Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

Какие функции выполняют стабилизаторы напряжения?

Само название этого типа оборудования говорит об их предназначении. Их основной задачей является обеспечение стабильного напряжения на выходе и защита бытовых приборов и другого электрооборудования от перепадов напряжения в сети. Поскольку отечественные сети, к несчастью, далеки от стандартов качества электроснабжения, то приобретение стабилизаторов остается наиболее эффективным решением существующих проблем. По-иному решить данную проблему пока не представляется возможным.

Скачки напряжения, вызванные не зависящими от пользователя факторами, крайне опасны, особенно, если перепады слишком велики. Примеры просто разрушительных последствий, особенно для владельцев частных домов, имеются. Но даже небольшие скачки напряжения по меньшей мере неприятны, а в конечном счете, рано или поздно выводят технику из строя, причем раньше, чем это гарантирует производитель. Не случайно, сегодня все больше производителей заявляют об аннулировании своих гарантийных обязательств, если владелец техники эксплуатирует ее без стабилизаторов напряжения в проблемных сетях вроде российских.

Правильно подобранный аппарат поможет нормализовать сетевое напряжение до 220 В при наличии однофазной сети и 380 В при трехфазной сети. Однако возможности стабилизатора не ограничиваются его основной функцией. Вы по достоинству оцените возможности аппарата по защите приборов от короткого замыкания и резких кратковременных скачков напряжения вниз или вверх.

Плюсы и минусы электромеханического стабилизатора напряжения

ПЛЮСЫ

— Невысокая стоимость

— Высокая точность стабилизации

Благодаря тому, что механический стабилизатор не имеет фиксированных отводов от автотрансформатора, а может сам формировать нужное количество витков обмотки и соответственно достаточно гибко изменять коэффициент трансформации, точность стабилизации получатся очень высокой.

— Плавная стабилизация

Так как изменение положения подвижного контакта производится с помощью сервопривода, который плавно перемещает его по обмотке регулируемого автотрансформатора — не происходит резких скачков напряжения и даже кратковременного обрыва контакта, чего очень боятся чувствительные электронные компоненты электрооборудования.

— Устойчивость к кратковременным перегрузкам

Конструкция механического стабилизатора позволяет ему кратковременно выдерживать скачки напряжения в сети, даже если оно увеличивается в два раза относительно номинального.

— Устойчив к помехам в напряжении, частоте и форме тока

Использование автотрансформатора, как основного элемента стабилизации напряжения, позволяет не бояться изменений частоты и формы тока.

— Компактность

Минимальное количество используемых в механическом стабилизаторе компонентов, позволяет сделать его достаточно компактным. Его размер формируется в большей степени из размера регулируемого автотрансформатора.

— Высокий коэффициент полезного действия (КПД)

На некоторых форумах и информационых ресурсах, рассказывающих о электромеханических стабилизаторах, встречается мнение, что они имеют низкий КПД, но это не так. Практически все виды стабилизаторов в основе которых лежит автотрансформатор: релейные, механические, теристорные, симисторные, гибридные, имеют достаточно высокий КПД, 94-98%.

МИНУСЫ

— Наличие движущихся деталей

Самым слабым узлом электромеханического стабилизатора является именно механизм перемещения контакта по обмотке, он очень чувствителен к загрязнениям и пыли, да и просто подвижные детали имеют наибольший естественный износ при работе. Данный недостаток автоматически порождает следующий.

— Необходимости регулярного технического обслуживания

Наличие движущихся деталей вынуждает периодически обслуживать сервоприводные стабилизаторы — чистить их, менять щетки и т.д. Отнести данные стабилизаторы к устройствам — купил, установил и забыл нельзя, они периодически требуют внимания к себе.

— Шумность

Передвижение щеток и работа сервопривода создают определенный шум, он не такой навязчивый и громкий как, например, щелчки при переключении релейного стабилизатора, но всё же ощутимый и создаёт некоторый дискомфорт, когда стабилизатор находится с вами в одной комнате.

— Скорость реагирования

Одним из самых значимых недостатков механических стабилизаторов является низкая скорость реагирования на изменения напряжение. Это и неудивительно, ведь сервопривод не может моментально передвинуть токосниматель по обмотке, на это ему требуется определенное время, у многих моделей изменение напряжения происходит всего по 10-15 вольт в секунду. Таким образом, если произойдет резкое падение входного напряжение сразу на 60 вольт, стабилизатор нормализуют его лишь через 4-6 секунд, всё это время электрооборудование будет работать при низком напряжении.

— Ограниченный диапазон рабочих температур

В среднем, рабочий диапазон сервоприводных стабилизаторов лежит в пределе -5 до +40 градусов. Таким образом количество мест, где возможно их применение или установка  значительно ограничено.

— Боязнь пыли

Наличие подвижного токоснимателя и электродвигателя делают механический стабилизатор очень чувствительным к попаданию внутри него пыли, которая значительно увеличивает вероятность поломки. Из-за этого, например, нельзя устанавливать сервоприводные стабилизаторы на производстве, в цеху.

Схема на составном транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.

Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.

Тиристорный стабилизатор напряжения однофазный

В электронном каталоге магазина Voltstab.ru можно легко тиристорный стабилизатор напряжения купить от 10000 рублей и до 200000 рублей в зависимости от мощности устройства.

Не стоит отдавать предпочтение стабилизаторам по причине того, что он лёгок. Это стационарный прибор, его вес практически не важен. Небольшой вес с существенной разницей от других подобных свидетельствует о том, что обмотка трансформатора изготовлена из алюминия, а не из меди. Это плохо сказывается на надёжности.

При не очень большом изменении напряжении питания (не ниже 170, не выше 240 вольт) можно купить тиристорный стабилизатор напряжения с не очень большим шагом и выбор практически безграничен, с работой прекрасно справятся и европейские, и китайские, и российские приборы. Если же напряжение отличается от указанного диапазона стоит очень внимательно выбирать прибор. Основными производителями приборов с большим диапазоном напряжений являются Китай и Россия.

Приемлемые результаты при лабораторных испытаниях показали стабилизаторы Российского производства: Ресанта, Прогресс, Штиль, Энергия. Неплохие стабилизаторы RUCELF Китайского производства. Конечно тиристорный стабилизатор напряжения и цена понятия прямо пропорциональные и симисторные устройства довольно дорогие. Но, мы можем предложить большой выбор таких устройств по самым разным ценам, просто позвоните нам!

тиристорный стабилизатор напряжения однофазный

Компенсационный последовательный

Компенсационный последовательный стабилизатор имеет обратную связь. В нем выходное напряжение сравнивается с эталоном. Разница между ними нужна для создания сигнала устройству, контролирующему напряжение.

С сопротивления снимается некоторое количество выходного напряжения, сравнивающееся с основным значением стабилитрона. Эта разница поступает на усилитель и подается на транзистор.

Устойчивое функционирование создается при сдвиге фаз. Так как часть напряжения на выходе поступает на усилитель, то оно сдвигает фазу на угол 180 градусов. Транзистор, подключенный по типу усилителя, фазы не сдвигает, и петлевой сдвиг равен 180 градусов.

Импульсные

Электрический ток, обладающий неустойчивыми свойствами, с помощью коротких импульсов поступает на устройство накопления стабилизатора, которым является конденсатор или катушка.

Накопленная энергия далее выходит на потребитель с другими свойствами. Есть два способа стабилизации:

1. Управление длиной импульсов.
2. Сравнение выходного напряжения с наименьшим значением.

Импульсный стабилизатор может изменять напряжение с разными результатами. Их делят на виды:

• Инвертирующий.
• Повышающе-понижающий.
• Повышающий.
• Понижающий.

Достоинства:

Малая потеря энергии.

Недостатки:

Помехи в виде импульсов на выходе.

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:

Схема на транзисторе и стабилитроне

Подключение ключевого элемента к простейшему устройству на стабилитроне позволяет с минимальными затруднениями увеличить ток нагрузки. Применение полевого транзистора вместо биполярного позволяет уменьшить рассеиваемую мощность, снизить падение на полупроводниковых переходах, увеличивая таким образом КПД конструкции.

Какой выбрать стабилизатор напряжения, зависит от предъявляемых требований по значению тока нагрузки, коэффициенту стабилизации, габаритам конструкции.

Во многом это зависит от личных предпочтений. Компенсационные и параметрические устройства просты для понимания, легко собираются и настраиваются. Импульсные устройства более сложные технически. Хотя существует множество готовых интегральных микросхем импульсных стабилизаторов, отсутствие четкого понимания их работы может затруднить поиск неисправностей. Выбранная с некоторым запасом по току конструкция может простоять под нагрузкой неограниченное время.

Часто спрашивают

Почему для котлов не используют латерные стабилизаторы?

Латерными называют электромеханические устройства с автотрансформаторами, которые запрещено использовать с газовым оборудованием из-за наличия дуги.

На каком расстоянии от котла нужно размещать стабилизатор?

При мощностях потребления нагревателей (как правило, в пределах 500 Вт) можно пренебречь потерями на токоведущих проводниках. Поэтому установить стабилизатор можно практически в любом месте, соответствующем правилам безопасности при эксплуатации электроустановок и газового оборудования.

Нужна ли для котла и стабилизатора трехпроводная сеть с заземлением?

В инструкциях по эксплуатации многих производителей этот вопрос оговорен специально. В этом случае отсутствие контура заземления может стать причиной отказа при гарантийном ремонте.

Можно ли подключить котел через ИБП вместо стабилизатора?

По точности и динамике стабилизации варианты практически аналогичны. Но наличие в ИБП аккумулятора позволит при пропадании напряжения если не эксплуатировать котел, то точно корректно отключить его

Однако стоит обратить внимание на форму выходного напряжения бесперебойника – у некоторых она прямоугольная, что не очень хорошо для котла (насоса)

Назначение

Стабилизатор напряжение — электрический или электромеханический аппарат (устройство), на который подается U сети с целью стабилизации этого параметра на выходе.

Задача заключается в поддержании выходного U в узком диапазоне для защиты питающихся потребителей от повреждения. При этом уровень частоты и напряжения (при нормальном входном сигнале) остается неизменным.

Выпускаются и источники стабилизированного питания — аппараты, в задачу которых входит преобразование входящей электрической энергии в пригодный для дальнейшего применения вид.

Стабилизаторы бывают двух видов (по типу Uвых) — переменного и постоянного тока. При этом параметры U на входе и выходе устройства, как правило, идентичны, но в некоторых моделях они могут различаться.

Подкатегории стабилизаторов

Существуют различные типы стабилизирующих устройств с разным типом работы. Рассмотрим основные из таких стабилизаторов, для облегчения выбора в торговой сети.

Релейные

При повышенной скорости регулирования, сильных скачках напряжения, за небольшой промежуток несколько раз, стабилизаторы работают с малой точностью, при работе способны издавать щелчки. Это работает реле, переключает ступени трансформатора.

Тиристорные

Такие устройства еще называют симисторными. Они относятся к электронным приборам. Их повышенная точность и скорость регулирования напряжения питания, бесшумность работы привлекает покупателей при приобретении.

Из недостатков можно отметить различные микросекундные провалы при переключении. Однако, даже имею повышенную стоимость, для домашнего использования они вполне подходят. Чаще всего на такие приборы заводы изготовители дают расширенную длительную гарантию.

Электромеханические

К таким типам приборов относятся: сервоприводные, роликовые, щеточные, и электродинамические устройства. Они обладают повышенной точностью регулирования, не имеют шума при работе, постепенного изменения напряжения при входных колебаниях питания.

Одним из недостатков является быстрый износ узла щеток из-за повышенного искрообразования при значительной нагрузке. Стабилизаторы напряжения электродинамического вида, роликовые фирмы Ortea не имеют таких недостатков. Они являются оптимальным выбором для частного дома.

Схема устройства и главные особенности

Основу схемы сервоприводного стабилизирующего устройства составляет пара силовых элементов:

1. Автоматический трансформатор с тороидальным ферромагнитным сердечником;
2. Вольтодобавочный вспомогательный транформатор.

Компенсация отклонений входного напряжения от нормативного выходного показателя выполняется путём наращивания или уменьшения коэффициента трансформации.

Управляет работой устройства микропроцессорный блок. Он анализирует параметры тока на входе, вычисляет изменения, необходимые для их нормализации, и отдаёт команды сервоприводу. Последний имеет специальный подвижный контакт, который в соответствии с указаниями блока управления перемещается по трансформаторным обмоткам, отключая или активируя определённое количество их витков для поддержки заданного выходного напряжения.

По типу исполнения сервоприводные стабилизаторы напряжения могут быть:

• Напольными (стационарными);
• Переносными.

В зависимости от количества фаз сетевого питания и параметров стабилизации, нормализаторы, принадлежащие классу электромеханических, бывают:

• Однофазными;
• Трёхфазными со среднефазной регулировкой выходного напряжения;
• Трёхфазными с независимой стабилизации параметров тока на каждой фазе.

Разновидностью электромеханических стабилизаторов напряжения являются так называемые электродинамические устройства. В отличие от первых, вторые имеют не щёточный, а роликовый подвижный контакт, выполненный из графита. Это обеспечивает снижение уровня шума при работе, снижает риск выхода системы из строя при отклонениях параметров входного тока за рамки критического диапазона и в целом обеспечивает высокую стабильность работы устройства стабилизации и увеличивает срок его службы.

Типы стабилизаторов

В зависимости от принципа действия, стабилизаторы осуществляют нормализацию напряжения разными способами.

В бытовых условиях применяются следующие типы однофазных стабилизаторов:

• Сервоприводные;
• Релейные;
• Тиристорные.

Сервоприводный

Стабилизатор напряжения с сервоприводом представляет собой обычный автотрансформатор с механической регулировкой напряжения. По обмотке трансформатора перемещается скользящий контакт, закреплённый на роторе серводвигателя. Величину угла поворота ротора задаёт схема контроля напряжения. При низком напряжении трансформатор работает как повышающий, а при высоком напряжении как понижающий. В результате на выходных клеммах устройства получается напряжение точно соответствующее номинальному – 220В.

Устройство стоит недорого и обеспечивает высокую точность установки. Основным недостатком электромеханического стабилизатора является его низкая скорость отработки скачков напряжения и шум от работы серводвигателя. Из-за того, что щётки загрязняются, срабатываются и обгорают, такой стабилизатор требует регулярного технического обслуживания.

Релейный

Релейный стабилизатор так же имеет в своей конструкции автотрансформатор. Но вместо плавной регулировки напряжения, это устройство может обеспечить только дискретное изменение напряжения на выходе. Это обусловлено особенностью конструкции. Изменение напряжения на выходе, осуществляется переключением обмоток трансформатора с помощью реле. Причём, чем большее количество реле используется в схеме устройства, тем большую точность можно получить. Несмотря на это добиться идеальной точности с помощью такого устройства, практически невозможно. К достоинствам прибора релейного типа можно отнести хорошую скорость реакции на изменения входного напряжения, а недостатком его является малая точность и щелчки реле во время работы.

Тиристорный

Принцип работы полупроводниковых стабилизаторов основан на переключении обмоток трансформатора с помощью ключей, которые выполнены не на реле, а на полупроводниковых многослойных приборах – тиристорах или симисторах. Однофазный тиристорный стабилизатор напряжения обладает минимальным временем переключения, способен выдерживать большие токи и сам потребляет мало энергии из-за отсутствия индуктивных нагрузок, таких как обмотки трансформатора или катушки реле. Тиристорные стабилизаторы рекомендуются для стабилизации напряжения при подключении особо чувствительной техники, например, для газовых котлов.

Устройство может работать при отрицательных температурах, поэтому используется в неотапливаемом помещении. Разновидностью электронного стабилизатора является однофазный симисторный стабилизатор напряжения. В отличие от тиристора, этот симметричный полупроводниковый прибор пропускает ток в двух направлениях, поэтому для построения электронного ключа требуется один симистор, заменяющий два тиристора. Достоинства прибора – малые габариты бесшумность и  высокая скорость переключения. Основной недостаток симисторного прибора – это неспособность выдерживать броски напряжения, что ограничивает его применение при работе с реактивной нагрузкой.

Это интересно: Зачем нужен стабилизатор напряжения?

Типичные схемы параллельных параметрических стабилизаторов

Вашему вниманию подборки материалов: Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Вместо резистора R1 — в схемах может использоваться источник тока.

Схема A1 — классический вариант со стабилитроном. Стабилитрон обладает таким характерным свойством. При увеличении напряжения на нем выше напряжения стабилизации, ток через стабилитрон быстро возрастает. Таким образом напряжение поддерживается на заданном уровне, то есть весь лишний ток отводится через стабилитрон и не попадает в нагрузку. Напряжение на реальных стабилитронах все-таки немного зависит от тока (дифференциальное сопротивление стабилитрона не равно 0, но оно может быть очень малым), но эта зависимость слабая, что позволяет считать с определенной степенью точности выходное напряжение постоянным.

Если нужно получить небольшое выходное напряжение, то вместо стабилитрона устанавливаются несколько стабисторов или диодов в прямом направлении параллельно. Количество выбирается, исходя из нужного напряжения и падения напряжения на стабисторе или диоде.

В качестве низковольтного стабилитрона с неплохими характеристиками можно использовать транзистор, включенный так, как показано на рисунке A2. Напряжение стабилизации будет равно напряжению насыщения перехода база — эмиттер.

Для увеличения мощности стабилизатора можно применять транзистор включенный по схеме A3. Напряжение стабилизации будет равно напряжению стабилизации стабилитрона плюс напряжение насыщения перехода база — эмиттер транзистора.