Схема стабилизатора напряжения

Характеристика регулятора

По своему виду приспособления могут изготавливаться в портативном или стационарном исполнении. Устанавливаются они в любом положении: вертикальном, потолочном, горизонтальном.

К основным характеристикам устройств относят следующие параметры:

Плавность регулировки. Обозначает минимальный шаг, с которым происходит изменение величины разности потенциалов на выходе. Чем он плавнее, тем точнее можно выставить значение напряжения на выходе.
Рабочая мощность. Характеризуется значением силы тока, которое может пропускать через себя прибор продолжительное время без повреждения своих электронных связей.
Максимальная мощность. Пиковая величина, которую кратковременно выдерживает устройство с сохранением своей работоспособности.
Диапазон входного напряжения. Это значения входного сигнала, с которым устройство может работать.
Диапазон изменяемого сигнала на выходе устройства. Обозначает значения разности потенциалов, которое может обеспечить устройство на выходе.
Тип регулируемого сигнала. На вход устройства может подаваться как переменное, так и постоянное напряжение.
Условия эксплуатации. Обозначает условия, при которых характеристики регулятора не изменяются.
Способ управления. Выставление выходного уровня сигнала может осуществляться пользователем вручную или без его вмешательства.

↑ Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]

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.

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

Uвх= Uст/.

Сопротивление балластного резистора:

R= Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/.

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст) 2 /R.

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, R=221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

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:

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»:

Полная мощность, ВА	Активная мощность, Вт
350	300
550	400
1000	750
1500	1125
2500	2000
3500	2500
6000	5400
8000	7200
10000	8000
15000	13500
20000	16000

Ближайшая с большей стороны к расчётным значениям мощность – 6000 ВА и 5400 Вт, следовательно, именно такой стабилизатор подходит для подключения потребителя 1, потребителя 2 и потребителя 3.

Если взять модель с мощностью, ближайшей к расчетному значению в меньшую сторону (3500 ВА/ 2500 В), то стабилизатор окажется перегружен, так как выходная активная мощность устройства окажется меньше потребляемой активной мощности нагрузки: 2500 Вт

Как понять какую мощность нужно выбрать?

Стабилизаторы напряжения можно применять как для защиты всей техники в доме или в коттедже, так и для питания одного или нескольких бытовых электроприборов.

Рассчитаем мощность для дома. Как понять, сколько потребляет вся техника в доме?

Второй способ, посмотреть мощность у входных автоматов защиты по току (фото справа). На них указана — сила тока в амперах. Например, 25 Ампер, чтобы перевести силу тока в мощность в Ваттах, нужно (25Ампер х 220 Вольт = 5.5 кВт). Если к дому подходит трёхфазная сеть, то умножив силу тока на напряжение, получим мощность на каждую фазу. При подключении трёхфазной нагрузки мощность всех трёх фаз суммируется, и получается общая трёхфазная мощность.

Третий способ узнать, какой мощности требуется стабилизатор, посчитать всю суммарную нагрузку электрической техники (с учётом пусковых токов), которая находится в помещении и умножить на 0,7. Обычно все электроприборы и источники света не включаются одновременно. Коэффициент 0.7 показывает, что по статистики может в одну единицу времени работать максимум 70 % электроприборов в доме.

Если вы желаете защищать только определённые приборы, то можно проложить выделенную линию от стабилизатора, куда будет подключена такая группа техники.

Многофункциональный прибор

Ещё недавно высокой популярностью пользовался универсальный модуль XL4015. По своим характеристикам он подходит для подключения светодиодов с высокой мощностью (до 100 Ватт). Стандартный вариант его корпуса припаян к плате, выполняющей функции радиатора. Чтобы улучшить охлаждение XL4015, схема должна быть доработана с установкой радиатора на коробку устройства.

Многие пользователи просто ставят его сверху, однако, эффективность такой установки довольно низкая. Систему охлаждения желательно располагать внизу платы, напротив пайки микросхемы. Для оптимального качества её можно отпаять и установить на полноценный радиатор, используя термопасту. Провода потребуется удлинить. Дополнительное охлаждение можно монтировать и для диодов, что значительно повысит эффективность работы всей схемы.

Среди драйверов наиболее универсальным считается регулируемый. Обязательно устанавливается переменный резистор, который задаёт количество ампер. Эти характеристики обычно указываются в следующих документах:

В сопроводительной документации к микросхеме.
В datasheet.
В стандартной схеме включения.

Без добавочного охлаждения микросхемы такие устройства выдерживают 1—3 А (в соответствии с моделью контроллера широтно-импульсной модуляции). Главный недостаток этих драйверов — чрезмерный нагрев диода и дросселя. Выше 3 А потребуется охлаждение мощного диода и контроллера. Дроссель заменяют более подходящим либо перематывают толстым проводом.

Схемы включения TL431

Разберемся как работает TL431 на примере простейшей схемы стабилизации, состоящей из самого стабилитрона и одного резистора. К катоду подключается положительный, а к аноду отрицательный полюс питания. Для включения микросхемы, на её управляющий электрод подается опорное напряжение (V_ref).

Если его значение будет больше 2.5 В, то стабилитрон почти сразу откроется и начнет пропускать через себя ток (I_KA), которым можно запитать соответствующую нагрузку. Его значение будет расти вместе с повышением уровня V_{in .} I_KAможно определить по формуле I_KA= (V_in— V_ref)/R_. При этом, выходное напряжение схемы будет стабилизировано на уровне опорного (V_КА= V_ref), не превышающего 2.5 В и независимо от подаваемого на входе V_in.

Расчет параметрической схемы стабилизации

Для получения на выходе микросхемы большего по величине напряжения (вплоть до 36 В), к её управляющему электроду дополнительно подсоединяют резистивный делитель. Он состоит из двух резисторов (R₁ и R₂) подключаемых между катодом и анодом. В этом случае внутреннее сопротивление стабилитрона возрастает на (1 + R₁/R₂) раз.

Для расчета схемы стабилизации на TL431 необходимы начальные данные о входном(V_IN) и выходном (V_КА) напряжениях, а также токах: стабилизации (I_KA) и нагрузки (I_L). Имея эти данные можно рассчитать значения других электронных компонентов, представленных на рисунке ниже.

Выходное напряжение и номиналы сопротивлений связаны между собой следующей формулой V_КА= V_{ref *}(1 + R₁/R₂)+ I_{ref *}R₁. Где V_ref= 2495 мВ и I_ref= 2 мкА -это типовые величины, они указаны в электрических параметрах из даташит на устройство.

Сопротивление R1 также можно взять из datasheet. Чаще всего берут с номиналами от 10 до 30 кОм. Значение R1 ограничено небольшим опорным током (I_ref= 2 мкА), которым часто пренебрегают для расчетов схем стабилизации на TL431. Поэтому для вычисления значения R2, без учета I_ref, можно использовать следующую формулу R2=R1/((V_КА/V_ref)-1).

Регулировка напряжения стабилизации

Для построения схем с возможностью ручной регулировки напряжения на выходе, вместо обычного R1 ставят потенциометр. Номинал ограничительного резистора R, оказывающего сопротивление току на входе (I_IN), рассчитывают по формуле R=(V_IN-V_КА)/ I_IN. Здесь I_IN = I_KA+ I_L_.

Несмотря на достоинства микросхемы TL431, есть у неё и весьма существенный недостаток– это маленький ток в нагрузке, который она способна выдержать. Для решения этой проблемы в схему включают мощные биполярные или полевые транзисторы.Примеры различных схем на основе стабилитрона TL431 можно посмотреть в следующем видео.

Основные технические характеристики LM338

Простой регулируемый источник питания

Первая схема — типовое подключение обвязки LM338. Схема обеспечивает регулируемое выходное напряжение от 1,25 до максимума подаваемого входного напряжения, которое не должно быть более 35 вольт.

Переменный резистор R1 используется для плавного регулирования выходного напряжения.

Простой 5 амперный регулируемый источник питания

Эта схема создает выходное напряжение, которое может быть равно напряжению на входе, но ток хорошо изменяется и не может превышать 5 ампер. Резистор R1 точно подобран таким образом, чтобы поддерживать безопасные 5 ампер предельного тока ограничения, которые могут быть получены из цепи.

Регулируемый источник питания на 15 ампер

Как уже было сказано ранее микросхема LM 338 в одиночку может осилить только 5А максимум, однако, если необходимо получить больший выходной ток, в районе 15 ампер, то схема подключения может быть модифицирована следующим образом:

В данном случае используются три LM338 для обеспечения высокой токовой нагрузки с возможностью регулирования выходного напряжения.

Переменный резистор R8 предназначен для плавной регулировки выходного напряжения

Источник питания с цифровым управлением

В предыдущей схеме источника питания, для осуществления регулировки напряжения использовался переменный резистор. Ниже приведенная схема позволяет посредством цифрового сигнала подаваемого на базы транзисторов получать необходимые уровни выходного напряжения.

Величина каждого сопротивления в цепи коллектора транзисторов подобрана в соответствии с необходимым выходным напряжением.

Схема контроллера освещения

Кроме питания, микросхема LM338 также может быть использована в качестве светового контроллера. Схема показывает очень простую конструкцию, где фототранзистор заменяет резистор, который используется в качестве компонента для регулировки выходного напряжения.

Лампа, освещенность которой необходимо держать на стабильном уровне, питается от выхода LM338. Ее свет падает на фототранзистор. Когда освещенность возрастает сопротивление фоторезистора падает и выходное напряжение уменьшается, а это в свою очередь уменьшает яркость лампы, поддерживая ее на стабильном уровне.

Зарядное устройство 12В на LM338

Следующую схему можно использовать для зарядки 12 вольтовых свинцово-кислотных аккумуляторов. Резистором RS можно задать необходимый ток зарядки для конкретного аккумулятора.

Схема плавного включения (мягкий старт) блока питания

Некоторые чувствительные электронные схемы требуют плавного включения электропитания. Добавление в схему конденсатора С1 дает возможность плавного повышения выходного напряжения до установленного максимального уровня.

Схема термостата на LM338

LM338 также может быть настроен для поддержания температуры обогревателя на определенном уровне.

Здесь в схему добавлен еще один важный элемент — датчик температуры LM334. Он используется как датчик, который подключен между adj LM338 и землей. Если тепло от источника возрастает выше заданного порога, сопротивление датчика понижается, соответственно, и выходное напряжение LM338 уменьшается, впоследствии уменьшая напряжение на нагревательном элементе.

Информация взята с joyta.ru

Купить Регулируемые стабилизаторы напряжения LM338 за $2.65

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 создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

1 – источник напряжения;
2 –элемент регулирующий;
3 – усилитель;
4 – источник основного напряжения;
5 – измерительный элемент;
6 – сопротивление нагрузки.

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Пример подбора стабилизатора по мощности

Стабилизатор приобретается для одновременной защиты трех однофазных потребителей

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.

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.

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.

Полная мощность, ВА	Активная мощность, Вт
350	300
550	400
800	600
1000	800
1500	1125
2000	1500
2500	2000
3000	2500
3500	2750
5000	4500
7000	5500
8000	7200
10000	9000
12000	11000
15000	13500
20000	18000

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:

Полная мощность, ВА	Активная мощность, Вт
6000	5400
10000	8000
15000	13500
20000	16000

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.

Что такое «cos φ» и «пусковые токи» и почему они нужны при расчете мощности?

Оба параметра, а них мы сейчас вкратце расскажем, имеют самое непосредственное отношение к расчету мощности. Первый — cos φ — обозначает коэффициент мощности и рассчитывается через отношение показателя активной мощности к показателю полной. В электротехнике считается, что идеальным показателем коэффициента мощности является 1, если речь идет об обычных бытовых электроприборах. То есть, чем ближе к единице значение cos φ, тем это лучше для потребителей и поставщиков.

Если быть более конкретным, то можно разобрать данный вопрос на примере одного из продуктов — стабилизаторе АСН 8000. Как известно, цифры в его названии указывают на мощность в Вольт/Амперах (8000 В/А). Так как обычно показатель мощности выражается в Ваттах, то отсюда и возникает необходимость использовать параметры коэффициента cosφ. Соответственно, если речь идет об использовании стабилизатора для нормальной работы различных бытовых электроприборов (электрочайника, нагревательного тэна, электроплиты и т.п.), то значение коэффициента должно быть равно единице.

Чтобы узнать значение в Ваттах, используется простая формула: Ватты = В/А х cosφ (1). Для примера вернемся к упоминавшемуся выше стабилизатору Энергия АСН 8000. Формула будет выглядеть следующим образом:

8000 ВА х 1 =8 кВт.

Если же планируется использование стабилизатора с техникой, оснащенной электродвигателями, насосами и компрессорами (то есть с активно/реактивной нагрузкой), то расчет производится исходя из значения cosφ, равного 0,8 или 0,7, причем лучше использовать последнее значение. Впрочем, здесь многое будет зависеть от конкретной ситуации. Например, Энергия HYBRID СНВТ 5000 обладает полной мощностью в 5000 В/А. Следовательно, опять используем вышеописанную формулу со значением коэффициента в 0,7. И получаем:

5000 (В/А) х 0.7 = 3.5 кВт.

Если же вы планируете одновременное подключение техники как с нагревательными элементами, так и с двигателями, то лучше если cosφ равен 0,8.

Теперь о пусковых токах. При расчете мощности стабилизатора данный показатель является одним из ключевых, так как при запуске двигателя бытовых электроприборов (стиральных машин, сплит-систем, насосов и т.д.) возникает краткосрочная нагрузка, которая превышает номинальную мощность стабилизатора.

Холодильники, стиральные машины, СВЧ-печи, пылесосы и другие подобные электроприборы могут потреблять в три и даже больше раз мощности, чем номинальный показатель, при запуске. Затем, когда прибор начнет работать на рабочих оборотах, показатель потребляемой мощности опять станет равным номиналу. И хотя длительность пусковых токов не превышает нескольких секунд, игнорировать данное обстоятельство не следует, если вы рассчитываете суммарную мощность. Допустим, у вас есть холодильник, номинальная мощность которого составляет 300 Вт. Но при запуске, когда начинает работать компрессор, мощность резко возрастает, достигая показателя в один киловатт. Следовательно, вам придется принимать в расчет не только номинальный показатель мощности холодильника, но и пусковые токи.

Схемы простых стабилизаторов напряжения