У цій статті йтиметься про стабілізатори постійної напруги на напівпровідникових приладах. Розглянуто найпростіші схеми стабілізаторів напруги, принципи їх роботи та правила розрахунку. Викладений у статті корисний матеріал для конструювання джерел вторинного стабілізованого харчування. Почнемо з того, що для стабілізації будь-якого електричного параметра має бути схема стеження за цим параметром та схема управління цим параметром. Для точності стабілізації необхідна наявність «еталону», з яким параметр, що стабілізується, порівнюється. Якщо під час порівняння виявляється, що параметр більше еталонного значення, то схема стеження (назвемо її схемою порівняння) дає команду на схему управління «зменшити» значення параметра. І навпаки, якщо параметр виявляється меншим за еталонне значення, то схема порівняння дає команду на схему управління «збільшити» значення параметра. На цьому принципі працюють усі схеми автоматичного керування всіх пристроїв та систем, які нас оточують, від праски до космічного апарату, різниця лише у способі контролю та керування параметром. Так само працює стабілізатор напруги. Структурна схема такого стабілізатора зображено малюнку. Роботу стабілізатора можна порівняти з регулюванням води, що біжить із водопровідного крана. Людина підходить до крана, відкриває його, а потім, спостерігаючи за потоком води, регулює його подачу у більшу або меншу сторону, домагаючись оптимального для себе потоку.Сама людина виконує функцію схеми порівняння, як зразок виступає уявлення людини про те, який потік води має бути, а як схема управління виступає водопровідний кран, який управляється схемою порівняння (людиною) Якщо людина змінить своє уявлення про зразок, вирішивши, що потік води, що біжить з крана недостатній, то він відкриє його більше. З'являється бажання змінити вихідну напругу, тоді ми можемо змінити еталонну (опорну) напругу. Резонним буде питання: Навіщо нам таке нагромадження схем, якщо можна на виході використовувати джерело вже «готової» еталонної напруги? низькоомне) навантаження Таке джерело опорної напруги можна використовувати як стабілізатор для живлення схем та пристроїв, що споживають малий струм – КМОП-мікросхем, слаботочних підсилювальних каскадів та ін. Схема джерела опорної напруги (слаботочного стабілізатора) зображена нижче. За своєю суттю – це спеціальний дільник напруги, описаний у статті Дільник напруги, відмінність його в тому, що як другий резистор використовується спеціальний діод – стабілітрон.У чому особливість стабілітрона? Простими словами, стабілітрон, це такий діод, який на відміну від звичайного випрямляючого діода, при досягненні певного значення назад прикладеної напруги (напруги стабілізації) пропускає струм у зворотному напрямку, а при подальшому його підвищенні, зменшуючи свій внутрішній опір, прагне утримати його на певному значенні. На вольтамперній характеристиці (ВАХ) стабілітрона режим стабілізації напруги зображений в негативній області напруги, що прикладається, і струму. У міру збільшення зворотної напруги, що прикладається до стабілітрона, він спочатку опирається і струм, що протікає через нього мінімальний. При певній напрузі, струм стабілітрона починає збільшуватися. 1), після якої подальше збільшення напруги на дільнику «резистор – стабілітрон» не викликає збільшення напруги на p-n переході стабілітрона. На цій ділянці ВАХ відбувається збільшення напруги тільки на резисторі. 1, що відповідає мінімальному струму стабілізації, до певної точки 2 вольтамперної характеристики, що відповідає максимальному струму стабілізації, стабілітрон працює в необхідному режимі стабілізації (зелена ділянка ВАХ). 2 вольтамперної характеристики стабілітрон втрачає свої «корисні» властивості, починає грітися і може вийти з ладу. 1 до точки 2 є робочою ділянкою стабілізації, на якому стабілітрон виступає як регулятор. Знаючи, як розраховується найпростіший дільник напруги на резисторах, можна елементарно розрахувати ланцюг стабілізації (джерело опорної напруги). Як і в дільнику напруги, в ланцюзі стабілізації протікають два струми - струм дільника (стабілізатора) I ст
та струм навантажувального ланцюга I нагр
. З метою «якісної» стабілізації останній має бути на порядок меншим за перший. Для розрахунків ланцюга стабілізації використовуються значення параметрів стабілітронів, що публікуються у довідниках:
Для розрахунку стабілізатора, як правило, використовуються лише два перші параметри. U ст
, I ст
, Інші застосовуються для розрахунку схем захисту за напругою, в яких можлива значна зміна вхідної напруги. Для підвищення напруги стабілізації можна використовувати ланцюжок із послідовно з'єднаних стабілітронів, але для цього, допустимий струм стабілізації таких стабілітронів повинен бути в межах параметрів I ст.min
і I ст.max
, інакше існує можливість виходу стабілітронів з ладу. Слід додати, що прості випрямляючі діоди також мають властивості стабілізації назад прикладеної напруги, тільки значення напруги стабілізації лежать на більш високих значеннях назад прикладеної напруги. Значення максимального обернено прикладеної напруги випрямних діодів зазвичай вказується в довідниках, а напруга при якому проявляється явище стабілізації зазвичай вище цього значення і для кожного випрямляючого діода, навіть одного типу, по-різному.Тому, використовуйте випрямні діоди як стабілітрон високовольтної напруги тільки в крайньому випадку, коли не зможете знайти необхідний Вам стабілітрон, або зробити ланцюжок зі стабілітронів. У цьому випадку напруга стабілізації визначається експериментально. Необхідно бути обережними при роботі з високою напругою. Розрахунок найпростішого стабілізатора напруги ми здійснимо з розглядом конкретного прикладу. Вихідні параметри, що пред'являються до схеми:
1. Вхідна напруга дільника U вх
(Може бути стабілізованим, а може й ні). Припустимо, що U вх
= 25 вольт; 2. Вихідна напруга стабілізації - U вих
(Опорна напруга). Припустимо, що нам необхідно отримати U виx
= 9 вольт. 1. Виходячи з необхідної напруги стабілізації, за довідником підбирають необхідний стабілітрон. У нашому випадку це Д814В. 2. З таблиці знаходять середній струм стабілізації. I ст
. По таблиці він дорівнює 5 мА. 3. Обчислюють напругу, що падає на резисторі. U R1
, як різниця вхідної та вихідної стабілізованої напруги. U R1 = U вx - U виx -> U R1 = 25 - 9 = 16 вольт
4. За законом Ома ділять цю напругу струм стабілізації, що протікає через резистор, і набувають значення опору резистора. R1 = U R1 /I ст -> R1 = 16 / 0,005 = 3200 Ом = 3,2 кОм
Якщо отриманого значення немає у резистивному ряді, виберіть найближчий за номіналом резистор. У нашому випадку це резистор номіналом 3,3 ком. 5. Обчислюють мінімальну потужність резистора, помноживши падіння напруги на ньому на струм, що протікає (струм стабілізації). Враховуючи, що через резистор крім струму стабілітрона протікає ще й вихідний струм, тому вибирають резистор потужністю не менше ніж у два рази більше обчисленої. У нашому випадку це резистор потужністю не меншою. 0,16 Вт. За найближчим номінальним рядом (у більшу сторону) це відповідає потужності 0,25 Вт. Як було написано раніше, найпростіший ланцюжок стабілізатора постійної напруги можна використовувати для живлення схем, в яких використовують малі струми, а для живлення сильніших схем вони не годяться. Одним із варіантів підвищення навантажувальної здатності стабілізатора постійної напруги є використання емітерного повторювача. На схемі зображений каскад стабілізації на біполярному транзисторі. Недоліком такого стабілізатора, як і найпростішого ланцюжка що складається з резистора і стабілітрона, є неможливість регулювання вихідної напруги. Вихідна напруга такого каскаду буде меншою за напругу стабілізації стабілітрона на значення падіння напруги на p-n Перехід «база – емітер» транзистора У статті Біполярний транзистор, я писав, що для кремнієвого транзистора воно дорівнює – 0,6 … 0,7 вольта, для германієвого транзистора – 0,2 … 0,3 вольта. ,65 вольта та 0,25 вольта. Тому, наприклад при використанні кремнієвого транзистора, напрузі стабілізації стабілітрона дорівнює 9 вольт, вихідна напруга буде на 0,65 вольта менше, тобто - 8,35 вольта. Якщо замість одного транзистора використовувати складову схему включення транзисторів, то здатність навантаження стабілізатора зросте ще на порядок.Тут також, як і в попередній схемі, слід враховувати зменшення вихідної напруги за рахунок його падіння на p-n переходах «база – емітер» транзисторів. У цьому випадку, при використанні двох кремнієвих транзисторів, напрузі стабілізації стабілітрона дорівнює 9 вольт, вихідна напруга буде вже на 1,3 вольта менше (по 0,65 вольт на кожен транзистор), тобто 7,7 вольта. Тому, при проектуванні подібних схем необхідно враховувати таку особливість. та підбирати стабілітрон з урахуванням втрат на переходах транзисторів. Резистор R2 необхідний для «гасіння» реактивної (ємнісної та індуктивної) складової транзистора VT2, що надає паразитний вплив на роботу транзистора, і забезпечує надійне його реагування на вхідну дію. VT2 виявиться закритим і як регулюючий елемент виявиться тільки транзистор VT1. Практично, на схемах стабілізаторів, значення резистора R2 Розраховують рідко. Буває, радіоаматори навіть ставлять такі номінали, які суперечать нормальній роботі схем, а самі радіоаматори навіть про це не підозрюють, тому його значення підбирають виходячи з максимального розрахункового навантажувального струму. навантажувального струму стабілізатора. коефіцієнта передачі силових транзисторів, які працюють у режимі великих струмів.Значення падіння напруги на переході «база – емітер» (для кремнієвого транзистора – 0,65 вольт) ділиться на максимальний струм навантаження стабілізатора (наприклад 2,5 ампер). Отримане значення множиться на 50. Якщо Ви використовуєте складові транзистори, це значення може бути більше на 1 — 2 порядку (не 50, а 500…5000). R2 = U R2 / Iст.max * 50 -> R2 = 0,65 / 2,5 * 50 = 13 Ом
Розрахований таким чином опір дозволяє більш ефективно гасити реактивну складову вихідного транзистора та повноцінно використовувати потужні здібності обох транзисторів. Не забувайте робити розрахунок необхідної потужності резисторів, інакше все згорить у невідповідний момент. Вихід з ладу резистора R2 може призвести до виходу з ладу транзисторів і того, що Ви підключите як навантаження. Розрахунок потужності стандартний, описаний на сторінці Резистор. Основні параметри для транзистора в стабілізаторі напруги: максимальний струм колектора, максимальна напруга колектор-емітер і максимальна потужність. Всі ці параметри завжди є у довідниках. 2.Максимальна напруга «колектор-емітер» характеризує здатність транзистора витримувати певну напругу між колектором та емітером у закритому стані. У нашому випадку цей параметр повинен також перевищувати не менше, ніж у півтора рази напруга, що підводиться до стабілізатора від ланцюга «трансформатор-випрямляч-фільтр живлення» вашого блоку стабілізованого живлення. 3. Паспортна вихідна потужність транзистора повинна забезпечувати роботу транзистора в режимі напіввідкритого стану. Вся напруга, що виробляється ланцюжком «трансформатор-випрямляючий міст-фільтр живлення» ділиться на два навантаження: власне навантаження вашого блоку стабілізованого живлення та опір колекторно-емітерного переходу транзистора. По обох навантаженнях тече і той ж струм, оскільки вони підключені послідовно, тоді як напруга ділиться. З цього випливає, що необхідно вибрати такий транзистор, який при заданому струмі навантаження здатний витримувати різницю між напругою, що виробляється ланцюжком «трансформатор-випрямний міст-фільтр живлення» і вихідною напругою стабілізатора. Потужність обчислюється як добуток напруги струм (з підручника фізики середньої школи). Наприклад: На виході ланцюга "трансформатор-випрямний міст-фільтр живлення" (а значить на вході стабілізатора напруги) напруга дорівнює 18 вольт. Нам необхідно отримати вихідну стабілізовану напругу 12 вольт при струмі навантаження 4 ампера. Знаходимо мінімальне значення необхідного паспортного струму колектора (Iк max): Визначаємо мінімальне значення необхідної напруги «колектор-емітер» (Uке): Знаходимо середню напругу, яка в робочому режимі «падатиме» на переході «колектор-емітер», і тим самим поглинатиметься транзистором: Визначаємо потрібну номінальну потужність транзистора: При виборі типу транзистора необхідно враховувати, що паспортна (за довідником) максимальна потужність транзистора повинна бути не меншою, ніж у два-три рази більша за номінальну потужність падаючої на транзисторі. Це робиться для того, щоб забезпечити запас потужності при різних кидках струму навантаження (а отже і зміни падаючої потужності). При цьому слід врахувати, що більша ця різниця, тим менш потужний радіатор охолодження потрібний транзистору. У нашому випадку необхідно вибрати транзистор з паспортною потужністю (Рк) не менше: Вибираєте будь-який транзистор, що задовольняє цим умовам, з урахуванням, що чим паспортні параметри будуть набагато більшими за розрахункові, тим менше за розмірами буде потрібно радіатор охолодження (а може і взагалі не потрібен буде). Але при надмірному перевищенні цих параметрів враховуйте той факт, що чим більша вихідна потужність транзистора, тим менший коефіцієнт його передачі (h21), а це погіршує коефіцієнт стабілізації в джерелі живлення. У наступній статті ми розглянемо компенсаційний стабілізатор напруги безперервної дії. У ньому використовується принцип контролю вихідної напруги бруківкою схемою. Він має меншу пульсацію вихідної напруги, ніж «емітерний повторювач», крім того, він дозволяє регулювати вихідну напругу в невеликих межах. На його основі буде розраховано просту схему стабілізованого блоку живлення. Експерт розділу "Питання електрика", автор статей.Електромонтер з ремонту та обслуговування електроустаткування, досвід роботи понад 5 років. Стабілізатор напруги 220В — це пристрій, який вирівнює напругу з мережі живлення, до певного значення і віддає споживачам стабільні 220 вольт незалежно від стрибків і просадок на лінії. Встановлення такого приладу забезпечить захист електричних приладів від нестандартних режимів роботи, таких як перепади напруги в мережі та її високий чи низький рівень. У цій статті ми розглянемо пристрій та принцип роботи стабілізаторів напруги, різновиду обладнання та сферу застосування. Стабілізатор напруги (СН) - це пристрій, призначений для перетворення вхідної нестабільної напруги з електромережі: заниженої, завищеної або з періодичними стрибками, стабільне за величиною на виході пристрою і підключених до нього електроприладах. Перефразуємо для чайників: стабілізатор робить так, щоб для підключених до нього приладів напруга завжди була однаковою і близька до 220В незалежно від того, яким вона надходить на його вхід: 180, 190, 240, 250 Вольт або взагалі плаває. Зазначимо, що 220В чи 240В — це стандартна величина для РФ, Білорусі, України тощо. Але в деяких країнах ближнього та далекого зарубіжжя воно може бути іншим, наприклад 110В. Відповідно «наші» стабілізатори там не працюватимуть. Стабілізатори бувають різних видів: як для роботи в ланцюгах постійного струму (лінійні та імпульсні, паралельного та послідовного типів), так і для роботи в ланцюгах змінного струму. Останні часто називають «стабілізатори напруги» або просто «стабілізатори 220В».Якщо говорити простою мовою, такі пристрої підключають до електромережі, а вже до нього підключають споживачі. У побуті СН використовують захисту як окремих приладів, наприклад, для холодильника чи комп'ютера, так захисту всього будинку, у разі потужний стабілізатор встановлюється на введення. Напруженість електричного поля вимірюється у вольтах на метр (В/м). Формула для обчислення напруженості E E у точці на відстані r r від точкового заряду Q Q задається виразом: Де k – електростатична постійна. Конструкція стабілізаторів залежить від фізичних принципів, де вони працюють. У зв'язку з цим вони поділяються на: За кількістю фаз можуть бути однофазними та трифазними. Широкий діапазон потужностей дозволяє випускати стабілізатори як для невеликих побутових приладів - телевізора, газового котла, холодильника, так і великих об'єктів: промислових агрегатів (наприклад, трифазні промислові стабілізатори Сатурн), цехів, будівель. Стабілізатори досить енергоефективні. Споживання електроенергії становить від 2 до 5%. Деякі стабілізуючі пристрої можуть мати додаткові захисти: Параметричний стабілізатор — це пристрій, який використовує зміну одного або кількох параметрів напівпровідникового матеріалу (наприклад, температура) для забезпечення стабілізації вихідної напруги. Коригують вихідну напругу на основі зворотного зв'язку, щоб компенсувати зміни вхідної напруги або навантаження.Їх перевага у цьому, що вони зазвичай забезпечують вищу точність стабілізації проти іншими типами стабілізаторів. СН бувають різних типів, кожен із яких відрізняється принципом регулювання. Ці відмінності ми розглянемо далі. Якщо узагальнити принцип роботи і структуру всіх типів, то стабілізатор напруги мережі складається з двох основних частин: Якщо напруга на вході в нормі, то деякі моделі стабілізаторів мають функцію «байпас» або «транзит», коли вхідна напруга просто подається на вихід до тих пір, поки не вийде із заданого діапазону.Наприклад, від 215 до 225 вольт буде включено «байпас», а при великих коливаннях, припустимо, при просіданні до 205-210В, система управління переключить ланцюг на силову частину і почне регулювання, підвищить напругу і на виході будуть вже стабільні 220В із заданою похибкою . Плавне і найточніше регулювання вихідної напруги у інверторних СН, на другому місці - сервопривідні. У релейних та електронних регулювання відбувається ступінчасто, точність залежить від кількості щаблів. Як згадувалося, вона лежить в межах 10%, частіше близько 5%. Крім згаданих вище двох частин, в стабілізаторі напруги 220В є блок захисту, а також джерело вторинного електроживлення для ланцюгів системи управління, тих же захистів та інших функціональних елементів. Загальний пристрій наочно демонструє нижченаведене зображення: У той же час схема роботи у найпростішій формі виглядає так: Розглянемо коротко, як працюють стабілізатори напруги основних типів. У релейному стабілізаторі регулювання відбувається за рахунок перемикання реле. Ці реле замикають певні контакти трансформатора, підвищуючи або знижуючи вихідну напругу. Контролюючим органом є електронна мікросхема. Елементи на ній порівнюють опорну та мережну напругу. При невідповідності віддається сигнал перемикаючим реле на підключення обмоток автотрансформатора, що підвищують або знижують. Релейні СН зазвичай регулюють електроенергію в межах ±15% з точністю на виході від ±5% до ±10%. Переваги релейних стабілізаторів: Основні елементи сервостабілізаторів – це автотрансформатор та сервомотор. При відхиленні напруги від норми контролер дає сигнал сервомотору, який перемикає необхідні обмотки автотрансформатора. У результаті застосування такої системи забезпечується плавне регулювання та точність до 1% від загального діапазону. У сервоприводному СН один кінець первинної обмотки трансформатора підключений до жорсткого відгалуження автотрансформатора, а другий кінець первинної обмотки підключений до рухомого контакту (графітової щітки), який пересувається серводвигуном. Один висновок вторинної обмотки трансформатора підключений до джерела живлення, а другий висновок підключений до виходу СН. Плата управління порівнює вхідну та опорну напругу. При будь-яких відхиленнях від заданих значень входить у роботу сервопривод. Він переміщує щітку за відгалуженнями автотрансформатора. Серводвигун продовжуватиме працювати, поки різниця між опорною та вихідною напругою не стане рівним нулю. Весь цей процес – від надходження електроенергії поганої якості до виходу стабілізованого струму – проходить за десятки мілісекунд та обмежений швидкістю переміщення щітки сервоприводом. Сервопривідні стабілізатори напруги виробляють в різному виконанні. Переваги сервопривідних стабілізуючих пристроїв: Основна відмінність цього типу СН - відсутність рухомих частин та трансформатора. Напруга регулюється шляхом подвійного перетворення. На першому етапі вхідний змінний струм випрямляється та проходить через фільтр пульсацій, що складається з конденсатора. Після цього випрямлений струм надходить на інвертор, де знову перетворюється на змінний і подається в навантаження. При цьому вихідна напруга стабільна як за величиною, так і частотою. Коефіцієнт стабілізації вказує на здатність стабілізатора підтримувати постійну вихідну напругу при зміні вхідної напруги або навантаження. Показник обчислюється як відношення зміни вихідної напруги до зміни вхідної напруги чи навантаження. Чим нижчий коефіцієнт стабілізації, тим краща якість стабілізації пристрою. Схеми стабілізаторів на 5 і 12 вольт включають ряд компонентів, таких як регулюючі транзистори, зворотнопов'язані підсилювачі і діоди. Ці схеми створені для забезпечення стабільного та надійного джерела живлення для різних електронних пристроїв. Розглянемо деякі популярні моделі стабілізаторів та їх характеристики. Це стабілізатор напруги на 12V із максимальним струмом виходу 1.5A. Він широко використовується в різних додатках завдяки своїй надійності та простоті підключення. Це інший популярний стабілізатор напруги на 12V. Він забезпечує стабілізацію з високою точністю та низьким рівнем шуму. Це стабілізатор напруги на -5V. Він підходить для пристроїв, яким потрібна негативна напруга живлення. Стабілізатор на 9V з високою точністю стабілізації та тривалим терміном служби. Це позитивний стабілізатор напруги 5V. Він має хорошу теплову стабільність і надійність, що робить його ідеальним для широкого діапазону додатків. Цей стабілізатор забезпечує негативну напругу на 12V. Він характеризується стабільністю, високою якістю та довговічністю, завдяки чому його часто використовують в електронних пристроях. Стабілізатор напруги на 12V. Він має високу міцність і ефективність, пропонуючи стабільну напругу навіть при сильних коливаннях вхідної напруги. Ще один стабілізатор напруги на 5V. Ця модель особливо відома своєю міцністю та надійністю, що робить її кращою для багатьох інженерів та розробників. При виборі стабілізатора напруги слід враховувати як його характеристики, а й вимоги конкретного докладання. Це допоможе забезпечити оптимальну роботу пристрою та продовжити його термін служби. Матеріали на тему:
Опубліковано 15.07.2019 Оновлено 13.10.2023 Користувачем Elvira KasimovaПрості стабілізатори напруги та їх розрахунок
Порядок розрахунку стабілізатора напруги (джерела опорної напруги)
Як вибрати транзистор для стабілізатора?
1. При виборі транзистора необхідно враховувати, що паспортний (за довідником) максимальний струм колектора повинен бути не меншим, ніж у півтора рази більшим за максимальний струм навантаження, який ви хочете отримати на виході стабілізатора. Це робиться для того, щоб забезпечити запас струму навантаження при випадкових короткочасних кидках навантаження (наприклад короткого замикання). При цьому слід врахувати, що більша ця різниця, тим менш потужний радіатор охолодження потрібний транзистору.Що таке H1 у стабілізаторі?
Що таке стабілізатор напруги
У чому вимірюється напруженість та які формули використовуються
Класифікація
Параметричний СН
Компенсаційні СН
Принцип дії
Релейні
Сервопривідні
Інверторні
Коефіцієнт стабілізації
Схема стабілізаторів напруги на 5 та 12 вольт
Характеристики та схеми підключення популярних стабілізаторів
LM340T12
7812
LM7905
L7809CV
KIA7805A
L7912CV
KA7812
KA7805