Стабилизатора напряжения при высокой пульсации

Стабилизаторы напряжения: схемы, параметры, принцип работы

Содержание

Параметры стабилизаторов напряжения

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации K ст, выходное сопротивление R вых и коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации определяют из выражения K ст= [ ∆u вх/ u вх] / [ ∆u вых/ u вых]

где u вх, u вых — постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆u вх — изменение напряжения u вх; ∆u вых — изменение напряжения u вых, соответствующее изменению напряжения ∆u вх.

Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина K ст составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

Таким образом, коэффициент стабилизации — это отношение относительного изменения напряжения на входе к соответствующему относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением R вых= | ∆u вых/ ∆i вых|

где ∆u вых— изменение постоянного напряжения на выходе стабилизатора; ∆i вых— изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина R вых составляет единицы Ом, а у более совершенных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора η ст — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р н, к мощности, потребляемой от входного источника напряжения Р вх: η ст = Р н / Р вх

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Интересное видео о стабилизаторах напряжения:

Параметрические стабилизаторы

Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82).

Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного напряжения (рис. 2.82, в).

Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения u э (на ∆u э), а значит, и входного напряжения u вх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину ∆u вых.

Абрамян Евгений Павлович Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Причем, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона (т. е. чем более горизонтально идет характеристика стабилитрона), тем меньше ∆uвых.

Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения ∆u вх (на схеме пунктир):

K ст= ( ∆u вх/ u вх) : ( ∆u вых/ u вых) Так как обычно R н>> r д Следовательно, K ст≈ u вых / u вх· [ ( r д+ R 0) / r д]

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением.

В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 2.83, а).

Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис. 2.83, б. Здесь СУЭ и ИОН с целью упрощения не показаны). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление R б, включаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные).

В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Рассмотрим типичную принципиальную схему непрерывного стабилизатора (рис. 2.84, а).

Эта схема соответствует приведенной выше структурной схеме последовательного стабилизатора. Для того чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допущений, которые были рассмотрены при изучении операционного усилителя,изобразим эту схему по-другому. При этом цепи питания операционного усилителя для упрощения рисунка изображать не будем.

Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R2, R3, DA и VT построен неинвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R1 и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

Подставляя выражение для i R2 в предыдущее уравнение, получим − u ст/ R 3· R 2= u ст – u вых. Следовательно, u вых = u ст· ( 1 + R 2/ R 3)

Последнее выражение в точности повторяет соответствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение u ст).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

В конце 60-х годов стали выпускать интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (серия К142ЕН). В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжениями. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами.

Некоторые параметры интегральных стабилизаторов приведены в табл. 2.1, а вариант подключения к стабилизатору К142ЕН1 внешних элементов — на рис. 2.85.

Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току, а R 1 — для регулирования выходного напряжения. Микросхемы К142УН5, ЕН6, ЕН8 являются функционально законченными стабилизаторами с фиксированным выходным напряжением, но не требуют подключения внешних элементов.

Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы.

Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД, равный 70 − 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 − 50%.

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе, так как хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через силовой элемент, максимален, однако падение напряжения на нем близко к нулю, а в разомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотя напряжение максимально. Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность незначительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к уменьшению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания относят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилизатор напряжения (рис. 2.86).

Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение t вкл / t выкл, где t вкл, t выкл — длительности отрезков времени, на которых ключ находится соответственно во включенном и выключенном состояниях. Чем больше это отношение, тем больше напряжение на выходе.

В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор.

Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.

Ещё одно интересное видео о стабилизаторах:

Источник

Пять особенностей линейных стабилизаторов, о которых нужно знать

С первого взгляда линейные регуляторы (LDO) кажутся достаточно простыми компонентами, однако очень часто возникают ситуации, когда они работают нештатно. В данной статье рассматриваются пять особенностей стабилизаторов: поведение LDO при запуске, потребление LDO при малых входных напряжениях, особенности отклика LDO при изменении нагрузки, влияние собственного шума и PSRR стабилизатора на общий выходной шум, а также реализация входной защиты LDO. Понимание этих особенностей делает выбор стабилизатора более осознанным и упрощает процесс отладки. Приводятся примеры интегральных стабилизаторов производства Maxim Integrated, в которых учтены перечисленные особенности.

В настоящий момент выбор подходящего линейного стабилизатора зачастую заключается в просмотре бесконечных таблиц с применением параметрических фильтров. Какое выходное напряжение нужно? Каков максимальный нагрузочный ток? Каково предельно допустимое входное напряжение? Какой диапазон входных напряжений требуется? Какое следует выбрать корпусное исполнение? Какие габариты будут у компонентов обвязки? Перечень подходящих регуляторов может быть уменьшен с учетом дополнительных параметров. Например, что если нагрузка чувствительна к колебаниям напряжения питания? Тогда стабилизатор должен обладать очень малым собственным шумом и высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Если же разрабатывается устройство с батарейным питанием, то потребуется регулятор со сверхмалым уровнем потребления.

С учетом перечисленных требований исходный список стабилизаторов сократится до нескольких подходящих моделей. Но это еще не все. Перед тем как сделать окончательный выбор, нужно ответить еще на пять вопросов:

• Как регулятор ведет себя при запуске?
• Останется ли ток потребления малым, если входное напряжение окажется на нижней границе рабочих напряжений (или даже меньше)?
• Как ведет себя стабилизатор при изменении нагрузки?
• Что является основным источником выходного шума: собственный шум стабилизатора или внешний шум из-за малого значения PSSR?
• Как стабилизатор ведет себя при выключении?

Эти вопросы могут показаться не такими важными, пока не возникнут проблемы. Но когда проблемы появятся вы, скорее всего, почувствуете себя обманутым или, по крайней мере, недостаточно осведомленным. Придется потратить дополнительное время на устранение неполадок и, возможно, на доработку своей платы.

Попробуем пролить свет на эти вопросы. Возможно, предложенная информация будет полезна в ближайшем будущем при очередном выборе линейного регулятора.

Запуск

Многие стабилизаторы имеют вход разрешения, с помощью которого можно включать и выключать регулятор при необходимости экономии энергии. Обычно в таких стабилизаторах есть также функция плавного запуска (Soft Start). Плавный запуск предотвращает перегрузку регулятора при включении. Данная функция может быть реализована двумя способами.

Плавный запуск с ограничением тока

Первый способ – плавный запуск с ограничением тока (Current Soft Start). В большинстве регуляторов существует ограничение выходного тока. Функция плавного запуска заключается в плавном или пошаговом увеличении тока ограничения при запуске (рисунок 1). При этом выходное напряжение будет плавно нарастать, так как ток заряда выходного конденсатора оказывается меньше, чем максимально допустимый нагрузочный ток стабилизатора. Преимущество данного подхода заключается в том, что входной ток регулятора будет плавно увеличиваться согласно заданному шаблону, и помехи от пускового тока нагрузки не будут передаваться на вход стабилизатора.

Рис. 1. Временные диаграммы режимов плавного запуска с ограничением тока и напряжения

Анализируя переходные процессы при включении стабилизатора, можно обнаружить, что на осциллограмме выходного напряжения есть точки перелома, в которых напряжение начинает уменьшаться. Рассмотрим эту особенность подробнее. После включения линейного регулятора происходит заряд выходного конденсатора и питание нагрузки. Если выходной ток превышает значение тока ограничения, напряжение на нагрузке падает ниже определенного уровня и происходит его возврат в состояние сброса. Далее цикл повторяется, и нагрузка то включается, то выключается. В конце концов, значение тока ограничения становится достаточно высоким, чтобы обеспечить необходимый ток, и схема начинает работать в штатном режиме.

Плавный запуск с ограничением напряжения

Второй способ – плавный запуск с ограничением напряжения (Voltage Soft Start). При таком подходе выходное напряжение увеличивается плавно и линейно, без каких-либо скачков при включении (рисунок 1). Подобное поведение также защищает нагрузку от повторных сбросов, так как напряжение пересекает пороговую точку сброса один раз.

В данном случае пусковой ток определяется выходной емкостью, скоростью нарастания выходного напряжения и током, потребляемым нагрузкой. Как правило, скорость нарастания выходного напряжения устанавливается на уровне, который обеспечивает пусковой ток в диапазоне 1…10% от максимального выходного тока (при использовании рекомендованного минимального выходного конденсатора). Установка пускового тока на уровне менее 10% позволяет использовать выходные конденсаторы большей емкости и компенсировать повышенный ток нагрузки. Недостатком системы запуска с ограничением напряжения является то, что входной ток зависит от нагрузки и не контролируется напрямую. А ее преимущество заключается в отсутствии множественных переходов нагрузки в состояние сброса.

На рисунке 1 представлено сравнение временных диаграмм режимов плавного запуска с ограничением тока и с ограничением напряжения.

Увеличение тока потребления при работе с малыми входными напряжениями

Если схема питается от аккумулятора, то величина собственного потребления стабилизатора имеет большое значение. Нагрузка может находиться в активном состоянии в течение краткого интервала времени, а потом надолго переходить в режим ожидания, экономя энергию. В этом случае время автономной работы будет в значительной степени определяться собственным потреблением регулятора. Если это так, вы, скорее всего, выберете линейный регулятор с минимальным питающим током.

Теперь представьте, что ваша аккумуляторная батарея разряжена до такой степени, что разница между входным и выходным напряжением стабилизатора становится минимальной. При работе в таком режиме стабилизатор старается как можно сильнее открыть внутренний силовой транзистор, чтобы обеспечить минимальное падение напряжения, даже если выходной ток нагрузки очень мал. Проблема заключается в том, что «усиленное» открывание транзистора приведет к увеличению потребления схемы управления затвором (рисунок 2). В результате режим ожидания превращается в режим быстрой разрядки батареи.

Рис. 2. Увеличение тока потребления при работе с малыми входными напряжениями из-за роста потребления схемы управления затвором силового транзистора

Подобное увеличение тока при работе с малыми входными напряжениями – не редкость даже для самых лучших стабилизаторов. Двукратный рост потребления не является чем-то необычным, а некоторые регуляторы характеризуются увеличением потребления в 10 раз и более. Иногда информация об увеличении потребляемого тока при работе с малыми входными напряжениями приводится в документации в виде таблиц и графиков. Однако чаще всего эта информация отсутствует.

Если в конкретном приложении величина тока потребления имеет большое значение, следует выбирать стабилизатор, для которого в документации приведена подробная информация об этом параметре или самостоятельно измерять уровень тока, чтобы убедиться, что регулятор отвечает предъявляемым требованиям.

Отклик стабилизатора на изменение нагрузки

Линейные регуляторы имеют возможность стабилизации выходного напряжения при изменении нагрузки. Когда происходит изменение нагрузки, напряжение на затворе встроенного силового транзистора также должно измениться. Время, необходимое для того чтобы напряжение на затворе достигло нового значения, обычно определяет уровень перерегулирования и недорегулирования.

Обычно быстрый переход к полной нагрузке является худшим случаем с недорегулированием выходного напряжения. Перед сравнением динамических характеристик регуляторов всегда следует проверять значения начальных токов. Переход от нагрузки 10% к нагрузке 100% будет более быстрым, чем переход от начальной нагрузки 1% к нагрузке 100%, так как в первом случае выходное напряжение будет ближе к конечному значению. Гораздо труднее добиться хороших показателей при переходе от состояния с нулевой нагрузкой к полной нагрузке.

Можно предположить, что поддержание некоторого минимального тока нагрузки поможет избежать значительной задержки при включении максимальной нагрузки. Да, поможет, но это не всегда является хорошим решением. Дело в том, что при обратном переходе от полной нагрузки к минимальной часто возникает перерегулирование выходного напряжения. При этом регулятор находится в наиболее уязвимом состоянии, в котором его внутренний силовой транзистор полностью отключен. Если в этот момент нагрузка вновь увеличится, то будет наблюдаться недорегулирование, которое окажется еще более значительным, чем при первоначальном переходе.

Если работа схемы предполагает наличие быстрых перепадов нагрузки, следует проверять динамические характеристики стабилизаторов с использованием описанного выше алгоритма. На рисунке 3 показано ухудшение отклика регулятора при повторном быстром увеличении нагрузки.

Рис. 3. Ухудшение отклика регулятора при повторном быстром увеличении нагрузки

Собственный шум стабилизатора и коэффициент подавления помех по питанию (PSRR)

Регуляторы, предназначенные для создания малошумящих приложений, как правило, обладают и высоким значением коэффициента подавления нестабильности питания (PSRR). Это логично, так как чувствительность нагрузки к помехам не зависит от причины их возникновения.

Если стабилизатор подключен к импульсному регулятору, то малый коэффициент PSRR может создать больше проблем, чем собственный выходной шум стабилизатора. Рассмотрим случай совместного использования стабилизатора с понижающим импульсным регулятором для питания чувствительной к шуму нагрузки. Если на частоте 100 кГц пульсации выходного напряжения импульсного преобразователя составляют 50 мВ (от пика до пика), а величина PSRR линейного регулятора на той же частоте 100 кГц равна 60 дБ, то на выходе стабилизатора будут наблюдаться пульсации 50 мкВ (от пика до пика), что эквивалентно среднеквадратичному выходному шуму 15 мкВ. Допустим, выбран малошумящий стабилизатор, для которого в полосе частот 10 Гц…100 кГц собственный выходной шум составляет менее 5 мкВ (среднеквадратичное значение). Тогда окажется, что шум из-за входных пульсаций от DC/DC-преобразователя и малого PSRR будет в три раза выше собственного шума стабилизатора (рисунок 4).

Рис. 4. Общий выходной шум определяется вкладом PSRR

При работе с высокими выходными напряжениями собственный шум линейного регулятора может преобладать над PSRR. Это связано с тем, что собственный шум увеличивается в соответствии с делителем обратной связи. Рассмотрим схему, в которой линейный регулятор используется для преобразования зашумленного напряжения 17 В от повышающего DC/DC-преобразователя в напряжение 16 В с уровнем пульсацией менее 100 мВ. Если PSRR стабилизатора на частоте переключений составляет 60 дБ, то пульсации 50 мВ (от пика до пика) от повышающего преобразователя будут ослаблены до 50 мкВ (от пика до пика) или 15 мкВ (ср.кв.) на выходе. Шум 5 мкВ (ср.кв.) встроенного опорного источника может показаться малым и не представляющим опасности. Однако если сигнал обратной связи уменьшается до 1,25 В, а напряжение на резисторе обратной связи 16 В, то выходной шум составит 5 мкВ × (16 В/1,25 В) или 64 мкВ (ср.кв). Таким образом, собственный шум стабилизатора будет вносить основной вклад в общий выходной шум (рисунок 5).

Рис. 5. Увеличение выходного шума при работе с высокими напряжениями

При поиске оптимального стабилизатора для чувствительной нагрузки следует учитывать как выходной шум, так и PSRR.

Защита входа

Обычно в линейных регуляторах присутствует обратный диод, встроенный в силовой МОП-транзистор. Из-за этого диода выходное напряжение не может превышать входное напряжение больше, чем на 0,7 В. В большинстве случаев этот диод не влияет на работу стабилизатора, но есть два случая, когда он может создать проблемы.

Защита от обратного напряжения

Иногда возникают ситуации, когда на вход устройства подается напряжение питания обратной полярности, например, при использовании стандартных батареек. Хотя разъем для установки батареек в отсеке питания имеет особую формовку выводов и защищает от неправильного подключения, тем не менее, он не гарантирует полную защиту и допускает возможность ошибки с возникновением кратковременных обратных напряжений.

Защита от обратной полярности позволяет напряжению на входе быть меньше напряжения на выводе земли без существенного увеличения тока. Для этого необходимо отключить встроенный диод силового транзистора с помощью дополнительного последовательного ключа. У большинства регуляторов на входе есть диоды, защищающие от обратной полярности и электростатических разрядов (ESD). Их также необходимо исключить и использовать специализированную схему защиты (рисунок 6).

Рис. 6. Защита от обратного напряжения

Примером стабилизатора с защитой от обратной полярности является MAX1725, который способен выдерживать обратные напряжения до -12 В без значительного увеличения входного тока.

Защита от обратного тока

Очень часто защиту от обратного тока в линейных регуляторах путают с защитой от обратного напряжения. Хотя для ее реализации также требуется блокировка встроенного диода силового транзистора, тем не менее, механизм защиты имеет значительные отличия. На рисунке 7 показано как работает схема защиты от обратного тока.

Рис. 7. Защита от обратного тока

Рассмотрим случай, когда значительная емкостная нагрузка, например, аудиосистема со множеством развязывающих конденсаторов, питается от линейного регулятора. Предположим также, что линейный регулятор, в свою очередь, питается от мощного понижающего преобразователя. Кроме того, при выключении выход импульсного преобразователя замыкается на землю. Вполне ожидаемо, что при первом же выключении линейный регулятор выйдет из строя, так как конденсаторы нагрузки начнут одновременно разряжаться, и ток будет протекать через встроенный диод силового транзистора стабилизатора.

В линейных регуляторах с защитой от обратного тока эта проблема решена. В них внутренний диод отключается, если уровень входного напряжения падает ниже выходного. Если до этого стабилизатор находился в рабочем состоянии, то силовой транзистор отключится не сразу, и некоторое время ток будет течь в обратном направлении. Стоит отметить, что данная функция защищает от протекания тока от выхода ко входу, и не ограничивает входной ток при приложении входного напряжения обратной полярности.

Примером стабилизатора с защитой от обратного тока является MAX8902, который блокирует обратный разрядный ток выходных конденсаторов нагрузки, если вход закорочен на землю.

Заключение

Рассмотренные в статье особенности линейных регуляторов могут оказаться чрезвычайно важными для многих приложений. К сожалению, они редко учитываются в параметрическом поиске. Кроме того, по предоставляемой документации не всегда удается определить, какой набор функций имеет тот или иной стабилизатор. Тем не менее, знание возможных потенциальных проблем делает выбор оптимального регулятора более осознанным.

Источник

Как выбрать стабилизатор напряжения (2018)

Вместо привычного с детства числа 220 в маркировке современных электроприборов все чаще попадается 230. С недавних пор именно 230 В является стандартным напряжением в России и многих других странах. Впрочем, для большинства электроприборов разницы между 230 и 220 В нет никакой. Стандартом допускаются отклонения напряжения сети на ±10%, т.е. от 207 до 253 В. Производители бытовой техники ориентируются именно на эти показатели.

Однако в реальности напряжение в этих рамках удерживается не всегда. В новых микрорайонах, в деревнях и поселках часто к старой подстанции, рассчитанной на определенную нагрузку, подключается много новых потребителей. Это приводит к падению напряжения до 190 В и даже ниже, что бывает хорошо заметно по горящим в полнакала лампочкам. К сожалению, снижением яркости лампочек проблема не исчерпывается. Возрастают токи в обмотках электродвигателей насосов, холодильников, стиральных машин, посудомоек и пр. Это может привести к выходу двигателя из строя.

Бывает в сети и повышенное напряжение, также довольно частое в загородных домах – иногда подстанции намеренно подстраиваются на выдачу повышенного напряжения, чтобы на удаленных потребителях оно поднялось до нормального. При этом на потребителях, близких к подстанции, оно может быть около 250 В. Если при этом еще и нулевой провод окажется не заземлен, то из-за перекоса фаз напряжение может подняться еще выше – до 260 В и даже больше. Ну и не так уж редки случаи, когда электрики случайно подключают в щитке вместо нулевого провода – еще одну фазу, выдавая потребителям 400 В вместо 230. Повышенное напряжение вредно всем потребителям без исключения, поскольку ведет к увеличению выделения тепла, перегреву деталей, выходу их из строя и даже воспламенению.

Можно защитить все электроприборы в доме, установив во входном щитке реле напряжения, но это не решит проблему полностью – при выходе напряжения за установленные рамки оно просто обесточит потребителей. Чтобы защититься от длительных просадок или повышений напряжения, следует ставить стабилизатор.

Конечно, можно поставить мощный стабилизатор на входе в дом и защитить всю технику скопом, но это будет стоить весьма недешево. Тем более что особой надобности в этом и нет – различные электроприборы по-разному реагируют на повышенное или пониженное напряжение. Вполне возможно, что не всей вашей технике нужна защита стабилизатором.

Защита электроприборов

Холодильники, морозильники и кондиционеры требуют защиты в первую очередь – пониженное напряжение в сети может стать причиной поломки компрессора и дорогостоящего ремонта.

Но еще одна особенность этой техники в том, что многие модели могут выйти из строя при быстром выключении-включении. Дело в том, что при выключении компрессора давление в системе выравнивается в течение некоторого времени (1-3 минуты). Если запустить компрессор раньше, его двигатель будет работать с повышенной нагрузкой (или вообще не сможет запуститься), что может привести к поломке. Современные холодильники и кондиционеры большей частью имеют встроенное реле задержки, но если у вас есть сомнения, или в руководстве указано, что перед повторным пуском следует выждать некоторое время, то стабилизатор обязательно должен иметь функцию задержки запуска минимум на 1 минуту.

Насосы, как погружные, так и поверхностные также требуют защиты от пониженного/повышенного напряжения и им тоже нужна задержка запуска. При пуске двигатель насоса в течение 1-2 секунд потребляет ток, в несколько раз превышающий номинальный. При этом обмотка двигателя нагревается. При обычном пуске излишки тепла снимаются прокачиваемой водой, но если напряжение в сети пропадает и появляется, то пусковые токи длятся дольше, а двигатель не успевает раскрутиться и прокачать воду. Контактирующая с насосом вода перегревается вплоть до закипания, что приводит к поломке насоса и перегоранию обмоток двигателя. Поэтому стабилизатор, защищающий насосы, должен также иметь задержку запуска в 5-10 секунд.

СВЧ-печь не выйдет из строя при падении напряжения, но эффективность её при этом снизится многократно. Если отвезенная на дачу «микроволновка» перестала греть, не спешите везти её в ремонт – возможно, дело в низком напряжении сети. Стабилизатор легко устранит эту проблему.

Электроника (компьютеры, современные телевизоры, аудиотехника), оснащенная импульсными блоками питания, пониженного напряжения не боится. Обычно это указывается в руководстве или прямо на блоке питания: «INPUT: 100-240 V». Так что, если ваша проблема состоит в пониженном напряжении, стабилизатор такой технике не нужен. Другое дело, если оно повышенное – при длительном воздействии напряжения от 240 В и выше, нагрузка (как тепловая, так и электрическая) на электронику БП сильно возрастает, что довольно быстро приводит к выходу его из строя.

Энергосберегающие лампы (как люминесцентные, так и светодиодные) к пониженному напряжению довольно лояльны, а вот повышенного не любят. Если всплески напряжения в вашей сети не редкость, то их лучше защитить стабилизатором. Тем более что потребляют они немного, и одного недорогого стабилизатора мощностью в 300-500 ВА хватит на освещение частного дома.

Нагревательным приборам, лампам накаливания, электрочайникам, утюгам и прочей подобной технике падения напряжения вообще не опасны – у них просто снизится эффективность. Повышенное напряжение может ускорить их износ, но в целом, напряжение, на 10-20% превышающее номинал, для большинства подобных приборов неопасно. Эти приборы можно включать в «проблемную» сеть без стабилизатора. Правда, это не относится ко многим современным моделям, оснащенным сложными электронными устройствами управления.

Определившись с тем, какие приборы следует защитить, следует определиться с характеристиками стабилизатора.

Характеристики стабилизаторов

Тип стабилизатора напряжения

Релейные стабилизаторы напряжения представляют собой трансформатор с несколькими отводами входной или выходной обмотки, коммутируемыми силовыми реле.

При нормальном входном напряжении трансформатор работает как разделительный – не повышая и не понижая напряжение. При выходе входного напряжения за установленные границы, электроника включает соответствующее реле, превращая трансформатор в понижающий или повышающий.

Преимущества релейных стабилизаторов:

– Высокая перегрузочная способность – даже самые простые модели выдерживают 200% перегрузки в течение нескольких секунд. Модели же с мощными силовыми реле, рассчитанные на высокие пусковые токи, выдерживают непродолжительные десятикратные перегрузки.

– Малое время переключения – напряжение полностью стабилизируется через 20-100 мс после выхода его за нормальные границы.

– Ступенчатость регулирования. Трансформатор имеет ограниченное число отводов на обмотке, поэтому изменять напряжение может только ступенчато – по 5, 10, а на недорогих моделях – по 20 вольт на одну ступень регулирования. В целом это для техники неопасно, но на граничных напряжениях частые переключения реле, сопровождающиеся мерцанием ламп накаливания, могут раздражать.

– Шумность. Реле при переключении щелкает довольно громко.

– Износ контактов реле. Основной недостаток этого вида стабилизаторов – опасность прогара или пригара контактов реле. Если в первом случае напряжение на выходе стабилизатора просто пропадет, то второй вариант намного неприятнее. Если пригар случится во время пониженного входного напряжения, то при возврате напряжения в норму, реле останется включенным. Трансформатор продолжит работать, как повышающий и напряжение на выходе станет повышенным! Спокойный за свою электротехнику владелец стабилизатора даже не будет подозревать, что именно в этот момент он сжигает её высоким напряжением. Поэтому не стоит выбирать релейный стабилизатор, если в сети случаются частые перепады напряжения – чем чаще реле срабатывает, тем быстрее снижается его ресурс.

Электромеханические (сервоприводные) стабилизаторы напряжения представляют собой тороидальный трансформатор с передвигающимся над внешней обмоткой токосъемником, контактирующим с обмоткой с помощью угольной щетки. При падении или превышении входного напряжения сервопривод перемещает токосъемник, нормализуя выходное.

Преимущества электромеханических стабилизаторов:

– Высокая перегрузочная способность – 200% перегрузки в течение 4-х секунд.

– Высокая точность регулирования.

– Низкий уровень шума при регулировании.

– Большое время переключения – токосъемник движется по обмоткам довольно медленно. Чем больше перепад напряжения, тем медленнее стабилизатор его отрабатывает. Это может привести к появлению импульсных помех на выходе стабилизатора, вызывающих сбои в работе электротехники.

– Износ токосъемника. Токосъемник желательно периодически смазывать графитовой смазкой. Но даже своевременная смазка не предотвращает полностью износа трущихся деталей.

Инверторный стабилизатор сделан на основе инвертора – ток сначала выпрямляется, потом, с помощью инвертора, вновь преобразуется в переменный.

Это позволяет достичь высокой точности регулирования и позволяет добиться полного отсутствия возмущений на выходе. Благодаря отсутствию движущихся контактов, у них низкий уровень шума, ресурс выше и опасности пригара контактов они лишены.

Недостатки инверторных стабилизаторов:

– Недорогие инверторы дают на выходе не чистую синусоиду, а ступенчатую. Некоторые электронные приборы (измерительные приборы, газовые котлы, аудио- и видеотехника) могут начать сбоить или вообще откажутся работать с такой синусоидой.

– Низкая перегрузочная способность. Допускается перегрузка 25-50% от номинала, в течение 1-4 секунд. Для защиты приборов, имеющих высокий пусковой ток, стабилизатор такого типа потребуется брать с большим запасом по мощности.

– Высокая чувствительность к мощным импульсным помехам. Впрочем, в бытовых сетях такие помехи — явление маловероятное.

Ступенчатые электронные стабилизаторы конструктивно схожи с релейными, однако коммутирование обмоток в них производится не с помощью реле, а с помощью мощных полупроводниковых приборов.

Это позволяет добиться высочайшей скорости регулирования (5-40 мс на переключение) при достаточно низкой цене. Эти стабилизаторы тоже не имеют движущихся контактов, бесшумны и обладают высоким ресурсом.

Но свои недостатки есть и у этого вида стабилизаторов:

– Низкая перегрузочная способность. Допускается перегрузка 20-40% от номинала, и то весьма непродолжительное время.

– Высокая чувствительность к мощным импульсным помехам. Если в сети нередки сильные кратковременные всплески напряжения, прослужит такой стабилизатор недолго.

Необходимая полная выходная мощность стабилизатора рассчитывается исходя из мощностей всех подключенных к нему электроприборов. При подсчете полной мощности следует иметь в виду, что та мощность (в Ваттах), которая приводится в паспорте на электроприбор – это его активная мощность, т.е., выделяющаяся в виде тепла или света.

Нагревательные приборы и лампы накаливания имеют полную мощность, равную активной. Но некоторые потребители, содержащие в себе электродвигатели или трансформаторы, создают вдобавок к активной еще и реактивную нагрузку. Для определения их полной мощности следует активную мощность поделить на коэффициент мощности (cos(φ)), обычно указанный в паспорте на электроприбор. Если найти это значение не удается, можно воспользоваться таблицей:

Полные мощности всех потребителей следует сложить и добавить к получившейся сумме 30% — дело в том, что мощность стабилизатора приводится для напряжения 220В. При выходе напряжения за пределы нормального, мощность стабилизатора падает на 20-30%. Именно это падение и следует компенсировать.

Но это еще не все – теперь полную мощность каждого потребителя следует помножить на пусковой коэффициент, также взяв его из паспорта или из таблицы. Сумма получившихся чисел (не забываем про 30%) – это пусковая мощность, и перегрузочная способность стабилизатора должна её обеспечивать.

Например, нам следует защитить холодильник мощностью 150 Вт, погружной насос мощностью 500 Вт и линию освещения со светодиодными лампочками суммарной мощностью 500 Вт. Необходимая полная мощность в ВА будет равна:

• 150/0,8=187,5
• 500/0,7=714,3
• 500/0,95=526,3

Суммируем полученные данные и прибавляем 30%. Итого 1857 ВА.

Пусковая мощность будет равна:

• 187,5*3=562,5
• 714,3*7=5000
• 526,3*1,5=790

Также суммируем, прибавляем 30%, получается 8258 ВА. Таким образом, нам нужен стабилизатор на 3000 ВА, способный выдержать перегрузку в три раза больше (релейный с усиленными реле), либо стабилизатор на 4500 ВА, способный выдержать в два раза больше перегрузки (релейный или электромеханический), либо электронный (ступенчатый или инверторный) на 9000 ВА.

Если такой подбор выглядит слишком сложным, то можно просто сложить активные мощности электроприборов (в Ваттах) и подобрать стабилизатор также по активной выходной мощности. Но такой подбор будет грубее: во-первых, этот метод не учитывает индивидуальных особенностей электроприборов, во-вторых, все производители по-разному рассчитывают зависимость полной и активной мощностей. И здесь также следует быть уверенным, что перегрузочная способность стабилизатора поможет ему выдержать пусковую мощность потребителей.

Разъем для подключения нагрузки может быть в виде клемм, либо в виде розеток. Если стабилизатор планируется использовать для защиты какой-либо линии электропитания (например, осветительной) предпочтительнее разъем в виде клемм.

Если же защищать планируется отдельных потребителей, то удобнее подключать их напрямую в евророзетки (СЕЕ 7), обратите внимание, чтобы количество розеток соответствовало количеству потребителей.

Некоторые стабилизаторы оснащены компьютерными розетками IEC 320 C13 – как правило, эти стабилизаторы предназначены для защиты персональных компьютеров и учитывают низкий коэффициент мощности этого вида техники.

Задержка запуска, как указывалось выше, может потребоваться для защиты некоторых видов техники, не приемлющих частых включений-выключений: холодильников, кондиционеров, насосов и пр.

Варианты выбора стабилизаторов

Для защиты отдельного маломощного потребителя – газового котла или циркуляционного насоса – будет достаточно стабилизатора полной мощностью до 1000 ВА.

Для защиты электроприборов, наиболее сильно подверженных влиянию пониженного или повышенного напряжения, будет достаточно стабилизатора в 3000-6000 ВА.

С защитой всех домашних электроприборов справится мощный стабилизатор.

Для защиты компьютера и периферии удобно использовать специализированный стабилизатор с компьютерными розетками.

Релейные и электромеханические стабилизаторы обладают высокой перегрузочной способностью и хорошо подходят для защиты электроприборов с высокими пусковыми токами.

Источник