Преобразование напряжения необходимо для того, чтобы реализовать возможность работы различных устройств от сети переменного тока. Кроме того, питание электронных схем разными величинами напряжения вынуждает выполнять не только превращение переменного электричества в постоянное, но и повышение или понижение разности потенциалов до нужных параметров.
Импульсный преобразователь напряжения
Основы импульсного преобразования
Работа подобных устройств, их ещё называют импульсными стабилизаторами (ИС), основана на ключевой стабилизации. В схеме имеется элемент, который выполняет регулировку выходных параметров за счёт своего запирания-отпирания.
В обычную трансформаторную схему входит трансформатор низкой частоты, имеющий первичную и вторичную обмотку. Импульсное преобразование тоже подразумевает наличие трансформатора, но уже высокочастотного.
Внимание! Высокочастотные импульсные трансформаторы обладают меньшими габаритами, дешевле, но их мощность выше.
Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) допускают использование схем трёх типов:
- повышающей;
- понижающей;
- инверторной.
ИПН обладают высоким КПД и малыми габаритами. Они включают в свой состав следующие элементы:
- блок питания (источник питания);
- ключ – элемент коммутации;
- накопитель энергии индуктивной природы – дроссель, катушка;
- диод блокировки;
- фильтр выходного напряжения – конденсатор большой емкости.
Фильтр обычно включается параллельно нагрузке.
Плюсы и минусы
Устройство однофазных сервоприводных стабилизаторов напряжения обладает рядом достоинств, которые принесли большую популярность этому виду электрооборудования. Повышенный спрос на ЭМС стимулирует многих производителей изготавливать их различные модификации. Преимущества данной конструкции заключаются в следующем:
- высокий КПД прибора;
- погрешность точности стабилизации напряжения – 2%;
- отсутствие искажений выходных параметров тока;
- широкий диапазон стабилизации отклонений уровня входного напряжения;
- тороидальная форма катушки трансформатора сводит до минимума поле рассеивания;
- габариты и большая площадь сечения провода обмотки допускают высокий порог мощности нагрузки;
- невысокая стоимость стабилизаторов.
Наряду с достоинствами, ЭМС имеет недостатки:
- Замедленная реакция сервопривода на изменение напряжения входного тока. Всему виной – механический привод щёточного узла. Например, для сглаживания всплеска напряжения величиной 50 вольт прибору потребуется около 5 секунд. За это время чувствительная электроника может получить значительные повреждения.
- Низкая износостойкость щёточного узла требует регулярной замены графитовых контакторов. Этот фактор не даёт конкурировать ЭМС с релейными и тиристорными аналогами.
- Работа щёточного узла при определённом износе щёток может вызывать искрение внутри стабилизаторов. Поэтому применять его категорически нельзя в условиях высокой пожарной опасности.
Принцип работы
Стабилизатор напряжения 12 вольт
Импульсный стабилизатор напряжения использует принцип сравнения опорного напряжения с напряжением на выходе. Схема позволяет регулировать длительность открытия ключа. Входное напряжение от источника питания (ИП) пропускается ключом по сигналу управления заданными частями (импульсами) с учётом того, что средний потенциал (пониженный или повышенный) был стабильным.
Блок-схема ИС
Разновидности прибора
Практически уже не используется, но имеет немало достоинств классический электромеханический стабилизатор. Его отличает плавная регулировка напряжения, что позволяет рассчитывать на высокую точность коррекции параметров работы электрической цепи. Такие модели все еще применяются для обслуживания чувствительной аудиоаппаратуры и систем освещения. Более распространен автоматический стабилизатор напряжения релейного типа, регулировка в котором происходит благодаря механическому переключателю.
Этот вариант целесообразно использовать в частных домах, на дачах и в квартирах. Также растет в популярности цифровой импульсный стабилизатор. Концепция данного прибора полностью укладывается в представления о современной компактной бытовой технике. Импульсные модели имеют дисплеи с меню управления, предусматривают возможность программирования функции стабилизатора, отличаются быстрой регулировкой и высокой степенью надежности.
Сравнение с линейным стабилизатором
Стабилизатор напряжения на транзисторе
Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.
К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.
У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.
В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.
Стабилизированный источник питания 12В / 30А
Представляем мощный стабилизированный блок питания на 12 В. Он построен на микросхеме стабилизатора LM7812 и транзисторах TIP2955, что обеспечивает ток до 30 А. Каждый транзистор может давать ток до 5 А, соответственно 6 транзисторов обеспечат ток до 30 А. Можно изменением количества транзисторов и получить желаемое значение тока. Микросхема выдает ток около 800 мА.
На его выходе установлен предохранитель в 1 А для защиты от больших переходных токов. Нужно обеспечить хороший теплоотвод от транзисторов и микросхемы. Когда ток через нагрузку большой, мощность рассеиваемая каждым транзистором также увеличивается, так что избыточное тепло может привести к пробою транзистора.
В этом случае для охлаждения потребуется очень большой радиатор или вентилятор. Резисторы 100 Ом используются для стабильности и предотвращения насыщения, т.к. коэффициенты усиления имеют некоторый разброс у одного и того же типа транзисторов. Диоды моста рассчитаны не менее, чем на 100 А.
Примечания
Наиболее затратным элементом всей конструкции, пожалуй, является входной трансформатор, Вместо него возможно использование двух последовательно соединенных батарей автомобиля. Напряжение на входе стабилизатора должно быть на несколько вольт выше требуемого на выходе (12В), чтобы он мог поддерживать стабильный выход. Если используется трансформатор, то диоды должны выдерживать достаточно большой пиковый прямой ток, обычно, 100А или более.
Через LM 7812 будет проходить не более 1 А, остальная часть обеспечивается транзисторами.Так как схема рассчитана на нагрузку до 30А, то шесть транзисторов соединены параллельно. Рассеиваемая каждым из них мощность – это 1/6 часть общей нагрузки, но все же необходимо обеспечить достаточный теплоотвод. Максимальный ток нагрузки приведет к максимальному рассеиванию, при этом потребуется крупногабаритный радиатор.
Для эффективного отвода тепла от радиатора, может быть хорошей идеей применение вентилятора или радиатора с водяным охлаждением. Если блок питания нагружен на максимальную нагрузку, а силовые транзисторы вышли из строя, то весь ток пройдет через микросхему, что приведет к катастрофическому результату. Для предотвращения пробоя микросхемы на ее выходе стоит предохранитель в 1 А. Нагрузка 400 МОм только для тестирования и не входит в окончательную схему.
Вычисления
Данная схема отличная демонстрация законов Кирхгофа. Входящая в узел сумма токов, должна быть равна сумме токов выходящих из этого узла, а сумма падений напряжений на всех ветвях, любого замкнутого контура цепи должна быть равна нулю. В нашей схеме, входное напряжение 24 вольт, из них 4В падения на R7 и 20 В на входе LM 7812, т.е 24 -4 -20 = 0. На выходе суммарный ток нагрузки 30А, регулятор поставляет 0.866А и 4.855А каждый из 6 транзисторов: 30 = 6 * 4.855 + 0.866.
Ток базы составляет около 138 мА на транзистор, чтобы получить ток коллектора около 4.86А коэффициент усиления по постоянному току для каждого транзистора должен быть не менее 35.
TIP2955 удовлетворяет этим требованиям. Падение напряжения на R7 = 100 Ом при максимальной нагрузке будет 4В. Рассеиваемая на нем мощность, вычисляется по формуле P= (4 * 4) / 100, т.е 0.16 Вт. Желательно, чтобы этот резистор был мощностью 0.5 Вт.
Входной ток микросхемы поступает через резистор в цепи эмиттера и переход Б-Э транзисторов. Еще раз применим законы Кирхгофа. Входной ток регулятора состоит из тока 871 мА, протекающего по цепи базы, и 40.3мА через R = 100 Ом. 871,18 = 40,3 + 830. 88. Входной ток стабилизатора всегда должен быть больше выходного. Мы видим, что он потребляет только около 5 мА и практически не должен греться.
Тестирование и ошибки
Во время первого испытании, не надо подключать нагрузку. Вначале измеряем вольтметром напряжение на выходе, оно должно быть 12 вольт, или не сильно отличающаяся величина. Затем подключаем сопротивление около100 Ом, 3 Вт в качестве нагрузки.Показания вольтметра не должны измениться. Если вы не видите 12 В, то, предварительно выключив питание, следует проверить корректность монтажа и качество пайки.
Один из читателей, получил на выходе 35 В, вместо стабилизированных 12 В. Это было вызвано коротким замыканием силового транзистора. Если есть КЗ любого из транзисторов, придется отпаять все 6 для проверки мультиметром переходов коллектор-эмиттер.
Функциональные схемы по типу цепи управления
Параметрический стабилизатор напряжения
По виду управляющей цепи можно выделить несколько рабочих схем, включающих в себя:
- триггер Шмитта;
- ШИМ – широтно-импульсную модуляцию;
- ЧИМ – частотно-импульсную модуляцию.
Важно! Импульсные стабилизаторы – это устройство с автоматическим регулированием, ориентирующееся на опорное напряжение, которое служит эталонным параметром для схемы регулирования.
Блок-схемы ИПН с триггером Шмитта и ШИМ
С триггером Шмитта
При таком построении схемы стабилизации верхний и нижний пороги срабатывания триггера сравниваются с Uвх. Для этой цели используется компаратор – устройство сравнения. Ключ размыкается в момент, когда выходное напряжение сравняется с напряжением срабатывания триггера (Umax). Энергия, накопившаяся за это время, выдаётся на нагрузку, и Uвых после этого спадает. Как только её величина достигнет Umin (нижнего порога), триггер переключается, замыкая ключ.
Такой способ называется стабилизацией с двухпозиционной регулировкой или релейной. Схемы с триггером Шмитта имеют на выходе устройства напряжения с величиной пульсации, обусловленной разностью порогов срабатывания. Эту пульсацию практически устранить невозможно.
В ИС с триггером Шмитта частотное преобразование зависит от Uвх и Iн (тока нагрузки) и является переменным.
С широтно-импульсной модуляцией
На выходе таких схем получают Uср (среднее), на которое влияют скважность импульсов и Uвх. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой схему сравнения Uвых и Uоп (опорного) путём вычитания и последующего усиления. Результат поступает на модулятор, который подстраивает свои параметры в зависимости от этого результата.
Модулятор изменяет (в сторону увеличения) отношение времени, при котором ключ открыт, к периоду тактового импульса генератора, если Uвых < Uоп.
Схема добивается такого управления ключом, чтобы разность между Uвых и Uоп сводилась к минимуму, когда происходит изменение Uвх или ток через нагрузку (Iн).
Внимание! В ИС с ШИМ частотное преобразование не имеет зависимости от Uвх и Iн.
С частотно-импульсной модуляцией
Подобные сборки отличаются тем, что скважность импульсов (частота) напрямую зависит от понижения Uвх или увеличения Iн. При этом длительность отпирающего ключ импульса неизменна. Частота подачи импульсов подчинена сигналу разности Uвых и Uоп. Моностабильный мультивибратор, имеющий управляемую запускающую частоту, может смело справиться с подачей команд на ключ.
Моностабильный мультивибратор на транзисторах
Основные схемы силовой части
В зависимости от назначения ИС, можно выделить три базовых модели его построения:
- понижающая;
- повышающая;
- инвертирующая.
Независимо от конструктивного исполнения и назначения ИС, устройствами, использующимися в роли ключа, могут быть:
- тиристор;
- транзистор (биполярный или полевой).
Основная задача подобного элемента – отрываться или закрываться по команде, поступающей на управляющий электрод.
Преобразователь с понижением напряжения
Обычно уменьшить величину напряжения необходимо чаще, потому такие ИС более востребованы.
Простейшая схема понижающего ИС
У понижающего стабилизатора напряжения, приведённого на схеме, ключ на полевом транзисторе VT1 откроется при подаче на него управляющего напряжения. Ток от плюсовой клеммы будет поступать на нагрузку через сглаживающий дроссель L1. Включенный параллельно в цепь диод VD1 в данный момент не пропускает ток. После размыкания ключа цепь тока следующая: дроссель L1 – нагрузка – общий провод – диод VD1 – дроссель L1. При этом ток, проходящий через дроссель, не прекратится мгновенно, а будет постепенно уменьшаться.
Важно! У дросселей, имеющих большую индуктивность, он не становится равным нулю до начала следующего открытия ключа. Установка таких элементов нецелесообразна из-за увеличения габаритов и стоимости.
Конденсатор C1 в это время будет разряжаться на нагрузку и поддерживать U вых. Емкость C вместе с индуктивностью L образует фильтр, снижающий размах пульсаций.
Преобразователь с повышением напряжения
В отличие от понижения Uвх, этот тип схем используют для питания цепей нагрузки, которым для работы необходимо напряжение выше, чем у источника.
Повышающий ИС
Компоненты схемы те же самые, но включены иначе. При открытом транзисторе диод закрыт, и на дросселе линейно нарастает ток. При запирании ключа ток начинает двигаться по цепи: плюсовая клемма – дроссель L1 – диод VD1 – нагрузка – минусовая клемма. Конденсатор C1 в это время будет заряжаться. Он будет поддерживать ток на нагрузке во время своего разряда на неё при следующем открытии ключа.
Инвертирующий преобразователь
Подобная сборка также не имеет гальванической развязки между входным и выходным каскадами. В ней совсем иное включение дросселя, конденсатора и нагрузки. Они расположены параллельно.
Инвертирующий ИС
При открытом ключе VT1 ток протекает по цепи: плюсовая клемма – транзистор – дроссель – минусовая клемма. Дроссель накапливает энергию при содействии магнитного поля. Когда транзистор закрывается, то цепь прохождения тока меняется: дроссель – конденсатор C1 – диод VD1 – дроссель. Энергия дросселя и энергия конденсатора будут полностью отдаваться нагрузке. Амплитуда пульсации целиком зависит от ёмкости C1. В этот момент напряжение на нагрузке не меняется, несмотря на то, что ток через С1 спадает почти до нуля.
Кстати. Выходное напряжение у инвертирующих ИС может отличаться от напряжения источника питания, как в большую, так и в меньшую сторону.
Для дома
Нужно понимать, что для дома даже погрешность релейных моделей в 8-10% является приемлемой и большинство приборов «переваривают» такие отклонения спокойно
У тиристорных точность работы выше, она обычно 3-5%, казалось бы, зачем это в быту? Но наряду с этим они реагирует быстрее, как писали ранее и перегрузки, в моменте, терпят гораздо бОльшие, а это важно при пусковых токах насосов, станков и пр. Ну и дорогая аудио- и видео-техника тяготеет к хорошему питанию
Пример
В качестве примера, рассмотрим стабилизаторы от одного производителя: тиристорные Энергия Classic и Энергия Ultra имеют точность работы 5 и 3% соответственно, а перегрузку терпят в 180%. Представители релейного сегмента Энергия Voltron работают с точностью 5% и способны вытерпеть кратковременную перегрузку в 110%.
Тиристорные трехфазные стабилизаторы
Тиристорные стабилизаторы, на данный момент, выпускают только однофазные, но для сети 380 В приобретается модульный комплект из 3-х однофазных приборов, а если появляется прибор требующий ровно 380 В, то докупается блок контроля сети.
Влияние диода на КПД
Включенный в электрическую цепь диод вызывает на себе падение напряжения от 0,4 до 0,7 В. При токе от нескольких ампер и низком Uвых на элементе происходит потеря мощности, что приводит к снижению КПД. Применяют альтернативный вариант – замену диода на полевой транзистор. Подбирают такой, чтобы в открытом состоянии падение напряжения на нём было минимальным.
Внимание! Можно в схемах вместо диода поставить ещё один ключ, который будет работать в противофазе с основным.
Особенности использования
Импульсные стабилизаторы могут использоваться как драйверы для светодиодов и led-ламп. Кроме того, их применяют в различных устройствах, таких как:
- блоки питания ЖК телеприёмников;
- оборудование навигации;
- источники питания для компьютеров и устройств цифровых систем.
Импульсные стабилизаторы используют для зарядных устройств и преобразования переменного тока в постоянное электричество.
Фильтрация импульсных помех
Сильные помехи, издаваемые импульсным стабилизатором напряжения (ИСН) в моменты коммутации ключа (броски тока и напряжения), необходимо подавлять. Для этого требуется применять фильтры и размещать их на входе и выходе.
Входное сопротивление
У ИСН, работающих под нагрузкой, при увеличении Uвх уменьшается ток на входе (Iвх). Это значит его входное сопротивление отрицательно дифференциальное. При подключении ИСН к источникам, у которых внутреннее сопротивление велико, возможна нестабильная работа.
Использование в сетях переменного тока
Для подключения к источнику переменного тока перед ИСН устанавливают выпрямитель и фильтр. Эта зона, где возникает опасность поражения человека током. Элементы, входящие в эту зону, должны быть закрыты от прикосновения или отмечены маркером (графическое и цветовое предупреждение).
Нужно ли утилизировать светодиодные лампы
Светодиоды, утратившие потребительские свойства, относятся к отходам четвертого класса опасности, то есть они считаются малоопасными. Используемые на производственном этапе материалы могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду и их необходимо отдавать в переработку.
Класс опасности, состав отходов и код по ФККО
Светодиодные светильники являются отходами IV класса опасности. Предприятия, занимающиеся изготовлением светотехники, обязаны проводить их паспортизацию. Об этом подробно расписано в Постановлении Правительства России №712, изданном 16.09.2013.
Дополнительная информация: Согласно Федеральному классификатору коммунальных отходов (ФККО) светодиоды обозначены кодом 4 82 415 01 52 4.
Любой светодиодный светильник многокомпонентный. Он состоит из:
- цокольных элементов;
- алюминиевых корпусных деталей;
- поликарбоната;
- пластика.
Все эти компоненты должны утилизироваться или использоваться во вторичном производстве после переработки. В процессе утилизации или переработки не используются химические вещества. Сортировка проводится без применения индивидуальных средств защиты.
Что говорится в законодательстве, требования Роспотребнадзора
Светодиодные осветительные приборы изготавливаются в России по ГОСТ Р 54815-2011/1ЕС/PAS 62612/2009. Часто люди, пользующиеся в быту такими лампами, выбрасывают их в обыкновенные контейнеры для мусора, что противоречит требованиям Роспотребнадзора.
Перед утилизацией светодиодных светильников конструкция должна быть разобрана на отдельные элементы, рассортирована по материалам. Остальное на себя берут специальные перерабатывающие предприятия.
Административная ответственность для ИП и организаций
Если на отработанные светодиодные осветительные приборы отсутствуют паспорта отходов для изделий четвертого класса опасности, предприятие несёт административную ответственность. Согласно действующей нормативной базе, нарушитель обязан выплатить штрафные санкции в размере до 250 тысяч рублей. Помимо этого, организации могут выдать административное постановление о приостановлении деятельности на срок до трех месяцев.
Преимущества ОС-регулирования
Обратная связь при регулировании напряжения в ИС является важной опцией для импульсных стабилизаторов. Она позволяет поддерживать на выходе устройства напряжение стабильной величины, чутко следя за бросками напряжения и тока. В ИСН применяется широкополосная ОС (чем шире интервал частот, тем меньше уровень пульсации в результате).
Доступность на рынке радиодеталей комплектующих для построения ИСН даёт возможность собрать своими руками любую из схем импульсных стабилизаторов. Использование в них готовых стабилизаторов на интегральных микросхемах (ИМС) и ключей на полевых транзисторах делает устройство максимально компактным.
Комментарии:
Метелкин
Статья хорошая. Нужно дополнить, что импульсный стабилизатор предназначен для слаботочки, т.е. подключить через него телевизор или комп никак не получится, только лампочку или кулер какой-нибудь.
Ромка
Кто знает схему стабилизатора для лампочки-экономки и выгодно ли его собирать самостоятельно? Насколько дешевле/дороже выходит, чем купить новую лампу?
Пашка
Какой конденсатор нужно устанавливать в узел накопления электроэнергии для стабилизатора?
