Схема регулируемого стабилизатора напряжения с защитой

Разновидности и схемы стабилизаторов напряжения

Любое электрооборудование проектируется с расчётом на стабильные параметры сетевого напряжения. Это необходимо по двум причинам:

Подключённое к сети устройство должно обеспечивать стабильные параметры тока на выходе в соответствии со своим целевым предназначением;
Электрическая схема оборудования нуждается в защите от аномалий входного тока, которые являются основной причиной сбоев в работе и выходе из строя потребителей электроэнергии вследствие перегорания их токопроводящих контактов и элементов.

Чтобы питающее сетевое напряжение оставалось неизменным, используется специальное устройство – стабилизатор напряжения. Он осуществляет выравнивание характеристик входного тока и обеспечивает отключение потребителей в случае возникновения короткого замыкания или других критических сетевых аномалий.

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.

Сервоприводные стабилизаторы

Схема стабилизатора напряжения сервоприводного типа включает:

Блок защиты от перегрузки;
Автотрансформатор;
Серводвигатель с редуктором;
Блок управления

Сервоприводные стабилизаторы напряжения осуществляют выравнивание выходного тока посредством сервопривода, который приводит в движение коммутационные контакты – графитовые щётки. Перемещение последних в нужную позицию обмотки трансформатора осуществляется плавно без прерывания фазы и искажений синусоиды выходного напряжения. При скачках или проседаниях входного тока в пределах 10 В блок управления выдаёт команду серводвигателю, который двигает коммутационные контакты до достижения требуемых на выходе 220 В.

Схема регулируемого стабилизатора напряжения сервоприводного типа включает подвижные элементы, что снижает его надёжность и долговечность. Кроме того, устройства этого класса поддерживают достаточно узкий диапазон входного напряжения (150-260 В) и допустимой нагрузки (в пределах 250-500 Вт). В то же время, работают они практически бесшумно и обеспечивают погрешность выравнивания параметров тока не более 2-3%.

Стабилизаторы релейного типа

Принцип работы устройств стабилизации релейного типа основан на ступенчатом регулировании напряжения. Осуществляется оно посредством силовых реле, которые выполняют коммутацию секций на вторичной обмотке автотрансформатора после вычисления необходимого числа трансформации контролирующим входные и выходные параметры тока процессором.

К основным достоинствам релейных стабилизаторов относят:

Компактные габариты и небольшой вес;
Широкий диапазон выравнивания;
Возможность применения при температурном режиме -20…+40°C;
Низкую стоимость.

Главные минусы этого оборудования – малая перегрузочная способность и снижение скорости стабилизации при увеличении точности последней.

Электронные стабилизаторы напряжения

Электронные устройства стабилизации работают по принципу ступенчатого регулирования напряжения посредством автоматической коммутации участков вторичной обмотки трансформатора, которая осуществляется силовыми электронными ключами, управляемыми процессорным блоком.

Отсутствие открытой коммутации исключает возникновение искр и окисление токопроводящих контактов схемы стабилизатора при избыточном токе на входе. Кроме того, оборудование этого класса обеспечивает малую инерционность срабатывания, отличается высокой конструктивной надёжностью и полностью бесшумной работой.

Можно собрать электронный стабилизатор напряжения 220В своими руками. Стоимость такое устройство будет иметь гораздо меньшую, чем произведённое на заводе, обеспечивая простоту в обслуживании. Основным недостатком самодельных решений является их низкая надёжность.

Инверторные стабилизирующие устройства

Всё более популярными становятся устройства стабилизации, работающие по принципу двойного преобразования напряжения. Они не имеют подвижных элементов и обеспечивают куда более высокое качество выравнивания тока, чем классические сервоприводные, релейные и электронные.

Схема инверторного стабилизатора напряжения 220В включает:

Входной частотный фильтр;
Выпрямитель напряжения;
Корректор коэффициента мощности;
Накопительный конденсатор;
Преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор) с требуемыми на выходе устройства характеристиками.
Микроконтроллер.

Входной ток проходит частотную фильтрацию, после чего выпрямитель превращает его в постоянный с правильной синусоидой. В результате значительно возрастает коэффициент мощности. Постоянное напряжение заряжает конденсаторы, с которых ток поступает на инвертор, где выравниваются его частота и напряжение до требуемых 50 Гц и 220 В соответственно.

Инверторные устройства стабилизации обеспечивают КПД выше 90% и практически нулевую инерционность, поддерживая широкий спектр входных параметров тока.

Схема подключения стабилизатора напряжения не представляет особой сложности. Очень важно при этом грамотно выбрать сечение кабеля:

Чем выше мощность устройства, тем большей должна быть площадь сечения;
При низком уровне входного напряжения сила тока будет большой, поэтому для сетей с преобладающими проседаниями напряжения следует выбирать сечение кабеля с запасом.

И главное: при подключении стабилизатора любого типа требуется неукоснительно соблюдать правила электробезопасности и рекомендации производителя, указанные в паспорте устройства.

Источник

Схема регулируемого стабилизатора напряжения с защитой

Микросхемы (далее ИМС) линейных стабилизаторов напряжения очень удобны для применения в различных схемотехнических проектах, не требующих высоких КПД и больших мощностей. При использовании правильных схемотехнических решений, они обеспечивают более высокую надёжность (за счёт меньшего числа компонентов, даже с учётом интегральных) и меньший уровень шумов, кроме того такие источники питания проще в проектировании и реализации. Дополнительным плюсом также являтся то, что многие ИМС стабилизаторов обеспечивают встроенную защиту от перенапряжения, от превышения тока и от переполюсовки входного напряжения — всё это позволяет в большинстве случаев обойтись без дополнительных элементов в схеме.

Из недостатков данных решений следует отметить два основных:

Низкий КПД — «лишнее» напряжение такие схемы фактически сбрасывают в тепло, что, соответственно, в большинстве случаев требует применения дополнительного охлаждения.
Необходимость положительной разницы напряжений между входом и выходом — даже самые лучшие модели линейных стабилизаторов имеют падение напряжения около 0.4В, а большинство перестаёт работать уже при разнице 0.5В.

Несмотря на все недостатки, такие схемы часто вполне уместно использовать в своих проектах. В данной статье пойдёт речь о различных схемотехнических особенностях применения данных микросхем.

Стабилизаторы с фиксированным напряжением

Интегральные линейные стабилизаторы могут иметь фиксированное выходное напряжение, либо же иметь возможность выбора выходного напряжения. Начнём с рассмотрения базовых схем включения большинства фиксированных интегральных стабилиазторов напряжения:

Конденсатор C₁ рекомендуется ставить для предотвращения возникновения «генерации на входе», если микросхема стабилизатора находится дальше 10 см от источника напряжения — по сути это просто фильтрующий конденсатор. Мы в своих проектах ставим на вход конденсатор в любом случае. Рекомендуется использовать керамику или тантал, ёмкостью не менее 0.1 мкФ. При выборе номинала ёмкости керамики помните, что при повышении температуры у большинства керамических кондёров сильно падает ёмкость.

Назначение конденсатора C₂ различается в зависимости от внутренней схемы стабилизатора. Например в микросхемах серии КР1158ЕН, данный элемент обеспечивает отсутствие возбуждения выходного напряжения. А производитель LM317 отмечает, что выходной конденсатор служит лишь для улучшения переходной характеристики и на стабильность не влияет. Так или иначе, при использовании конденсатора малой ёмкости (1-2 мкФ) на выходе многих линейных стабилизаторов наблюдаются небольшие колебания выходного напряжения с частотой несколько кГц и амплитудой порядка 0.2-0.4 вольт. Увеличение выходного конденсатора до 10 мкФ полностью данные колебания убирает.

Оба конденсатора необходимо размещать как можно ближе к корпусу микросхемы.

Диод Д₁ ставить не обязательно, в большинстве типовых схем его не используют, но если вы используете конденсатор C₂ или выходные напряжения превышают 25 В, диод Д₁ рекомендуется всё-таки оставлять, поэтому я оставил его на схемах. Также, данный диод рекомендуется использовать если нагрузка носит индуктивный характер. Он обеспечивает путь для разрядки C₂, а в случае индуктивной нагрузки ограничивает броски тока через стабилизатор.

Стабилизаторы с регулируемым напряжением

В схемах с регулируемым выходным напряжением добавляются дополнительные элементы:

Конденсатор C₃ уменьшает пульсации выходного напряжения. Рекомендуемый номинал C₃ — от 1 до 10 мкФ, большее значение ёмкости значимых улучшений не даёт.

Диод Д₂ нужен при использовании C₃ — он обеспечивает его разрядку при выключении питания. При отсутствии C₃ достаточно диода Д₁.

Резисторы R₁ и R₂ используются для задания выходного напряжения. Регулируемый стабилизатор стремится поддерживать опорное напряжение (V_ref) между выводом подстройки и выходом. Поскольку значение опорного напряжения является постоянным, величина тока, протекающего через делитель R₁ и R₂ определяется только резистором R₂. Величина опорного напряжения может меняться от экземпляра к экземпляру от 1.2 до 1.3 В, и в среднем составляет 1.25 В. Напряжение на выходе фактически является суммой падения напряжения на R₁ и V_ref, т.о., чем больше будет падение напряжения на R₁, тем больше будет напряжения на выходе.

Рекомендуемый номинал резистора R₂ 240 Ом, но допустимо его варьировать в пределах 100-1000 Ом. Выходное напряжение рассчитывается по следующей формуле:

Согласно спецификации значение I_adj лежит в диапазоне 50-100 мкА, поэтому при малых R₁ им можно пренебречь.

Повышение напряжения стабилизации регуляторов с фиксированным выходным напряжением

Выходное напряжение фиксированных линейных регуляторов можно повысить, включив в цепь подстройки стабилитрон:

В этой схеме выходное напряжение повысится на величину напряжения стабилизации V_стаб стабилитрона Д₂. Резистор R служит для установки тока через стабилитрон и выбирается исходя из параметров стабилитрона. Для большинства стабилитронов подходит R = 200 Ом.

Если поднять напряжение нужно на небольшую величину (0.5 — 1.5 В) вместо стабилитрона Д₂ можно использовать практически любой диод в прямом включении (катод на землю). Тогда выходное напряжение будет увеличено на величину падения напряжения на диоде, а резистор R нужно исключить, потому что колебания тока из вывода подстройки невелики и падение напряжения на диоде будет практически постоянным.

Ограничитель тока на линейном стабилизаторе

На микросхемах линейных стабилизаторов типа LM317 (и аналогичных) удобно собирать схему ограничителя тока, для этого требуется всего один дополнительный резистор.

Выходное напряжение зависит от входного напряжение и падения напряжения на стабилизаторе. В данной схеме регулируемые стабилизаторы стремятся поддерживать на выходе напряжение V_ref

1.25В, поэтому выходной ток определяется соотношением:

Для ИМС с фиксированным напряжением V_ref заменяется на V_ном., и ток через резистор получается слишком большим (как если бы микросхемы не было), поэтому применение стабилизаторов с фиксированным напряжением в данной схеме нецелесообразно.

Рассеиваемая резистором мощность вычисляется по формуле:

Данная схема будет работать также на всей серии LM340 и аналогичных ИМС.

Увеличение максимального тока ИМС линейных регуляторов

Есть способ увеличить максимальный ток линейного линейного стабилизатора тока.

В данной схеме R₁ определяет напряжение открытия транзистора T₁:

Здесь V_откр. — напряжение открытия T₁, а I_стаб.max максимальный ток протекающий через стабилизатор (ток, при котором откроется T₁). Рекомендуется выбирать I_стаб.max меньше максимального тока микросхемы по спецификации, чтобы был некоторый запас.

Микросхема поддерживает падение напряжения между выходом и выводом подстройки и в случае превышения тока через R₂ уменьшает ток через себя, что вызывает уменьшение падения напряжения на R₁ и последующее закрытие транзистора. Таким образом, максимальный выходной ток определяется резистором R₂ и опорным напряжением микросхемы:

Следует помнить, что при быстрых бросках тока T₁ может не успеть закрыться, что вызовет повреждения элементов, поэтому следует использовать дополнительные компоненты для защиты транзистора (здесь не показаны).

Повысить ток можно и для стабилизатора напряжения, включив его по аналогичной схеме (но без R₂), однако следует помнить, что в этом случае схема лишится автоматического ограничения по току и превышение максимального значения повлечёт за собой повреждение элементов.

Стабилизатор с плавным нарастанием выходного напряжения

При включении питания напряжение на конденсаторе C₂ начинает возрастать, вместе с ним возрастает и выходное напряжение. PNP транзистор выключается когда выходное напряжение достигает значения, определяемого резисторами R₁ и R₂ (как в обычной схеме регулируемого стабилизатора). Начальное выходное напряжение складывается из начального напряжения на конденсаторе, падения на база-эммитерном переходе и опорного напряжения микросхемы. Скорость нарастания напряжения можно регулировать изменяя номиналы R₃ и C₂.

Управляемый стабилизатор напряжения с дискретными уровнями выходного напряжения

На регулируемом стабилизаторе можно собрать простой управляемый стабилизатор напряжения, добавивь несколько резисторов и транзисторов. Данное решение удобно, если требуется собрать простой регулируемый стабилизатор с несколькими фиксированными уровнями напряжения.

Резистор R₂ рассчитывается на максимальное требуемое напряжение. Включение транзистора будет добавлять в параллель к проводимости резистора R₂ дополнительную проводимость и напряжение на выходе будет снижаться. Не забывайте подтягивать базы транзисторов через высокоомные резисторы к питанию, либо к земле (в зависимости о того закрыт или открыт должен быть транзистор без управляющего сигнала).

Конденсатор C₂ в данной схеме допустимо не использовать, так как транзисторы обладают некоторой собственной ёмкостью.

Источник

Стабилизатор напряжения на транзисторах

Стабилизатор на одном стабилитроне

Для сглаживания пульсаций напряжения и постоянства тока на выходе блока питания применяют стабилизаторы. Как правило в основе стабилизатора лежит стабилитрон. Стабилитрон – полупроводниковый прибор обладающий свойством стабилизации напряжения. В отличии от обычного диода работает в обратной полярности (на катод подается плюс), в режиме лавинного пробоя. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке практический не меняется. На рисунке ниже представлена схема простейшего стабилизатора.

Такой стабилизатор подойдет для питания маломощных устройств.

Принцип работы стабилизатора на стабилитроне

Конденсатор нужен для сглаживания пульсаций по напряжению, называется он фильтрующим. Резистор нужен для сглаживания пульсаций по току и называется он гасящим. Стабилитрон стабилизирует напряжение на нагрузке. Для нормальной работы данной схемы напряжение питания должно быть больше 40…50 %. Стабилитрон следует подобрать под нужное нам напряжение и ток.

Стабилизатор на одном транзисторе

Для питания нагрузки большей мощности в схему добавляют транзистор. Пример схемы показан ниже.

Принцип работы стабилизатора на одном транзисторе

Цепочка из R1 и VT1 нам уже знакома из предыдущей схемы, это простейший стабилизатор, он задает стабилизированное напряжение на базе транзистора VT2. Транзистор в свою очередь выполняет функцию усилителя тока и является управляющим элементом в этой схеме. Например, при повышении входного напряжения, выходное напряжение будет стремится к возрастанию. Это приводит к понижению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, что приводит к его закрытию. При этом падение напряжения на участке эмиттер – коллектор возрастает на столько, что напряжение на стабилитроне уменьшается до исходного уровня. При понижении напряжения стабилизатор реагирует в обратном порядке.

Стабилизатор на транзисторах с защитой от КЗ

В практике радиолюбителя бывают ошибки и происходит короткое замыкание. Для уменьшения последствий в результате КЗ рассмотрим схему стабилизатора на два фиксированных напряжения и с защитой от короткого замыкания.

Как видим в данную схему добавлен транзистор V4, диоды V6 и V7, и параметрический стабилизатор состоящий из резистора R1, диодов V2, V3 оснащен переключателем S2.

Принцип работы защиты стабилизатора

Данная схема рассчитана на ток срабатывания от КЗ 250…300 мА, пока он не превышен, ток будет проходить через делитель напряжения состоящий из диода V7 и резистора R3. Путем подбора данного резистора можно регулировать порог срабатывания защиты. Диод V6 при этом будет закрыт и никакого влияния на работы оказывать не будет. При срабатывании защиты диод V7 закроется, а диод V6 откроется и зашунтирует подключений стабилитрон, при этом транзисторы V4 и V5 закроются. Ток на нагрузке упадет до 20…30 мА. Транзистор V5 следует устанавливать на теплоотвод.

Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

В ремонте или наладке электронных устройств необходимо иметь блок питания с регулируемым выходным напряжением. Принципиальная схема стабилизаторы с регулировкой по напряжению представлена ниже.

Принцип работы стабилизатора с регулировкой напряжения

Параметрический стабилизатор состоящий из R2 и V2 стабилизируют напряжение на переменном резисторе R3. Напряжение с этого резистора поступает на управляющий транзистор. Этот транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является резистор R4. Напряжение с резистора R4 подается на регулирующий транзистор V4, нагрузкой которого уже выступает наше питаемое устройство. Регулировка напряжения осуществляется переменным резистором R3, если движок резистора находится в минимальном положении по схеме, то напряжения для открытия транзисторов V3 и V4 недостаточно и на выходе будет минимальное напряжение. При вращении движка, транзисторы начинают открываться, что увеличивает напряжение на нагрузке. При увеличении тока нагрузки, падение напряжения на резисторе R1 и лампа Н1 начинает загораться, при токе в 250 мА наблюдается тусклое свечение, а при токе в 500мА и выше яркое. Транзистор V4 следует устанавливать на теплоотвод. При повышенной нагрузке более 500 мА, следует как можно быстрее выключить блок питания, так как при длительной максимальной нагрузке выходят из строя диоды в выпрямительном мостике и транзистор V4.

Данные схемы при правильной сборке не нуждаются в наладке. Также их можно модернизировать на более большой ток и напряжения. Путем подбора радиоэлементов с нужными нам параметрами.

На этом все. Если у Вас есть замечания или предложения по данной статье, прошу написать администратору сайта.

Источник