Виды стабилизаторов напряжения
Различают всего 2 основных типа стабилизаторов напряжения:
- линейные
- импульсные
Линейные стабилизаторы напряжения
Например, микросхемы КРЕН или LM7805, LM1117, LM350.
Кстати, КРЕН — это не аббревиатура, как многие думают. Это сокращение. Советская микросхема-стабилизатор, аналогичная LM7805 имела обозначение КР142ЕН5А. Ну а ещё есть КР1157ЕН12В, КР1157ЕН502, КР1157ЕН24А и куча других. Для краткости всё семейство микросхем стали называть «КРЕН». КР142ЕН5А тогда превращается в КРЕН142.
Советский стабилизатор КР142ЕН5А. Аналог LM7805.
Стабилизатор LM7805
Наиболее распространенный вид. Недостаток их в том, что они не могут работать на напряжении ниже, чем заявленное выходное напряжение. Если LM7805 стабилизирует напряжение на 5 вольтах, то на вход ему подать нужно как минимум на полтора вольта больше. Если подать меньше 6,5 В, то выходное напряжение «просядет», и мы уже не получим 5 В. Еще один минус линейных стабилизаторов — сильный нагрев при нагрузке. Собственно, в этом и заключается принцип их работы — всё, что выше стабилизируемого напряжения, просто превращается в тепло. Если мы на вход LM7805 подадим 12 В, то 7 потратятся на нагрев корпуса, а 5 пойдут потребителю. Корпус при этом нагреется настолько сильно, что без радиатора микросхема просто сгорит. Из всего этого вытекает ещё один серьёзный недостаток — линейный стабилизатор не стоит применять в устройствах с питанием от батареек. Энергия батареек будет тратиться на нагрев стабилизатора. Всех этих недостатков лишены импульсные стабилизаторы.
Импульсные стабилизаторы напряжения
Импульсные стабилизаторы — лишены недостатков линейных, но и стоят дороже. Это уже не просто микросхема с тремя выводами. Выглядят они, как плата с детальками.
Один из вариантов исполнения импульсного стабилизатора.
Импульсные стабилизаторы бывают двух видов: понижающие и повышающие. Независимо от напряжения на входе, на выходе будет именно то, которое нам нужно. Если в характеристиках заявлено, что стабилизатору на вход можно подать от 1 до 15 вольт и на выходе будет стабильно 5, то так оно и будет. Кроме того, нагрев импульсных стабилизаторов настолько незначителен, что в большинстве случаев им можно пренебречь. Если ваша схема будет питаться от батареек или размещаться в закрытом корпусе, где сильный нагрев линейного стабилизатора недопустим — ставьте импульсный. Я использую настраиваемые импульсные стабилизаторы напряжения за копейки, которые заказываю с Aliexpress. Вот понижающие, а вот повышающие. Существуют и более дорогие универсальные стабилизаторы, которые поддерживают заданное напряжение независимо от подаваемого.
Хорошо. А что со стабилизатором тока?
Не открою Америку, если скажу, что стабилизатор тока стабилизирует ток.
Токовые стабилизаторы ещё иногда называют светодиодным драйвером. Внешне они похожи на импульсные стабилизаторы напряжения. Хотя сам стабилизатор — маленькая микросхема, а всё остальное нужно для обеспечения правильного режима работы. Но обычно драйвером называют всю схему сразу.
Примерно так выглядит стабилизатор тока. Красным кружком обведена та самая схема, которая и является стабилизатором. Всё остальное на плате — обвязка.
Итак. Драйвер задаёт ток. Стабильно! Если написано, что на выходе будет ток в 350мА, то будет именно 350мА. А вот напряжение на выходе может меняется в зависимости от требуемого потребителем напряжения. Не будем пускаться в дебри теории о том. как всё это работает. Просто запомним, что вы напряжение не регулируете, драйвер сделает все за вас исходя из потребителя.
Схема на составном транзисторе
Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.
Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.
Стабилизаторы на 15 В
Для устройств с напряжением 15 В используется сетевой стабилизатор напряжения, схема которого по своей структуре является довольно простой. Порог чувствительности у приборов находится на малом уровне. Модели с системой индикации встретить очень сложно. В фильтрах они не нуждаются, поскольку колебания в цепи незначительные.
Резисторы во многих моделях есть только на выходе. За счет этого процесс преобразования происходит довольно быстро. Входные усилители устанавливаются самые простые. Многое в данном случае зависит от производителя. Используются стабилизатор напряжения (схема показана ниже) этого типа чаще всего в лабораторных исследованиях.
Надежность и ремонтоспособность
Надежность оборудования определяется многими факторами. Самыми явными из них являются качество и количество комплектующих элементов, применяемых при производстве изделий.
Если исходить из того, что производители и тех и других стабилизаторов гарантируют высокое качество элементной базы, то следует оценить количественную составляющую.
Крепёжные изделия, краску и другие малосущественные компоненты в расчет не берем. Сравним количество электроэлементов.
Классический стабилизатор построен проще и включает в себя от 50 до 80 элементов и выделяет при работе минимум тепла.
В инверторном комплектующих в 3 — 5 раз больше и выделение тепла весьма существенно, что обусловливает необходимость наличия большого радиатора или вентилятора.
А теперь немного теории. Надежность изделия зависит от надежности каждого входящего элемента и количества этих элементов. Кроме того, повышение температуры на 10 градусов снижает надежность (в литературе приводятся различные цифры, вплоть до уменьшения срока службы в 2 раза).
Если принять надежность одного элемента равной 0,99, то суммарная надежность трех элементов составит: 0,99х0,99х0,99=0,97 (т.е. вероятность отказа 3%), а при наличии 10 элементов этот показатель будет равен 0,90 (т.е. вероятность отказа 10%).
Конечно, современные элементы имеют надежность выше 0,99, но тенденция снижения надежности при увеличении количества элементов весьма показательна.
Можно возразить, что при наличии большого количества элементов наши телевизоры, компьютеры, стиральные машины нормально работают годами. Но не стоит забывать, что бытовая техника работает далеко не полные сутки, а стабилизатор, не выключаясь, должен работать постоянно.
Практика эксплуатации классических стабилизаторов показывает, что они могут работать 10 лет и более. По инверторным моделям такой статистики пока просто нет. Мы знаем, что любая, даже самая качественная, техника порой требует ремонта. И потребителю небезразлично, насколько легко или сложно будет этот ремонт осуществить.
В течение гарантийного периода и при наличии доступной сервисной службы ремонт будет сделан по крайней мере бесплатно, хотя сроки, скорее всего, будут зависеть от сложности ремонта. А в иных случаях могут возникнуть проблемы, связанные с ремонтопригодностью изделия.
Ремонтопригодность стабилизаторов определяется несколькими параметрами.
Это плотность монтажа, легкость или сложность доступа к элементам. Это необходимость наличия того или иного оборудования для демонтажа и монтажа ремонтируемого изделия, наличия приборов и стендов для его наладки и тестирования. Это доступность элементной базы в случае необходимости замены неисправных деталей. И, конечно же, требования к квалификации ремонтного персонала.
Классические релейные стабилизаторы имеют низкую плотность монтажа и их элементная база не предполагает редких и дефицитных микросхем. Используемые приборы просты, а в качестве стенда обычно можно просто использовать ЛАТР. Поэтому требования к квалификации ремонтного персонала не особенно высоки, можно сказать, что достаточна квалификация на уровне гаражного радиолюбителя. Понятно, что при таких условиях ремонт не будет большой проблемой для потребителя.
С инверторными стабилизаторами картина совершенно иная. Компоновка здесь плотная, и основная масса элементов – это SMD, специализированные микросхемы. Для монтажа и демонтажа SMD потребуется приобрести специальное оборудование, а замена таких микросхем невозможна без хорошей паяльной станции. Кроме того, сами эти элементы не всегда можно будет легко приобрести, а в небольших населенных пунктах их покупка будет практически нереальна. Из оборудования обязателен осцилограф с приличной полосой пропускания. Понятно, что квалификация персонала должна быть не ниже инженера. И скорее всего придется обращаться к производителю.
Импульсные стабилизаторы
Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.
Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.
Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.
Микросхема импульсных устройств
Простой двух полярный стабилизатор напряжения на LM317.
За основу устройства взята схема описанная в выше, и добавлено плечо стабилизации отрицательного напряжения.
Характеристики и достоинства двух полярного стабилизатора
- напряжение стабилизации от 1,2 до 30 В;
- максимальный ток до 5 А;
- используется малое количество элементов;
- простота в выборе трансформатора, так как можно использовать вторичную обмотку без центрального отвода;
Детали устанавливаются на односторонний стеклотекстолит. Транзистор VT1, VT2 и микросхемы LM317 и LM337 следует устанавливать на радиаторы. При установке на общий радиатор следует использовать изолирующие прокладки и втулки.
Стабилизатор тока на двух транзисторах
Благодаря своему простому исполнению, в электронных схемах очень часто используются стабилизаторы на двух транзисторах. Их основным недостатком считается не вполне стабильный ток в нагрузках при изменяющемся напряжении. Если же не требуется высоких токовых характеристик, то данное стабилизирующее устройство вполне сгодится для решения многих несложных задач.
Кроме двух транзисторов в схеме стабилизатора присутствует токозадающий резистор. Когда на одном из транзисторов (VT2) увеличивается ток, возрастает напряжение на токозадающем резисторе. Под действием этого напряжения (0,5-0,6В) начинает открываться другой транзистор (VT1). При открытии этого транзистора, другой транзистор – VT2 начинает закрываться. Соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через него.
В качестве VT2 используется биполярный транзистор, однако в случае необходимости возможно создать регулируемый стабилизатор тока на полевом транзисторе MOSFET, используемом в качестве стабилитрона. Его выбор осуществляется исходя из напряжения 8-15 вольт. Данный элемент используется при слишком высоком напряжении источника питания, под действием которого затвор в полевом транзисторе может быть пробит.
Более мощные стабилитроны MOSFET рассчитаны на более высокое напряжение – 20 вольт и более. Открытие таких стабилитронов происходит при минимальном значении напряжения на затворе 2 вольта. Соответственно, происходит и увеличение напряжения, обеспечивающего нормальную работу схемы стабилизатора тока.
Компенсационный стабилизатор последовательного типа
В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой RH. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и RH таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.
Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас.
Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.
Рассмотрим схему компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.
Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа
В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений UОП и UРЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение UРЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.
Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.
Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то выходное напряжение стабилизатора
где R4’ и R4’’ соответственно верхняя и нижняя по схеме часть резистора R4.
Сопротивление нагрузки
В то же время стоит учитывать сопротивление нагрузки. Например если требуется обеспечить 100 мА через нагрузку сопротивлением 100 Ом, то по закону ома получаем напряжение
V= I*R = 0.1 * 100 = 10 Вольт
Такими нехитрыми подсчетами мы получили величину напряжения, которую требуется приложить к нагрузке в 100 Ом, чтобы обеспечить в ней ток в 100мА. Это означает, что для данной задачи рационально поставить стабилизатор 7812 или 7815 на 12вольт и 15 вольт соответственно, дабы иметь запас.
А вот обеспечить такой же ток, через резистор в 10кОм уже не выйдет. Для этого необходимо напряжение в 100 вольт, что данные микросхемы уже не умеют.
Схемы стабилизаторов напряжения на транзисторах
Качественные трансформаторы, применяемые в электрической цепи, эффективно справляются даже с большими помехами. Они надежно защищают бытовую технику и оборудование, установленные в доме. Настроенная система фильтрации позволяет бороться с любыми скачками напряжения. За счет контроля над напряжением происходят изменения величины тока. Предельная частота на входе увеличивается, а на выходе – уменьшается. Таким образом, ток в цепи преобразуется в течение двух этапов.
В начале на входе задействуют транзистор с фильтром. Далее происходит включение в работу диодного моста. Для завершения преобразования тока в схеме применяется усилитель, чаще всего устанавливаемый между резисторами. За счет этого в устройстве поддерживается необходимый уровень температуры.
Схема выпрямления действует следующим образом. Выпрямление переменного напряжения с вторичной обмотки трансформатора происходит с помощью диодного моста (VD1-VD4). Сглаживание напряжения выполняет конденсатор С1, после чего оно попадает в систему компенсационного стабилизатора. Действие резистора R1 задает стабилизирующий ток на стабилитроне VD5. Резистор R2 является нагрузочным. При участии конденсаторов С2 и С3 происходит фильтрация питающего напряжения.
Значение выходного напряжения стабилизатора будет зависеть от элементов VD5 и R1 для выбора которых существует специальная таблица. Транзистор VT1 устанавливается на радиаторе, у которого площадь охлаждающей поверхности должна быть не менее 50 см2. Отечественный транзистор КТ829А может быть заменен зарубежным аналогом BDX53 от компании Моторола. Остальные элементы имеют маркировку: конденсаторы – К50-35, резисторы – МЛТ-0,5.
Устанавливая в доме УЗО и устройства заземления обязательно нужно знать
Осуществлять заземление без зануления или УЗО запрещается. Неправильно выполненное заземление гораздо опаснее, чем использование электросети вовсе без него.
Нельзя подключать клеммы «земля» к естественному или искусственному заземлению тех электроприборов и розеток, что защищены лишь автоматами, призванными предохранять проводку от короткого замыкания в цепях фаза—фаза и фаза—нейтраль. Дело в том, что автоматы способны сработать только от тока, который в несколько раз выше их номинала. Самодельное или естественное заземление обычно обладает сопротивлением, не способным создать такие токи. Следовательно, оно не сможет произвести в течение 0,4 с (норма безопасности) защитное отключение автоматов.
К примеру, если на подстанции заземление нейтрали будет соответствовать правилам и составит 4 Ом и оборудованное в доме заземление также будет равняться 4 Ом, а в одном из подключенных к сети электрических приборов возникнет пробой, на всех корпусах, присоединенных к заземлению посредством защитных заземляющих проводников приборов возникнет опасный потенциал, равный 110 В. Если же сопротивление заземления будет выше 4 Ом, то опасное для жизни напряжение на корпусах бытовых приборов окажется еще более высоким.
Ни в коем случае нельзя подключать вывод «земля» электроприборов, розеток, а также металлических корпусов бытовых приборов к сторонним токопроводящим элементам здания и трубам.
Если возникнет пробой на корпус в бытовом приборе, который соединен с трубопроводом либо иным сторонним токопроводящим элементом, автоматы могут не сработать. В результате все токопроводящие предметы, соединенные электрически, окажутся под напряжением. В итоге может произойти массовое поражение электрическим током, чреватое летальным исходом, а также появится высокая вероятность возгорания.
Зануленная и заземленная труба может в любое время перестать быть таковой. Например, если будет проведен ее ремонт или из-за коррозии, часто возникающей в местах резьбовых соединений. Сегодня часто применяются трубы из пластика, которые не могут выполнять роль защитного проводника или естественного заземления.
Нельзя в тех домах, где установлена двухпроводная проводка, подключать вывод «земля» электрических приборов и розеток, металлических корпусов бытовых приборов к ее нейтральному проводу, т. е. запрещается занулять вывод «земля» подобных устройств.
Завод «земляной» клеммы в щит и ее зануление там, а также соединение клеммы с нейтральным проводом при помощи перемычки смертельно опасно.
Разрыв нейтрального провода может произойти в любом месте. В этом случае практически все включенные в сеть электроприборы сгорают, провода на воздушных линиях перехлестываются, фаза и нейтраль меняются местами, и, как результат, на зануленных корпусах бытовых приборов возникает опасное напряжение перекоса сети.
В том случае, когда трехпроводная проводка проведена и подключена, но заземление еще не обустроено, следует отключить защитный проводник в щите от люстр и иных электроприборов, розеток и защитной шины и заизолировать его. Если возникнет пробой в одном из приборов, находящихся под опасным напряжением через защитный проводник, то в этом случае напряжением окажутся все корпуса электроприборов, способные проводить ток. Особенно опасна такая ситуации при отсутствии УЗО.
Если защитные проводники подключены, а заземления нет, то все емкостные и статические токи подключенных в сеть электроприборов суммируются через защитный проводник. В результате даже при пользовании исправными бытовыми приборами возможно смертельное поражение током
Поэтому важно полностью выключить электричество и вынуть все вилки из розеток, прежде чем отключать защитные проводники
В первую очередь от поражения электрическим током защищает УЗО, несмотря на то что правила говорят о подобном приспособлении всего лишь как о дополнительной защите. Автомат способен предупредить короткое замыкание, а заземление — снять емкостные и статические токи электроприборов, что хоть и не полностью, но все же понижает опасный потенциал.
Нельзя также забывать о том, что монтаж выключателей, электрических приборов и розеток без использования десятиамперного УЗО смертельно опасен.
Не стоит по своей инициативе подключать к заземлению нейтральный провод. Это приведет к повторному заземлению на вводе нейтрального провода и, как следствие, занулению электрических приборов.
Схемы стабилизаторов и регуляторов тока
Всем известно, что светодиодным лампочкам необходимо питание двенадцать вольт. В сети авто это значение может доходить до 15 В. Светодиодные элементы очень чувствительны, на них такие скачки отражаются отрицательно. Светодиодные лампы могут перегореть либо некачественно светить (мигать, терять яркость и т.д.).
Чтобы светодиоды служили дольше, в электросеть автомобиля включаются драйвера (резисторы). При нестабильности в сети устанавливаются устройства, которые поддерживают постоянное значение. Существует несколько простых микросхем, по которым можно сделать стабилизатор напряжения своими руками. Все компоненты, входящие в цепь, можно приобрести в специализированных магазинах. Обладая начальными знаниями по электротехнике сделать приборы будет несложно.
На КРЕНке
Для того, чтобы сконструировать простейший стабилизатор напряжения 12 вольт своими руками, понадобится микросхема с потреблением 12 В. В этом случае подойдет регулируемый стабилизатор напряжения 12 В LM317. Он может функционировать в электросети, где входной параметр составляет до 40 В. Чтобы прибор стабильно работал, необходимого обеспечивать охлаждение.
Крены для микросхем
Стабилизатор тока на LM317требует для работы небольшой ток до 8 мА, и данное значение обычно остается неизменным, даже при большом токе, протекающем через крен LM317, или при изменении входного значения. Это реализуется с помощью компоненты R3.
Можно применять элемент R2, но пределы при этом будут небольшими. При неизменном сопротивлении LM317 ток, идущий через прибор, будет также стабильным (автор видео — Создано в Гараже).
Входное значение для кренки LM317 может составлять до 8 мА и выше. Пользуясь этой микросхемой, можно придумать стабилизатор тока для ДХО. Это устройство может выступать нагрузкой в бортовой сети или источником электричества при подзарядке аккумуляторной батареи. Сделать простой стабилизатор напряжения LM317 не составляет труда.
На двух транзисторах
На сегодняшний момент пользуются популярностью стабилизирующие устройства для бортовой сети машины на 12 В, разработанные с использованием двух транзисторов. Данную микросхему используют как стабилизатор напряжения для ДХО.
Резистор R2 является токораздающим элементом. При возрастании тока в сети увеличивается напряжение. Если оно достигает значения от 0,5 до 0,6 В, открывается элемент VT1. Открытие компонента VT1 закрывает элемент VT2. В итоге, ток, проходящий через VT2, начинает снижаться. Можно вместе с VT2 применять полевой транзистор Мосфет.
Элемент VD1 включается в цепь, когда значения находится в пределах от 8 до 15 В и настолько велики, что транзистор может выйти из строя. При мощном транзисторе допустимы показания в бортовой сети около 20 В. Не стоит забывать о том, что транзистор Мосфет откроется, если показания на затворе будут 2 В.
На операционном усилителе (на ОУ)
Стабилизатор напряжения для светодиодов на основе ОУ собирается при необходимости создания устройства, которое будет работать в расширенном диапазоне. В рассматриваемом случае в качестве элемента, который будет задавать выпрямляемый ток, является R7. С помощью операционного усилителя DA2.2 можно увеличить уровень напряжения в токозадающем компоненте. Задачей компонента DA 2.1 является контроль опорного напряжения.
При создании схемы следует учесть, что она рассчитана на 3А, поэтому необходим больший ток, который должен поступать на разъем ХР2. Кроме того, следует обеспечивать работоспособность всех составляющих данного устройства.
Сделанный стабилизирующий прибор для автомобиля должен иметь генератор, роль которого выполняет REF198. Чтобы правильно настроить прибор, ползунок резистора R1 нужно установить в верхнее положение, а резистором R3 задавать необходимое значение выпрямленного тока 3А. Для погашения возможных возбуждений, используются элементы R,2 R4 и C2.
На микросхеме импульсного стабилизатора
Если выпрямитель для автомобиля должен обеспечивать высокий КПД в сети, целесообразно использовать импульсные компоненты, создавая импульсный стабилизатор напряжения. Популярной является схема МАХ771.
Схема выпрямителя с импульсным выпрямителем
Импульсный стабилизатор тока характеризуется выходной мощностью 15 Вт. Элементы R1 и R2 делят показатели схемы на выходе. Если делимое напряжение превышает по показателям опорное, выпрямитель автоматически уменьшает выходное значение. В противном случае устройство будет увеличивать выходной параметр.
Сборка данного устройства целесообразна, если уровень превышает 16 В. Компоненты R3 являются токовыми. Для устранения высокого падения нагрузки на данном резисторе в схему следует включить ОУ.
