Как рассчитать мощность стабилизатора напряжения для дома?

Автор: Сергей Куртов

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 18-02-2022

Рейтинг статьи: (2)

В доме каждого жителя Украины работает множество единиц бытовой техники и электроники. Каждый электроприбор имеет определенные требования к входному напряжению и, как правило, эти требования с большего совпадают. В соответствии с ГОСТ для корректной работы сертифицированной однофазной бытовой техники и электроники требуется питание 220В с отклонением не более 10% или 22В. На практике рабочий диапазон, при котором оборудование сохраняет корректную работу, несколько шире. Таким образом, установленная техника определяет, какое напряжение нужно для частного дома.

Ни для кого не секрет, что сетевое напряжение все время плавает, причиной чему может быть изменение степени нагрузки, физическое воздействие на линии электропередач, состояние подстанций и прочие независящие от конечного пользователя факторы. Повлиять на них мы не можем, посему нештатная ситуация, сопровождающаяся всплеском напряжения, может стать причиной выхода из строя одного или сразу нескольких электроприборов. Такая себе перспектива. Многих данная проблема не заботит, поэтому они рассчитывают на то, что никакой нештатной ситуации не случится, а если и случится — то техника по счастливому стечению обстоятельств будет выключена. Однако когда очередной электроприбор выходит из строя, мало кто задумывается, что причиной тому могут быть сетевые колебания.

Простейшим решением проблемы станет стабилизатор напряжения. Мы рассмотрим, как рассчитать мощность стабилизатора напряжения для дома и на какие модели обращать внимание, чтобы не переплатить за избыточные характеристики.

Алгоритм расчёта мощности стабилизатора

При подборе необходимой модели стабилизатора напряжения его неправильно рассчитанная мощность может привести к следующим последствиям:

• стабилизатор с выходной мощностью, меньшей, чем требуется, будет постоянно отключаться или вообще не запустится, а возможно и выйдет из строя;
• приобретение устройства с мощностью, намного превышающей требуемое значение, будет бесполезной тратой средств. Прибор в процессе работы будет недозагружен, что снизит его КПД.

Для определения актуальной мощности стабилизатора и правильного выбора подходящей модели рекомендуем придерживаться алгоритма, состоящего из трёх действий:

1. Выяснить мощность нагрузки.
2. Прибавить запас к значению мощности, потребляемой нагрузкой.
3. Подобрать по итоговой величине подходящую модель стабилизатора.

Разберём три указанных пункта и проанализируем наиболее распространённые ошибки, сопутствующие каждому из них.

↑ Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]

в качестве исходных данных использует предельные значения тока в нагрузке Iн min и Iн max, что при Iн min=0 позволяет предусмотреть режим холостого хода стабилизатора. Для постоянной нагрузки выбирают Iн max= Iн min.

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:

(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.

Если неравенство не выполняется, нужно: • применить более мощный стабилитрон; • задаться меньшими значениями ΔUвх н и ΔUвх в; • уменьшить Iн max или увеличить Iн min.

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

Uвх= Uст[(Iст р max+I н min)- (Iст р min+ I н max)]/[(Iст р max+I н min)(1- ΔUвх н)- (Iст р min+I н max)(1+ΔUвх в)].

Сопротивление балластного резистора:

R0= Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/[(Iст р max+ Iн min)- (Iст р min+ Iн max)].

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст)2/R0.

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, R0=221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Рис. 4. Скриншот параметрического стабилизатора режимом холостого хода

Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

Выясняем мощность подключенной к стабилизатору нагрузки

Мощность нагрузки равняется сумме мощностей всех подключённых к стабилизатору устройств. Перед расчетом суммарного значения мощности необходимо выяснить энергопотребление каждого из потребителей. Это сделать очень просто: мощность электроприборов обычно указывается в технической документации и дублируется на заводской табличке, прикреплённой к изделию.

Несмотря на видимую простоту действия, на данном этапе можно совершить несколько серьёзных ошибок, которые повлекут за собой выбор стабилизатора, не подходящего под ваши задачи.

Особое внимание стоит обратить на оборудование, для которого указывается несколько мощностей: насосы, обогревательная, звуковая, климатическая техника и т.д. Важно различать мощность электрическую и мощность, выдаваемую изделием при выполнении своих прямых задач, например, тепловую – для нагревательных котлов, охлаждения – для кондиционеров, звуковую – для аудиосистем.

Обратите внимание!

При выборе стабилизатора следует опираться исключительно на величину мощности, потребляемой нагрузкой от электросети! В паспорте электроприбора данный параметр может быть назван: «потребляемая мощность», «присоединительная мощность», «электрическая мощность» и т.п. Всё перечисленное является отражением одной величины – активной мощности, которая измеряется в Ваттах (Вт или W).

Обратите внимание!

Производители стабилизаторов обычно выстраивают модельный ряд своих стабилизаторов на основе другой величины – полной мощности, которая измеряется в Вольт-Амперах (ВА или VA). Важно понимать, что Ватты и Вольт-Амперы не одно и то же, и соответственно 1000 Вт не равны 1000 ВА!

У электроприборов, конструкция которых содержит ёмкостные компоненты или электродвигатели, активная и полная мощности могут существенно различаться. Поэтому приобретение рассчитанного на 1000 ВА стабилизатора при нагрузке в 1000 Вт может стать неверным решением – прибор окажется перегружен со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Во избежание данной ошибки, следует перевести Ватты в Вольт-Амперы и проанализировать не только активную, но и полную мощность нагрузки. Перевод из Ватт в Вольт-Амперы осуществляется делением значения в Ваттах на специальный параметр – коэффициент мощности или cos(φ): ВА=Вт/cos(φ).

Сos(φ) отражает зависимость активной мощности устройства от полной. Чем ближе величина cos(φ) к единице, тем меньше энергии рассеивается в виде электромагнитного излучения и тем больше преобразуется в полезную работу.

Численное значение cos(φ) обычно (но не всегда) указанно в технической документации прибора, потребляющего переменный ток (может обозначаться как «cos(φ)», «Power Factor» или «PF»). Если производитель не предоставил информацию о коэффициенте мощности своего изделия, то для бытовой техники допустимо принять cos(φ) в пределах 0,7-0,8, кроме устройств, преобразующих электроэнергию в свет и тепло (лампы накаливания, электрочайники, утюги и т.д.), для них интервал значений коэффициента мощности – 0,9-1.

Современная техника, в первую очередь компьютеры, часто оснащается блоком питания с коррекцией коэффициента мощности, которая приближает данный параметр к единице – 0,95-0,99. Если уверенности в наличии такой функции (обозначается «PFC» или «ККМ») нет, то для cos(φ) рекомендуется применить значение из указанного в предыдущем абзаце типового диапазона.

Полную мощность нагрузки следует рассчитывать с использованием только значения коэффициента мощности оборудования, соответствующего этой нагрузке, а не с использованием значения входного коэффициента мощности стабилизатора!

Обратите внимание!

Устройства, имеющие в своей конструкции электродвигатель, отличаются высокими пусковыми токами. К этой категории относятся: насосы, стиральные и посудомоечные машины, холодильники, кондиционеры, станки и компрессоры. Величина потребляемой из электросети энергии, в момент включения любого из названых приборов, может в несколько раз превысить величину, характерную для номинального режима работы.

Производители указанной техники иногда приводят максимальное энергопотребление непосредственно в характеристиках каждой модели, а иногда наоборот – дают только номинальное значение мощности, стараясь не привлекать внимание к неминуемым скачкам тока. Рекомендуем внимательно изучить сопутствующую любому оборудованию документацию и поискать информацию о фактической мощности, потребляемой устройством при пуске и в различных режимах работы. Мощность нагрузки определяется с использованием наибольшего из приведённых для каждого устройства значений!

Помимо механизмов с электродвигателями, высокие пусковые токи характерны и осветительным приборам. Причем не только с галогенными лампами и лампами накаливания, но и с популярным в последнее время светодиодными. Светодиоды не имеют пусковых токов, но большинство светильников, реализованных на их базе, снабжены конденсаторами, включение которых вызывает резкое увеличение потребляемого тока.

При выборе стабилизатора для защиты крупной светотехнической системы следует учесть, что значение мощности, возникающее при запуске такой системы, может многократно превышать номинальное.

В конечном счете

Такой условный источник тока можно использовать как стабилизатор тока для светодиодов в автомобиле (12 В-14,4 В), с помощью него подключать лазеры к какому-то трансформатору или ИБП со скачущим напряжением в несколько вольт или использовать в схемах зарядных устройств. Но, как вы поняли использовать данное устройство можно с любой другой нагрузкой, требующей стабильного значения электрического тока. Этот стабилизатор рассеивает “лишнюю” энергию в виде теплоты, что может быть неприемлемо в ситуациях, когда разница напряжений большая и протекающий ток не мал, но, например, в условиях когда входное напряжение не сильно превышает выходное и ток стабилизации мал, почему бы и нет?

Прибавляем запас по мощности

Правильно выбранный стабилизатор должен иметь выходную мощность, превышающую мощность, необходимую для электропитания нагрузки. Разница между мощностью стабилизатора и фактическим энергопотреблением нагрузки называется запасом мощности.

Рекомендуемый запас составляет 30% от величины энергопотребления нагрузки. Данное значение позволит:

• подключить к устройству в процессе эксплуатации дополнительные приборы, мощность которых не учитывалась при изначальном расчёте нагрузки;
• избежать перегрузки в случае сильного падения напряжения в электросети.

Дадим разъяснение по второму пункту. Дело в том, что мощность стабилизатора при выходе питающего напряжения из определённых пределов (рабочего диапазона) уменьшается. В частности, при 135 В в сети, стабилизатор вместо заявленных 500 ВА выдаст только 400 ВА и, соответственно, не сможет запитать предельную к его номиналу нагрузку.

Для некоторого оборудования рекомендуется заложить запас мощности свыше 30%. Это, например, кондиционеры или IT-техника. В первом случае, данное решение объясняйся ростом потребляемой кондиционером мощности в процессе эксплуатации устройства (вызвано неизбежным загрязнением фильтрующей сетки). Во втором случае – тенденцией к постоянному увеличению мощностей телекоммуникационного оборудования.

↑ Анализ работы параметрического стабилизатора [1 – 5]

Исходные данные анализа следующие: Uн, Iн, ΔIн, ΔUвх, R0.
Также для анализа необходимы параметры стабилитрона: Uст= Uн, rд, Iст max и Iст min.

Анализ сводится к вычислению рабочего тока стабилитрона Iст р=(Uвх-Uст)/R0-Iн; коэффициента передачи Nст= Uвх/Uст; мощности Po балластного резистора, коэффициента стабилизации Kст, КПД и коэффициента фильтрации Kф.

Важной является проверка режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора, которая выполняется по формулам, аналогичным приведенным в первом варианте расчета.

↑ Пример анализа №1

Проанализируем номиналы балластных резисторов R3 и R4 компенсационных стабилизаторов напряжения усилителя «Ланзар» [7-9] в зависимости от используемого напряжения питания.
Заявлен диапазон питающих напряжений усилителя от Uп=±30 В до ±65 В, в то время как на принципиальной схеме указаны сопротивления балластных резисторов R0=R3=R4=2,2 кОм (1 Вт) [8].

В другой публикации [9] рекомендуется выбирать величину сопротивления балластных резисторов в зависимости от напряжения питания усилителя по формуле R0=(Uп-15)/I, где I=8…10 мА. В таблице 1 выполнен расчет по указанной формуле для диапазона питающих напряжений усилителя с шагом в 5 В.

Выберем стабилитрон 1N4744A, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=15 В; rд=14 Ом; Iст max=61 мА; Iст min=5 мА.

Анализ работы параметрических стабилизаторов в усилителе «Ланзар» показал, что минимальный ток стабилизатора Iст р min выбран на пределе с запасом всего 3…14% вместо требуемых 20% (рис. 5).

Рис. 5. Режимы работы стабилизаторов в усилителе «Ланзар» в зависимости от выбранного напряжения питания

Используя средство анализа данных электронной таблицы Microsoft Excel «Подбор параметра», уточним сопротивления балластных резисторов. Для этого перейдем в ячейку с формулой для Iст р min (ячейка C26

) и в меню выберем
Данные
-> «
Анализ «что-если
»->
Подбор параметра
.

Установим в ячейке C26

значение 6,0 (запас 20% от Iст min), изменяя значение ячейки, в которой занесено сопротивление балластного резистора (
$C$15
).

Получим R0=1,438 кОм. Занесем в эту ячейку ближайшее значение сопротивления из стандартного ряда R0=1,3 кОм.

Проведя в таблице указанную операцию для всех значений питающих напряжений, получим следующий результат (рис. 6).

Рис. 6. Уточнение режимов работы параметрических стабилизаторов усилителя «Ланзар»

Итоги анализа сведены также в таблицу 2.

Подбираем модель стабилизатора

Для определения подходящей по мощности модели необходимо сверить мощностной ряд предлагаемых производителем стабилизаторов с энергопотреблением нагрузки – ближайшее в большую сторону значение в мощностном ряду и будет необходимой мощностью стабилизатора.

Обратите внимание!

Выбор стабилизатора со значением мощности, ближайшим к энергопотреблению нагрузки в меньшую сторону, либо снизит заложенный ранее запас по мощности, либо в худшем случае приведёт к приобретению стабилизатора с несоответствующими нагрузке выходными параметрами.

Обратите внимание!

Для трехфазного стабилизатора нагрузка на каждую фазу должна составлять не более 1/3 от номинальной. Например, трехфазный стабилизатор с номиналом 6000 ВА запитает трехфазную нагрузку в 4200 ВА (мощность потребляемая от одной фазы составит 1400 ВА), но подключение к отдельной фазе этого стабилизатора нагрузки в 2500 ВА вызовет перегрузку, так как максимально допустимое значение по одной фазе составляет: 6000/3=2000 ВА.

↑ Упомянутые источники

1. Поляков В. Теория: понемногу обо всем // Радио, 2000, №12, с. 45, 46 (8.6. Стабилизаторы напряжения); Радио, 2002, №12, с. 45 (Нелинейные цепи); Радио, 2003, №5, с. 51, 52 (Расчет блоков питания). 2. Будов А. Расчет параметрического стабилизатора напряжения // Радио, 1983, №8, с. 30. 3. Соколов А. Расчет на ПМК параметрического стабилизатора // Радио, 1990, №12, с.60, 61. 4. Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне . 5. Простые стабилизаторы напряжения и их расчет . 6. Усилитель «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом. 7. Симметричный усилитель мощности «Ланзар» // Радиоконструктор, 2008, №9, с. 10 – 13. 8. Статья на Интерлавке — Усилитель мощности «Ланзар» . 9. Мощный усилитель «Ланзар» . 10. Нефедов А. Микросхемные стабилизаторы напряжения // Радио, 2008, №10, с. 38 – 40 (Регулируемые стабилизаторы); Радио, 2009, №4, с. 41 – 44; №5, с. 41 – 44; №6, с. 41 – 44; №7, с. 42 — 44 (Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением).
Спасибо за внимание!

Пример подбора стабилизатора по мощности

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:

• 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»:

Ближайшая с большей стороны к расчётным значениям мощность – 5000 ВА и 4500 Вт, следовательно, именно такой стабилизатор подходит для подключения потребителя 1, потребителя 2 и потребителя 3.

Предположим, что потребителя 1, потребителя 2 и потребителя 3 необходимо подключить не к однофазному, а к трехфазному стабилизатору. Стандартный мощностной ряд ГК «Штиль» для подобных устройств следующий:

Нагрузку со значением полной мощности в 4542,07 ВА и активной – в 3419 Вт, возможно подключить к одной фазе трехфазного стабилизатора с выходной мощностью 15000 ВА / 13500 Вт, в котором отдельная фаза выдаст максимально – 5000 ВА / 4500 Вт.

Выбрать менее мощную модель стабилизатора позволит распределение нагрузки, то есть подключение каждого потребителя к отдельной фазе. Наибольшая нагрузка будет на фазе, питающей потребитель 1, энергопотребление которого – 1800 Вт / 2571,4 ВА.

Рассчитаем необходимый потребителю 1 запас мощности (примем рекомендованное значение запаса в 30%):

• 1800 х 0,3 = 540 Вт – запас активной мощности;
• 2571,4 х 0,3 = 771,4 ВА – запас полной мощности;
• 1800 + 540 = 2340 Вт – активная мощность потребителя 1 с учётом запаса;
• 2571,4 + 771,4 = 3342,8 ВА – полная мощность потребителя 1 с учётом запаса.

Значит, максимально возможная нагрузка на одну фазу стабилизатора при условии подключения трех потребителей к различным фазам может составить: 3342,8 ВА / 2340 Вт.

Выберем модель стабилизатора с выходной мощностью 10000 ВА / 8000 Вт, в которой допустимая нагрузка на одну фазу приблизительно равна 3333 ВА / 2666 Вт. В данном случае допустимо выбрать стабилизатор с полной мощностью чуть меньшей, чем расчётная – фактически это снизит запас по мощности для потребителя 1 на 1-2%.

Обратите внимание!

Существуют стабилизаторы топологии «3 в 1», то есть с трехфазным входом и однофазным выходом. Подобная схема позволяет равномерно нагрузить трехфазную сеть при подключении однофазной нагрузки.

↑ Первый вариант расчета параметрического стабилизатора [2, 4, 5]

проведем для случая, когда напряжение питания нестабильно, а сопротивление нагрузки относительно постоянно.

Исходными данными для расчета служат: Uвых, Iн, ΔIн, Uвх, ΔUвх.

Для получения требуемого выходного напряжения по справочнику выбираем стабилитрон с параметрами: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Требуемоемое входное напряжение рассчитываем исходя из крайних оптимальных коэффициентов передачи стабилизатора Nст=1,4…2, который также может быть выбран пользователем в любом необходимом диапазоне Nст:

Uвх= Nст Uст.

Далее выбираем рабочий ток через стабилитрон Iст р примерно из середины диапазона допустимых значений, убедившись при этом, что Iст р> Iн:

Iст р=0,5(Iст min+Iст max)> Iн.

Вычислим сопротивление балластного резистора:

R0=(Uвх- Uст)/(Iст р+ Iн).

Рассчитаем с двукратным запасом мощность балластного резистора:

Po=2(Iст р+ Iн)2R0.

Проверим выбранный режим работы стабилизатора. Расчет произведен верно, если при одновременном изменении Uвх на величину ΔUвх и Iн на величину ΔIн ток стабилитрона не выходит за пределы Iст max и Iст min: Iст р max=(Uвх+ ΔUвх- Uст)/(R0-(Iн- ΔIн))<0,8 Iст max; Iст р min=(Uвх- Uст)/(R0-(Iн+ ΔIн))>1,2 Iст min.

Здесь учтен запас в 20%, необходимый для надежной работы стабилитрона. Принятое при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от справочного Iст max вызвано соображениями эксплуатационной надежности устройства, чтобы мощность, рассеиваемая на стабилитроне была ниже предельной. Для гарантированного обеспечения требуемого коэффициента стабилизации минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст р min принято в расчете в 1,2 раза большим, чем Iст min.

Если полученные значения токов Iст р max и Iст р min выходят за пределы допустимых значений, то необходимо выбрать другое значение Iст р, изменить сопротивление R0 или заменить стабилитрон.

Также вычислим параметры стабилизатора, определяющие его качество и эффективность – коэффициент стабилизации Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R0/(rдNст), коэффициент полезного действия КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст))=1/(Nст(1+ Iст/Iн)), и коэффициент фильтрации Kф=Kст/КПД.

↑ Пример расчета №1

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток в нагрузке Iн=10 мА; изменение тока в нагрузке ΔIн=2 мА; изменение входного напряжения ΔUвх=10%.
Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн=9 В; rд=10 Ом; Iст max=36 мА; Iст min=3 мА.

Заносим приведенную выше информацию в соответствующие ячейки исходных данных (выделены светло-голубой заливкой) листа «Первый вариант расчета» таблицы Microsoft Excel «Расчет и анализ работы параметрического стабилизатора напряжения.xlsx» и тут же получаем результаты вычислений в расчетных ячейках, выделенных светло-коричневой заливкой:

входное напряжение Uвх=15,0 В; сопротивление балластного резистора R0=240 Ом, мощность балластного резистора с двукратным запасом Po=0,3 Вт; Kст=15,0, КПД=24%, Kф=62,5 (см. рис. 2).

Рис. 2. Печать с экрана примера расчета №1

Выбираем резистор сопротивлением 240 Ом мощностью 0,5 Вт.

Предположим, что на входе стабилизатора имеются пульсации переменного напряжения амплитудой Uп вх=0,1 В=100 мВ. Амплитуда пульсаций на выходе стабилизатора составит Uп ст= Uп вх/Kф=100/62,5=1,6 мВ.

↑ Пример расчета №2

Произведем расчет параметрического стабилизатора для усилителя «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом [6] для питающих напряжений Uп=Uвх=±25 В; ±35 В и ±45 В.
Расчет выполним для параметрического стабилизатора положительной полярности (R5, VD1, C2), поскольку другой стабилизатор, отрицательной полярности (R6, VD2, C4) отличается только направлением включения стабилитрона.

Подготовим исходные данные: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=12 В, ток в нагрузке Iн=(12-0,5)/R2=11,5/10=1,15 мА, ΔIн=0,115 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон BZX55C12, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=12 В; rд=20 Ом; Iст max=32 мА; Iст min=5 мА.

Результаты вычислений показаны на рис. 3; для Uп=±25 В R5=R6=1,3 кОм (0,25 Вт); для Uп=±35 В R5=R6=2,4 кОм (0,5 Вт); для Uп=±45 В R5=R6=3,6 кОм (1 Вт).

Рис. 3. Расчет параметрических стабилизаторов для усилителя «Green Lanzar»

Подводим итог

Во избежание ошибок при определении мощности стабилизатора и траты денег на прибор, который в итоге окажется бесполезным, необходимо:

• использовать при расчёте мощности нагрузки значение мощности, потребляемой электроприбором из сети, а не значение мощности, характеризующей полезную работу этого электроприбора;
• использовать при расчёте полной мощности нагрузки коэффициент мощности, соответствующий этой нагрузке, а не входной коэффициент мощности стабилизатора;
• рассчитывать мощность нагрузки с обязательным учётом пусковых токов для всех устройств, характеризующихся их высоким значением;
• при необходимости переводить Вт в ВА и анализировать мощность нагрузки в единицах измерения соответствующих единицам, на основе которых выстроен мощностной ряд стабилизаторов;
• выбирать мощность стабилизатора с учетом необходимого запаса;
• выбирать стабилизатор с номинальной мощностью выше, чем расчётная мощность нагрузки (допустимо лишь небольшое округление нагрузочной мощности в меньшую сторону, при условии наличия предварительно заложенного запаса мощности);
• выбирать трехфазный стабилизатор для однофазной нагрузки, анализируя не только номинальную выходную мощность устройства, но и мощность отдельной фазы.

Внимательность при расчетах и соблюдение всех вышеприведённых правил поможет подобрать модель стабилизатора, отвечающую требованиям вашей нагрузки. В случае возникновения любых сложностей и вопросов рекомендуем проконсультироваться со специалистами!

Расчет по техническим характеристикам

Каждый прибор в комплекте имеет паспорт, где указаны все характеристики работы. В нем указана мощность устройства. Необходимо суммировать все значения устройств. Эта величина будет приблизительной.

К ней необходимо добавить запас мощности около 30% для пусковых токов, и также 50% для устройств, изготовленных в Китае.

Схема подключения LM317 – стабилизатор тока

LM317 может работать и в качестве стабилизатора тока. Стабилизатор тока, как правило, используют для питания светодиодов. Все что нужно для стабилизации тока — это LM317 и один постоянный резистор.

Ниже приведена типовая схема подключения LM317 в качестве стабилизатора тока, взятая из datasheet:

Формула расчета тока стабилизации следующая:

IO = VREF /R1

• IO — выходной ток.
• VREF — опорное напряжение по datasheet (1,25 В).
• R1 — сопротивление резистора.

Онлайн калькулятор LM317 — расчет тока

Для облегчения вычисления ниже представлен онлайн калькулятор для расчета тока стабилизатора LM317:

Для упрощения расчета номинала резистора можно использовать несложный калькулятор, который поможет рассчитать необходимые номиналы не только для LM317, но и для L200, стабилитрона TL431, M5237, 78xx.

(103,4 KiB, скачано: 50 741)

Готовые решения

Меня часто просят посоветовать какой-нибудь хороший стабилизатор напряжения в квартиру, поэтому привожу список надежных и проверенных временем моделей, которые с 90%-ной вероятностью вам подойдут.

Все стабилизаторы — релейного типа, кроме последнего (он электромеханический со щетками).

Все перечисленные стабилизаторы имеют функцию «BYPASS« — это когда вход соединяется с выходом напрямую, стабилизатор, по сути, вообще исключается из электрической цепи. Очень удобная вещь, если вам не требуется постоянная стабилизация напряжения. Или вы хотели бы временно подключить очень мощную нагрузку, которую ваш стабилизатор гарантированно не потянет (например, сварочный аппарат).

РЕСАНТА ACH-10000/1-Ц

РЕСАНТА ACH-10000/1-Ц — недорогой однофазный релейный стабилизатор на 10000 Вт. Представляет собой небольшой металлический ящик с ручками для переноски (ручки очень кстати, так как весит он под 20 кг).

Очень быстро реагирует на изменение напряжения в сети (скорость реакции всего 7 мс). Надежная модель, наблюдаю за двумя экземплярами вот уже третий год и никаких нареканий. Вся информация выводится на цифровой дисплей на передней панели. Единственное, что удручает, это громкие щелчки в момент переключения обмоток. Поэтому у изголовья кровати в спальне ставить не рекомендуется. Да и подсветка у экрана очень яркая, будет освещать спальню.

Есть точно такая же модель, только в навесном исполнении (РЕСАНТА ACH-10000Н/1-Ц), все характеристики совпадают, но стоит почти на тысячу дешевле. На фото ниже представлены сразу обе модификации.

Обе модели имеют встроенный сетевой фильтр для защиты от высокочастотных и импульсных помех. Имеется защита от короткого замыкания в нагрузке, а также от превышения мощности и перегрева.

Кстати, охлаждение сделано при помощи вмонтированного внутрь вентилятора, который включается под нагрузкой. Как и любые другие силовые приборы, эти не рекомендуется длительное время держать под 100%-ной нагрузкой, поэтому при выборе стабилизатора обязательно предусматривайте некоторый запас по мощности (процентов 20-30).

RUCELF SRWII-12000-L

RUCELF SRWII-12000-L — этот бытовой стабилизатор напряжения хорошо себя зарекомендовал из-за длительной бесперебойной работы. За время моей практики ни разу не слышал, чтобы эта модель сломалась.

ЖК-экран, установленный спереди прибора, отображает не только входное и выходное напряжение, но и шкалу загрузки по мощности. Удобно контролировать параметры сети.

Многие предпочитают настенное крепление стабилизаторов, т.к. при этом он не занимает лишнее место в квартире, можно уложить всю проводку в кабель-каналы, дети не достают до кнопок и прочих органов управления. Крепеж этого прибора должен быть надежным, потому что весит этот ящик почти 25 кг. Вообще, большая масса релейного стабилизатора — это признак большой мощности.

REAL-EL WM-10/130-320V

Имеет принудительное охлаждение, которое включается по мере необходимости (по умолчанию вентилятор не шумит). Легко справляется с повышенным напряжением (до 320 Вольт). Немного щелкает во время стабилизации, так что лучше всего устанавливать в коридоре.

Имеет встроенную защиту от перегрузки, повышенного напряжения, перегрева и импульсных помех. Отличный стабилизатор для бытовой техники.

Возможно, черный цвет корпуса для кого-то будет дополнительным плюсом. На рынке не так много стабилизаторов нестандартной расцветки.

ЭНЕРГИЯ АСН-15000

ЭНЕРГИЯ АСН-15000 — напольный однофазный релейный стабилизатор с широким диапазоном входных напряжений. Последние несколько лет производится на базе российского завода ЭТК Энергия.

Не искажает форму выходного напряжения. Имеет 5 ступеней регулировки. Немного шумный в моменты переключения.

Вход и выход выполнен в виде клемм, что намекает на стационарное размещение. Да его и не потаскаешь особо — масса прибора около 19 кг.

Требует надежного заземления. Конечно же, будет работать и без заземляющего проводника, но тогда необходимо обеспечить абсолютную недосягаемость стабилизатора от прикосновения (что на практике вряд ли достижимо).

SUNTEK СНЭТ 16000

SUNTEK СНЭТ 16000 — мощный релейный стабилизатор напряжения для бытовой техники. Способен работать на полную мощность уже от 140В на входе. В течении нескольких секунд выдерживает 50%-ную перегрузку, что очень важно при работе на потребителя с высокими пусковыми токами (пылесос, кондиционер, холодильник).

С 25%-ным снижением мощности способен работать уже при 120 Вольтах. Дальнейшее уменьшение входного напряжения приводит к обесточиванию нагрузки, чтобы защитить ее от выхода из строя. Как и все релейные стабилизаторы совершенно не влияет на синусоидальность выходного напряжения.

Размещение возможно как напольное, так и навесное (настенное). Имеет клеммные колодки на входе и выходе. Без проблем переносит сильные броски напряжения от работающего рядом сварочного инвертора. Имеет варисторную защиту от высоковольтных импульсов (например, близкого разряда молнии).

Рассчитан на круглосуточную бесперебойную работу и показал прекрасную надежность.

SUNTEK СНЭТ 15000-ЭМ

SUNTEK СНЭТ 15000-ЭМ — напольный однофазный электромеханический стабилизатор. Обладает высоким КПД (более 97%), пониженным уровнем шума и повышенной перегрузочной способностью.

Второе преимущество перед релейными — это высокая точность стабилизации, которая в данной модели достигает 2%.

Рабочий диапазон стабилизатора — от 140 до 270 Вольт. При эксплуатации в неполную мощность рабочий диапазон расширяется до 120-285В.

Ящик снабжен роликами, чтобы катать его с места на место. Поднять его далеко не каждому под силу (все-таки 54 кг живого веса!).

Отличная модель бытового стабилизатора напряжения 220 Вольт! Я бы всем его советовал, если бы не достаточно высокая стоимость и необходимость периодического обслуживания. Но если вас это не смущает, то берите и пользуйтесь. Не пожалеете.

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор

, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь
ток Iобр
, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать
обратное напряжение Uобр
на диоде до определённого
значения Uобр.max
произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви

вольт-амперной характеристики, в области же
прямой ветви
стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом
Обозначение стабилитрона