Напряжение сети, особенно в сельской местности, нередко выходит за пределы, допустимые для питаемой аппаратуры, что приводит к ее выходу из строя.
Избежать столь неприятных последствий возможно с помощью стабилизатора, который поддерживает выходное напряжение в необходимых пределах для нагрузки, а если это невозможно - отключает ее.
Предлагаемое устройство относится к весьма перспективным конструкциям, в которых нагрузка автоматически подключается к соответствующему отводу обмотки автотрансформатора в зависимости от текущего значения напряжения сети.
Годин А.В. Стабилизатор переменного напряжения
Журнал «РАДИО». 2005. №08 (с.33-36)
Журнал «РАДИО». 2005. №12 (с.45)
Журнал «РАДИО». 2006. №04 (с.33)
Из-за нестабильности напряжения в сети в Подмосковье вышел из строя холодильник. Проверка напряжения в течение дня выявила его изменения от 150 до 250 В. Как следствие, занялся вопросом приобретения стабилизатора. Знакомство с ценами на готовые изделия повергло в шок. Стал искать схемы в литературе и Интернет.
Почти подходящий по параметрам стабилизатор с микроконтроллерным управлением описан в . Но его выходная мощность недостаточно высока, переключение нагрузки зависит не только от амплитуды, но и от частоты напряжения сети. Поэтому было решено создать собственную конструкцию стабилизатора, не обладающую этими недостатками.
В предлагаемом стабилизаторе не использован микроконтроллер, что делает его доступным для повторения более широкому кругу радиолюбителей. Нечувствительность к частоте напряжения сети позволяет его использовать в полевых условиях, когда источником электроэнергии является автономный дизель-генератор.
Основные технические характеристики
Входное напряжение, В: 130…270
Выходное напряжение, В: 205…230
Максимальная мощность нагрузки, кВт: 6
Время переключения (отключения) нагрузки, мс: 10
Устройство содержит следующие узлы: Блок питания на элементах T1, VD1, DA1, C2, C5. Узел задержки включения нагрузки C1, VT1-VT3, R1-R5. Выпрямитель для измерения амплитуды напряжения сети VD2, C2 с делителем R13, R14 и стабилитроном VD3. Компаратор напряжения DA2, DA3, R15-R39. Логический контроллер на микросхемах DD1-DD5. Усилители на транзисторах VT4-VT12 с токоограничительными резисторами R40-R48. Индикаторные светодиоды HL1-HL9, семь оптронных ключей, содержащих оптосимисторы U1-U7, резисторы R6-R12, симисторы VS1-VS7. Напряжение сети подключено к соответствующему отводу обмотки автотрансформатора T2 через автоматический выключатель-предохранитель QF1. Нагрузка подключена к автотрансформатору T2 через открытый симистор (один из VS1-VS7).
Стабилизатор работает следующим образом. После включения питания конденсатор C1 разряжен, транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. Транзистор VT3 закрыт, а так как ток через светодиоды, в том числе входящие в состав симисторных оптронов U1-U7, может протекать только через этот транзистор, то ни один светодиод не горит, все симисторы закрыты, нагрузка отключена. Напряжение на конденсаторе C1 возрастает по мере его зарядки от источника питания через резистор R1. По окончании трехсекундного интервала задержки, необходимого для завершения переходных процессов, срабатывает триггер Шмидта на транзисторах VT1 и VT2, транзистор VT3 открывается и разрешает включение нагрузки.
Напряжение с обмотки III трансформатора T1 выпрямляется элементами VD2C2 и поступает на делитель R13, R14. Напряжение на движке подстроечного резистора R14, пропорциональное напряжению сети, поступает на неинвертирующие входы восьми компараторов (микросхемы DA2,DA3). На инвертирующие входы этих компараторов поступают постоянные образцовые напряжения с резисторного делителя R15-R23. Сигналы с выходов компараторов обрабатывает контроллер на логических элементах «исключающее ИЛИ» (микросхемы DD1-DD5). На линии групповой связи рис. выходы компараторов DA2.1-DA2.4 и DA3.1-DA2.3 обозначены цифрами 1-7, а выходы контроллера - буквами A-H. Выход компаратора DA3.4 не входит в линию групповой связи.
Если напряжение сети меньше 130 В, на выходах всех компараторов и выходах контроллера низкий логический уровень. Транзистор VT4 открыт, включен мигающий светодиод HL1, индицирующий чрезмерно низкое напряжение сети, при котором стабилизатор не может обеспечить питание нагрузки. Все остальные светодиоды погашены, симисторы закрыты, нагрузка отключена.
Если напряжение сети меньше 150 В, но больше 130 В, логический уровень сигналов 1 и A высокий, остальных - низкий. Транзистор VT5 открыт, горят светодиоды HL2 и U1.1, оптосимистор U1.2 открыт, нагрузка соединена с верхним по схеме выводом обмотки автотрансформатора T2 через открытый симистор VS1.
Если напряжение сети меньше 170 В, но больше 150 В, логический уровень сигналов 1, 2 и B высокий, остальных - низкий. Транзистор VT6 открыт, горят светодиоды HL3 и U2.1, оптосимистор U1.2 открыт, нагрузка соединена со вторым сверху по схеме выводом обмотки автотрансформатора T2 через открытый симистор VS2.
Остальные уровни напряжения сети, соответствующие переключению нагрузки на другой отвод обмотки автотрансформатора T2: 190, 210, 230 и 250 В.
Для предотвращения многократного переключения нагрузки, в случае, когда напряжение сети колеблется на пороговом уровне, введен гистерезис 2-3 В (запаздывание переключения компараторов) с помощью положительной обратной связи через R32-R39. Чем больше сопротивления этих резисторов, тем меньше гистерезис.
Если напряжение сети больше 270 В, на выходах всех компараторов и выходе H контроллера высокий логический уровень. На остальных выходах контроллера -низкий уровень. Транзистор VT12 открыт, включен мигающий светодиод HL9, индицирующий чрезмерно высокое напряжение сети, при котором стабилизатор не может обеспечить питание нагрузки. Все остальные светодиоды погашены, симисторы закрыты, нагрузка отключена.
Стабилизатор выдерживает неограниченное время аварийное повышение напряжения сети до 380 В. Надписи, индицируемые светодиодами, аналогичны описанным в .
Вариант с одним трансформатором питания
Конструкция и детали
Стабилизатор собран на печатной плате 90х115 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.
Светодиоды HL1-HL9 смонтированы так, чтобы при установке печатной платы в корпус они попали в соответствующие отверстия на передней панели устройства.
В зависимости от конструкции корпуса, возможен вариант монтажа светодиодов со стороны печатных проводников. Номиналы токоограничительных резисторов R41-R47 выбраны так, чтобы ток протекающий через светодиоды симисторных оптронов U1.1-U7.1 был в пределах 15-16мА. Необязательно использовать мигающие светодиоды HL1 и HL9, но их свечение должно быть хорошо заметно, поэтому их можно заменить светодиодами непрерывного излучения красного цвета повышенной яркости, такими как АЛ307КМ или L1543SRC-Е .
Зарубежный диодный мост DF005M (VD1,VD2) можно заменить отечественным КЦ407А или любым с напряжением не менее 50В и током не менее 0,4А. Стабилитрон VD3 может быть любым маломощным, имеющим напряжение стабилизации 4,3…4,7 В.
Стабилизатор напряжения КР1158ЕН6А (DA1) может быть заменен на КР1158ЕН6Б . Микросхему счетверенного компаратора LM339N (DA2,DA3), можно заменить отечественным аналогом К1401СА1 . Микросхему КР1554ЛП5 (DD1-DD5), можно заменить аналогичной из серий КР1561 и КР561 или зарубежной 74AC86PC .
Cимисторные оптроны MOC3041 (U1-U7) можно заменить MOC3061 .
Подстроечные резисторы R14, R15 и R23 проволочные многооборотные СП5-2 или СП5-3 . Постоянные резисторы R16-R22 C2-23 с допуском не ниже 1%, остальные могут быть любыми с допуском 5%, имеющие мощность рассеяния не ниже указанной на схеме. Оксидные конденсаторы C1-C3, C5 могут быть любыми, с емкостью, указанной на схеме, и напряжением не ниже для них указанных. Остальные конденсаторы C4, C6-C8 - любые пленочные или керамические.
Импортные симисторные оптроны MOC3041 (U1-U7) выбраны потому, что они содержат встроенные контроллеры перехода напряжения через ноль. Это необходимо для синхронизации выключения одного мощного симистора и включения другого, чтобы предотвратить замыкания обмоток автотрансформатора.
Мощные симисторы VS1-VS7 также зарубежные BTA41-800B , так как отечественные той же мощности требуют слишком большой ток управления, который превышает предельно допустимый ток оптосимисторов 120мА. Все симисторы VS1-VS7 установлены на одном теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности не менее 1600 см2.
Микросхему стабилизатора КР1158ЕН6А (DA1) необходимо установить на теплоотвод, изготовленный из отрезка аллюминиевой пластины или П-образного профиля с площадью поверхности не менее 15 см2.
Трансформатор T1 самодельный, рассчитанный на габаритную мощность 3 Вт, имеющий площадь сечения магнитопровода 1,87 см2. Его сетевая обмотка I, рассчитана на максимальное аварийное напряжение сети 380 В, содержит 8669 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,064 мм. Обмотки II и III содержат по 522 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,185 мм.
Вариант с двумя трансформаторами питания
При номинальном напряжении сети 220 В напряжение каждой выходной обмотки должно составлять 12 В. Вместо самодельного трансформатор T1 можно применить два трансформатора ТПК-2-2×12В , соединенных последовательно по способу, описанному в как показано на рис.
Файл печати устройства PechatStab-2.lay (вариант с двумя трансформаторами ТПК-2-2×12В ) выполнен с помощью программы Sprint Layout 4.0 , которая позволяет выводить рисунок на печать в зеркальном отображении и очень удобна для изготовления печатных плат при помощи лазерного принтера и утюга. Ее можно скачать здесь.
Силовой трансформатор
Трансформатор T2 на 6 кВт, также самодельный, намотанный на тороидальном магнитопроводе габаритной мощностью 3-4 кВт, способом, описанным в . Его обмотка содержит 455 витков провода ПЭВ-2.
Отводы 1,2,3 мотаются проводом диаметром 3 мм. Отводы 4,5,6,7 мотаются шиной сечением 18,0 мм2 (2мм на 9 мм). Такое сечение необходимо, для того чтобы автотрансформатор не грелся в процессе длительной эксплуатации.
Отводы сделаны от 203, 232, 266, 305, 348 и 398-го витка, считая от нижнего по схеме вывода. Напряжение сети подается на отвод 266-го витка.
Если мощность нагрузки не превышает 2,2 кВт, то автотрансформатор T2 может быть намотан на статоре электродвигателя мощностью 1,5 кВт проводом ПЭВ-2. Отводы 1,2,3 мотаются проводом диаметром 2 мм. Отводы 4,5,6,7 мотаются проводом диаметром 3 мм
Число витков обмотки следует пропорционально увеличить в 1,3 раза. Ток срабатывания выключателя-предохранителя QF1 должен быть снижен до 20 А. Перед нагрузкой желательно поставить дополнительный автомат на 10А
При изготовлении автотрансформатора, при неизвестном значении магнитной проницаемости Вмах сердечника, для того, что бы не ошибиться в выборе отношения витков на вольт, необходимо провести практическое исследование статора (см. раздел ниже).
В общем архиве есть программа для расчета отводов автотрансформатора по своим габаритным размерам статора при известном значении магнитной проницаемости Вмах сердечника.
Если мощность нагрузки не превышает 3 кВт, то автотрансформатор T2 может быть намотан на статоре электродвигателя мощностью 4 кВт проводом ПЭВ-2 диаметром 2,8 мм (сечение 6,1 мм2) Число витков обмотки следует пропорционально увеличить в 1,2 раз. Ток срабатывания выключателя-предохранителя QF1 должен быть снижен до 16 А. Можно применить симисторы VS1-VS7 BTA140-800, размещенные на теплоотводе площадью не менее 800 см2.
Настройка
Налаживание осуществляется с помощью ЛАТР -а и двух вольтметров. Необходимо установить пороги переключения нагрузки и убедиться в том, что выходное напряжение стабилизатора находится в допустимых пределах для питаемой аппаратуры.
Обозначим U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7 - значения напряжения на движке подстроечного резистора R14, соответствующие напряжению сети 130, 150, 170, 190, 210, 230, 250, 270 В (пороги переключения и отключения нагрузки).
Вместо подстроечных резисторов R15 и R23 временно монтируют постоянные резисторы сопротивлением 10 кОм.
Далее стабилизатор без автотрансформатора T2 включают в сеть через ЛАТР . На выходе ЛАТР -а повышают напряжение до 250 В, затем движком подстроечного резистора R14 устанавливают напряжение U6 равное 3,5 В, измеряя его цифровым вольтметром. После этого понижают напряжение ЛАТР -а до 130 В и измеряют напряжение U1. Пусть, например, оно равно 1,6 В.
Вычисляют шаг изменения напряжения:
∆U=(U6 – U1)/6=(3,5-1,6)/6=0,3166 В
,
ток, текущий через делитель R15-R23
I=∆U/R16=0,3166/2=0,1583 мА
Вычисляют сопротивления резисторов R15 и R23:
R15= U1/I=1,6/0,1583=10,107 кОм,
R23= (Uпит – U6 –∆U)/I=(6–3,5–0,3166)/0,1588=13,792 кОм
, где Uпит - напряжение стабилизации микросхемы DA1. Расчет приближенный, так как в нем не учтено влияние резисторов R32-R39, однако его точность достаточна для практической настройки стабилизатора.
Программу для расчета R8,R16 и граничных напряжений переключения можно скачать во вложениях.
Далее устройство отключают от сети и с помощью цифрового вольтметра устанавливают сопротивления резисторов R15 и R23, равные вычисленным значениям и монтируют их на плату вместо постоянных резисторов, упомянутых выше. Снова включают стабилизатор и отслеживают переключение светодиодов, плавно увеличивая напряжения ЛАТР -а от минимального до максимального и обратно. Одновременное свечение двух и более светодиодов указывает на неисправность одной из микросхем DA2, DA3, DD1-DD5. Неисправная микросхема должна быть заменена, поэтому удобнее установить на плате не сами микросхемы, а панели для них.
Убедившись в исправности микросхем, подключают автотрансформатор T2 и нагрузку - лампу накаливания мощностью 100…200 Вт. Снова измеряют пороги переключения и напряжения U1-U7. Для проверки правильности расчетов, меняя ЛАТР -ом входное на Т1 необходимо убедиться в мигании светодиода HL1 при напряжении ниже 130 В, последовательном включении светодиодов HL2 - HL8 при пересечении порогов переключения, указанных выше, а также мигании HL9 при напряжении выше 270 в.
Если максимальное напряжение ЛАТР -а меньше 270 В, устанавливают на его выходе 250 В, вычисляют напряжение U7 по формуле: U7=U6+∆U=3,82 В. Перемещают движок R14 вверх, проверяют, что при напряжении U7 происходит отключение нагрузки, после чего возвращают движок R14 вниз, устанавливая прежнее значение U6, равное 3,5 В.
Завершить налаживание стабилизатора желательно его подключением к напряжению 380 В на несколько часов.
За время эксплуатации нескольких экземпляров стабилизаторов разной мощности (примерно полгода) не было сбоев и отказов в их работе. Не было неисправностей питаемой через них аппаратуры по причине нестабильного напряжения сети.
Литература
1. Коряков С. Стабилизатор сетевого напряжения с микроконтроллерным управлением. - Радио, 2002, №8, с. 26-29.
2. Копанев В. Защита трансформатора от повышенного напряжения сети. - Радио, 1997, №2 с.46.
3. Андреев В. Изготовление трансформаторов. - Радио, 2002, №7, с.58
4. http://rexmill.ucoz.ru/forum/50-152-1
Расчет автотрансформаторa
Вам удалось достать статор из двигателя, но Вы не знаете, из какого материала он выполнен. Вообще при расчете сердечников мощностью выше 1 кВт часто возникают проблемы с исходными данными. Можно легко избежать проблем, если провести исследования имеющегося у Вас сердечника. Сделать это очень просто.
Подготавливаем сердечник для намотки первичной обмотки: обрабатываем острые края, накладываем изолирующие прокладки (в моем случае на тороидальный сердечник я сделал накладки из картона). Теперь наматываем 50 витков провода диаметром 0.5-1 мм. Для измерений нам понадобится амперметр с пределом измерения примерно до 5 ампер, вольтметр переменного напряжения и ЛАТР .MS Excel
N/V= 50/((140-140*0.25) = 0,48 витков на вольт .
Число витков в отводах рассчитывается по средним напряжениям каждого из входных диапазонов контроллера и составит:
Отвод №1 – 128,5 В х 0,48 В = 62 Вит
Отвод №2 – 147 В х 0,48 В = 71 Вит
Отвод №3 – 168 В х 0,48 В = 81 Вит
Отвод №4 – 192 В х 0,48 В = 92 Вит
Отвод №5 – 220 В х 0,48 В = 106 Вит (с него же снимается напряжение на нагрузку)
Отвод №6 – 251,5 В х 0,48 В = 121 Вит
Отвод №7 – 287,5 В х 0,48 В = 138 Вит (полное количество витков автотрансформатора)
Вот и вся проблема!
Модернизация
Понравилось это.
Феррорезонансный стабилизатор , возьмите трансформатор, первичная обмотка которого без каких-либо отрицательных последствий для себя выдерживает , в несколько раз превышающее входное. Последовательно в ней включите бумажный конденсатор, емкость которого подберите экспериментальным путем таким образом, резонансная частота контура, образованного этим конденсатором и первичной обмоткой, оказалась равна частоте питающей сети. Конденсатор также должен выдерживать напряжение, в несколько раз превышающее входное. Связано это с тем, что при резонансе оно значительно повышается. Вторичную обмотку рассчитайте таким образом, чтобы именно при таком, повышенном напряжении на первичной напряжение на вторичной было равно требуемому. Используйте такой стабилизатор только в сетях переменного тока и только при условии стабильной частоты. Совместно с генератором, оборудованным ДВС, такой стабилизатор будет работать очень плохо.
Для изготовления параметрического стабилизатора постоянного напряжения возьмите стабилизирующий элемент - газовый или полупроводниковый стабилитрон. Последний включите в обратной полярности, поскольку в прямой он открывается как обычный диод. Последовательно включите резистор, сопротивление которого рассчитайте по формуле: R=(Uвх-Uст)/(Iст+Iн), где UВх - входное напряжение, Uст - напряжение стабилизации, I - ток стабилизации, который можно взять близким к току нагрузки, Iн - ток нагрузки.
Стабилитрон возьмите рассчитанный на максимальный ток не меньше суммы Iст и Iн. Мощность резистора рассчитайте по формуле: P=(Uвх-Uст)(Iст+Iн).
Перед расчетами все единицы переведите в систему СИ, и результаты получатся в ней же. Выходное напряжение снимите со стабилитрона.
Чтобы сделать компенсационный стабилизатор постоянного напряжения, возьмите микросхему 7805, 7806, 7809, 7812 или 7815, в зависимости от того, какое вам необходимо напряжение на выходе (соответственно, 5, 6, 9, 12 или 15 В). Установите ее на крупный теплоотвод. Возьмите два оксидных конденсатора емкостью 1000 мкФ, рассчитанные на напряжение в 25 В. Минусовые выводы обоих конденсаторов подключите ко второму выводу микросхемы, плюсовой вывод первого конденсатора - к ее выводу 1, плюсовой вывод второго - к ее выводу 3. Параллельно каждому из оксидных конденсаторов включите по керамическому любой емкости. Возьмите источник нестабильного напряжения, превышающего требуемое стабильное примерно на четыре вольта. "Плюс" его подключите к выводу 1 микросхемы, "минус" - к выводу 2. С вывода 3 снимите положительный полюс стабильного напряжения, с вывода 2 - отрицательный. Максимальный выходной ток для микросхем 7805 и 7806 равен 3 А, для остальных - 1,5 А. Для микросхем с буквами M и тем более L в середине обозначения он значительно меньше.
Перепады напряжения негативно сказываются на любой бытовой технике. Особенно это касается высокоточной электроники, регулирующей работу отопительных приборов.
Для того, чтобы выровнять ток в домашних условиях используют стабилизатор напряжения. В самом простом варианте он работает по принципу реостата, повышая и понижая сопротивление в зависимости от силы тока. Но есть и более современные приборы, которые в полной мере защищают технику от скачков напряжения. О том, как их сделать и поговорим.
Стабилизатор напряжения и принцип его действия
Для более детального понимания работы прибора рассмотрим составляющие электрического тока:
- сила тока,
- напряжение,
- частота.
Сила тока – это количество заряда, который прошел через проводник за определенный промежуток времени. Напряжение, если объяснять очень просто, эквивалентно понятию работы, которое совершает электрическое поле. Частота – это скорость, с которой поток электронов меняет свое направление. Данная величина характерна исключительно для переменного тока, который циркулирует в электросети. Большинство бытовых приборов рассчитано на напряжение в 220 Вольт, при этом сила тока должна быть 5 Ампер, а частота 50 Герц.
В большинстве случаев бытовая техника имеет допустимую вилку по каждому из параметров, но любая защита рассчитана на то, что условия работы приборов длительное время будут неизменными. В нашей же сети колебания тока происходят практически постоянно. Амплитуда составляет до 2 А по силе тока и до 40-50 В, по напряжению. Частота тока, также отлична от 50 Гц и составляет от 40 Гц до 60 Гц.
Данная проблема связана со многими факторами, но главный среди них, — удаленность конечного потребителя от источника электричества. В результате достаточно длительной транспортировки и многократной трансформации, ток теряет стабильность. Данный дефект электросетей присутствует не только у нас, но и в любых других странах, которые пользуются электричеством. Поэтому был придуман специальный прибор, позволяющий стабилизировать выходной ток.
Виды стабилизаторов напряжения
Так как ток – это направленное движение частиц, для его регулировки используются:
- механический метод,
- импульсный метод.
Механический основан на законе Ома. Такой стабилизатор называется линейным. Он состоит из двух колен, соединенных между собой реостатом. Напряжение подается на одно колено, проходит по реостату и попадает на второе колено, с которого уже и раздается далее. Преимущества данного метода заключается в том, что он позволяет достаточно точно установить параметры выходного тока. В зависимости от предназначения, линейный стабилизатор модернизируют дополнительными запчастями. Стоит отметить, что прибор эффективно справляется со своей задачей только в том случае, если разница между входным и выходным током невелика. В противном случае стабилизатор будет иметь низкий КПД. Но даже этого достаточно, чтобы защитить бытовую технику и обезопасить себя от короткого замыкания в случае перенагрузки сети.
Импульсный стабилизатор напряжения основан на принципе амплитудной модуляции тока. Схема стабилизатора напряжения устроена таким образом, что в цепи есть выключатель, который автоматически разрывает цепь через равные промежутки времени. Это позволяет подавать ток частями и равномерно накапливать его в конденсаторе. После того, как он зарядится, уже выровненный ток подается на приборы. Недостаток этого метода в том, что он не позволяет задать определенную величину. Тем не менее, достаточно часто встречаются импульсные повышающе-понижающие стабилизаторы, которые оптимально подходят для бытового использования. Они выравнивают ток в пределах чуть ниже или чуть выше нормы. В обоих случаях все параметры тока не выходят за допустимую вилку.
Важно отметить и разделение приборов на:
- стабилизатор напряжения однофазный,
- стабилизатор напряжения трехфазный.
После перераспределения в трансформаторе, выходит трехфазная линия, она как правило идет до распределительного щитка на отдельно взятый дом. Далее от щитка в квартиру идут уже стандартные фаза и ноль. Таким образом большинство бытовых приборов рассчитано именно на однофазную сеть. Поэтому в типовых квартирах целесообразно использовать однофазный стабилизатор. К тому же, стоит он в 10 раз дешевле трехфазного, даже если собрать его своими руками.
Стабилизаторы напряжения для дачи могут быть и трехфазными. Особенно актуально это для мощных насосов, культиваторов и тяжелой строительной техники. В таком случае необходимо сделать стабилизатор, рассчитанный на трансформацию тока под конкретный прибор. На практике сделать это достаточно сложно. Поэтому проще взять его в аренду. Использование указанных выше приборов носит временный характер, поэтому смысла тратить время и деньги на трехфазный стабилизатор напряжения нет.
Основные элементы стабилизатора напряжения
Для того, чтобы собрать простой выравниватель тока не понадобится ни особых навыков, ни специфических деталей. Стабилизаторы напряжения для дома состоят из:
- трансформатора,
- конденсаторов,
- резисторов,
- диодов,
- провода для соединения микросхемы.
Идеально, если есть старый сварочный аппарат. Переделать его в стабилизатор напряжения очень легко, к том же не понадобится покупать дополнительные запчасти и конструировать корпус для микросхем. Этому вопросу посвящено видео в конце статьи. Но, ненужная сварка – это большая редкость, поэтому рассмотрим процедуру создания стабилизатора напряжения с нуля. Так как импульсный стабилизатор не позволяет провести точную настройку параметров, рассматривать будем линейный стабилизатор напряжения.
Изготовление самодельного стабилизатора напряжения
Его основа – это трансформатор. На практике трансформаторы намного меньше, чем массивные будки для выравнивания высокого напряжения, приходящего с электростанции. Они представляют собой две катушки, образующие индуктивную электромагнитную связь. Проще говоря, ток подается на одну катушку, заряжает ее, затем возникает электромагнитное поле, которое заряжает вторую катушку, с которой ток идет далее. Эта взаимосвязь выражена формулой:
| U 2 | = | N 2 | = | I 1 |
| U 1 | N 1 | I 2 |
- U 1 – напряжение на первичной обмотке,
- U 2 – напряжение на вторичной обмотке,
- N 1 – число витков на первичной обмотке,
- N 2 – число витков на вторичной обмотке,
- I 1 – сила тока на первичной обмотке,
- I 2 – сила тока на вторичной обмотке.
Формула не идеальна, так как позволяет либо понижать напряжение, либо его повышать. В 90% случаев к потребителю доходит ток с низким напряжением. Поэтому имеет смысл сразу же сделать повышающий трансформатор. Индуктивные катушки к нему продаются в магазинах электротехники либо на любом блошином рынке. Важно отметить, что число витков должно быть не менее 2000 тысяч, так как иначе трансформатор будет очень сильно греться и вскоре сгорит. Для того, чтобы выбрать мощность трансформатора, необходимо замерять напряжение в сети. Для расчетов возьмем значение 196 В. Формула приобретает такой вид:
Как видно из формулы, сила напряжения на выходе будет 220х4/196=4,4 А. Большинство электроприборов допускает вилку в 1 А. Поэтому полученная величина достаточна для нормальной работы техники.
Стабилизатор напряжения, энергия в котором увеличивается на заданную величину готов. Но, если в сети произойдет скачек мощности, то формула примет следующие значения:
Это приведет к поломке большинства электроприборов.
Для устранения данного дефекта воспользуемся законом Ома:
- U– напряжение,
- I– сила тока,
- R– сопротивление.
264=4,47хR, R=264/4,47=60. Данная формула говорит о том, что в идеале сопротивление всех элементов в системе будет составлять 60 Ом. Если понизить сопротивление, то напряжение уменьшиться:
220=4,47хR, R=220/4,47=50.
Для изменения сопротивления сети используется прибор, под названием реостат. Естественно, регулировать его вручную достаточно неудобно. Поэтому понадобится микросхема-стабилизатор напряжения, на которой будет отмечен путь следования электрического тока после выхода из трансформатора.
Наиболее простой способ – это вывести ток с трансформатора на конденсатор. Желательно использовать 12-16 конденсаторов одинаковой емкости. Это позволит накопить ток и сделать его более однородным. Далее все конденсаторы подсоединяются к реостату. Сила тока в сети после трансформатора будет в пределах 4,5-5 А, а желаемое напряжение должно составлять 220 В. Следовательно, имеем формулу R=220/4,75=46. При усредненных показателях сопротивление должно составлять 46 Ом.
Для достижения более плавного выравнивания, желательно установить несколько параллельных реостатов. Таким образом соединяясь в один поток после конденсаторов, цепь необходимо распределить на 4,6,8 отдельных веток, подключенных к реостатам. При этом следует использовать формулу R/число реостатов. Если делать цепь из 6 реостатов, то согласно представленным данным, каждый из них должен иметь сопротивление в 8 Ом.
После прохождения реостатов, цепь снова собирается в один поток и выводится на диод. Диод подключается к обычной розетке.
Все указанные манипуляции относятся к проводу на котором находится фаза, ноль просто пропускаем напрямую к розетке.
Указанный с реостатами способ является достаточно архаичным. Намного более эффективно использовать вместо них обычное устройство защитного отключения. Ток от трансформатора подается на УЗО, ноль также подключается к УЗО. Далее от него идет выход напрямую к розетке.
В том случае, если напряжение или сила тока возрастут в следствии скачка напряжения, УЗО разомкнет цепь, и бытовая техника не пострадает. В остальное время трансформатор будет качественно выравнивать ток.
При повышенном напряжении понадобится понижающий трансформатор. Собирается он по аналогии, за тем исключением, что обмотка на второй катушке должна быть сделана из более толстой проволоки, иначе трансформатор сгорит.
Наиболее эффективно собрать оба трансформатора. Тем более, что есть конструкции понижающе-повышающего типа. В первом случае понадобится ручное переключение провода, во втором — процесс поддается автоматизации. Как видно, сделать стабилизатор напряжения не сложно, но работа с электричеством предполагает предельный уровень осторожности.
Советы по работе с самодельным стабилизатором напряжения
Важно : описанная схема идеально подходит для постоянных условий, но в электросети достаточно часто случаются перебои и скачки, как вверх, так и вниз.
Поэтому при сборке стабилизатора напряжения рекомендуем отталкиваться от параметров конкретной техники, т.е.:
- продумать разводку по квартире,
- если ремонта не предполагается, установить удлинители под определенные группы электроприборов со схожими параметрами,
- подключить каждую группу к отдельному стабилизатору.
Любая бытовая техника либо на тыльной стороне, либо в паспорте содержит ведомости о требованиях к электропитанию. Отталкиваясь от конкретных цифр значительно проще создать эффективный стабилизатор, так как нет необходимости подстраиваться под сеть. Еще один полезный гаджет – это электронный вольтметр. Желательно подключить его в схему стабилизатора для визуального контроля за его работой.
Для корпуса подойдет любой материал кроме дерева. Достаточно часто самодельные стабилизаторы помещают в пластиковые контейнеры для еды.
В современной жизни ни один человек не может обойтись без использования различных электроприборов. Они сумели стать нашими лучшими помощниками, ведь дают возможность развлекаться, готовить различные вкусные блюда, продолжат пригодность различных продуктов, облегчают уборку и различные ремонтные работы.
Большинство из таких приборов разрабатывается с учетом того, что напряжение в домашней электрической сети должно равняться 220-ти вольтам, или же оно не будет характеризоваться различными колебаниями.
Для самых электроприборов стабильность напряжения является нужной для того, чтобы каждый его элемент выполнял свои функции на том уровне, который определил сам производитель. Также стабильность в электросети является необходимой и для устранения возможности перегорания отдельных элементов электроприборов.
И для того чтобы каждый электроприбор и его комплектующие могли выполнять свои целевые функции, владельцам домов или квартир необходимо использовать стабилизационные устройства. Они могут обеспечить не только оптимальную работу любимого прибора, но и уберечь его от сгорания.
Стабилизатор Энергия
Стоит отметить, что в быту можно использовать стабилизационные приборы постоянного и переменного напряжения. В тех случаях, когда количество вольт в сети колеблется на величину, большую на 10 процентов от номинальной величины (220 В), на свое вооружение нужно
Как правило, в современных электронных приборах для подачи электричества со стабильным уровнем применяют импульсные блоки питания.
Однако, если нужно стабилизировать электричество для холодильников, микроволновых печей, насосов и кондиционеров, то импульсные приборы стабилизации тока уже не подойдут.
Причина этого кроется в том, что существует потребность во внешней стабилизации переменного напряжения. Здесь на помощь придут бытовые стабилизаторы напряжения, которые на выходе способны обеспечить постоянные 220 вольт.
Учитывая тот факт, что такие устройства имеют много разновидностей, в дальнейшем будет рассмотрен каждая разновидность в отдельности. При этом вы сможете заглянуть и под корпус каждого вида стабилизационного устройства.
Общее строение стабилизационных устройств
Бытовые стабилизаторы могут быть электромеханическими, релейно-трансформаторными и электронными. Также на рынке еще можно встретить феррорезонансные стабилизационные приборы. Они пользовались большой популярностью в прошлом, однако их сегодня практически не используют.
Люди отказываются от них через большое количество недостатков.
Стоит отметить, что независимо от вида стабилизаторы работают по похожей схеме. Эта схема предусматривает наличие:
- - трансформатора;
- - регулирующего элемента;
- - управляющего элемента.
Данную схему можно увидеть на рисунке, который приводится ниже.
рис.1 схема стабилизатора
На этой схеме трансформатор обозначен, как Т1. Регулирующий элемент обозначается РЭ, управляющий элемент - УЭ. Задачей трансформатора является либо повышение, либо понижение напряжения, если оно не является равным 220-ти вольтам.
Для того, чтобы он мог выполнять эту цель, производители монтируют регулирующий элемент. Именно он управляет работой трансформатора. Чтобы этот регулирующий компонент «знал», как управлять трансформатором, в стабилизатор монтируют управляющий элемент.
Он осуществляет измерение напряжения на входе, сравнивает его с оптимальным напряжением и дает необходимую команду регулирующему элементу.
Каждый стабилизационный прибор работает по такой схеме.
Разница между ними заключается в строении регулирующих элементов и особенностях трансформатора.
Схема электромеханического стабилизатора
Наиболее простым по своему строению является электромеханическое стабилизационное устройство. Оно предусматривает наличие:
- Регулируемого автотрансформатора или ЛАТРа.
- Сервопривода с редуктором и щеткой.
- Электронной схемы.
Основным его элементом является лабораторный ЛАТР или бытовой регулирующий автоматический трансформатор. Благодаря применению последнего компонента этот прибор может похвастаться КПД высокого уровня. Сверху над этим трансформатором монтируется двигатель, который имеет малые размеры.
Схема стабилизатора
Этот двигатель имеет в себе редуктор. Двигатель имеет достаточную мощность, чтобы поворачивать бегунок в трансформаторе. Оптимальным условием работы этого двигателя является обеспечение одного полного оборота бегунка в течение десяти-двадцати секунд.
В конце бегунка находится щетка, которая в среднем превышает в 2,2 раза диаметр провода обмотки трансформатора. Собственно до этих проводов и прикасается сама щетка.
Конечно, работа двигателя зависит от команд электронной схемы. В тех случаях, когда происходят изменения в токе на входе, электронная схема обнаруживает их и дает указание двигателю сместить бегунок на определенную величину, в результате чего на выходе получаются желаемые 220 вольт.
Характеристики электромеханического преобразователя
Такая простая конструкция этого типа стабилизатора напряжения, который на выходе выдает 220 вольт и который часто выпускается под маркой «Ресанта», является его преимуществом. В список преимуществ входит и возможность обеспечения высокой точности уровня выходного напряжения.
Эта точность равняется ±3 процентам. Что касается диапазона входных вольт, то он довольно большой. Так для некоторых моделей он колеблется в пределах 130-260-ти вольт.
Простая конструкция является причиной и некоторых недостатков. Так при перемещении щетки (бегунка) слышно гул. При этом места контакта могут искриться.
Полезный совет: такая щетка довольно быстро изнашивается. Потому за ее состоянием нужно следить каждый год. Как показывает практика, каждые три года нужно осуществлять замену щетки.
Главная слабость и ремонт
Главной слабостью этого стабилизатора является сервопривод (он же двигатель). Во время работы устройства этот двигатель постоянно работает. Его ротор не перестает крутиться ни на минуту. Конечно, следствием этого является быстрый износ и преждевременный выход из строя.Выходом из этой ситуации будет замена изношенного двигателя.
Полезный совет: двигатель можно не заменять, а попробовать отреставрировать. Для этого его нужно провести его отключение от схемы устройства и подсоединить к мощному источнику питания. На выводы сервопривода подают 5 ватт, проводя смену полярности.
В конечном итоге весь «мусор», который накопился на щетке, отжигается. После этого двигатель может работать еще некоторое время.
Один из самых главных недостатков кроется в медленной реакции. Поэтому, сфера применения таких стабилизаторов с выходным напряжением 220 вольт является несколько ограниченной.
В частности, их не следует применять для электроприборов, которые могут быстро сгореть от высокого напряжения. В основном этими электроприборами являются различные электронные устройства и высокотехнологичные установки.
Схема релейных стабилизационных устройств
Что касается релейно-трансформаторных и электронных стабилизаторов напряжения, то они имеют одинаковую схему построения. Главная разница заключается в том, что в первых в качестве регулирующего элемента используется реле, в других - симисторы или тиристоры.
Эти типы стабилизационных устройств называются еще ступенчатыми. Это означает то, что выравнивание тока происходит ступенями.
Регулирующий элемент также называют еще ключом. Количество таких ключей зависит от модели. В наиболее дешевых моделях находится пять таких ключей. Каждый ключ может подключаться к определенной обмотке автоматического трансформатора.
В результате замыкания им определенной части обмотки происходит изменение выходного количества вольт.
Общая схема таких стабилизационных устройств подается на рис. 2:
Релейные стабилизаторы могут изменять количество выходных вольт в 3-6 ступеней. Главным коммутирующим элементом этих устройств являются электромагнитные реле, которые подключают определенные обмотки трансформатора.
Количество обмоток, которое является необходимым для выравнивания тока, определяется микропроцессором. Он передает команды преходящим ключам, которые и управляют электрическим реле.
Подытоживая, можно отметить, что схема релейного стабилизатора переменного напряжения, который на выходе выдает 220 вольт, также является простой.
Характерные особенности релейных приборов
Эти стабилизационные приборы характеризуются точностью напряжения на выходе, которая составляет ±8 процента. Конечно, этот показатель хуже, чем показатель выше описанного типа стабилизатора. Однако он находится в пределах требований, установленных государством.
Особенностью работы этих стабилизационных устройств является то, что когда в них входит 195 вольт, то на выходе будет 233 вольта. Когда количество входных вольт увеличится на 3 вольта. То на выходе уже будет 236.
Релейный стабилизатор разобранный
Однако, когда входное напряжение будет равно 200 вольтам, состоится переключение реле и на выходе уже будет 218 вольт. Таким образом устройство работает и при понижении количества вольт на входе.
Проблему с точностью отлично компенсирует скорость реакции на изменения в токе. По словам производителей на изменение тока нужно от 20 миллисекунд. Практика показывает, что это происходит в течение 100-150 миллисекунд.
Релейные стабилизационные приборы могут выравнивать входной ток, минимальное напряжение которого может равняться 140 вольтам, максимальное - 270 вольтам. Допустимой является и перегрузка на 10 процентов от нагрузки, которую рекомендует сам производитель.
Проблемные места и их ремонт
Во время процесса коммутации на контактах реле постоянно образуется дуга. Ее образование приводит к разрушению контактов. Именно контакты являются слабым местом этих стабилизационных устройств.
Контакты могут или обгорать, или залипать. Соответственно, главное внимание во время любого обслуживания должно направляться на состояние контактов.
В том случае, когда реле выходят из строя, ломаются и транзисторные ключи. В случае поломки реле проводят их полную замену.
Полезный совет: реле можно отреставрировать. Данный процесс заключается в снятии их крышки, освобождении их от пружины и очистке. Для очистки берут наждачную бумагу «нулевка». Очистить нужно как нижний, так и верхний, так и подвижный контакты. После этого проводят очистку бензином и собирают реле.
Во время ремонтных работ также следует провести проверку кварцевого резонатора и каждого электролитического конденсатора, который находится на плате контроллера.
Полезный совет: во время проверочных или диагностических работ входной ток нужно подавать сразу на ЛАТР. Благодаря этому входной ток можно будет изменять в больших величинах. Роль нагрузки должна выполнять 220-вольтная лампа накаливания.
Симисторные приборы
Кроме вышеупомянутых стабилизаторов, очень применяемым в быту является симисторный электронный стабилизатор. Схема такого стабилизатора напряжения, который способен быстро обеспечить на выходе 220 вольт, является почти такой, как и релейного.
Однако вместо реле уже используются симисторы. Симисторы являются достаточно сложными в управлении. Они должны всегда включаться, когда синусоида напряжения находится в нулевой точке. Это дает возможность избежать искажения самой синусоиды.
Симисторный стабилизатор. Внешний вид
Конечно, определением момента для их включения занимается сам процессор. Включение симистора осуществляется благодаря подаче на него сильного импульса. Кроме замера напряжения и определения момента включения симистора, процессор также проверяет состояние симистора, то есть является ли он включенным или выключенным.
После выполнения этих операций процессор дает команду на включение симистора. Выполнение этой совокупности действий длится не более одной микросекунды. Также очень быстро включается и симистор. В общем, время реакции не превышает десяти миллисекунд.
Благодаря таким особенностям изменение напряжения происходит очень быстро. Также электронные стабилизационные приборы вместо симистора могут иметь тиристоры. При этом тиристоры часто применяются в тех стабилизаторах напряжения, которые превращают 220 вольт в 110 вольт.
Большие скорости работы процессора и симисторов позволяют также создавать и двухкаскадные электронные стабилизационные устройства. Это означает, что выравнивание напряжения происходит в два этапа.
Во время первого этапа первый каскад делает грубое выравнивание тока. Во время второго этапа проводится идеальное выравнивание.
Двухкаскадные симисторные устройства
Преимуществом использования двух каскадов является то, что появляется возможность в использовании небольшого количества симисторов. Так, на каждом каскаде можно использовать по четыре симистора. В результате это дает возможность выбирать между 16-ю способами комбинации обмоток трансформатора.
Схема двухкаскадного стабилизатора
Если на обоих каскадах используется по шесть симисторов, то количество комбинаций подключения обмоток уже будет равняться 36-ти.
Использование каскадов несколько снижает скорость реакции трансформатора.
В общем, время реакции занимает 20 миллисекунд. Такая скорость выравнивания тока для бытовой техники является более чем приемлемой.
Такие стабилизаторы можно применять не только в быту, но и многих промышленных сферах. Они способны обеспечить выходные 220 вольт при условии, если на входе будет не менее 140 и не более 270 вольт.
Приборы для стабилизации напряжения сети применяются уже не одно десятилетие. Многие модели давно не используются, а другие пока не нашли широкого распространения, несмотря на высокие характеристики. Схема стабилизатора напряжения не является чем-то слишком сложным. Принцип работы и основные параметры различных стабилизаторов следует знать тем, кто ещё не определился с выбором.
Виды стабилизаторов напряжения
В настоящее время применяются следующие виды стабилизаторов:
- Феррорезонансные;
- Сервоприводные;
- Релейные;
- Электронные;
- Двойного преобразования.
Феррорезонансные стабилизаторы конструктивно являются самыми простыми устройствами. Они состоят из двух дросселей и конденсатора и работают на принципе магнитного резонанса. Стабилизаторы такого типа отличаются высокой скоростью срабатывания, очень большим сроком эксплуатации и могут работать в широком диапазоне напряжения на входе. В настоящее время их можно встретить в медицинских учреждениях. В быту практически не применяются.
Принцип действия сервоприводного или электромеханического стабилизатора основан на изменении величины напряжения с помощью автотрансформатора. Устройство отличается исключительно высокой точностью установки напряжения. Вместе с тем скорость стабилизации самая низкая. Электромеханический стабилизатор может работать с очень большими нагрузками.
Релейный стабилизатор
так же имеет в своей конструкции трансформатор с секционированной обмоткой. Выравнивание напряжения осуществляется с помощью группы реле, которые срабатывают по командам с платы контроля напряжения. Прибор имеет относительно высокую скорость стабилизации, но точность установки заметно ниже за счёт дискретного переключения обмоток.
Электронный стабилизатор работает по такому же принципу, только секции обмотки регулирующего трансформатора переключаются не с помощью реле, а силовыми ключами на полупроводниковых приборах. Точность электронного и релейного стабилизатора приблизительно одинаковая, но скорость электронного устройства заметно выше.
Стабилизаторы двойного преобразования , в отличие от других моделей, не имеют в своей конструкции силового трансформатора. Коррекция напряжения осуществляется на электронном уровне. Устройства этого типа отличаются высокой скоростью и точностью, но их стоимость намного выше, чем у других моделей. Стабилизатор напряжения 220 вольт своими руками, несмотря на кажущуюся сложность, может быть реализован именно на инверторном принципе.
Электромеханический стабилизатор
Сервоприводный стабилизатор состоит из следующих узлов:
- Входной фильтр;
- Плата измерения напряжения;
- Автотрансформатор;
- Серводвигатель;
- Графитовый скользящий контакт;
- Плата индикации.
В основе работы лежит принцип регулировки напряжения путём изменения коэффициента трансформации. Это изменение осуществляется перемещением графитового контакта по свободной от изоляции обмотке трансформатора. Перемещение контакта осуществляется серводвигателем.
Напряжение сети поступает на фильтр, состоящий из конденсаторов и ферритовых дросселей. Его задача максимально очистить приходящее напряжение от высокочастотных и импульсных помех. В плате измерения напряжения заложен определённый допуск. Если напряжение сети в него укладывается, то оно сразу поступает на нагрузку.
При отклонении напряжения сверх допустимого, плата измерения напряжения подаёт команду на узел управления серводвигателем, который перемещает контакт в сторону увеличения или уменьшения напряжения. Как только величина напряжения придёт в норму, серводвигатель останавливается. Если напряжение сети нестабильно и часто изменяется, сервопривод может отрабатывать процесс регулирования практически постоянно.
Схема подключения стабилизатора напряжения малой мощности не представляет ничего сложного, поскольку на корпусе установлены розетки, а включение в сеть осуществляется шнуром с вилкой. На более мощных устройствах сеть и нагрузка подключаются с помощью винтовой колодки.
Релейный стабилизатор
В релейном стабилизаторе имеется почти такой же набор основных узлов:
- Сетевой фильтр;
- Плата контроля и управления;
- Трансформатор;
- Блок электромеханических реле;
- Устройство индикации.
В этой конструкции коррекция напряжения осуществляется ступенчато, с помощью реле. Обмотка трансформатора разделена на несколько отдельных секций, каждая из которых имеет отвод. Релейный стабилизатор напряжения имеет несколько ступеней регулирования, число которых определяется количеством установленных реле.
Подключение секций обмотки, а, следовательно, и изменение напряжения может осуществляться либо аналоговым, либо цифровым способом. Плата управления, в зависимости от изменения напряжения на входе, подключает необходимое количество реле для обеспечения напряжения на выходе, соответствующего допуску. имеют самую низкую цену среди этих приборов.
Пример схемы релейного стабилизатора
Еще одна схема стабилизатора релейного типа
Электронный стабилизатор
Принципиальная схема стабилизатора напряжения этого типа имеет лишь небольшие отличия от конструкции с электромагнитными реле:
- Фильтр сети;
- Плата измерения напряжения и управления;
- Трансформатор;
- Блок силовых электронных ключей;
- Плата индикации.
Принцип работы не отличается от принципа работы релейного устройства. Единственное отличие заключается в применении электронных ключей вместо реле. Ключи представляют собой управляемые полупроводниковые вентили – тиристоры и симисторы. Каждый из них имеет управляющий электрод, подачей напряжения на который вентиль можно открыть. В этот момент и происходит коммутация обмоток и изменение напряжения на выходе стабилизатора. Стабилизатор отличается хорошими параметрами и высокой надёжностью. Широкому распространению мешает высокая стоимость прибора.
Стабилизатор двойного преобразования
Это устройство, называемое так же , по своей конструкции и техническим решениям, полностью отличается от всех других моделей. В нем отсутствует трансформатор и элементы коммутации. В основу его работы положен принцип двойного преобразования напряжения. Из переменного напряжения в постоянное, и обратно в переменное.