют возникновению выбросов напряжения. В цифровых и слаботочных цепях подобная оборона крайне актуальна. Речь идет о коммутационных помехах, которые легко проходят чрез различные виды источников питания.

В европейских странах, подобная ограда считается обязательной, поэтому еще при строительстве нового дома или многоквартирного блока происходит установка помехоподавляющих фильтров, УЗИП и других модулей защиты для систем электроснабжения. Следует отметить, что качество сетей у них гораздо выше, да и грозовых областей несколько меньше.

Особой популярностью подобные модели начали пользоваться последние 20 лет, когда на рынке стало появляться больше новых транзисторов с высокими характеристиками. Именно такие агрегаты крайне чувствительны к любым скачкам показателей обратного напряжения. Оборудование с подобным функционалом используется практически во всех импульсных источниках питания, мощность которых не превышает 1 кВА. Используются в качестве связующих элементов на сетевой (первичной) стороне.

Зачем нужны

УЗИП используются для сглаживания помех, возникающих в сети, для стабилизации работы информационных системы и от скачков, которые могут быть вызваны косвенным или прямым воздействием сильной непогоды (молний). Высокочастотные и низкоэнергетические помехи – не редкость в больших городах и отдаленных населенных пунктах.

Для чего предназначены:

Предохранение от короткого замыкания удаленного типа. Подобное случается в результате короткого замыкания.
Предохранение электрики от импульсных перенапряжений. Зачастую причина кроется в коммутационных процессах, которые наблюдаются в сети. Связаны с выключением и включением приборов с большой нагрузкой (индуктивной). Примером служат сварочные и силовые аппараты, мощные электрические двигатели.
Предохранение от удара молнии. В такой момент все оборудование, которое было подключено к сети, выходит из строя. Замена обойдется в колоссальную сумму. Во избежание подобных трат и устанавливаются самые хорошие УЗИП от лучших европейских производителей.

Наименований у оборудования несколько:

ОИН – ограничители импульсных напряжений;
ОПН – ограничители перенапряжений сети.

Однако, на принципе работы или функционале это не отражается.

Принцип работы стабилитрона

Полупроводниковые приборы отличаются нелинейной реакцией при работе с разными токами (напряжениями). Для изучения функциональности пользуются вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая наглядно демонстрирует взаимное влияние базовых параметров и особенности определенной конструкции.

ВАХ диода

Так как стабилитрон является одной из разновидностей диода, изучение принципов работы можно начать с рассмотрения типичного электронно-дырочного (n-p) полупроводникового перехода. В правой части показано включение диода в прямом направлении. Хорошо видно, как от порогового уровня Uп дальнейшее повышение напряжения сопровождается практически линейным увеличением тока в цепи. Определенные потери можно учесть при составлении электрической схемы.

При обратном включении источника питания (левая часть рисунка) увеличение напряжения до показанного значения незначительно изменяет ток. Далее (при значении Uпр) возникает пробой, который определяется особенностями перехода:

тепловой,
лавинный;
туннельный.

Первый из отмеченных в перечне вариантов означает чрезмерное повышение температуры и разрушение полупроводникового прибора. Третий – сопровождается увеличением тока, образованного парными зарядами. Для стабилизации подходит лавинная реакция в переходе. Как показано на графике, напряжение в этом режиме изменяется незначительно.

Принцип работы параметрического стабилизатора

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

При проектировании источников питания для радиоэлектронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности выходного напряжения.

Простейшими стабилизаторами напряжения являются схемы, использующие нелинейные элементы, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока. Такую вольт-амперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя (рис. 3.1, б).

Схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, приведена на рисунке 3.1, а.

В этой схеме стабильность выходного напряжения определяется в основном параметрами стабилитрона. Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном

параллельно нагрузке, изменяется незначительно. Рис. 3.1.

а) схема параметрического стабилизатора;

б) вольтамперная характеристика стабилитрона

Действительно, входное напряжение распределяется между балластным резистором Rб

и стабилитроном (рис. 3.1,б)

, (3.1)

где – падение напряжения на балластном резисторе Rб

от протекания токов стабилитронаIст. и нагрузкиIстаб. .

Построение линии нагрузки ведем по двум точкам с координатами

1) I=0 U=Uвыпр;

2) I=Iст U=Uст.

Так как напряжение на стабилитроне Uст в соответствии с вольт-амперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах участка от Iст.мин до Iст.мax, то приращение входного напряжения DUвх, равно приращению напряжения DURб на резисторе Rб.

Так как ток нагрузки Iстаб = Uстаб/Rн = Uст/Rн остается при этом неизменным, то

DUвыпр=DURб=DIстRб, (3.2)

т. е. при изменении входного напряжения на значение DUвыпр, ток стабилитрона изменяется на значение DUвыпр/Rб.

При изменении входного напряжения изменяется ток стабилитрона, и линия нагрузки передвигается параллельно себе вниз или вверх. При этом напряжение на стабилитроне и на нагрузке изменяется в пределах Uст min до Uст max, а ток через стабилитрон от Iст min до Iст max.

Предположим, что нагрузка изменилась, например, уменьшилось сопротивление резистора Rн, что привело к увеличению тока нагрузки. Так как при неизменном входном напряжении должно сохраняться постоянство входного тока Iвыпр=Iст+ Iстаб=const, то увеличение тока Iстаб влечет за собой уменьшение на такое же значение тока стабилитрона.

3.2. Основные параметры стабилизаторов напряжения:

коэффициент полезного действия, равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к входной мощности, т. е.

(3.3)

коэффициент стабилизации, определяемый как отношение относительного приращения напряжения на входе стабилизатора DUвыпр/Uвыпр к относительному приращению напряжения на выходе DUстаб/Uстаб при постоянной нагрузке:

, (3.4)

выходное сопротивление, равное отношению приращения напряжения на выходе стабилизатора DUстаб к приращению тока нагрузки DIн:

. (3.5)

При питании усилителей выходное сопротивление стабилизатора создает паразитные обратные связи через источник, приводящие к изменению параметров усилителей и даже к самовозбуждению усилителей. Поэтому выходное сопротивление стабилизатора желательно снижать.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора (рис. 3.1,а) определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона Rд на рабочем участке вольтамперной характеристики:

(3.6)

поскольку выходным напряжением стабилизатора является напряжение на стабилитроне (Uстаб=Uст),

а изменение тока в нагрузке равно изменению тока через стабилитрон (DIстаб=DIст).

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора

. (3.7)

Коэффициент стабилизации параметрических стабилизаторов напряжения не превышает 50. Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако обладают существенными недостатками, главными из которых являются невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение коэффициента стабилизации, особенно при больших токах нагрузки (

Iстаб > Iст.ном).

⇐ Предыдущая3

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все…

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? — задался я вопросом…

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между…

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор…

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

↑ Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]

Итак, исходными данными являются: стабилизированное напряжение на нагрузке Uвых, токи нагрузки Iн min, Iн max, номинальное входное напряжение Uвх и его отклонения ΔUвх н и ΔUвх в.

Параметры стабилитрона те же, что и в предыдущем расчете: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Вычисляем максимальное и минимальное значения рабочего тока стабилитрона:

Iст р max=0,8 Iст max, Iст р min=1,2 Iст min.

Если стабилизатор должен работать режиме холостого хода (Iн min=0), выбираем Iст р min=Iст min.

Проверяем пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:

↑ Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]

Параметры стабилитрона те же, что и в предыдущем расчете: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Вычисляем максимальное и минимальное значения рабочего тока стабилитрона:

Iст р max=0,8 Iст max,Iст р min=1,2 Iст min.

Если стабилизатор должен работать режиме холостого хода (Iн min=0), выбираем Iст р min=Iст min.

(Iст р max+ Iн min)(1- ΔUвх н)-(Iст min+ Iн max)(1+ ΔUвх в)>0,где ΔUвх н=(Uвх- Uвх min)/ Uвх, ΔUвх в=(Uвх max-Uвх)/ Uвх.

Номинальное напряжение Uвх, которое должен обеспечить выпрямитель, вычисляем по формуле:

Uвх= Uст/.

Сопротивление балластного резистора:

R= Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/.

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст) 2 /R.

По приведенным в первом варианте расчета формулам находим Kст, КПД и Kф.

↑ Пример расчета №3

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток Iн min =0, Iн max =10 мА; изменение входного ΔUвх н=10%, ΔUвх в=15%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн; rд=10 Ом; Iст max=36 мА, Iст min=3 мА.

После занесения исходных данных листе таблицы «Второй вариант расчета» получаем следующие результаты (рис. 4):

Uвх=14 В, R=221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

Стабилизатор приобретается для одновременной защиты трех однофазных потребителей

Не будем акцентировать внимание на конкретном виде устройств, назовем их просто: потребитель 1, потребитель 2 и потребитель 3

Согласно заводским паспортам:

номинальная мощность потребителя 1 составляет 600 Вт, потребителя 2 – 130 Вт, потребителя 3 – 700 Вт;
коэффициент мощности потребителей 1 и 2 равен 0,7, потребителя 3 – 0,95.

Определяем мощность нагрузки. Пусть потребитель 1 относится к категории оборудования, характеризующегося наличием высоких пусковых токов. При расчёте используем не его номинальную мощность, а максимальную – пусковую, равную согласно технической документации 1800 Вт. Используя вышеуказанную формулу, переведём мощность каждого потребителя из Вт в ВА:

1800 / 0,7 = 2571,4 ВА – для потребителя 1;
130 / 0,7 = 185,7 ВА – для потребителя 2;
700 / 0,95 = 736,8 ВА – для потребителя 3.

Теперь определим суммарную потребляемую мощность планируемой нагрузки в Вт и ВА:

1800 + 130 + 700 = 2630 Вт;
2571,4 + 185,7 + 736,8 = 3493,9 ВА.

Дальнейший выбор стабилизатора будем проводить, учитывая, что полная мощность нагрузки на устройство составит 3493,9 ВА, а активная – 2630 Вт (обратите внимание на разницу значений в Вт и ВА). Далее определяем запас мощности

Примем рекомендованную величину запаса мощности в 30% от энергопотребления нагрузки – для получения численного значения необходимого запаса умножим на 0,3 ранее рассчитанные суммарные мощности планируемой нагрузки:

Далее определяем запас мощности. Примем рекомендованную величину запаса мощности в 30% от энергопотребления нагрузки – для получения численного значения необходимого запаса умножим на 0,3 ранее рассчитанные суммарные мощности планируемой нагрузки:

2630 х 0,3 = 789 Вт – запас активной мощности;
34,939 х 0,3 = 1048,17 ВА – запас полной мощности.

Следовательно мощность нагрузки с учётом запаса составит:

2630 + 789 = 3419 Вт;
3493,9 + 1048,17 = 4542,07 ВА.

Теперь выберем модели однофазного стабилизатора с необходимой мощностью для электропитания нашей нагрузки (с учетом запаса), используя стандартный мощностной ряд однофазных инверторных стабилизаторов производства ГК «Штиль»:

Полная мощность, ВА	Активная мощность, Вт
350	300
550	400
1000	750
1500	1125
2500	2000
3500	2500
6000	5400
8000	7200
10000	8000
15000	13500
20000	16000

Ближайшая с большей стороны к расчётным значениям мощность – 6000 ВА и 5400 Вт, следовательно, именно такой стабилизатор подходит для подключения потребителя 1, потребителя 2 и потребителя 3.

Если взять модель с мощностью, ближайшей к расчетному значению в меньшую сторону (3500 ВА/ 2500 В), то стабилизатор окажется перегружен, так как выходная активная мощность устройства окажется меньше потребляемой активной мощности нагрузки: 2500 Вт

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона — это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это понятно и дошкольнику.

Теперь по аналогии с электроникой. Стакан — это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане — это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один — лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники — кувшин обладает «напряжением» больше, чем «напряжение» стакана.

Так вот, дорогие читатели, в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит, напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Простейший вариант схемы, где установлен только один полупроводниковый прибор, предполагает ограниченную мощность в нагрузке. Если загородный дом или другой объект нужно защитить от перепадов напряжения полностью, придется использовать более сложные решения.

Параллельный стабилизатор

Представленная ниже схема работает следующим образом. Транзистор выполняет функцию усилителя, что обеспечивает компенсационный эффект при увеличении выходного напряжения. Тем самым создают условия для прохождения гораздо большего тока в подключенной нагрузке, по сравнению с применением простейшего варианта, рассмотренного выше.

Схема параллельного включения с формулами для расчетов

Последовательный стабилизатор

Такое подключение нагрузки обеспечивает корректировку рабочих режимов за счет изменения отпирающего напряжение транзистора. Ток через стабилитрон ограничен номиналом резистора R2. Такой параметрический стабилизатор напряжения выполняет свои функции с высокой точностью. Коэффициент стабилизации при правильном расчете компонентов составляет от 14 до 20 ед.

Последовательная схема

Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

Параметрические стабилизаторы напряжения до сих пор используются для питания маломощных устройств электронных изделий, поэтому необходимо уметь их рассчитывать. Зачастую при повторении готовых конструкций, условия функционирования которых отличаются от рекомендованных разработчиком, требуется провести анализ работы параметрического стабилизатора напряжения для уточнения значения сопротивления балластного резистора.

Указанные задачи решены с помощью разработанного автором файла в Microsoft Excel. Приведено два варианта расчета параметрического стабилизатора напряжения и расчет для анализа условий работы стабилитрона в готовой схеме.

Что это такое

В литературе дается следующее определение:

Стабилитрон или диод Зенера это прибор, предназначенный для стабилизации напряжения в электрических цепях. Работает при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя имеет высокое сопротивление перехода. Протекающие при этом токи незначительны. Широко используются в электронике и в электротехнике.

Если говорить простыми словами, то стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения в электронных схемах. В цепь он включается в обратном направлении. При достижении напряжения, превышающего напряжение стабилизации, происходит обратимый электрический пробой pn-перехода. Как только оно понизится до номинала, пробой прекращается, и стабилитрон закрывается.

На нижеприведенном рисунке представлена графическая схема для чайников, позволяющая понять принцип действия диода Зенера.

Основными преимуществами является невысокая стоимость и небольшие габариты. Промышленность выпускает устройства с напряжением стабилизации о 1,8 — 400 В в металлических, керамических или корпусах из стекла. Это зависит от мощности, на которую рассчитан стабилитрон и других характеристик.

Для стабилизации высоковольтного напряжения от 0,4 до нескольких десятков кВ, применяются стабилитроны тлеющего разряда. Они имеют стеклянный корпус и до появления полупроводниковых приборов применялись в параметрических стабилизаторах.

Аналогичными свойствами обладают приборы, меняющие свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения – это варисторы. Между стабилитроном и варистором разница заключается в том, что последний обладает двунаправленными симметричными характеристиками. А это значит, что в отличие от диодов, он не имеет полярности. Кратко варистор предназначен для обеспечения защиты от перенапряжения электронных схем.

Для предохранения аппаратуры от скачков напряжения применяют супрессоры. Между стабилитроном и супрессором отличия заключаются в том, что первый постепенно изменяет свое внутреннее сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. Второй при достижении определенного порога напряжения открывается сразу. Т.е. его внутреннее сопротивление стремится к нулю. Основное назначение супрессоров — защита аппаратуры от скачков питания.

На рисунке ниже представлено условно графическое обозначение (УГО по ГОСТ) полупроводника и его вольт-амперная характеристика.

На рисунке цифрами указан участок 1-2. Он является рабочим и предназначен для стабилизации напряжения в цепях. Если прибор включить в прямом направлении, то он будет работать как обычный диод.

Рекомендуем посмотреть следующий видеоролик, чтобы подробнее изучить принцип действия стабилитрона, обозначение элементов и область их применения.

Схема параметрического стабилизатора

В зависимости от технических характеристик, параметрические стабилизаторы могут быть однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Стабилитрон, находящийся в составе конструкции, напоминает обратно включенный диод. Однако пробой напряжения в обратном направлении, характерный для стабилитрона, является основой его нормального функционирования. Данное свойство широко применяется для различных схем, в которых нужно создать ограничение входного сигнала по напряжению.

Параметрические стабилизаторы относятся к быстродействующим устройствам, они защищают чувствительные участки схем от импульсных помех. Использование этих элементов в современных схемах стало показателем их высокого качества, обеспечивающего стабильную работу оборудования в различных режимах. Основой параметрического стабилизатора является схема включения стабилитрона, использующаяся также и в других типах стабилизаторов в качестве источника опорного напряжения.

Стандартная схема состоит из делителя напряжения, который, в свою очередь включает в себя балластный резистор R1 и стабилитрон VD. Параллельно стабилитрону включается сопротивление нагрузки RH. Данная конструкция стабилизирует выходное напряжение при изменяющемся напряжении питания Uп и токе нагрузки Iн.

Работа схемы происходит в следующем порядке. Напряжение, увеличивающееся на входе стабилизатора, вызывает увеличение тока, проходящего через резистор R1 и стабилитрон VD. Напряжение стабилитрона остается неизменным за счет его вольтамперной характеристики. Соответственно, не изменяется и напряжение на сопротивлении нагрузки. В результате, все измененное напряжение будет поступать на резистор R1. Принцип работы схемы дает возможность для расчетов всех необходимых параметров.

Нормативная база применения УЗИП

Что такое УЗИП? Основной российский документ, определяющий, что такое УЗИП, это ГОСТ Р 51992-2002 «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах».

Согласно этому ГОСТу «Устройство для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсов тока. Это устройство содержит, по крайней мере, один нелинейный элемент». Стандарт распространяется на устройства для защиты электрических сетей и электрооборудования при прямом или косвенном воздействии грозовых или иных переходных перенапряжений. Данные устройства предназначены для подсоединения к силовым цепям переменного тока частотой 50-60 Гц на номинальное напряжение до 1000В (действующее значение) или 1500В постоянного тока.

В зависимости от класса испытаний УЗИП делятся на 3 типа.

Испытания класса I предназначены для имитации частично направленных грозовых импульсов тока. УЗИП, подвергаемые таким испытаниям, рекомендуются для установки на линейных вводах в здания, защищённые молниезащитными системами, а также при воздушном вводе питания. Характерной особенностью данного класса является испытание импульсным током Iimp c формой волны 10/350 мкс (1). Важнейшим параметром, характеризующим УЗИП, является уровень напряжения защиты Up, который измеряется при In. Это «параметр, характеризующий УЗИП в части ограничения напряжения на его выводах, который выбран из числа предпочтительных значений». Его значение всегда выше остаточного напряжения Ures , т.е. пикового значения, появляющегося на выводах УЗИП вследствие прохождения разрядного тока заданной амплитуды. Up не должен превышать стойкость электрооборудования к импульсному напряжению, определённому в ГОСТ Р 50571.19-2000. Поэтому принято, что для УЗИП 1-го класса Up не превышает 4 кВ.

Стандартный испытательный импульс

Испытания класса II предназначены для имитации наведённого в проводниках под действием электромагнитного поля импульса. УЗИП, подвергаемые таким испытаниям (УЗИП 2-го класса), предназначены для установки после УЗИП 1-го класса в промежуточные шкафы, либо во вводной шкаф, если отсутствует вероятность попадания части прямого тока молнии в систему электроснабжения. Испытания проводятся номинальным разрядным током In и максимальным разрядным током Imax . Оба импульса имеют форму волны 8/20 мкс, но разную амплитуду. При этом Imax > In. Импульс In УЗИП должен выдержать многократно при условии его остывания до комнатной температуры в промежутке между импульсами. Обычно количество выдерживаемых импульсов от 5 до 15 (по ГОСТу количество не установлено и определяется производителем, по МЭКу – 15 импульсов). Импульс Imax УЗИП должен выдержать однократно, при этом его дальнейшая работа в соответствии с заявленными параметрами не гарантируется (но возможна). Уровень напряжения защиты Up для устройств 2-го класса не должен превышать 2,5 кВ.

Испытания класса III также имитируют наведённый импульс, но испытываются комбинированной волной напряжения 1,2/50 мкс и тока 8/20 мкс. При этом в параметрах указывается напряжение разомкнутой цепи Uoc и номинальный In и максимальный Imax токи. Уровень напряжения защиты Up для 3-го класса не должен превышать 1,5 кВ. Это тот уровень, который должна выдерживать техника, даже не проходившая испытаний на устойчивость к микросекундным импульсным перенапряжениям. Поэтому данные устройства рекомендуется использовать в непосредственной близости от защищаемого оборудования (желательно не далее 5-7 метров, а в общем, чем ближе, тем лучше).

Ещё несколько важных параметров, которые необходимо знать для подбора УЗИП.

Максимальное длительное рабочее напряжение Uc — действующее значение переменного или постоянного тока, которое длительно подаётся на выводы УЗИП. Оно равно номинальному напряжению с учетом возможного завышения напряжения при различных нештатных режимах работы сети.

Номинальный ток нагрузки IL — максимальный длительный переменный (действующее значение) или постоянный ток, который может подаваться к нагрузке, защищаемой УЗИП. Данный параметр важен для УЗИП, подключаемых в сеть последовательно с защищаемым оборудованием. Так как большинство УЗИП подключаются параллельно цепи, то данный параметр у них не указывается.