Виды и схемы стабилизаторов напряжения — познаем вместе

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации.

Параметрический стабилизатор

Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.

Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой. Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением. При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.

На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Стабилизация напряжения бытовой сети

Стремления обеспечить стабилизированное напряжение бытовой сети – явление очевидное. Такой подход обеспечивает сохранность эксплуатируемой техники, зачастую дорогостоящей, постоянно необходимой в хозяйстве. Да и в целом, фактор стабилизации – это залог повышенной безопасности эксплуатации электрических сетей.

Для бытовых целей чаще всего приобретают стабилизатор для газового котла, автоматика которого требует подключения к электропитанию, для холодильника, насосного оборудования, сплит систем и подобных потребителей.

Промышленная конструкция стабилизатора сетевого напряжения, которую несложно приобрести на рынке. Ассортимент подобного оборудования огромен, но всегда остаётся возможность сделать собственную конструкцию

Решить подобную задачу можно разными способами, самый простой из которых – купить мощный стабилизатор напряжения, изготовленный промышленным способом.

Предложений стабилизаторов напряжения на коммерческом рынке масса. Однако нередко возможности приобретения ограничиваются стоимостью устройств или другими моментами. Соответственно, альтернативой покупке становится сборка стабилизатора напряжения своими руками из доступных электронных компонентов.

При условии обладания соответствующими навыками и знаниями электромонтажа, теории электротехники (электроники), разводки схем и пайки элементов самодельный стабилизатор напряжения можно реализовать и успешно применять на практике. Такие примеры есть.

Примерно так может выглядеть оборудование стабилизации, изготовленное своими руками из доступных и недорогих радиодеталей. Шасси и корпус можно подобрать от старого промышленного оборудования (например, от осциллографа)

Виды стабилизаторов напряжения

Принципиальная схема стабилизатора напряжения включает 2 основных элемента, функции которых заключаются в сравнении входных параметров тока с требуемыми и регулировкой выходных характеристик. При выборе стабилизатора необходимо учитывать его основные параметры, которые должны соответствовать свойствам электросети и особенностям питающихся от неё потребителей.

В список главных характеристик любого стабилизирующего устройства входят:

• Точность стабилизации;
• Скорость реакции на изменения параметров входного тока;
• Эксплуатационная надёжность;
• Защищённость от помех;
• Срок эксплуатации;
• Стоимость.

Существует несколько технических решений, позволяющих обеспечить стабильные параметры тока в сетях электропитания различного назначения. Наиболее широкое применение получили следующие виды стабилизаторов напряжения:

Сервоприводные. Обеспечивают высокую точность стабилизации и обладают неплохой устойчивостью к сетевым перегрузкам, включая короткое замыкание. Схема стабилизатора напряжения сервоприводного типа имеет существенный недостаток – низкую скорость реакции на изменения характеристик входного тока, вследствие их целесообразно использовать для защиты потребителей, питающихся от сетей, исключающих резкие скачки напряжения на входе.

Релейные. Характеризуются завидным быстродействием, однако не способны обеспечить высокую точность и качество выравнивания выходного напряжения, вследствие чего применяются для защиты электрооборудования малой мощности.

Электронные. Работают по тому же принципу, что и релейные, но вместо коммутационных реле функцию регулировки выходного напряжения выполняют электронные ключи – симисторы или тиристоры. Устройства этого типа отличаются высокой скоростью стабилизации и надёжной защитой от резких скачков входного напряжения. К недостаткам можно отнести сравнительно большую погрешность при выравнивании выходного тока и высокую стоимость.

Электромеханические. Представляют собой разновидность сервоприводных стабилизаторов. В отличии от последних, в оборудовании этого класса вместо графитовых щёток используются ролики, обеспечивающие защиту от перегрева, высокую перегрузочную способность и продолжительный срок службы системы. Главным минусом электромеханического стабилизатора является сравнительно высокая стоимость.

В продаже встречаются гибридные (с двойной релейной схемой), а также инверторные и широтно-импульсные (ШИМ) стабилизаторы. Они обеспечивают высокую скорость выравнивания выходного тока с небольшой погрешностью и могут работать с широким диапазоном входных параметров напряжения. Стабилизаторы с подмагничиванием и дискретным высокочастотным регулированием являются узкоспециализированными, вследствие чего широкого применения на практике не получили.

Что такое стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения — это электрическое устройство, которое используется для подачи постоянного напряжения на нагрузку на своих выходных клеммах независимо от каких-либо изменений или колебаний на входе, то есть входящего питания.

Основное назначение стабилизатора напряжения заключается в защите электрических или электронных устройств (например, кондиционера, холодильника, телевизора и так далее) от возможного повреждения в результате скачков напряжения или колебаний, повышенного или пониженного напряжения.

Стабилизатор напряжения также известен как AVR (автоматический регулятор напряжения). Использование стабилизатора напряжения не ограничивается домашним или офисным оборудованием, которое получает электропитание извне. Даже места, которые имеют свои собственные внутренние источники питания в виде дизельных генераторов переменного тока, сильно зависят от этих AVR для безопасности своего оборудования.

Мы можем увидеть различные типы стабилизаторов напряжения, доступных на рынке. Аналоговые и цифровые автоматические стабилизаторы напряжения доступны от многих производителей. Благодаря растущей конкуренции и повышению осведомленности о безопасности устройств. Эти стабилизаторы напряжения могут быть однофазными (выход 220-230 вольт) или трехфазными (выход 380/400 вольт) в зависимости от типа применения. Регулирование желаемой стабилизированной мощности осуществляется методом понижения и повышения напряжения в соответствии с его внутренней схемой. Трехфазные стабилизаторы напряжения доступны в двух разных моделях, то есть моделях с сбалансированной нагрузкой и моделях с несбалансированной нагрузкой.

Они доступны в различных рейтингах и диапазонах КВА. Стабилизатор напряжения нормального диапазона может обеспечить стабилизированное выходное напряжение 200-240 вольт с усилением 20-35 вольт при питании от входного напряжения в диапазоне от 180 до 270 вольт. Принимая во внимание, что широкий диапазон стабилизатора напряжения может обеспечить стабилизированное напряжение 190-240 вольт с повышающим сопротивлением 50-55 вольт при входном напряжении в диапазоне от 140 до 300 вольт.

Они также доступны для широкого спектра применений, таких как специальный стабилизатор напряжения для небольших устройств, таких как телевизор, холодильник, микроволновые печи, для одного огромного устройства для всей бытовой техники.

В дополнение к своей основной функции стабилизаторы текущего напряжения оснащены многими полезными дополнительными функциями, такими как защита от перегрузки, переключение нулевого напряжения, защита от изменения частоты, отображение отключения напряжения, средство запуска и остановки выхода, ручной или автоматический запуск, отключение напряжения и так далее.

Стабилизаторы напряжения являются очень энергоэффективными устройствами (с эффективностью 95-98%). Они потребляют очень мало энергии, которая обычно составляет от 2 до 5% от максимальной нагрузки.

Компенсационный стабилизатор

Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность подключать питание прибора с током, который не превышает наибольшего тока стабилитрона. Вследствие этого используют приборы, стабилизирующие напряжение, и получившие название компенсационных. Они состоят из двух видов: параллельные и последовательные.

Называется прибор по методу подключения элементу регулировки. Обычно используются компенсационные стабилизаторы, относящиеся к последовательному виду. Его схема:

Элементом регулировки выступает транзистор, соединенный последовательно с нагрузкой. Напряжение выхода равняется разности значения стабилитрона и эмиттера, которое составляет несколько долей вольта, поэтому считается, что выходное напряжение равно стабилизирующему напряжению.

Рассмотренные приборы обоих типов имеют недостатки: невозможно получить точную величину напряжения выхода и производить регулировку во время работы. Если нужно создать возможность регулирования, то стабилизатор компенсационного вида изготавливают по схеме:

В этом приборе регулировка осуществляется транзистором. Основное напряжение выдает стабилитрон. Если напряжение выхода повышается, база транзистора получается отрицательной в отличие от эмиттера, транзистор откроется на большую величину и ток возрастет. Вследствие этого, напряжение отрицательного значения на коллекторе станет ниже, так же как и на транзисторе. Второй транзистор закроется, его сопротивление повысится, напряжение выводов повысится. Это приводит к снижению напряжения выхода и возвращению к бывшему значению.

При снижении напряжения выхода проходят подобные процессы. Отрегулировать точное напряжение выхода можно резистором настройки.

Схемные решения стабилизации электросети 220В

Рассматривая возможные схемные решения под стабилизацию напряжения с учётом относительно высокой мощности (не менее 1-2 кВт), следует иметь в виду разнообразие технологий.

Существует несколько схемных решений, которыми определяются технологические способности приборов:

• феррорезонансные;
• сервоприводные;
• электронные;
• инверторные.

Какой вариант выбрать, зависит от ваших предпочтения, имеющихся материалов для сборки и навыков работы с электротехническим оборудованием.

Вариант #1 – феррорезонансная схема

Для самостоятельного изготовления самым простым вариантом схемы видится первый пункт списка – феррорезонансная схема. Она работает на использовании эффекта магнитного резонанса.

Структурная схема простого стабилизатора, выполненного на основе дросселей: 1 – первый дроссельный элемент; 2 – второй дроссельный элемент; 3 – конденсатор; 4 – сторона входного напряжения; 5 – сторона выходного напряжения

Конструкцию достаточно мощного феррорезонансного стабилизатора допустимо собрать всего на трёх элементах:

1. Дроссель 1.
2. Дроссель 2.
3. Конденсатор.

Однако простота в данном варианте сопровождается массой неудобств. Конструкция мощного стабилизатора, собранная по феррорезонансной схеме, получается массивной, громоздкой, тяжелой.

Вариант #2 – автотрансформатор или сервопривод

Фактически речь идет о схеме, где используется принцип автотрансформатора. Трансформация напряжения автоматически осуществляется за счет управления реостатом, ползунок которого перемещает сервопривод.

В свою очередь сервопривод управляется сигналом, получаемым, к примеру, от датчика уровня напряжения.

Принципиальная схема сервоприводного аппарата, сборка которой позволит создать мощный стабилизатор напряжения для дома или на дачу. Однако этот вариант считается технологически устаревшим

Примерно по такой же схеме действует устройство релейного типа с той лишь разницей, что коэффициент трансформации меняется, в случае надобности, подключением или отключением соответствующих обмоток с помощью реле.

Схемы подобного рода выглядят уже более сложными технически, но при этом не обеспечивают достаточной линейности изменения напряжения. Собрать вручную прибор релейный или на сервоприводе допустимо. Однако разумнее выбрать электронный вариант. Затраты сил и средств практически одинаковые.

Вариант #3 – электронная схема

Сборка мощного стабилизатора по схеме электронного управления при обширном ассортименте радиодеталей в продаже становится вполне возможной. Как правило, такие схемы собираются на электронных компонентах – симисторах (тиристорах, транзисторах).

Также разработан целый ряд схем стабилизаторов напряжения, где в качестве ключей используются силовые полевые транзисторы.

Структурная схема модуля электронной стабилизации: 1 – входные клеммы устройства; 2 – симисторный блок управления трансформаторными обмотками; 3 – микропроцессорный блок; 4 – выходные клеммы на подключение нагрузки

Изготовить мощный аппарат полностью под электронным управлением руками неспециалиста достаточно сложно, лучше купить готовое устройство. В этом деле без опыта и знаний в сфере электротехники не обойтись.

Под самостоятельное производство рассматривать этот вариант целесообразно, если имеется сильное желание построить стабилизатор, плюс наработанный опыт электронщика. Далее в статье рассмотрим конструкцию электронного исполнения, пригодную для изготовления своими руками.

Электромеханические стабилизаторы

Устройство и принцип работы. Стабилизаторы данного типа появились практически одновременно с феррорезонансными, но имеют отличные от них конструкцию и принцип работы. Главные элементы любого устройства данной топологии – автотрансформатор и подвижный токосъёмный контакт, выполненный в виде ролика, ползунка или щетки. Указанный контакт перемещается по обмотке трансформатора, вследствие чего происходит плавное увеличение или уменьшение коэффициента трансформации и соответствующее изменение (коррекция) поступающего из сети напряжения. Первые электромеханические стабилизаторы имели ручную регулировку – специальный бегунок передвигался по катушке и отключал или подключал витки до количества, необходимого для достижения номинального значения выходного напряжения. В современных устройствах этот процесс автоматизирован: плата управления анализирует входной ток и в случае отклонения его параметров сигнализирует сервоприводу, перекатывающему коммутационный контакт на сегмент тороидальной обмотки автотрансформатора с напряжением, максимально приближенным к номинальному.

Преимущества. Основное достоинство электромеханического принципа стабилизации напряжения – непрерывное регулирование с высокой точностью и без искажения синусоидальной формы сигнала. Также ключевым преимуществом является самая низкая стоимость электромеханических стабилизаторов на отечественном рынке.

Недостатки. Эти устройства имеют и ряд существенных недостатков, делающих их не самым оптимальным решением для защиты многих видов нагрузки, а именно:

• низкое (за исключением некоторых моделей) быстродействие – скорость реакции на изменение входного сигнала ограничивается временем, требуемым сервоприводу для срабатывания;
• возникновение кратковременных скачков выходного напряжения при резких перепадах входного, что пагубно влияет на чувствительные электронные компоненты защищаемого оборудования и осложняет применение в сетях с сильными перепадами напряжения;
• низкое качество фильтрации входных электромагнитных помех и трансляция возмущающего воздействия на выход устройства;
• низкая надежность из-за механически движущихся деталей, что значительно сокращает срок эксплуатации устройства, из-за чего именно этот тип стабилизаторов чаще всего выходит из строя.

Дополнительные неудобства при эксплуатации электромеханических стабилизаторов в домашних условиях создают:

• повышенный уровень шума и возможное искрение при работе – следствие движения сервопривода по виткам катушки;
• громоздкая конструкция, большое количество механических узлов и деталей, и, соответственно, большой вес;
• необходимость периодического обслуживания подверженного износу узла механического контакта, надёжность которого снижается пропорционально числу срабатываний.

Кроме того, приборы этой группы могут давать сбои при длительном использовании в условиях отрицательной температуры – такому оборудованию комфортнее в отапливаемых помещениях.

Применение. Перечисленные недостатки обуславливают ограниченную сферу применения электромеханических стабилизаторов — они все еще востребованы в сетях без молниеносных скачков напряжения. Разумеется, такие устройства не подходят для бытового использования в домашних условиях, но вполне удачно используются в качестве временной стабилизации напряжения в подсобном хозяйстве, гаражах, небольших мастерских — там, где снижение температуры незначительно. Хотя рассматриваемый тип преобразователей постепенно уходит в прошлое и уступает место более современным конструкциям на релейной и тиристорной основе.

Принцип работы и тест самоделки

Регулирующим элементом электронной схемы стабилизации выступает мощный полевой транзистор типа IRF840. Напряжение для обработки (220-250В) проходит первичную обмотку силового трансформатора, выпрямляется диодным мостом VD1 и поступает на сток транзистора IRF840. Исток этого же компонента соединен с минусовым потенциалом диодного моста.

Схема принципиальная стабилизирующего блока высокой мощности (до 2 кВт), на основе которой были собраны и успешно используются несколько аппаратов. Схема показала оптимальный уровень стабилизации при указанной нагрузке, но не выше

Часть схемы, в которую включена одна из двух вторичных обмоток трансформатора, образуется диодным выпрямителем (VD2), потенциометром (R5) и другими элементами электронного регулятора. Этой частью схемы формируется управляющий сигнал, который поступает на затвор полевого транзистора IRF840.

На случай повышения напряжения питающей сети управляющим сигналом понижается напряжение затвора полевого транзистора, что приводит к закрытию ключа. Соответственно, на контактах подключения нагрузки (XT3, XT4) возможное повышение напряжения ограничивается. Обратным вариантом работает схема на случай понижения сетевого напряжения.

Настройка прибора особой сложностью не отличается. Здесь потребуется обычная лампа накаливания (200-250 Вт), которую следует включить на клеммы выхода прибора (X3, X4). Далее вращением потенциометра (R5) напряжение на отмеченных клеммах доводят до уровня 220-225 вольт.

Выключают стабилизатор, отключают лампу накаливания и включают прибор уже с полноценной нагрузкой (не выше 2 кВт).

После 15-20 минут работы вновь отключают аппарат и производят контроль температуры радиатора ключевого транзистора (IRF840). Если нагрев радиатора существенный (более 75º), следует подобрать более мощный теплоотводящий радиатор.

Если процесс изготовления стабилизатора показался вам слишком сложным и нерациональным с практической точки зрения, без особых проблем можно найти и приобрести устройство заводского исполнения. Правила и критерии выбора стабилизатора на 220 В приведены в рекомендуемой нами статье.

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

• 1 – источник напряжения;
• 2 – Элемент регулировки;
• 3 – усилитель;
• 4 – источник основного напряжения;
• 5 – определитель напряжения выхода;
• 6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного соз