Меню

Что такое ток холостого хода стабилизатора напряжения

Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

Параметрические стабилизаторы напряжения до сих пор используются для питания маломощных устройств электронных изделий, поэтому необходимо уметь их рассчитывать.

Зачастую при повторении готовых конструкций, условия функционирования которых отличаются от рекомендованных разработчиком, требуется провести анализ работы параметрического стабилизатора напряжения для уточнения значения сопротивления балластного резистора.

Указанные задачи решены с помощью разработанного автором файла в Microsoft Excel. Приведено два варианта расчета параметрического стабилизатора напряжения и расчет для анализа условий работы стабилитрона в готовой схеме.

Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

Содержание / Contents

  • 1 Основные соотношения для расчета параметрического стабилизатора на стабилитроне [1 – 5]
  • 2 Первый вариант расчета параметрического стабилизатора [2, 4, 5]
    • 2.1 Пример расчета №1
    • 2.2 Пример расчета №2
  • 3 Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]
    • 3.1 Пример расчета №3
  • 4 Анализ работы параметрического стабилизатора [1 – 5]
    • 4.1 Пример анализа №1
  • 5 Итог
  • 6 Файлы
  • 7 Упомянутые источники

↑ Основные соотношения для расчета параметрического стабилизатора на стабилитроне [1 – 5]

На рис. 1 показана принципиальная схема параметрического стабилизатора: Uвх – входное нестабилизированное напряжение, Uвых=Uст – выходное стабилизированное напряжение, Iст – ток через стабилитрон, Iн – ток нагрузки, R – балластный (ограничительный, гасящий) резистор.

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R=Uст+IR, (1)
I= Iн+Iст – ток, протекающий через балластный резистор R.

Как видно из рис. 1, параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R с линейной Вольт — амперной характеристикой (ВАХ) и стабилитрона VD1, который можно рассматривать как резистор с резко нелинейной ВАХ.

При изменении напряжения Uвх изменяется ток через делитель, приводящий к изменению падения напряжения на резисторе R, а напряжение на стабилитроне, следовательно, на нагрузке Rн практически не изменяется.

Малое изменение напряжения на нагрузке в диапазоне от Uст min до Uст max соответствует изменению тока через стабилитрон от Iст min до Iст max. Причем, минимальный ток через стабилитрон соответствует минимальному входному напряжению и максимальному току нагрузки, что достигается при сопротивлении балластного резистора

R=(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min). (2)

В свою очередь, максимальный ток через стабилитрон будет протекать при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении.

Несложно найти условия работы стабилизатора:

ΔUвх=ΔUст+R(ΔIст-ΔIн), (3)
где ΔUвх=Uвх max-Uвх min, ΔUст= Uст max-Uст min, ΔIст=Iст max- Iст min, ΔIн= Iн max-Iн min.

Положим для упрощения ΔUст=0 и проанализируем выражение (3).

Если изменение тока нагрузки незначительно, выражение для условия работы стабилизатора упрощается:

КПД параметрического стабилизатора определяется из выражения:

КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст)=1/(Nст(1+ Iст/Iн)), (5)
где Nст=Uвх/Uст – коэффициент передачи стабилизатора; обычно Nст=1,4…2.

Из выражения (5) следует, что чем ниже коэффициент передачи стабилизатора и чем меньше отношение тока через стабилитрон к току нагрузки, тем выше КПД.

Основным параметром стабилизатора напряжения, по которому оценивают его качество работы, является коэффициент стабилизации:

Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= RUст/rдUвх=R/Nстrд=KфКПД, (6)
где rд — динамическое сопротивление стабилитрона; Kф – коэффициент фильтрации.

↑ Первый вариант расчета параметрического стабилизатора [2, 4, 5]

Исходными данными для расчета служат: Uвых, Iн, ΔIн, Uвх, ΔUвх.

Для получения требуемого выходного напряжения по справочнику выбираем стабилитрон с параметрами: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Требуемоемое входное напряжение рассчитываем исходя из крайних оптимальных коэффициентов передачи стабилизатора Nст=1,4…2, который также может быть выбран пользователем в любом необходимом диапазоне Nст:

Далее выбираем рабочий ток через стабилитрон Iст р примерно из середины диапазона допустимых значений, убедившись при этом, что Iст р> Iн:

Iст р=0,5(Iст min+Iст max)> Iн.

Вычислим сопротивление балластного резистора:

Рассчитаем с двукратным запасом мощность балластного резистора:

Здесь учтен запас в 20%, необходимый для надежной работы стабилитрона. Принятое при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от справочного Iст max вызвано соображениями эксплуатационной надежности устройства, чтобы мощность, рассеиваемая на стабилитроне была ниже предельной. Для гарантированного обеспечения требуемого коэффициента стабилизации минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст р min принято в расчете в 1,2 раза большим, чем Iст min.

Также вычислим параметры стабилизатора, определяющие его качество и эффективность – коэффициент стабилизации Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R/(rдNст),
коэффициент полезного действия КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст))=1/(Nст(1+ Iст/Iн)),
и коэффициент фильтрации Kф=Kст/КПД.

↑ Пример расчета №1

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток в нагрузке Iн=10 мА; изменение тока в нагрузке ΔIн=2 мА; изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн=9 В; rд=10 Ом; Iст max=36 мА; Iст min=3 мА.

Заносим приведенную выше информацию в соответствующие ячейки исходных данных (выделены светло-голубой заливкой) листа «Первый вариант расчета» таблицы Microsoft Excel «Расчет и анализ работы параметрического стабилизатора напряжения.xlsx» и тут же получаем результаты вычислений в расчетных ячейках, выделенных светло-коричневой заливкой:

входное напряжение Uвх=15,0 В; сопротивление балластного резистора R=240 Ом, мощность балластного резистора с двукратным запасом Po=0,3 Вт; Kст=15,0, КПД=24%, Kф=62,5 (см. рис. 2).

Выбираем резистор сопротивлением 240 Ом мощностью 0,5 Вт.

Предположим, что на входе стабилизатора имеются пульсации переменного напряжения амплитудой Uп вх=0,1 В=100 мВ. Амплитуда пульсаций на выходе стабилизатора составит Uп ст= Uп вх/Kф=100/62,5=1,6 мВ.

↑ Пример расчета №2

Произведем расчет параметрического стабилизатора для усилителя «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом [6] для питающих напряжений Uп=Uвх=±25 В; ±35 В и ±45 В.

Расчет выполним для параметрического стабилизатора положительной полярности (R5, VD1, C2), поскольку другой стабилизатор, отрицательной полярности (R6, VD2, C4) отличается только направлением включения стабилитрона.

Подготовим исходные данные: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=12 В, ток в нагрузке Iн=(12-0,5)/R2=11,5/10=1,15 мА, ΔIн=0,115 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон BZX55C12, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=12 В; rд=20 Ом; Iст max=32 мА; Iст min=5 мА.

Результаты вычислений показаны на рис. 3; для Uп=±25 В R5=R6=1,3 кОм (0,25 Вт); для Uп=±35 В R5=R6=2,4 кОм (0,5 Вт); для Uп=±45 В R5=R6=3,6 кОм (1 Вт).

↑ Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]

Итак, исходными данными являются: стабилизированное напряжение на нагрузке Uвых, токи нагрузки Iн min, Iн max, номинальное входное напряжение Uвх и его отклонения ΔUвх н и ΔUвх в.

Параметры стабилитрона те же, что и в предыдущем расчете: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Вычисляем максимальное и минимальное значения рабочего тока стабилитрона:

Iст р max=0,8 Iст max,
Iст р min=1,2 Iст min.

Если стабилизатор должен работать режиме холостого хода (Iн min=0), выбираем Iст р min=Iст min.

Проверяем пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:

(Iст р max+ Iн min)(1- ΔUвх н)-(Iст min+ Iн max)(1+ ΔUвх в)>0,
где ΔUвх н=(Uвх- Uвх min)/ Uвх, ΔUвх в=(Uвх max-Uвх)/ Uвх.

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

Uвх= Uст[(Iст р max+I н min)- (Iст р min+ I н max)]/[(Iст р max+I н min)(1- ΔUвх н)- (Iст р min+I н max)(1+ΔUвх в)].

Сопротивление балластного резистора:

R= Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/[(Iст р max+ Iн min)- (Iст р min+ Iн max)].

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст) 2 /R.

По приведенным в первом варианте расчета формулам находим Kст, КПД и Kф.

↑ Пример расчета №3

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток Iн min =0, Iн max =10 мА; изменение входного ΔUвх н=10%, ΔUвх в=15%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн; rд=10 Ом; Iст max=36 мА, Iст min=3 мА.

После занесения исходных данных листе таблицы «Второй вариант расчета» получаем следующие результаты (рис. 4):

Uвх=14 В, R=221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

↑ Анализ работы параметрического стабилизатора [1 – 5]

Исходные данные анализа следующие: Uн, Iн, ΔIн, ΔUвх, R.

Также для анализа необходимы параметры стабилитрона: Uст= Uн, rд, Iст max и Iст min.

Анализ сводится к вычислению рабочего тока стабилитрона Iст р=(Uвх-Uст)/R-Iн; коэффициента передачи Nст= Uвх/Uст; мощности Po балластного резистора, коэффициента стабилизации Kст, КПД и коэффициента фильтрации Kф.

Важной является проверка режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора, которая выполняется по формулам, аналогичным приведенным в первом варианте расчета.

↑ Пример анализа №1

Проанализируем номиналы балластных резисторов R3 и R4 компенсационных стабилизаторов напряжения усилителя «Ланзар» [7-9] в зависимости от используемого напряжения питания.

Заявлен диапазон питающих напряжений усилителя от Uп=±30 В до ±65 В, в то время как на принципиальной схеме указаны сопротивления балластных резисторов R=R3=R4=2,2 кОм (1 Вт) [8].

В другой публикации [9] рекомендуется выбирать величину сопротивления балластных резисторов в зависимости от напряжения питания усилителя по формуле R=(Uп-15)/I, где I=8…10 мА. В таблице 1 выполнен расчет по указанной формуле для диапазона питающих напряжений усилителя с шагом в 5 В.

Исходные данные для анализа: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=15 В, ток в нагрузке Iн=(15-0,5)/R5=14,5/6,8=2,13 мА, ΔIн=0,213 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон 1N4744A, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=15 В; rд=14 Ом; Iст max=61 мА; Iст min=5 мА.

Анализ работы параметрических стабилизаторов в усилителе «Ланзар» показал, что минимальный ток стабилизатора Iст р min выбран на пределе с запасом всего 3…14% вместо требуемых 20% (рис. 5).

Читайте также:  Потеря сила тока калькулятор

Используя средство анализа данных электронной таблицы Microsoft Excel «Подбор параметра», уточним сопротивления балластных резисторов. Для этого перейдем в ячейку с формулой для Iст р min (ячейка C26) и в меню выберем Данные -> «Анализ «что-если»->Подбор параметра.

Установим в ячейке C26 значение 6,0 (запас 20% от Iст min), изменяя значение ячейки, в которой занесено сопротивление балластного резистора ($C$15).

Получим R=1,438 кОм. Занесем в эту ячейку ближайшее значение сопротивления из стандартного ряда R=1,3 кОм.

Проведя в таблице указанную операцию для всех значений питающих напряжений, получим следующий результат (рис. 6).

Итоги анализа сведены также в таблицу 2.

Мощность резисторов для напряжений питания усилителя от ±30 В до ±40 В – 0,5 Вт, для остальных напряжений – 1 Вт.

Необходим расчет даже такого простого устройства как параметрический стабилизатор напряжения. Выбор значения сопротивления балластного резистора «на глазок» может вызвать ошибки проектирования, которые не сразу будут замечены.

Перед сборкой понравившейся конструкции целесообразно проанализировать и при необходимости уточнить режим работы стабилитрона параметрического стабилизатора с помощью предлагаемых электронных таблиц в Microsoft Excel.

↑ Файлы

▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

↑ Упомянутые источники

1. Поляков В. Теория: понемногу обо всем // Радио, 2000, №12, с. 45, 46 (8.6. Стабилизаторы напряжения); Радио, 2002, №12, с. 45 (Нелинейные цепи); Радио, 2003, №5, с. 51, 52 (Расчет блоков питания).
2. Будов А. Расчет параметрического стабилизатора напряжения // Радио, 1983, №8, с. 30.
3. Соколов А. Расчет на ПМК параметрического стабилизатора // Радио, 1990, №12, с.60, 61.
4. Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне .
5. Простые стабилизаторы напряжения и их расчет .
6. Усилитель «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом.
7. Симметричный усилитель мощности «Ланзар» // Радиоконструктор, 2008, №9, с. 10 – 13.
8. Статья на Интерлавке — Усилитель мощности «Ланзар» .
9. Мощный усилитель «Ланзар» .
10. Нефедов А. Микросхемные стабилизаторы напряжения // Радио, 2008, №10, с. 38 – 40 (Регулируемые стабилизаторы); Радио, 2009, №4, с. 41 – 44; №5, с. 41 – 44; №6, с. 41 – 44; №7, с. 42 — 44 (Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением).

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌻 Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке. Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

Источник

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

Содержание

Стабилизаторы постоянного тока

Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

  • Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.
  • Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

  • Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.
  • Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Shunting stabiliser.png

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора RV применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Ser stab u.svg

По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину Ube, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость Ube от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в β раз (где β — коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что Ube в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Voltage stabiliser OA.png

Часть выходного напряжения Uout, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя [1] . Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора RV применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (т.е. опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше требуемого минимального выходного напряжения.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (Gopenloop = 10 5 ÷ 10 6 ).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Импульсный стабилизатор

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но, в случае дросселя, уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

  • Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.
  • Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.
  • Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.
  • Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

Стабилизаторы переменного напряжения

Феррорезонансные стабилизаторы

Konstanze.jpg

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а в некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала.

Читайте также:  Таймер 555 ток потребления

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора.

Современные стабилизаторы

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

  • электродинамические сервоприводные (механические)
  • статические (электронные переключаемые)
  • релейные
  • компенсационные (электронные плавные)

Модели производятся как в однофазном (220/230 В), так и трёхфазном (380/400 В) исполнении, мощность их от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, -25%/+15%, -35%/+15% или -45%/+15%. Чем шире диапазон (особенно в отрицательную сторону), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, то есть чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 12. 18 мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2 мс/В, а вот у электронных, компенсационного типа этот параметр 0,75 мс/В. [источник не указан 943 дня]

Ещё одним важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 предельно допустимое отклонение напряжения питания ±10% от номинального. Точность современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 1% до 8%. Точности в 8% вполне хватает для обеспечения исправной работы абсолютного большинства бытовой и промышленной электротехники. Более жесткие требования (1%) обычно предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность стабилизатора работать на заявленной мощности во всем диапазоне входного напряжения, но далеко не все стабилизаторы соответствуют этому параметру. Некоторые стабилизаторы выдерживают десятикратные перегрузки, при покупке такого стабилизатора запас по мощности не требуется.

Источник

Собственная мощность стабилизатора напряжения

Любые электрические потребители при работе потребляют мощность, стабилизаторы напряжения не стали исключением. В составе стабилизатора находятся различные электронные компоненты, трансформатор напряжения, электронный дисплей и т. д., разумеется, все они имеют собственную мощность и потребляют электрическую энергию при работе. Также стабилизатор напряжения имеет КПД, который является важным показателем потерь при работе под нагрузкой.

Потребляемая мощность в режиме холостого хода

Как правило, все типы стабилизаторов напряжения очень экономны. Собственная мощность в режиме холостого хода редко превышает 15 – 30 Вт.

Потребляемая мощность в режиме 100% нагрузки

При работе под нагрузкой стабилизатор потребляет такую же мощность, как и при работе в режиме холостого хода. Но при этом стоит учесть потери, которые могут достигать 2 – 7% в зависимости от качества устройства. На примере устройства мощностью 7 кВт при 100% нагрузке с показателем КПД 96% потери составят 4% или 280 Ватт. Современные стабилизаторы имеют КПД до 98%, что снижает потери до минимума. Кроме этого, стоит учесть стабильную работу оборудования и значительное улучшение технических характеристик в условиях нестабильной электрической сети.

Рекомендуем ознакомиться со статьей «Когда нужен стабилизатор напряжения», где подробно изложены все достоинства устройства и польза, которую получает владелец после установки.

Источник

Что такое холостой ход трансформаторов, формулы и схемы

Трансформатор электрического тока является устройством преобразования энергии. Ток холостого хода трансформатора характеризует потери при отсутствии подключенной нагрузки. Величина данного параметра зависит от нескольких факторов:

  1. Конструктивного исполнения.
  2. Материала сердечника.
  3. Качества намотки.

При изготовлении преобразователей стремятся к максимально возможному снижению потерь холостого хода с целью повышения КПД, снижения нагрева, а также уменьшения паразитного поля магнитного рассеивания.

Общая конструкция и принцип работы трансформатора

Конструктивно трансформатор состоит из следующих основных частей:

  1. Замкнутый сердечник из ферромагнитного материала.
  2. Обмотки.

Обмотки могут быть намотаны на жестком каркасе или иметь бескаркасное исполнение. В качестве сердечников трансформаторов напряжения промышленной частоты используется специальным образом обработанная сталь. В некоторых случаях встречаются устройства без сердечника, но они используются только в области высокочастотной схемотехники и в рамках данной темы рассматриваться не будут.

Конструкция трансформаторов

Принцип действия рассматриваемой конструкции заключается в следующем:

  1. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения она формирует переменное электромагнитное поле.
  2. Под воздействием данного поля в сердечнике формируется магнитное поля.
  3. Магнитное поле сердечника, в силу электромагнитной индукции, создает во всех обмотках ЭДС индукции.

ЭДС индукции создается, в том числе, в первичной обмотке. Ее направление противоположно подключенному напряжению, поэтому они взаимно компенсируются и ток через обмотку при отсутствии нагрузки равен нулю. Соответственно, потребляемая мощность при отсутствии нагрузки равна нулю.

трансформатор электрического тока

Понятие холостого хода

Приведенные выше рассуждения справедливы для идеального трансформатора. Реальные конструкции обладают следующими потерями (недостатками) на:

  • намагничивание сердечника;
  • магнитное поле рассеивания сердечника;
  • электромагнитное рассеивание обмотки;
  • междувитковую емкость проводов обмотки.

В результате, в реальных конструкциях трансформатора наводимая ЭДС индукции отличается от номинального напряжения первичной обмотки и не в состоянии его полностью скомпенсировать. В обмотке возникает некоторый ток холостого хода. При подключении нагрузки данное значение суммируется с номинальным током и характеризует общие потери в электрической цепи.

Потери снижают общий КПД трансформатора, в результате чего растет потребление мощности.

Меры по снижению тока холостого хода

Основным источником возникновения тока холостого хода является конструкция магнитопровода. В ферромагнитном материале, помещенном в переменное электрическое поле, наводятся вихревые токи электромагнитной индукции – токи Фуко, которые нагревают материал сердечника.

Для снижения вихревых потерь материал сердечника изготавливают из тонких пластин, отделенных друг от друга изолирующим слоем, которую выполняет оксидная пленка на поверхности. Сам материал производится по специальной технологии, с целью улучшения магнитных свойств (увеличения значения магнитного насыщения, магнитной проницаемости, снижения потерь на гистерезис).

Обратная сторона использования большого количества пластин состоит в том, что в местах стыков происходит разрыв магнитного потока, в результате чего возникает поле рассеивания. Поэтому для наборных сердечников важна тщательная подгонка отдельных пластин друг к другу. В ленточных разрезных магнитопроводах отдельные части подгоняются друг к другу при помощи шлифовки, поэтому при сборке конструкции нельзя менять местами части сердечника.

От указанных недостатков свободны О-образные магнитопроводы. Магнитное поле рассеивания у них стремится к нулю.

Поле рассеивания обмотки и междувитковую емкость снижают путем изменения конструкции обмоток и пространственного размещения их частей относительно друг друга.

Снижение потерь также достигается при возможно более полном заполнении свободного окна сердечника. При этом масса и габариты устройства стремятся к оптимальным показателям.

Холостой ход

Как проводится опыт холостого хода

Опыт холостого хода подразумевает подачу напряжения на первичную обмотку при отсутствии нагрузки. При помощи подключенных измерительных приборов измеряются электрические параметры конструкции.

Для проведения опыта холостого хода первичную обмотку включают в сеть последовательно с прибором для измерения тока- амперметром. Параллельно зажимам подключается вольтметр.

Следует иметь в виду, что предел измерения вольтметра должен соответствовать подаваемому напряжению, а при выборе амперметра нужно учитывать ориентировочные значения измеряемой величины, которые зависят от мощности трансформатора.

Опыт холостого хода

Коэффициент трансформации

Наиболее просто определяется коэффициент трансформации. Для этого сравнивается входное и выходное напряжение. Расчет производится по следующей формуле:

Данное отношение справедливо для всех обмоток трансформатора.

характеристики трансформаторов

Однофазные трансформаторы

В однофазных трансформаторах показания амперметра характеризуют потребляемый ток при отсутствии нагрузки. Данные показания являются конечными и нет необходимости в дальнейших вычислениях.

Трехфазные

Чтобы проверить трехфазный трансформатор, требуется усложнение схемы подключения. Необходимо наличие следующих приборов:

  • амперметры для измерения тока в каждой фазе;
  • вольтметры для измерения междуфазных напряжений первичной обмотки;
  • вольтметры для измерения междуфазных напряжений вторичной обмотки.

При проведении опыта холостого хода производятся следующие вычисления:

  • рассчитывается среднее значение тока по показаниям амперметра;
  • среднее значение напряжения первичной и вторичной обмоток.

Коэффициент трансформации вычисляется по полученным значениям напряжения аналогично однофазной системе.

Трехфазный трансформатор

Измерение тока

При измерении тока можно определить только величину электрических потерь. Более полно определить параметры конструкции позволяет более сложная схема измерений.

Применение ваттметра

Подключив в первичную цепь ваттметр, можно определить мощность потерь трансформатора в режиме холостого хода. Суммируясь с мощностью нагрузки, найденная величина определяет габаритную мощность трансформатора.

Измерение потерь

При измерениях тока холостого хода и мощности потребления, можно сделать выводы о общих потерях холостого хода, которые приводят к следующему:

  1. Нагрев проводов обмоток.
  2. Нагрев сердечника.
  3. Снижение КПД.
  4. Появление магнитного поля рассеивания.

Ваттметр

Схема замещения в режиме трансформатора

Прямой электрический расчет трансформатора сложен по той причине, что он представляет собой две электрических цепи, связанных между собой магнитной цепью.

Для упрощения расчетов удобнее пользоваться упрощенной эквивалентной схемой. В схеме замещения вместо обмоток используются комплексные сопротивления:

  • для первичной обмотки комплексное сопротивление включается последовательно в цепь;
  • для вторичной обмотки параллельно нагрузке.

Каждое комплексное сопротивление состоит из последовательно соединенного активного сопротивления и индуктивности.

Активное сопротивление – это сопротивление проводов обмотки.

Схема замещения в режиме трансформатора

От чего зависит магнитный поток взаимоиндукции в режиме ХХ

Магнитный поток взаимоиндукции в трансформаторе зависит от способа размещения обмоток на сердечнике и их конструктивного исполнения.

Читайте также:  Китайский аппарат который лечит током

Важную роль играет коэффициент заполнения окна магнитопровода, который показывает отношение общего пространства, к месту, занятому обмоткой.

Чем ближе данный коэффициент к единице, тем выше будет взаимоиндукция обмоток и меньше потери в трансформаторе.

Трансформатор

Примеры расчетов и измерений в режиме ХХ

Измеряя ток, напряжение и мощность трансформатора в опыте холостого хода, можно рассчитать следующие дополнительные данные:

  • активное сопротивление первичной цепи r1=Pхх/U 2 ;
  • полное сопротивление первичной цепи z1=U/Iхх;
  • индуктивное сопротивлении е x1=√(z 2 -r 2 ).

Найти ток холостого хода без применения амперметра можно по показаниям вольтметра и ваттметра:

Источник



Вопрос-ответ

Мы собрали в этом разделе популярные вопросы, которые интересуют наших покупателей. Надеемся, они помогут прояснить вам многие аспекты и сделать правильный выбор.

Почему на выходе стабилизатора между нолем и заземлением есть напряжение?

Почему на выходе стабилизатора между нолем и заземлением есть напряжение 20-30В, а в розетке это напряжение равно 0? Причем это напряжение может быть и равным нулю и быть явно больше. Электрик утверждает, что стабилизатор неисправен.

Итак, смысл вопроса в том, насколько это возможно и почему это может быть. Начинаем разбираться, изначально был сделан вывод о том, что на выходной розетке стабилизатора один из конкретных выводов это ноль, как этот вывод был сделан нам не сообщают, но дальнейшие измерения проводят считая, что этот вывод верный. На основании измерений принимается решение о неисправном стабилизаторе.

Попробуем встать на место электрика, как определить фазу и ноль, просто, берем индикатор и смотрим, в сетевой розетке этот подход даст 100% результат, горит—фаза, не горит ноль.

Схема стабилизатора, рис. 1

На рисунке 1 изображена схема стабилизатора и состояние реле при сетевом напряжении близким к номинальному, слева вход, справа выход. В розетку можно включить вилку двояко, если фаза попадет на выво 1, а нуль на вывод 2, тогда индикатор на выходе покажет, фаза на выводе 3, а нуль на выводе 4, и этот вывод правильный.

Схема стабилизатора, рис. 2

Теперь перевернем вилку и получим, на входе фаза на вывод2, нуль на выводе1 , а на выходе индикатор покажет, фаза вывод 4, нуль вывод 3 , а этот вывод ошибочный.

Схема стабилизатора, рис. 3

Дальше интереснее, напряжение в сети стало меньше и стабилизатор переключил реле на другую обмотку. Фаза как была на выходе 4, так и осталась, а вот ноль на выходе 3 уже не ноль, на нем относительно входного ноля,уже есть напряжение, то самое на сколько его изменил стабилизатор при переключении реле. Самое малое, это одна ступень и примерно 15-17В, если две ступени уже больше 30В. Поскольку заземление это линия паралельно 2-4 и в розетке напряжение между заземлением и нолем равно нолю, то при ошибочном подключении на входе все в норме, а на выходе между 3 и заземлением будет напряжение. Электрик делает логичный вывод, на входе стабилизатора все в порядке, а на выходе на ноле есть напряжение, стабилизатор неисправен.

Надеюсь понятно, при правильной фазировке (рис 1 фаза в 1 ноль в 2) все будет в норме.

Почему на заземлении есть напряжение 110В, и как можно пользоваться таким стабилизатором, это опасно, можно получить удар током.

Хороший и главное часто задаваемый вопрос. Ниже изображен фрагмент сетевого фильтра. Современные цифровые тестеры имеют очень большое входное сопротивление. К чему это приводит, фактически прибор, включенный параллельно заземлению и фазе или нолю является высокоомным шунтом, конденсаторы имеют одинаковые реактивные сопротивления и делят входное напряжение пополам.

Напряжение в стабилизаторе

Вот и получается, при отсутствии заземления современным прибором можно легко намерить между фазой нолем и заземлением почти половину входного напряжения. Для примера, С1 и С2 имеют емкость 1нФ, реактивное сопротивление для частоты 50Гц составляет более 3МОм. Для прибора APPA 103-109 входное сопротивление составляет не менее 10мОм, легко посчитать и увидеть, на заземлении будет напряжение очень близкое к половине входного напряжения. И по поводу опасного напряжения 110В. Ток, протекающий через конденсатор, будет около 70мка, конечно это очень маленький и не опасный для человека ток, но 110 Вольт, измеренные прибором, пугают. Опасным для человека является не напряжение, а ток, в данном случае этот ток в 1500 раз меньше опасного.

Для получения достоверной информации по электробезопасности, нужно обратиться к нормативным документам, и что читаем, нормируется ток утечки или сопротивление изоляции, для бытовой техники это 500кОм. Величина тока отражает физиологическую способность человека без серьезных последствий выдержать этот ток. Отсюда делаем простой вывод, качество прибора по злектробезопасности можно проверять измеряя величину сопротивления изоляции. Эти измерения проводят специальными приборами и по определенным методикам в домашних условиях этого лучше не делать.

Почему стабилизатор на 220В на выходе имеет 215В

Мы не рассматриваем стабилизаторы двойного преобразования. Все остальные, включая на базе ЛАТР, изменяют выходное напряжение ступенчато, ЛАТР маленькие ступеньки, шаг витка, релейные и симисторные шаги явно больше. Причем напряжение на выходе сначала станет больше порога точности , затем это напряжение будет измерено и только потом произойдет изменение выходного напряжения. Поговорим о порогах, допустим точность 5%, это означает, что на выходе напряжение должно быть удержано в допуске от 220-5% до 220+5%, в цифрах это выглядит как от 209В до 231В. Это означает, что пока напряжение выше 209В и ниже 231в, оно не выходит за заявленную точность 5% и его изменять не нужно.

Для стабилизатора с точностью 5% выходное напряжение может быть любым, пока оно выше 209В и ниже 231В, однако в процессе работы выходное напряжение обязательно выйдет за эти пороги и на время измерения и регулирования это напряжение будет больше или меньше 5%-ного отклонения. Это время по сравнению с полным временем работы стабилизатора столь мало, что среднее выходное напряжение будет не хуже заявленного 220В +/- 5% . Таким образом 215В, это правильное напряжения для стабилизатора на 220В с точностью 5%.

Сколько потребляет стабилизатор и где выгода от него

В паспорте указан КПД стабилизатора, обычно это 95%. Эта величина указана для максимальных потерь, при полной нагрузке и самом низком входном напряжении. К примеру для стабилизатора 1000ВА максимальные потери составят примерно 50ВА. Оптимальным считается расчет трансформатора, когда потери в стали и потери в меди равны. В режиме холостого хода есть только потери в стали, поэтому примем их как половину, т.е. 25ВА. Счетчик считает только активную мощность, поэтому на холостом ходу получим 7-10Вт. Понятно, что потери будут зависеть от входного напряжения и мощности отдаваемой стабилизатором, можно в среднем принять, что 1000ВА стабилизатор на свои нужды возьмет 10-30Вт.

А теперь поговорим о хорошем, конечно стабилизатор требует начальных затрат, цена, и затраты на его содержание, КПД меньше 100%, но стабильное напряжение, это продление жизни всему электрическому оборудованию.

Напряжение завышено, все освещение начинает потреблять больше, каждые 10В выше нормы, это 21% “лишней энергии”, напряжение на 10% больше номинала, до 40% падает срок жизни некоторого оборудования.

Напряжение низкое, лампы светят слабо, поневоле вкрутим помощнее, блоки питания бытовой аппаратуры, для обеспечения параметров, начнут потреблять больше тока, будут больше греться. Повышение температуры радиоэлемента приводит к снижению надежности и увеличению вероятности отказа. Двигатели очень плохо работают при низких напряжениях, перегреваются, не развивают мощность, отключаются, или схемы защиты их не включают. Системы кондиционирования, холодильники, насосы, современное газовое оборудование, это как правило не работает вообще . А самое неприятное, что по большей части это оборудование относится к системам обеспечении жизнедеятельности человека.

Похоже, стабилизатор не зря ест энергию, он за эти деньги обеспечивает комфортную среду обитания человеку сохраняя его оборудование в целости и сохранности.

Стабилизатор и грозозащита. Почему во время грозы стабилизатор не защитил котел, или дом.

Вопрос такого плана, а точнее недоумение, почему стабилизатор не успел выключиться во время грозы. Хорошо поговорим о грозе, вечером гроза в километре о дома , светло как днем, грохот как в танке. И как с этим бороться, ну люди уже давно придумали разные разности на этот случай, газовые разрядники, варисторы, супрессоры.

Итак что может разрядник, обычно к нему указывают 1,2/250mkc, ну или что-то похожее и обязательно напряжение пробоя и ток, ну например 800В и 5кА. Что это значит, напряжение пробоя 800В, ток 5000А и через дробь форма импульса 1,2 мкс фронт нарастания и 250мкс фронт спада. Эта штучка способна пропустить 5000А при указанных временах, и это есть только часть, малая часть системы грозозащиты. Теперь можно спросить, как стабилизатор и главное чем сможет за 250мкс отвести 5000А в землю, надеюсь все помнят куда бьет молния.

Для полноценной защиты требуется три ступени грозозащиты, цена которых Вас неприятно удивит, она будет сопоставима с ценой за стабилизатор от4000ВА до 6000ВА.

Полагаю, снялся вопрос почему стабилизатор не поможет при ударе молнии, кстати, приведенный разрядник, это так мелочь, в серьезных системах грозозащиты ставят обычно разрядники на несколько киловольт и ток больше 150000А. Представляете какими проводами нужно все это отвести в землю и самое главное, какое для этого нужно заземление.

Источник