Принцип действия и устройство компенсационных стабилизаторов напряжения и тока

Доброго всем времени суток! Сегодняшний мой пост продолжает рассказ о линейных стабилизаторах напряжения. Расскажу вам о компенсационных стабилизаторах напряжения (или сокращённо КСН).

Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов показаны ниже.

Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа Компенсационный стабилизатор напряжения параллельного типа

Основными элементами всех компенсационных стабилизаторов напряжения являются регулирующий элемент Р

; источник опорного (эталонного) напряжения
И
; элемент сравнения
ЭС
; усилитель постоянного тока
У
.

Компенсационный стабилизатор последовательного типа

В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой RH. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и RH таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.

Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас.

Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.

Рассмотрим схему компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.

В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений UОП и UРЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение UРЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.

Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.

Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то выходное напряжение стабилизатора

где R4’ и R4’’ соответственно верхняя и нижняя по схеме часть резистора R4.

Простейший стабилизатор напряжения своими руками

Рассмотрим, каким образом можно изготовить самостоятельно стабилизатор на 220 вольт собственными руками, имея под рукой несколько простых деталей. Если в вашей электрической сети напряжение значительно снижено, то такой прибор подойдет вам как нельзя кстати. Чтобы его изготовить, понадобится готовый трансформатор, и несколько простых деталей. Лучше взять такой пример прибора себе на заметку, так как получается неплохое устройство, обладающее достаточной мощностью, например, для микроволновки.

Для холодильников и различных других бытовых устройств понижение напряжения сети очень вредно, больше чем повышение. Если поднять величину напряжения сети, применяя автотрансформатор, то во время уменьшения напряжения сети на выходе прибора напряжение будет нормальной величины. А если в сети напряжение станет в норме, то на выходе мы получим повышенное значение напряжения. Например, возьмем трансформатор на 24 В. При напряжении на линии 190 В на выходе устройства получится 210 В, при значении сети 220 В на выходе получится 244 В. Это вполне допустимо и нормально для работы бытовых устройств.

Для изготовления нам понадобится основная деталь – это простой трансформатор, но не электронный. Его можно найти готовый, либо изменить данные на уже имеющемся трансформаторе, например, от сломанного телевизора. Трансформатор будем соединять по схеме автотрансформатора. Напряжение на выходе будет получаться примерно на 11% выше напряжения сети.

При этом нужно соблюдать осторожность, так как во время значительного перепада напряжения в сети в большую сторону, на выходе устройства получится напряжение, которое значительно превышает допустимую величину. Автотрансформатор будет добавлять к напряжению линии сети всего 11%

Это значит, что мощность автотрансформатора берется также на 11% от мощности потребителя. Например, мощность микроволновки равна 700 Вт, значит трансформатор берем 80 Вт. Но лучше брать мощность с запасом

Автотрансформатор будет добавлять к напряжению линии сети всего 11%. Это значит, что мощность автотрансформатора берется также на 11% от мощности потребителя. Например, мощность микроволновки равна 700 Вт, значит трансформатор берем 80 Вт. Но лучше брать мощность с запасом.

Регулятор SA1 дает возможность, если нужно, подсоединять нагрузку потребителя без автотрансформатора. Конечно, это не полноценный стабилизатор, но зато для его изготовления не требуется больших вложений и много времени.

Самодельный стабилизатор напряжения

Улучшение параметров стабилизатора

Схему простого компенсационного стабилизатора напряжения можно улучшить, заменив резистор R1, который осуществляет питание транзистора VT2, на схему стабилизатора тока. Такой способ питания позволяет существенно повысить стабильность работы усилителя постоянного тока.

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность Компенсационного стабилизатора напряжения и малый временной дрейф (особенно при низких выходных напряжениях), применяют схемы дифференциальных усилителей. Для повышения качества выходного напряжения в усилителях постоянного тока стабилизатора применяются операционные усилители, которые обладают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора.

Схема стабилизатора тока. Подключение выводов: 1 – к коллектору VT1, вывод 2 – к коллектору VT. Схема дифференциального усилителя. Подключение выводов: 1 – к эмиттеру VT1, 2 – к базе VT1, 3 – к катоду стабилитрона VD1, 4 – к аноду стабилитрона VD1, 5 – к делителю напряжения.

Подключение стабилизатора напряжения

Одной из причин по которой бытовая техника и электроприборы преждевременно выходят из строя, является скачкообразные перепады напряжения в электрической сети.

Для предотвращения данных нежелательных ситуаций служат стабилизаторы – защитные устройства, позволяющие защитить бытовое и промышленное оборудование от помех и искажений напряжения.

Защита обеспечивается электронной схемой, отслеживающей значение входного напряжения, которая отключает нагрузку при выходе его за допустимые пределы. Подключение нагрузки происходит при возвращении значений параметров сети в допустимые нормы.

Схема подключения стабилизатора напряжения в сеть 220 В

Подключение стабилизатора напряжения производится при обесточенной сети. Это основное требование техники безопасности. Для его выполнения отключается вводной автомат, расположенный в распределительном шкафу, после чего необходимо окончательно удостоверяются в отсутствии напряжения, используя указатель.

В большинстве случаев включение стабилизатора происходит сразу за счетчиком, на вводе в помещение, перед нагрузкой. Тип включения – последовательный, в разрыв фазного провода. Довольно часто производители электронной продукции обозначают структурную схему стабилизатора на поверхность корпуса.

В стабилизаторе напряжения имеется, как правило, три контакта для подключения:

• – фаза – “вход”;
• – фаза – “выход”;
• – нуль.

Фазный провод от вводного автомата подключается на “вход” стабилизатора. Затем к “выходу” подсоединяется фазный провод нагрузки. К нулевому контакту стабилизатора подсоединяется нулевой провод сети без разрыва.

Чтобы подключить нулевой провод нужно сначала подсоединить его к стабилизатору, а затем к общему нулевому проводу сети (с помощью клеммных соединителей (колодок) или обычной скрутки).

Что делать если на корпусе стабилизатора четыре контакта для подключения?

В некоторых случаях схема стабилизатора напряжения выполнена таким образом, что для подключения его к сети используется не три, а четыре контакта:

• – фаза – “вход”;
• – нуль – “вход”;
• – фаза – “выход”;
• – нуль – “выход”.

В этом случае схема стабилизатора напряжения, по которой он включается в сеть, выполняется следующим образом: фазный и нулевой провод от вводного автомата (электрощита) подсоединяются к соответствующим контактам «вход» на защитном устройстве, а фазный и нулевой провод нагрузки соединяется с контактами «выход».

После монтажа следует тщательно проверить правильность подключения проводов. Перед первым включением устройства (подачей напряжения на вход) необходимо отключить всю нагрузку от его выхода (освещение, вытащить вилки электроприборов с розеток и т.п.).

Включив стабилизатор необходимо проконтролировать его работу, он должен стабильно и нормально работать без постороннего шума, потрескивания и т.п.

Некоторые маломощные стабилизаторы напряжение (P

Расчёт последовательного стабилизатора

Пример расчёта простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Начальные условия: входное напряжение U0 = 24 В, нестабильность входного напряжения ΔU0 = ± 2 В, максимальный ток нагрузки IНmax = 1,5 А, коэффициент стабилизации КСТ ≥ 103. Предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения в пределах от UНmin = 12 В до UНmax = 16 В.

1. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора VT1:

2. Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1:

3. По данным расчёта выбираем транзистор VT1, который удовлетворяет условиям:

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа П216В с параметрами: UCEmax = 35 В, IC max = 7,5 А, PC max = 24 Вт, h21e = 30.

4. Для создания опорного напряжения UОП выберем стабилитрон типа Д814А с параметрами UСТ = 8 В, IСТ = 20 мА, rDIF = 6 Ом.

5. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер усилительного транзистора VT2:

6. Исходя из условия UCE2max < UCE max выбираем в качестве усилительного элемента транзистор типа П416 с h21e = 90 … 250.

7. Полагая, что IK2 ≈ IЕ2 = 10 мА < IC max, найдём сопротивление резистора R2:

8. Учитывая, что IR1 = IC(VT2) + IB(VT1), IB(VT1) = IHmax / (1 + h21e(VT1)) = 1,5/(1 + 30) ≈ 48 mA, определим сопротивление R1:

9. Определим сопротивления резисторов R3, R4, R5. Условимся считать, что если движок потенциометра R4 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение UНmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда можно записать уравнения

Полагая

получим

Online калькулятор для расчёта компенсационного стабилизатора напряжения здесь.

Линейные стабилизаторы напряжения на транзисторах и интегральных микросхемах.

Для поддержания стабильной работы и сохранения заявленных параметров электрооборудования его питание в большинстве случаев должно осуществляться постоянным и неподконтрольным никаким внешним воздействиям напряжением. Как правило, эта функция возлагается на устройства, называемые стабилизатором напряжения. Стабилизатор напряжения — это преобразователь электрической энергии, предназначенный для поддержания уровня выходного напряжения в заданных пределах при изменениях следующих величин: входного напряжения, сопротивления нагрузки, а также в идеале — температуры и иных внешних воздействий.

Ещё не так давно подобные узлы строились на стабилитронах и транзисторах, однако с появлением специализированных микросхем, необходимость в самостоятельном конструировании подобных схем скоротечно отпочковалась, ввиду очевидной простоты реализации стабилизаторов, выполненных на интегральных микросхемах. А зря!

Там, где значения коэффициента стабилизации Кст допустимо исчислять десятками, а не сотнями-тысячами, простейший параметрический стабилизатор не только имеет право на существование, но и выигрывает у своих интегральных собратьев по такому важному параметру, как чистота выходного напряжения и отсутствие импульсных помех в момент резкого изменения тока нагрузки. Давайте рассмотрим такие простейшие устройства стабилизаторов напряжения.

Схема стабилизатора напряжения, приведённая на Рис.1 а), используется в основном с устройствами, через которые не протекает существенных токов. От номинала резистора Rст зависит величина тока Iвх, протекающего как через стабилитрон, так и через нагрузку. Величина этого тока рассчитывается по формуле: Rст = (Uвх — Uст)/ Iвх, а Iвх должен удовлетворять условию Iвх ≥ Iн. макс + Iст. мин, где Iн. макс — максимальный ток в нагрузке при заданном выходном напряжении, а Iст. мин — минимальный ток стабилизации стабилитрона, указанный в характеристиках полупроводника. В стабилитронах отечественных производителей параметр Iст. мин, как правило, задан в явном виде, у зарубежных может быть не указан вообще. Куда податься бедному еврею? Я бы рекомендовал в этом случае ориентироваться на значение тока из datasheet-ов «Izk» (значение при котором стабилитрон обладает максимальным импедансом) и увеличить эту величину в 2…3 раза. Хотя, по большому счёту, оптимальным (с точки зрения достижения максимальных параметров) током для стабилитрона является тестовый ток, при котором измеряются основные характеристики полупроводника.

Для наиболее эффективного выполнения своих задач стабилитрону довольно важно, чтобы мощность нагрузки не превышала мощности, рассеиваемой на полупроводнике. Поэтому если возникает потребность стабилизации напряжения в нагрузках, потребляющих значительную мощность, используется дополнительный усилитель тока — эмиттерный повторитель (Рис.1 б)). В этом случае нагрузкой для стабилитрона является входное сопротивление повторителя Rвх ≈ Rн x (1 + β), т.е. ток нагрузки можно увеличить в β раз. Тут важно учитывать падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора, в связи с чем напряжение на выходе стабилизатора будет на 0,6…0,7 В (на 1,2…1,4 В для составного транзистора) меньше напряжения стабилизации стабилитрона .

Установив параллельно стабилитрону переменный резистор (Рис.1 в)), возникает возможность изменять напряжение стабилизации в нагрузке от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона (за вычетом падения напряжения Uбэ на переходе транзистора). Естественно, что ток, протекающий через переменник, также необходимо учитывать, задаваясь его значением — не меньшим, чем входной ток эмиттерного повторителя. Сдобрим пройденный материал калькулятором.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ЛИНЕЙНОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Схемы компенсационных линейных стабилизаторов являются основой большинства интегральных микросхем, выполняющих функцию стабилизации напряжений и токов, и в простейшем виде могут быть выполнены на стабилитроне и паре транзисторов (Рис.2).

Здесь стабилитрон является источником опорного напряжения, а транзистор Т2 — устройством сравнения выходного напряжения, поступающего через резистивный делитель на его базу, с опорным значением напряжения на его эмиттере. Повысилось выходное напряжение, а вместе с ним напряжение на базе Т2, транзистор приоткрывается и притягивает напряжение на базе регулирующего транзистора Т1 к минусовой (земляной) шине, тем самым, уменьшая напряжение на его эмиттере, а соответственно и на выходе схемы. Снизилось выходное напряжение — всё то же самое, только наоборот. Компенсационные стабилизаторы на транзисторах имеют более высокий коэффициент стабилизации по сравнению с устройствами, представленными на Рис.1, но в связи наличием обратной связи имеют и свои недостатки. В связи с этим подробно останавливаться на них мы не будем, а перейдём сразу к интегральным стабилизаторам, имеющим похожий принцип действия, но значительно более сложным по структуре, обладающих более высокими характеристиками и при этом — очень простых и удобных в реализации.

Существует два типа подобных интегральных микросхем: регулируемые стабилизаторы напряжения и стабилизаторы с фиксированным значением выходного напряжения. Во втором случае схема стабилизатора приобретает неприлично примитивный вид, незаслуживающий какого-то серьёзного обсуждения. В случае же стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, схема всё ещё остаётся достаточно простой, но требует некоторых умственных манипуляций, связанных с расчётом резистивного делителя для получения требуемого выходного напряжения.

Типовая схема включения большинства регулируемых микросхем приведена на Рис.3.

Рис.3

Формула для расчёта выходного напряжения имеет вид Vout = Vref x (1+R2/R1) + Iadj x R2, причём номинал сопротивления R1, как правило, задаётся производителем микросхемы для достижения наилучших параметров выходных характеристик.

Отдельные бойцы для снижения пульсаций ставят дополнительные электролиты значительных величин параллельно резистору R2. Оно, конечно, бойцы эти герои, но зачем же стулья ломать? Любое резкое увеличение тока нагрузки, приводящее к снижению выходного напряжения, не сможет моментально отработаться схемой автоматической регулировки из-за задержки в цепи обратной связи, обусловленной данным конденсатором, а это в значительной степени снизит быстродействие устройства. И если для статических нагрузок параметр быстродействия стабилизатора по барабану, то для динамических (к примеру, таких как УНЧ) — очень даже немаловажен. Поэтому — либо эти электролиты вообще не нужны, либо (если их настоятельно рекомендует Datasheet) ставить конденсаторы небольших номиналов в строгом соответствии с рекомендациями производителя.

Для начала — справочная таблица с основными техническими характеристиками наиболее часто используемых интегральных стабилизаторов с регулировкой выходного напряжения.
Тип

Приведённая ниже таблица позволяет рассчитать номиналы резисторов делителя некоторых популярных типов микросхем регулируемых стабилизаторов, представленных разными производителями.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСХЕМ — СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Если не хотите, чтобы вдруг «раздался мощный пук» — послеживайте за полярностью включения конденсатора С2. Она должна совпадать с полярностью входного (выходного) напряжения.
Отдельно хочу остановиться на МИКРОМОЩНЫХ СТАБИЛИЗАТОРАХ С МАЛЫМ СОБСТВЕННЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ.

Такого рода стабилизаторы окажутся совсем не лишними в хозяйстве, так как смогут обеспечить такой важнейший показатель радиоэлектронной аппаратуры с автономным питанием, как экономичность входящих в её состав узлов.

Здесь выбор интегральных микросхем заметно беднее, а цены, как правило, заметно ощутимей, чем на аналоги со стандартным потреблением, поэтому начну я с простой, но проверенной временем схемы на дискретных элементах.

Рис.2

Чем хорош КТ315 в данном включении? На обратно смещённом переходе КТ315 при напряжении 6 — 7,5В, в зависимости от экземпляра транзистора, возникает электрический (не побоюсь этого слова) пробой, что позволяет использовать его в качестве стабилитрона на эту-же самую величину напряжения пробоя. При этом транзистор в таком включении, в отличие от многих промышленных стабилитронов, хорошо работает и при малых токах стабилизации, порядка 100 мкА.

Из относительно гуманных по цене интегральных стабилизаторов с малым собственным потреблением, могу порекомендовать LP2950, LP2951, LM2931, LM2936 и им подобные.

Компенсационный стабилизатор параллельного типа

В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента IP изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = U0 – IBXR1 = const остаётся стабильным.

Типовая схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена ниже. В качестве гасящего устройства в этих стабилизаторах применяются резисторы (R1 на схеме) или при высоких требованиях с стабильности выходного напряжения стабилизатора применяется стабилизатор тока описанный выше, имеющий большое внутреннее сопротивление.

В основном расчёт элементов компенсационного стабилизатора параллельного типа производится аналогично стабилизатору последовательного типа.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Характеристики

Типовая схема интегрального стабилизатора состоит из следующих элементов:

• источника опорного напряжения;
• усилителя ошибки;
• включённых между источником и нагрузкой элементов регулировки;
• схему выключения устройства при подачи сигнала извне;
• транзистора для защиты от короткого замыкания или перегрузки.

Интегральные микросхемы стабилизаторов представляют собой функционально завершённые устройства и имеют всего три внешних вывода: входной, выходной и заземление. Данные микросхемы производятся для фиксированных значений напряжения от 5 до 24 В и нагрузки до 1 А.

Стабилизационные устройства на ИМС обеспечиваются встроенными схемами, ограничивающими выходной ток, а также схемой защиты от перегрузок по температуре.

Подключение стабилизатора к 380 В

Если рассматривать конструкцию агрегата, то трехфазный стабилизатор выполнен в виде трех однофазных устройств, где каждое отвечает за стабилизацию однофазного напряжения. Прежде чем приступать к монтажным работам, необходимо внимательно ознакомиться с прилагаемой инструкцией и строго следовать всем ее пунктам.

Отталкиваясь от способа подключения, трехфазные стабилизаторы бывают двух видов. Первый тип оборудования характеризуется тремя модулями на три клеммы, к которым и подключаются провода. К клеммам подключаются вход и выход «фазы» и нулевой кабель (ввод, три модуля и цепь питания). Каждый отдельный модуль соединяется с однофазной сетью.

Агрегат второго типа тоже имеет три однофазных стабилизатора, где у каждого по 4 клеммы для подключения проводов. Помимо входа и выхода «фазы» к ним также подключается вход и выход «нуля». Это позволяет нулевому проводу ввода питания работать отдельно от нулевого провода стабилизированной электросети.

К трехфазной сети можно подключить три однофазных агрегата или один трехфазный. Каждый вариант имеет свои преимущества.

У первого это:

• Для каждой фазы появляется возможность подобрать оборудование индивидуальной мощности;
• Отталкиваясь от условий эксплуатации, для каждой фазы подбирается определенный вид агрегата;
• Три однофазных прибора выйдут несколько дешевле, по сравнению с одним трехфазным;
• Однофазные модели легче транспортировать;
• Если потребуется сервисное обслуживание, то отключается только тот прибор из трех, который требует вмешательства.

Преимущество подключения трехфазного агрегата в аналогичную сеть:

Без проблем подключается потребитель на три фазы. При этом имеются определенные недостатки, которые следует брать во внимание: Стабилизаторы данного вида только электромеханические, а это может стать проблемой при частых скачках напряжения; Сложности транспортировки. Обуславливается не только весом и габаритами, но и тем, что перевозить их допускается только в вертикальном положении; Нельзя распределять мощность по фазам в зависимости от потребителя.