Компенсационный стабилизатор напряжения

Наиболее распространенная, но и самая простая схема стабилизатора напряжения   приведена ниже:

 Роль источника опорного напряжения в ней играет цепочка R_б -C_т, что представляет собой уже знакомый  нам параметрический стабилизатор напряжения с кремниевым стабилитроном С_т (одновременно на этой схеме показано условное обозначение кремневого стабилитрона). Напряжение U_cт изменяется мало. Ее выбирают несколько большей, чем U_н таким образом, чтобы обеспечить управляющее напряжение U_БЕ=U_ст — U_н

Напряжение U_н на нагрузке  равняется разнице U_вх— U_БЕ. Если U_вх например, увеличивается должен увеличиться общий ток, который увеличит U_н . Однако наименьшее увеличение U_н уменьшит U_БЕ, транзистор уменьшит свой ток, что и компенсирует возможное повышение U_н.

Разберем работу этой схемы подробнее. Для этого заменим транзистор его ранее рассмотренной эквивалентной схемой, положив в ней h_12Б=0, а стабилитрон заменим его динамическим сопротивлением R_Д. Полученную таким образом схему:

Несколько упростим, отбросив резистор с проводимостью h_22Б, который зашунтирован значительно меньшим сопротивлением R_б. Получим остаточную расчетную схему:

По принципу суперпозиции отыщем только отношение ∆U_вх / ∆U_н , что входит множителем в выражение для коэффициента стабилизации.

По методу контурных токов имеем

U_{вх +} h_12БR_бI_Е =(R_б +R_Д)I₁— R_ДI_E

                       0= — R_Д I₁ + (R_Д h_11Б +Rн) I_E,

Или

∆U_вх = (R_б + R_Д ) I₁— (R_{Д +} h_21БR_б) I_E

                     0= — R_Д I₁ + (R_Д  + h_11Б +Rн) I_E,

Отсюда

Помножив обе части уравнения на R_н и положив I_ЕRн=∆U_н имеем

Таким образом

Как видим, коэффициент стабилизации тем больше, чем меньше R_л и чем больше R_б. Другие составляющие или же заданные (R_н), или принадлежат транзистору и воздействовать на них не возможно (h_11Б, h_21Б). Чтобы удовлетворить оба требования, необходимо просто подобрать кремневый стабилитрон с возможно меньшим значением R_д и с возможно меньшим значением его тока.

Ниже приведена более сложная схема:

За основу тут принята предыдущая схема. Для увеличения K_ст коллекторный ток транзистора Т1 проходит через резистор R, а падающее на нем напряжение управляет еще одним транзистором Т2, ток которого соединяется с током Т1. Для устранения возможных паразитических связей на выходе подключен конденсатор С относительно большой емкости.

Более сложные схемы стабилизаторов здесь не рассматриваются, однако все они построены по тому же принципу, который рассмотрен в этой статье.

Выбор стабилизатора

Примерная схема мощности различных электроприборов

Выбирая точечные стабилизаторы, следует учитывать ряд следующих факторов, исходя из которых выстраиваются приоритеты:

• Количество потребителей электричества, которым требуется защита от его перепадов. Если они будут стоять в каждой комнате, целесообразно поставить один мощный входной автомат.
• Сила и напряжение тока, который поступает в недвижимость. Существуют аппараты, работающие на 220 В и 380 В.
• Вид тока. Изделия могут быть рассчитанными на одну или три фазы. Это определяет конфигурацию, количество разъемов и штекеров.
• Наличие заземления. Этот показатель определяет модель изделия — будет это встроенная розетка стабилизатор или внешний инверторный прибор.

Принцип работы электронного стабилизатора

Поскольку в многоквартирные дома поступает однофазный ток и нет заземления, приобретать следует приборы, соответствующие этому параметру. При этом следует учитывать, что в большинстве случаев возможность поставить отдельный вводный автомат отсутствует. Целесообразно приобретать точечные реле напряжения в розетку, установленные там, где подключаются устройства, нуждающиеся в защите.

Так как практически все дачи оснащены заземлением, приборы следует приобретать соответствующие. Отвод электричества при пробое на корпус сохранит жизнь человеку и продлит работоспособность подключенной техники. При этом можно брать маломощные стабилизаторы, рассчитанные на нагрузку до 500 Вт для подключения видеотехники, холодильных установок и кухонных приборов. Изделия с более высокими показателями приемной нагрузки следует приобретать для кондиционеров, бойлеров, стиральных и посудомоечных машин.

Реле контроля напряжения

Одним из способов такой защиты является установка во вводном щитке потребителя реле контроля напряжения. Его задача – не допустить, чтобы электроприборы, подключенные через него, оказались под напряжением, не соответствующим допустимым пределам. Потребитель самостоятельно с помощью органов управления реле выставляет эти пределы.

Реле контроля напряжения

Выставляют их по допустимым отклонениям, установленным ГОСТом. То есть, нижний предел – 198 В, верхний 242 В. Но этого иногда недостаточно: выход их нормы происходит настолько часто, что жить в доме становится невозможно. Реле при каждом превышении уставки отключает нагрузку, свет в доме гаснет. И появляется он, когда напряжение вновь придет в норму. Диапазон уставок реле приходится расширить.

А это приводит к потере смысла такой защиты. Она не обеспечивает защиту электрооборудования. Да и сидеть без света в любой ситуации не нравится никому.

Целесообразность использования стабилизатора

Стабилизатор напряжения в розетку

При критическом изменении показателей поступающей в здание энергии бытовая техника может отключиться, сломаться полностью или частично. Скачки напряжения не являются редкостью. Их причиной является человеческий фактор, износ или поломка электрического оборудования. Часто происходит отгорание нулевого провода, что приводит к перекосам уровней даже в пределах одной квартиры.

Влияние перепадов напряжения на разные виды бытовой техники:

• Приборы, которые имеют компрессоры (холодильник, кондиционер, морозильная камера), не могут запуститься и работать при низком уровне сигнала. Обмотки устройства перегреваются, разрушается эмалевое покрытие, происходит пробой изоляции и поломка. Компактный стабилизатор обеспечивает повышение сигнала до нужного уровня или прерывание линии. Холодильники после аварийного отключения начинают работать через 7-10 мин.

• Устройства с двигателями. К ним относятся миксеры, кофемолки, вентиляторы, мясорубки, микроволновые печи. Большинство из них не имеют защиты от перегревания, что происходит при большом повышении входного напряжения. Также опасен и низкий сигнал, из-за которого мотор останавливается или сгорает.
• Изделия с электронным управлением. В них строены чипы, имеющие определенный диапазон рабочего тока. При отклонении в большую или меньшую сторону нарушается корректность работы. Это приводит к отключению и сбою установленных программ. Устранить это может стабилизатор в розетку.
• Нагревательные элементы. Это чайники, печи, духовки, обогреватели. Выйти из строя они могут в случае длительной работы при повышенном напряжении. Элементы не в состоянии отводить избыток тепла, что приводит к их сгоранию. Низкий уровень тока на них не влияет.

Принцип работы сервопривода стабилизатора

Эти устройства относятся к самым простым стабилизаторам переменного напряжения. В устройстве стабилизатора напряжения главным элементом является тороидальный трансформатор с сервоприводом, который управляется не сложной электронной схемой сравнения выходного и входного напряжений.

При разнице этих напряжений, сигнал с положительной или отрицательной полярностью подается на сервопривод постоянного тока, который включаясь, поворачивает токосъемник с графитовой щеткой до тех пор, пока на выходе напряжение не станет равным 220 В. Токосъемник двигается по контактной площадке трансформатора захватывает одновременно несколько витков обмотки, поэтому напряжение регулируется без скачков.

Вид открытого стабилизатора с сервоприводом

Время отклика на изменение напряжения сервопривода выше, чем у релейного устройства. Положительным качеством сервопривода является хорошая точность установки 2 – 3%. На этом, наверное, заканчиваются все положительные качества сервопривода. У стабилизатора с сервоприводом есть один очень большой недостаток, о котором нигде не говориться. Это его пожароопасность.

Схема работы стабилизатора с сервоприводом

По его вине также выходят из строя все электробытовые приборы и техника. Причина проста. При падении сетевого напряжения ниже низкого порога или подъема напряжения выше высокого порога стабилизатора, сервопривод выводит токосъемную щетку в крайние положения и клинит. Это происходит из-за низкого качества китайских сервоприводов или схема управления сервоприводом не вытягивает токосъемник с крайних точек контактной площадки.

А теперь представьте, упало сетевое напряжение, токосъемник естественно пополз в верхнюю крайнюю точку, поднимая напряжение и заклинил. Вернуться не может. Когда напряжение восстановилось на входе стабилизатора, то выходное напряжение будет равным 300 В или больше. Бытовые приборы такое напряжение не выдерживают. Подобное не раз встречалось на моей практике. Поэтому при выборе стабилизатора переменного напряжения нужно учитывать его надежность и безопасность.

Назначение стабилизаторов напряжения

Стабилизатор напряжения Ресанта АСН-3000/3

Основное назначение агрегатов – снабдить потребителя стабилизированным напряжением, позволяющим использовать его для работы имеющейся в доме бытовой техники. Эти приборы необходимы для повышения качества поступающей к потребителю электроэнергии, которое в последние годы значительно ухудшилось.

Это касается не только амплитуды передаваемого по сети напряжения, но и его формы, а также величины нелинейных искажений (отклонения от синусоиды).

Все перечисленные характеристики удается исправить путем преобразования некачественного напряжения и последующего приведения его к нормальному виду.

Для этого в состав устройства входят механические, электромеханические или электронные узлы, ответственные за корректировку синусоиды на выходе. Для домашних условий и для рабочего офиса оптимально подходит стабилизатор напряжения 220 В, рассчитанный на однофазное питание. При наличии этого преобразующего устройства можно не беспокоиться за сохранность подключенной к нему радиоаппаратуры и другой бытовой техники.

Немного теории

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-).  Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое “стабильность”. На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный – это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке

Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа  радиоэлектронной аппаратуры.  Если оно изменится в меньшую,  или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура  в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать “играющее” напряжение.

Как правильно выбрать

Теперь вы знаете, зачем нужен стабилизатор напряжения для дома. Рассмотрим, как правильно выбирать устройства.

Первым делом вам нужно определить, какое количество устройств одновременно будет работать. К примеру, если вы на кухне, то включаете электрочайник, микроволновку и посудомойку. В зале – это телевизор и компьютер, в ванной стиралка. При этом в квартире не выключаясь работает холодильник и котел индивидуального отопления – эти устройства также потребляют 200-300 ватт.

Узнать мощность устройств можно по паспорту. Но обязательно учитывайте, что производители указывают активную мощность, а не реальную.

Способ монтажа стабилизатора после счетчика

К примеру, потребление вашей квартиры составляет 2000 ватт. Это вполне реальная цифра для классической “двушки” с современной техникой, причем не оборудованной мощными потребителями типа бойлера, электродуховки и варочной поверхности. Чтобы учесть полную мощность, нужно добавить 20%. Также вы должны понимать, что если сеть просаживается на 20 вольт, то трансформатор теряет 20% своей мощности. В итоге суммарный запас достигнет 30-40%, и вам нужно будет приобретать стабилизатор мощностью 2000*0,4+2000=2800-ваттное устройство.

Это вся необходимая информация про стабилизатор напряжения: что это такое и как он работает вы теперь знаете. Осталось разобраться, как же его правильно подключить. Устанавливать его рекомендуется сразу за счетчиком, до электрического щитка, хотя можно цеплять и отдельно на нужные линии. Устройство необходимо заземлять, чтобы в случае проблем оно увело ток и защитило вашу технику. Для подключения лучше пригласить опытного электрика.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

где

Iпр – прямой ток, А

Uпр  – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором  возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin – это  сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а  диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр  у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит  такая интересная штука,  как пробой. Короче говоря,  он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока  в стабилитроне. Самое  главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим,  при котором сила тока через стабилитрон  находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением.  На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Таблица параметров работы стабилизаторов напряжения различных типов

При выборе типа стабилизатора напряжения необходимо подробно изучить параметры существующего сетевого электропитания, изучить требования подключаемых электрических приборов и оборудования, использовать лучшую комбинацию свойств стабилизаторов различных типов.

• Причины низкого напряжения в сети
• Стабилизатор напряжения SKAT ST 12345, 12 кВт — 12 аргументов
• Таблицы мощности бытовых тепловых электрических приборов
• Несколько советов по стабилизаторам

Что это такое

Стабилизатором называется устройство, которое выравнивает напряжение в сети, подавая на устройство необходимые 220 вольт. Большинство современных недорогих стабилизаторов работает в диапазоне +-10% от искомого показателя, то есть “выравнивая” скачки в диапазоне от 200 до 240 вольт. Если у вас наблюдаются более серьезные проседания, то нужно подбирать устройство подороже – некоторые модели способны “вытягивать” линию от 180 вольт.

Современные стабилизаторы напряжения это небольшие устройства, которые работают совершенно беззвучно, и не жужжат, как их “предки” из СССР. Они могут работать в сети 220 и 380 вольт (нужно подбирать при покупке).

Кроме падения напряжения качественные стабилизаторы “очищают” линию от мусорных импульсов, помех и перегрузок. Мы рекомендуем вам обязательно пользоваться подобными устройствами в быту, устанавливая их на входе в квартиру или, как минимум, на каждый важный бытовой прибор (котел, рабочий компьютер и пр). Но лучше все же не рисковать дорогой техникой, а приобрести нормальное выравнивающее устройство.

Теперь, когда вы знаете, что такое стабилизатор напряжения, подумайте, сколько денег он может вам сэкономить. Одновременно в квартире работает большое количество техники – стиральная машина, компьютер, телевизор, посудомойка, заряжается телефон и пр. Если произойдет скачок, то все это может выйти из строя, и ущерб будет нанесен на десятки, а то и сотни тысяч рублей. Доказать в суде, что причиной поломки техники стал скачок напряжения, практически невозможно, поэтому вам придется оплачивать ремонт и приобретать новую на свои деньги.

Принцип работы стабилизатора

Правила выбора

Перед решением вопроса о выборе стабилизатора по типу питания важно определиться с тем, в каких сетях его предполагается эксплуатировать. Если планируется использовать его в квартире городского дома, хозяину потребуется типовой однофазный прибор

Если же покупатель намерен пользоваться им на даче, где имеется силовая подводка 380 Вольт, подойдет только трехфазный образец.

Перед походом в магазин важно ознакомиться с производителями этих приборов и выбрать для себя фирму, пользующуюся хорошей репутацией. В этом случае не имеет значения, отечественная это компания или зарубежная, поскольку и наши производители способны делать конкурентоспособные модели

Принцип работы симисторных стабилизаторов

Работа симисторных стабилизаторов похожа на работу релейных устройств. Отличие составляет узел переключения обмоток трансформатора.  Вместо реле у  симисторных устройств переключение обмоток происходит мощными симисторами или тиристорами. Контроллер управляют работой симисторов.

Симисторное управление обмотками не имеет контактов, поэтому отсутствуют щелчки. Автотрансформатор намотан медным проводом. Эти стабилизаторы могут работать с пониженным напряжением от 90 В и высоким напряжением до 300 В. Точность регулировки напряжения может достичь 2%, что не вызывает моргание ламп.

Однако ЭДС самоиндукции во время переключения симисторами также имеет место, как и у релейных устройств. Так как симисторные ключи очень чувствительны к перегрузкам, им необходимо иметь запас по мощности. Такие устройства стабилизаторов напряжения имеют тяжелый температурный режим.

Схема работы симисторного стабилизатора

Поэтому симисторы ставятся на радиаторы с принудительным охлаждением вентиляторами. Работа этого вида устройства осуществляется по заводской программе, которая имеет неприятность ошибаться при эксплуатации.

В этом случае поможет только заводской ремонт. Стоимость таких стабилизаторов, на мой взгляд, завышена. Существуют симисторные стабилизаторы марки Volter с высокой степенью точности. Принцип работы этих стабилизаторов напряжения осуществляется по двухступенчатой системе. Первая ступень регулирует выходное напряжение грубо, а вторая степень имеет точную регулировку выходного напряжения.

Схема работы двухступеньчатого стабилизатора Volter

Один контроллер управляет двумя ступенями. По сути это два стабилизатора в одном корпусе. Обмотки обеих ступеней намотаны на одном трансформаторе.  При 12 ключах двух ступеней стабилизатор имеет 36 уровней регулировки выходного напряжения, чем и достигается высокая точность выходного напряжения.

Принцип работы релейного стабилизатора напряжения

Работа всех типов стабилизаторов переменного напряжения заключается в поддержании выходного напряжения на уровне 220 В при сильном изменении входного напряжения. Работа релейного стабилизатора основана на переключении обмоток трансформатора мощными реле. При таком переключении обмоток выходное напряжение меняется ступенями.

При переключении с одной обмотки на другую, выходное напряжение трансформатора изменится приблизительно на 20 В, или больше. Команду на переключение обмоток трансформатора поступает с контроллера на реле. Число переключаемых обмоток может меняться от 5 до 10, которое определяет точность стабилизации выходного напряжения. В большинстве релейные стабилизаторы работают при входном напряжении 150 — 250 В.

К положительным качествам релейных стабилизаторов можно отнести небольшое время срабатывания реле и невысокую стоимость. Недостатком таких стабилизаторов является скачок напряжения при переключении обмоток на 20 Вольт. На бытовых электроприборах это не отражается, однако лампы освещения могут моргать. Еще релейный стабилизатор издает щелчки при переключении реле, которые ночью хорошо слышны.

Скачки напряжения при переключении обмоток трансформатора

В момент переключения контакты реле на время зависают в воздухе. В это время, хотя и короткое, нагрузка отключена, что вызывает ЭДС самоиндукции автотрансформатора. Эта ЭДС выражается в коротком импульсе напряжения, которое может достичь 1000 В. Такие импульсные помехи могут вызвать повреждение техники, особенно при многократном переключении обмоток стабилизатора.

Схема работы релейного стабилизатора

В этой ситуации нужно после релейного стабилизатора ставить ограничители напряжения на варисторах. Обмотка большинства автотрансформаторов намотана алюминиевым проводом, который имеет меньшую нагрузочную способность, чем медный. Контакты реле, особенно при большой нагрузке, искрят и подгорают, что вызывает необходимость их чистки. Релейные стабилизаторы имеют право на существование как недорогой вариант при больших перепадах сетевого напряжения.

Целесообразность создания своими руками

Что лучше: сделать стабилизатор напряжения своими руками или все-таки лучше приобрести готовое устройство? Каждый решает сам.

Первый плюс — выгода, так как приборы стоят недешево. Второй положительный момент — знание «начинки» устройства, оно даст возможность найти и заменить неисправную деталь, которую легко найти в магазине. К недостаткам этого варианта относят невысокий уровень надежности изделий-самоделок, так как на заводах качество гарантирует специальное и измерительные оборудование, о котором в домашних условиях даже думать не приходится.

Если создание самодельного стабилизатора кажется довольно сложным, то лучше пойти традиционным, но нерациональным путем — приобрести готовый прибор. В этом случае в его надежности можно не сомневаться.

Тот, кто все же решился сделать стабилизатор напряжения своими руками, должен увидеть, какая работа ему предстоит. Лучше начинать с простых моделей, а полезную информацию можно почерпнуть из этого видео:

Виды стабилизаторов

На данный момент существует три типа стабилизаторов, отличающихся друг от друга по принципу выравнивания:

1. Цифровые.
2. Релейные.
3. Сервоприводные.

Самыми практичными, удобными и надежными считаются цифровые или электронные устройства. Они работают за счет наличия тиристорных ключей. Основное достоинство таких систем – минимальное время срабатывания, абсолютная бесшумность, небольшие размеры. Из минусов – цена, они обычно на 30-50% дороже остальных устройств.

Релейные системы относятся к среднему ценовому сегменту. Они работают за счет коммутации силовых реле, включающих и выключающих соответствующие обмотки на трансформаторе. Релейные стабилизаторы напряжения для домасчитаются оптимальными. Основные плюсы устройства – доступные цены, быстрая скорость срабатывания. Минус – непродолжительный срок службы. Обычное реле выдерживает примерно 40-50 тысяч переключений, после чего контакты изнашиваются и начинают залипать. Если у вас довольно стабильная сеть, то релейная система проработает у вас несколько лет. Но если провалы случаются несколько раз в день, то оно может выйти из строя за полтора-два года.

Устройства сервоприводного типа имеют низкую стоимость и работают за счет изменения количества задействованных трансформатором витков. Их переключение происходит за счет движения сервопривода, переключающего контакт, как на реостате. Основной плюс этих систем – доступная цена. Минус – низкая надежность и долгое время срабатывания.