Как работают стабилизаторы напряжения. Какие бывают типы стабилизаторов. Почему важно использовать стабилизатор напряжения. Как правильно выбрать стабилизатор для дома или предприятия.
Что такое стабилизатор напряжения и зачем он нужен
Стабилизатор напряжения — это устройство, которое преобразует нестабильное входное напряжение в стабильное выходное, подходящее для питания различных электроприборов. Основная задача стабилизатора — поддерживать постоянное напряжение на выходе независимо от колебаний напряжения во входной электросети.
Использование стабилизатора напряжения позволяет:
- Защитить чувствительную электронику и бытовую технику от перепадов напряжения
- Продлить срок службы электроприборов
- Обеспечить стабильную и бесперебойную работу оборудования
- Снизить риск пожара из-за перегрева проводки при скачках напряжения
- Сэкономить на оплате электроэнергии за счет оптимизации ее потребления
Основные виды стабилизаторов напряжения
Существует несколько основных типов стабилизаторов напряжения, которые различаются по принципу работы:
Релейные стабилизаторы
Принцип действия основан на переключении обмоток автотрансформатора с помощью электромагнитных реле. Преимущества: простота конструкции, надежность, невысокая стоимость. Недостатки: ступенчатая регулировка напряжения, шум при работе.
Электромеханические стабилизаторы
Используют сервопривод для плавного перемещения щетки по обмотке автотрансформатора. Обеспечивают более точную стабилизацию, чем релейные, но имеют движущиеся части, подверженные износу.
Симисторные (тиристорные) стабилизаторы
Принцип работы схож с релейными, но вместо электромагнитных реле используются электронные ключи — симисторы или тиристоры. Преимущества: бесшумность, высокое быстродействие, отсутствие механического износа.
Инверторные стабилизаторы
Работают по принципу двойного преобразования энергии: входное напряжение выпрямляется, затем преобразуется инвертором в стабильное выходное напряжение. Обеспечивают наилучшие характеристики стабилизации и качество выходного напряжения.
Как работает стабилизатор напряжения
Принцип работы большинства стабилизаторов напряжения можно описать следующим образом:
- Входное напряжение поступает на измерительный блок, который определяет его параметры
- Система управления сравнивает измеренное напряжение с эталонным значением
- При отклонении входного напряжения от нормы система управления подает сигнал на регулирующий элемент
- Регулирующий элемент (реле, симистор или электронный блок) изменяет коэффициент трансформации, добавляя или убавляя напряжение
- На выходе формируется стабильное напряжение заданного номинала
Этот процесс происходит непрерывно, обеспечивая поддержание стабильного выходного напряжения при колебаниях входного.
Преимущества использования стабилизаторов напряжения
Установка стабилизатора напряжения дает ряд важных преимуществ:
- Защита электроприборов от перепадов напряжения, которые могут привести к поломке
- Увеличение срока службы бытовой техники и электроники
- Обеспечение стабильной работы чувствительного оборудования
- Снижение риска возгорания электропроводки из-за скачков напряжения
- Экономия электроэнергии за счет оптимизации ее потребления
- Повышение качества электропитания, устранение помех в сети
Особенно важно использование стабилизаторов в регионах с нестабильным электроснабжением, а также для защиты дорогостоящего оборудования.
Как правильно выбрать стабилизатор напряжения
При выборе стабилизатора напряжения следует учитывать следующие факторы:
Мощность
Мощность стабилизатора должна быть на 20-30% выше суммарной мощности подключаемых электроприборов. Как рассчитать необходимую мощность стабилизатора?
- Для бытового применения обычно достаточно 3-10 кВА
- Для коммерческих объектов — 10-50 кВА
- Для промышленного использования — от 50 кВА и выше
Диапазон входного напряжения
Чем шире диапазон входных напряжений, тем лучше стабилизатор справится с серьезными перепадами в сети. Оптимальный диапазон — 140-260 В.
Точность стабилизации
Показывает, насколько точно поддерживается выходное напряжение. Для бытового применения достаточно точности ±5-7%, для промышленного — ±2-3%.
Быстродействие
Время реакции на изменение входного напряжения. Оптимальное значение — не более 20 мс.
Тип стабилизатора
Выбор между релейным, электромеханическим, симисторным или инверторным стабилизатором зависит от конкретных условий эксплуатации и требований к качеству стабилизации.
Особенности эксплуатации стабилизаторов напряжения
При использовании стабилизатора напряжения важно соблюдать следующие правила:
- Устанавливать стабилизатор в сухом, хорошо вентилируемом месте
- Не превышать максимально допустимую нагрузку
- Регулярно проводить техническое обслуживание согласно инструкции
- Защищать устройство от пыли, влаги и механических повреждений
- При появлении посторонних шумов или запахов немедленно отключать стабилизатор
Соблюдение этих правил обеспечит длительную и безопасную эксплуатацию стабилизатора напряжения.
Перспективы развития технологий стабилизации напряжения
Современные тенденции в развитии стабилизаторов напряжения включают:
- Повышение энергоэффективности устройств
- Уменьшение габаритов и веса при сохранении мощности
- Внедрение цифровых технологий управления
- Разработку «умных» стабилизаторов с возможностью удаленного мониторинга
- Интеграцию функций стабилизации в системы бесперебойного питания
Эти инновации позволят сделать стабилизаторы напряжения еще более эффективными и удобными в использовании.
виды приборов и технологий стабилизации
Содержание
Технология стабилизации напряжения, основанная на эффекте феррорезонанса
В 1938 году был изобретен и запатентован феррорезонансный трансформатор (автор Джозеф Сола). Именно это устройство, изначально названное «трансформатор постоянного напряжения», стали впервые использовать для стабилизации параметров электрической энергии, так как оно за счет электромагнитного явления, называемого феррорезонансом, при колебаниях входного напряжения сохраняло неизменным значение выходного.
Отметим, что феррорезонансный эффект не регулирует напряжение напрямую, однако при правильном применении позволяет минимизировать влияние первичного (входного) напряжения на вторичное (выходное).
Феррорезонансный трансформатор включает в себя две магнитные цепи (обмотки) со слабой связью друг с другом. Магнитопроводы цепей имеют различную магнитную проницаемость, поэтому во время работы выходная цепь находится в режиме постоянного насыщения, а входная, наоборот, не достигает насыщенности.
Благодаря этому даже значительные отклонения напряжения на входе не приводят к существенным колебаниям на выходе. Разница между величиной фактически снимаемого с трансформатора напряжения и его номинальным значением обычно не превышает пяти процентов (при соблюдении определённых условий).
Феррорезонансные трансформаторы выпускаются по сей день, правда, современные модели из-за высокой цены и некоторых особенностей эксплуатации, практически не используются в качестве стабилизаторов напряжения.
Первые стабилизаторы напряжения в СССР
В нашей стране разработки приборов, обеспечивающих коррекцию переменного напряжения, начались в конце 1950-х годов. Именно тогда возникла потребность в качественном электропитании бытовой техники, начавшей массово появляться в советских квартирах и домах.
За основу для первых серийных стабилизаторов отечественные инженеры взяли описанную выше технологию феррорезонанса – она не требовала сложной схемы и, самое главное, полностью удовлетворяла существующие на тот момент требования к качеству электропитания.
В широкий обиход советские феррорезонансные стабилизаторы вошли уже в 1960-х годах. Их конструкция включала в себя автотрансформатор, входной и фильтрующий дроссель, а также конденсатор.
Данные изделия не отличались большой мощностью и в основном были рассчитаны на 200-300 Вт. Но этого вполне хватало для питания типичных нагрузок того времени: цветных и чёрно-белых телевизоров, радиоаппаратуры, магнитофонов и измерительных приборов (более мощные трехфазные стабилизаторы использовались для защиты ответственного электрооборудования на промышленных предприятиях).
В течение 1960-1970-х годов наибольшее распространение в бытовом секторе получили модели ТСН-170, ФСН-200, СНБ-200, СН-200, УСН-200, ТСН-200 СН-250, СН-315 и СНП-400 (цифра в названии означает выходную мощность устройства). Перечисленные устройства выпускались как в пластиковых, так и металлических корпусах и предназначались для настенного или напольного размещения. Для сети предусматривался выведенный шнур со штепсельной вилкой, для нагрузки – розеточное гнездо.
Использовались советские феррорезонансные стабилизаторы в первую очередь для защиты телевизоров от сильно завышенного или заниженного сетевого напряжения: они обеспечивали возможность нормального приема телевизионных передач, сохранность и увеличение срока службы кинескопа, ламп и других элементов телевизионного приёмника.
Что касается технических характеристик, то данные изделия в основном были рассчитаны на работу от сети переменного тока с частотой 50 Гц и номинальным напряжением 127 или 220 В. При этом рабочий диапазон входных напряжений составлял 85-140 В (для сети 127 В) и 155-250 В (для сети 220 В). Приборы имели коэффициент полезного действия не менее 80%, не боялись перегрузок и коротких замыканий. Кроме того, феррорезонансные стабилизаторы благодаря отсутствию электромеханических частей имели длительный срок службы. У некоторых пользователей сделанные во времена СССР устройства до сих пор исправно работают!
Были у этих стабилизаторов и свои недостатки: постоянный гул при работе (доходил до 32 дБА), существенные искажения формы выходного напряжения, большая зависимость от входной частоты и величины подключённой нагрузки, а также сильное электромагнитное поле, которое при близком расположении к телевизору создавало помехи в его работе.
Отметим, что разработки в области стабилизации сетевого напряжения велись в СССР непрерывно, поэтому параллельно с феррорезонансными стабилизаторами с конвейеров профильных заводов выходили и приборы иных типов. В частности, автотрансформаторные регуляторы моделей АРН-250, АРБ-400 и АТ-2, которые предполагали ручное поддержание выходного напряжения в установленных пределах. Однако ни одна разновидность изделий не получила в советский период такого распространения, как стабилизаторы на базе феррорезонанса.
Лишь с начала 90-х годов, когда в нашей стране появляется большое количество требовательной к качеству электропитания зарубежной бытовой техники и электроники, российские производители начинают выпуск стабилизаторов напряжения, в основу которых положены рассмотренные далее технологии.
Стабилизация напряжения с помощью сервопривода
В 1960-х стали активно распространяться сервоприводы – специальные электромоторы, механизм которых мог поворачиваться под разным углом и удерживать необходимое положение.
В тех же годах сервопривод начал использоваться и в стабилизаторах напряжения. Так, в 1961 году был запатентован электромеханический стабилизатор, силовая честь которого состояла из регулируемого автотрансформатора, подвижного токосъемного контакта с приводом от двигателя постоянного тока и источника напряжения собственных нужд. Прибор позволял автоматически стабилизировать сетевое напряжение, не искажая при этом форму его кривой.
Сегодня электромеханические стабилизаторы по-прежнему выпускаются и несмотря на разнообразие моделей имеют схожий принцип работы – плата управления сравнивает значение напряжения на входе изделия с установленным образцовым. В случае различия этих двух параметров сервопривод с графитовым ползунком, роликом или щеткой (в зависимости от конкретной модели стабилизатора) перемещается по обмотке автотрансформатора и подключает к цепи количество витков, достаточное для получения выходного напряжения максимально приближенного к эталонной величине.
Такой принцип работы сопряжен с существенными недостатками.
Речь, в первую очередь, о невысокой скорости срабатывания – сервоприводу при возникновении сетевого отклонения требуется определенное время, чтобы передвинуть токосниматель в необходимое положение. Кроме того, быстрый механический износ подвижных деталей обуславливает необходимость их периодической замены.
Шум при передвижении щеток сервопривода, возможное искрение во время работы и громоздкая конструкция создают дополнительные сложности при бытовой эксплуатации данных устройств.
Подробнее об электромеханических стабилизаторах можно узнать в статье «Электромеханические стабилизаторы напряжения».
Релейная технология стабилизации напряжения
Появившееся еще в 19 веке электромеханическое реле – это, наверное, самый распространённый в автоматике элемент. В нашей стране оно сначала применялось в промышленности для управления технологическими процессами, а затем вошло и в состав различной бытовой техники. Разработка в СССР стабилизаторов напряжения, действующих на основе релейного элемента и получивших соответствующее название «релейные», приходится на 1970-е годы.
Основные элементы типичного релейного стабилизатора – это автотрансформатор, электронная плата управления и блок силовых реле, каждое из которых по сути представляют собой автоматический выключатель, соединяющий или разъединяющий электрическую цепь под внешним воздействием либо при достижении определенных параметров.
Во время работы релейного стабилизатора управляющая плата постоянно контролирует входное напряжение и в случае его отклонения от номинальных показателей подает сигнал на релейный блок. Последующее замыкание (размыкание) определённого реле коммутирует обмотки трансформатора и обеспечивает необходимый для нейтрализации входного искажения коэффициент трансформации.
Устройства данного типа имеют повышенную скорость срабатывания, но регулировка сетевого напряжения выполняется ступенчато (не плавно), что сказывается на форме подаваемого на нагрузку сигнала. Кроме того, срабатывание реле всегда сопровождается щелчками, создающими определенный шум во время работы устройства.
Подробнее о данном типе стабилизаторов можно узнать в статье «Релейные стабилизаторы напряжения».
Стабилизация напряжения на основе тиристоров и симисторов
Активное проникновение в электротехнику полупроводниковых компонентов нашло своё отражение и в вопросе стабилизации электрической энергии. В конце 1970-х начались разработки стабилизаторов напряжения, работающих на основе тиристоров – полупроводниковых приборов, имеющих два состояния «закрытое» с низкой проводимостью и «открытое» с высокой.
Обычно тиристоры используются как силовые ключи в различных электронных устройствах, например, в переключателях скорости электродвигателей, таймерах, диммерах и т.д. Отметим, что тиристоры в зависимости от конструкции могут проводить ток как в одном направлении, так и в двух (приборы второго типа получили название – симисторы).
Тиристорные и симисторные стабилизаторы напряжения по принципу своей работы схожи с релейными и отличаются лишь тем, что коммутация обмоток автотрансформатора выполняется не релейными блоками, а электронными, состоящими из тиристоров или симисторов.
Применение таких блоков позволяет регулировать напряжение гораздо быстрее, чем с помощью классических электромеханических реле. Другие преимущества данной технологии: абсолютная бесшумность работы и отсутствие требующих технического обслуживания деталей.
Сегодня симисторные и тиристорные стабилизаторы являются одними из самых распространённых и популярных, что, однако, не отменяет их главного недостатка – ступенчатого регулирования напряжения (аналогично релейным моделям).
Более подробно о тиристорных и симисторных стабилизаторах рассказано в статье «Электронные стабилизаторы напряжения».
Технология двойного преобразования энергии
Инверторы и выпрямители – статические преобразователи напряжения, совместное использование которых в 1980-х породило технологию двойного бестрансформаторного преобразования энергии. Данная технология в течение нескольких десятилетий успешно применялась в онлайн ИБП, а в 2015 году была использована и при создании стабилизаторов напряжения нового поколения.
Полученные устройства, названые инверторными стабилизаторами, обеспечили непревзойдённые технические характеристики и стали настоящим прорывом в своей отрасли.
Инверторные стабилизаторы избавлены от громоздкого автотрансформатора и каких-либо электромеханических частей, силовая часть приборов состоит исключительно из электронных модулей: выпрямителя, накопительной емкости и инвертора.
Работа такого стабилизатора заключается в двукратном преобразовании поступающего на вход напряжения. Сначала оно с помощью выпрямителя преобразуется в постоянное, затем проходит через промежуточную (накопительную) емкость и попадает на инвертор, где снова становится переменным. В итоге на выход устройства подаётся снятое с инвертора напряжение, которое обладает точным значением и синусоидальной формой.
Важно!
Двойное преобразование в инверторных стабилизаторах является штатным рабочим процессом и осуществляется постоянно, а не только в момент отклонения сетевых параметров от нормы.
Именно из-за этого данные устройства отличаются мгновенным срабатыванием и бесступенчатой стабилизацией, а генерируемая ими идеальная синусоидальная форма выходного сигнала не зависит от любых колебаний и помех во внешней сети. Кроме того, инверторные стабилизаторы работают в расширенном диапазоне входного напряжения и способны обеспечить эталонную точность стабилизации.
В настоящее время инверторные стабилизаторы удовлетворяют даже самые жесткие требования к качеству электропитания и входят в число наиболее популярных устройств в соответствующем им сегменте рынка.
Подробнее об инверторных стабилизаторах читайте в статье «Инверторные стабилизаторы: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки».
Принцип работы стабилизатора напряжения
Стабилизатор напряжения – устройство, преобразующее электроэнергию с неустойчивыми характеристиками, которые не подходят для устройств энергопотребления. На выходе поступает напряжение с заданными стабильными параметрами, которыми снабжаются потребители энергии.
Разновидности устройств
Стабилизаторы напряжения Штиль(от 0,1 до 100 кВА)Стабилизаторы напряжения СДП Русэлт
(от 1 до 10 кВА)Стабилизаторы напряжения
для газовых котлов
Прежде всего стоит разобраться, какие бывают разновидности устройств. Стабилизатор напряжения купить можно разный, например:
- Постоянного напряжения;
- Переменного напряжения.
Стабилизаторы постоянного напряжения
Они необходимы, если значение поступающего тока мало или наоборот слишком велико для электропотребителя. Проходя через устройство, напряжение преобразуется до заданного уровня. В свою очередь они делятся на:
- Линейный стабилизатор. Принцип функционирования основан на непрерывном изменении сопротивления для осуществления стабильного показателя на выходе. Простая конструкция устройства с минимальным количеством деталей работает без помех;
- Импульсный.
С помощь коротких импульсов нестабильный ток накапливается на катушке или в конденсаторе. В последствии накопленная электроэнергия поступает на выход с заданными параметрами. Если жена выходе показатель превышает возможное допустимое значение, то накопитель сбрасывает напряжение, переставая аккумулировать энергию, тем самым позволяя на выходе подавать напряжение с меньшим значением.
Стабилизаторы переменного напряжения
Устройство, которые поддерживает выход тока с заданными характеристиками, вне зависимости от того, какие показатели были на входе. Они бывают:
- Накопительные. Этот стабилизатор напряжения купить необходимо, если для применения достаточно накопления электроэнергии в системе, с последующим преобразованием и выдачи на выходе тока со стабильными параметрами;
- Корректирующие. Стабилизатор напряжения, преобразующий энергию за счет добавления потенциала, которого не хватает для получения необходимых параметров.
Качество и долговременность работы таких устройств зависит от скачков напряжения и других параметров подаваемой энергии.
И только благодаря стабилизаторам напряжения возможно бесперебойное электроснабжение с заданными параметрами.
Выгода в использовании стабилизаторов напряжения
Благодаря использованию стабилизаторов напряжения можно добиться эффективного расходования электроэнергии, обезопасить оборудование от перепадов напряжения, вызванного под воздействием различных факторов. Среди преимуществ данного оборудования:
· Обеспечение качественного питания электросети, исключающего поломку дорогостоящей электроники и техники. Повреждение современного дорогостоящего оборудование сопряжено с серьезными затратами на ремонтные работы. Применение стабилизатора исключает риск поломки, вызванный нестабильной работой сети.
· Низкое напряжение приводит к повышению потребления электроэнергии. Увеличение потребления становится причиной повышения расходов на оплату счетов. Стабилизатор позволяет отказаться от перерасхода и сохранить бюджет.
· Перепады напряжения приводят к КЗ, перегреву проводов. Кроме того, от них возможно возгорание. Стабилизаторы способствуют исключению этих рисков.
· Если напряжение держится на нормальном уровне, могут возникнуть импульсы из-за погодных явлений или перекоса фаз. Стабилизатор позволяет обезопасить техники, предотвращая такое воздействие.
Совокупность преимуществ позволяет не только экономить благодаря стабилизатором, но и обезопасить электросеть и приборы, подключенные к ней.
Как выбрать стабилизатор напряжения
Выбирая стабилизатор напряжения, стоит обратить внимание на такие характеристики, как:
· Особенности монтажа. Существуют модели, которые устанавливаются в непосредственной близости от электроприбора, на стену. Если требуется использование стабилизатора на улице, то стоит задуматься о наличии защиты от воздействия влаги и других внешних факторов. Если стабилизатор будет работать в условиях повышенных температур, то необходима модель, оснащенная охлаждением.
· Тип электросети: для одной фазы подходит устройство с напряжением 220-250 В, трехфазные обустраиваются при помощи устройств в 380-415 В.
· Допустимые показатели нагрузки. Бытовые стабилизаторы могут иметь мощность 3-5 кВт. Для коммерческих и общественных помещений подойдут устройства средней мощности, а для производства – высокомощное оборудование на десятки-сотни кВт. Мощность стабилизатора должна быть больше мощностей используемой техники на 30%.
· Максимальную и минимальную мощность на выходе.
· Мощность на выходе должна превышать минимум на 15% мощность всех используемых электроприборов.
· Точность регулировки. Для использования в быту подойдет устройство с точностью 5-7%. В промышленном применении важна большая точность. Поэтом предельный показатель – 3%.
· Скорость регулировки – не должна превышать 20 мс. Чем меньше – тем лучше.
· Особенность регулировки – дискретная или электродинамическая. Первый тип стоит дешевле и применяется для дома и коммерческой недвижимости. Второй – стоит дорого и подойдет для промышленности.
· Уровень издаваемого шума и размеры устройства.
Сделайте заказ на стабилизаторы напряжения в нашей компании, и мы выполним его быстро.
Блок-схема стабилизатора напряжения, принцип работы, типы
В этой статье мы рассмотрим функциональную блок-схему стабилизатора напряжения. Здесь вы найдете основную концепцию принципа работы стабилизатора, блок-схему стабилизатора м, типы стабилизаторов напряжения и т.д. Техника. Стабилизатор напряжения постоянно обеспечивает стабильное напряжение на своем выходе, независимо от того, какое стабильное или нестабильное напряжение он принимает на своем входе.
Например, стабилизатор напряжения рассчитан на 230В на выходе. Таким образом, он будет обеспечивать постоянное напряжение 230 В на своем выходе, даже если на входе будет 200 В или 300 В.
Читайте также: Блок-схема SMPS | Импульсный источник питания
Блок-схема стабилизатора и работа
Принцип работы стабилизатора напряжения очень прост, его основная функция заключается в поддержании стабильного выходного напряжения путем увеличения или уменьшения уровня напряжения в соответствии с нестабильным входным напряжением. Здесь вы можете увидеть 9Блок-схема 0003 стабилизатора напряжения на рисунке ниже.
Как видно из приведенной выше блок-схемы, автотрансформатор является основной частью любого стабилизатора, с помощью которого можно увеличивать или уменьшать напряжение. И достигается это постукиванием.
Также имеется электронная схема для определения колебаний входного напряжения и управления электромагнитным реле. Компаратор, который измеряет входное и выходное напряжение, сравнивает их и решает, насколько напряжение должно уменьшиться или увеличиться, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.
Например, когда входное напряжение уменьшилось по сравнению с нормальным значением, компаратор определяет и подает сигнал на схему переключения, чтобы включить электромагнитное реле, чтобы добавить больше напряжения от трансформатора.
Таким образом, падение входного напряжения никак не повлияет на выходное напряжение, выходное напряжение останется постоянным на нормальном уровне.
Когда входное напряжение превышает нормальное значение, включается другое электромагнитное реле, которое понижает напряжение до нормального значения с помощью автотрансформатора, а выходное напряжение остается стабильным на нормальном уровне.
Работа стабилизатора напряжения основана на двух операциях: понижающей и повышающей.
Когда входное напряжение низкое, стабилизатор добавляет дополнительное напряжение, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, что называется операцией Boost.
Когда входное напряжение превышает нормальное значение, стабилизатор снижает напряжение, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, что называется понижающим режимом.
См. также: [Пояснение] Блок-схема автономного и онлайнового ИБП
Типы стабилизаторов
В основном существует три типа стабилизаторов напряжения:
1.
Релейные типы Стабилизатор напряжения
2. Стабилизатор напряжения с сервоуправлением
3. Статический стабилизатор напряжения
Схема блока ROC
Катодно-лучевой осциллографВ стабилизаторе напряжения релейного типа имеется очень много электромагнитных реле, подключенных к отводу трансформатора. Для контроля выходного напряжения они включались поочередно и поддерживали выходное напряжение.
В релейных стабилизаторах точная стабилизация напряжения невозможна.
В стабилизаторе с сервоуправлением серводвигатель используется для перемещения отвода на вторичной стороне трансформатора. Для поддержания уровня напряжения серводвигатель перемещает отвод или рычаг на вторичной обмотке трансформатора. Стабилизатор напряжения с сервоуправлением обеспечивает более точную стабилизацию напряжения, чем стабилизатор напряжения релейного типа.
Статический стабилизатор напряжения не имеет движущихся частей, в нем используются полупроводниковые устройства, такие как SCR, IGBT, микроконтроллер и т.
д., для управления трансформатором для стабилизации напряжения. Статический стабилизатор напряжения обеспечивает большую точность стабилизации напряжения. Современные статические стабилизаторы напряжения также не используют автотрансформатор, они имеют крошечный сверхвысокочастотный трансформатор и некоторые электронные схемы для своей работы.
Читайте также: [Пояснение] Блок-схема ПЛК | Программируемый логический контроллер
Благодарим вас за посещение веб-сайта. продолжайте посещать для получения дополнительных обновлений.
Типы регуляторов напряжения и принцип работы | Артикул
СКАЧАТЬ PDF
Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц
Подписаться
Мы ценим вашу конфиденциальность
Как работает регулятор напряжения?
Регулятор напряжения — это схема, которая создает и поддерживает фиксированное выходное напряжение независимо от изменений входного напряжения или условий нагрузки.
Регуляторы напряжения (VR) поддерживают напряжение от источника питания в диапазоне, совместимом с другими электрическими компонентами. Хотя регуляторы напряжения чаще всего используются для преобразования мощности постоянного тока в постоянный, некоторые из них также могут выполнять преобразование мощности переменного тока в переменный или переменный в постоянный. В этой статье речь пойдет о регуляторах напряжения постоянного/постоянного тока.
Типы регуляторов напряжения: линейные и импульсные
Существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Оба типа регулируют напряжение в системе, но линейные стабилизаторы работают с низким КПД, а импульсные стабилизаторы — с высоким КПД. В высокоэффективных импульсных стабилизаторах большая часть входной мощности передается на выход без рассеяния.
Линейные регуляторы
В линейном регуляторе напряжения используется активное проходное устройство (например, BJT или MOSFET), которое управляется операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления.
Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейный регулятор регулирует сопротивление проходного устройства, сравнивая внутреннее опорное напряжение с дискретизированным выходным напряжением, а затем сводя ошибку к нулю.
Линейные регуляторы представляют собой понижающие преобразователи, поэтому по определению выходное напряжение всегда ниже входного. Однако у этих стабилизаторов есть несколько преимуществ: они, как правило, просты в конструкции, надежны, экономичны и обеспечивают низкий уровень шума, а также низкие пульсации выходного напряжения.
Для работы линейных регуляторов, таких как MP2018, требуется только входной и выходной конденсаторы (см. рис. 1) . Их простота и надежность делают их интуитивными и простыми устройствами для инженеров, и часто они очень рентабельны.
Рис. 1: Линейный регулятор MP2018
Импульсные регуляторы
Схема импульсного регулятора, как правило, более сложная для проектирования, чем линейный регулятор, и требует выбора номиналов внешних компонентов, настройки контуров управления для обеспечения стабильности и тщательной компоновки схемы.
Импульсные регуляторы могут быть понижающими преобразователями, повышающими преобразователями или их комбинацией, что делает их более универсальными, чем линейные регуляторы.
Преимущества импульсных стабилизаторов заключаются в том, что они высокоэффективны, имеют лучшие тепловые характеристики и могут поддерживать более высокий ток и более широкий диапазон V IN / V OUT приложений. Они могут достигать эффективности более 95% в зависимости от требований приложения. В отличие от линейных стабилизаторов, для импульсной системы питания могут потребоваться дополнительные внешние компоненты, такие как катушки индуктивности, конденсаторы, полевые транзисторы или резисторы обратной связи. HF920 является примером импульсного стабилизатора, обеспечивающего высокую надежность и эффективное регулирование мощности (см. рис. 2) .
Рисунок 2: Импульсный регулятор HF920
Ограничения регуляторов напряжения
Одним из основных недостатков линейных регуляторов является то, что они могут быть неэффективными, так как рассеивают большое количество энергии в определенных случаях использования.
Падение напряжения линейного регулятора сравнимо с падением напряжения на резисторе. Например, при входном напряжении 5 В и выходном напряжении 3 В падение между выводами составляет 2 В, а КПД ограничен 3 В/5 В (60%). Это означает, что линейные регуляторы лучше всего подходят для приложений с более низким значением V IN / V OUT дифференциал.
Важно учитывать предполагаемое рассеивание мощности линейного стабилизатора при применении, поскольку использование более высоких входных напряжений приводит к высокому рассеиванию мощности, что может привести к перегреву и повреждению компонентов.
Другим ограничением линейных стабилизаторов напряжения является то, что они способны только к понижающему (понижающему) преобразованию, в отличие от импульсных регуляторов, которые также обеспечивают повышающее (повышающее) и понижающе-повышающее преобразование.
Импульсные стабилизаторы очень эффективны, но некоторые недостатки включают то, что они, как правило, менее рентабельны, чем линейные регуляторы, больше по размеру, более сложны и могут создавать больше шума, если их внешние компоненты не выбраны тщательно.
Шум может быть очень важен для данного приложения, так как шум может влиять на работу и характеристики схемы, а также на характеристики электромагнитных помех.
Топологии импульсных регуляторов: понижающий, повышающий, линейный, LDO и регулируемый
Существуют различные топологии линейных и импульсных регуляторов. Линейные регуляторы часто полагаются на топологии с малым падением напряжения (LDO). Импульсные стабилизаторы бывают трех распространенных топологий: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и повышающе-понижающие преобразователи. Каждая топология описана ниже:
Регуляторы LDO
Одной из популярных топологий для линейных стабилизаторов является регулятор с малым падением напряжения (LDO). Линейные стабилизаторы обычно требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2 В выше выходного напряжения. Однако регулятор LDO предназначен для работы с очень небольшой разницей напряжений между входными и выходными клеммами, иногда всего 100 мВ.
Понижающие и повышающие преобразователи
Понижающие преобразователи (также называемые понижающими преобразователями) принимают более высокое входное напряжение и производят более низкое выходное напряжение. И наоборот, повышающие преобразователи (также называемые повышающими преобразователями) потребляют более низкое входное напряжение и производят более высокое выходное напряжение.
Понижающе-повышающие преобразователи
Понижающе-повышающий преобразователь представляет собой одноступенчатый преобразователь, который сочетает в себе функции понижающего и повышающего преобразователя для регулирования выходного напряжения в широком диапазоне входных напряжений, которые могут быть больше или меньше выходного Напряжение.
Управление регулятором напряжения
Четыре основных компонента линейного регулятора — проходной транзистор, усилитель ошибки, источник опорного напряжения и резисторная цепь обратной связи. Один из входов усилителя ошибки устанавливается двумя резисторами (R1 и R2) для контроля процентного соотношения выходного напряжения.
Другой вход представляет собой стабильное опорное напряжение (V REF ). Если измеряемое выходное напряжение изменяется относительно V REF , усилитель ошибки изменяет сопротивление проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (V ИЗ ).
Для работы линейных регуляторов обычно требуется только внешний входной и выходной конденсатор, что упрощает их реализацию.
С другой стороны, импульсный регулятор требует больше компонентов для создания цепи. Силовой каскад переключается между V IN и землей для создания пакетов заряда для доставки на выход. Подобно линейному регулятору, имеется операционный усилитель, который считывает выходное напряжение постоянного тока из сети обратной связи и сравнивает его с внутренним опорным напряжением. Затем сигнал ошибки усиливается, компенсируется и фильтруется. Этот сигнал используется для модуляции рабочего цикла ШИМ, чтобы вернуть выход в режим регулирования. Например, если ток нагрузки быстро увеличивается и вызывает падение выходного напряжения, контур управления увеличивает рабочий цикл ШИМ, чтобы обеспечить больший заряд нагрузки и вернуть шину в режим регулирования.
Применение линейных и импульсных регуляторов
Линейные регуляторы часто используются в приложениях, которые чувствительны к затратам, шумам, слабому току или ограниченному пространству. Некоторые примеры включают бытовую электронику, такую как наушники, носимые устройства и устройства Интернета вещей (IoT). Например, в таких приложениях, как слуховой аппарат, можно использовать линейный регулятор, поскольку в них нет переключающего элемента, который может создавать нежелательные шумы и мешать работе устройства.
Кроме того, если разработчики в основном заинтересованы в создании недорогого приложения, им не нужно так беспокоиться о рассеиваемой мощности, и они могут положиться на линейный регулятор.
Импульсные регуляторы выгодны для более общих применений и особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и производительности, таких как потребительские, промышленные, корпоративные и автомобильные приложения (см. рис. 3) . Например, если приложение требует большого понижающего решения, лучше подойдет импульсный регулятор, так как линейный регулятор может создать большую рассеиваемую мощность, которая может повредить другие электрические компоненты.
Рисунок 3: Понижающий регулятор MPQ4430-AEC1
Каковы основные параметры микросхемы регулятора напряжения?
Некоторые из основных параметров, которые следует учитывать при использовании регулятора напряжения, — это входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток. Эти параметры используются для определения того, какая топология VR совместима с IC пользователя.
Другие параметры, включая ток покоя, частоту коммутации, тепловое сопротивление и напряжение обратной связи, могут иметь значение в зависимости от применения.
Ток покоя важен, когда эффективность в режиме малой нагрузки или в режиме ожидания является приоритетом. При рассмотрении частоты коммутации в качестве параметра максимизация частоты коммутации приводит к меньшим системным решениям.
Кроме того, тепловое сопротивление имеет решающее значение для отвода тепла от устройства и рассеивания его по системе. Если в состав контроллера входит внутренний МОП-транзистор, то все потери (кондуктивные и динамические) рассеиваются в корпусе и должны учитываться при расчете максимальной температуры ИС.
Напряжение обратной связи — еще один важный параметр, который необходимо проверить, поскольку он определяет минимальное выходное напряжение, которое может поддерживать регулятор напряжения. Стандартно смотреть на опорные параметры напряжения. Это ограничивает более низкое выходное напряжение, точность которого влияет на точность регулирования выходного напряжения.
Как правильно выбрать регулятор напряжения
Чтобы правильно выбрать регулятор напряжения, проектировщик должен сначала понять его ключевые параметры, такие как V IN , V OUT , I OUT , приоритеты системы (например, эффективность, производительность, стоимость) и любые дополнительные ключевые функции, такие как индикация исправности (PG) или включение управления.
После того как разработчик определил эти требования, используйте таблицу параметрического поиска, чтобы найти лучшее устройство, отвечающее заданным требованиям. Таблица параметрического поиска является ценным инструментом для проектировщиков, поскольку она предлагает различные функции и пакеты, доступные для соответствия требуемым параметрам вашего приложения.
