Особенности работы и схема стабилизатора напряжения

[toc]Электронные устройства, как самодельного, так и заводского производства, предъявляют высокие требования к качеству электроснабжения.

Добиться приемлемых параметров радиолюбителю поможет схема стабилизатора напряжения.  Далее рассмотрим несколько ее вариантов для разных условий.

Устройство и принцип действия

Функция стабилизатора — привести в норму параметры протекающего через него электрического тока. Прежде всего, это относится к напряжению, но некоторые модели корректируют и частоту переменного тока. Как бы ни отклонялись параметры на входе устройства, на выходе они стабильно поддерживаются в узком диапазоне.

Принцип работы стабилизаторов

Существует множество разновидностей аппаратов этого типа. Все они делятся на две большие группы:

1. постоянного тока;
2. переменного тока.

Стабилизаторы постоянного тока

К этой группе относится несколько видов приборов:

1. Линейный: поддерживает на выходе постоянное напряжение путем подстройки сопротивления. Работает только в сторону понижения. Недостатки: падает КПД из-за потерь энергии на резисторе, а поскольку он выделяет тепло, возникает необходимость его установки на радиатор.
2. Параметрический со стабилитроном (параллельный): подключается параллельно нагрузке. В нем применен газоразрядный или полупроводниковый стабилитрон. Последний пропускает через себя токи, в 3 – 10 раз превышающие ток нагрузки, потому данный стабилизатор применяется только в слаботочных схемах.
3. Компенсационный на операционном усилителе: сравнивает выходное напряжение с эталонным. Разность увеличивается и подается на управляющий транзистор (обратная связь).
4. Импульсный (накопительный): аккумулирует поступающий неравномерный ток в катушке индуктивности или конденсаторе, затем выдает его на нагрузку с уже стабильными параметрами.
5. С биполярным транзистором (последовательный). Представляет собой параметрический прибор на стабилитроне, дополненный биполярным транзистором, увеличивающим ток с постоянным коэффициентом.

Выходное напряжение определяется по формуле:

Uвых = Uст – Ube, где

• Uст — напряжение, которое поддерживает стабилитрон. Практически не зависимо от протекающего через него тока;
• Ube — разность выходного напряжения и стабилизируемого стабилитроном. Протекающий через p-n переход ток на этот параметр не влияет, в отличие от материала полупроводника: кремний — Ube = 0.6 В, германий — Ube = 0.25 В.

Стабилизаторы переменного напряжения

Существует четыре разновидности:

1. Электромеханические: по вторичной катушке перемещается контакт, задействующий разное число витков. Оснащен плавной регулировкой, что обеспечивает высокую точность стабилизации (1%). Прибор отличается низкой скоростью срабатывания. По этой причине он применяется лишь при суточных или сезонных отклонениях напряжения.
2. Релейные: вторичная катушка имеет несколько выводов, разделяющих ее на секции. Посредством реле задействуется разное число секций. Скорость срабатывания высокая, но из-за ступенчатой регулировки точность составляет всего 6-7%.
3. Электронные: по устройству схожи с релейными, только переключателями вместо реле выступают тиристоры или симисторы. Это позволяет разбить вторичную катушку на большее число секций, потому точность выше: 3%. Но и стоят электронные стабилизаторы дороже прочих.
4. Инверторные: поступающий ток подвергается цифровой обработке микроконтроллером, способным корректировать с высочайшей точностью все параметры, в том числе и частоту. Самая дорогая разновидность стабилизаторов.

Три первых типа – с трансформатором, последний – без него.

Схема моделей с напряжением 5, 12 и 220 В

Изготовить стабилизатор можно самостоятельно. Вот несколько схем.

5 вольт

Применяют несколько разновидностей. Рассмотрим две наиболее популярные.

Наиболее простой и недорогой вариант. Изготовление печатной платы не понадобится — сборка осуществляется навесным монтажом.

Вот что потребуется:

• микросхема L7805 либо аналогичная;
• источник питания: зарядник от планшета, ноутбука, телефона либо батарейка крона на 9 В;
• два конденсатора емкостью 0,33 и 0,1 мкФ (для микросхемы L7805);
• радиатор.

Характеристики микросхемы L7805:

• наибольший ток: 1,5 А;
• напряжение на входе: 7 – 36 в;
• напряжение на выходе: 5 В.

Задача конденсаторов — сглаживание пульсаций.

Понижая напряжение, микросхема L7805 выделяет тепло в следующем количестве:

Q = (Uвх — Uвых) х Iнагр, где

• Uвх — напряжение на входе;
• Uвых — выходное напряжение (5 В);
• Iнагр — ток нагрузки.

То есть при использовании источника на 12 В и запитывании от стабилизатора схемы, потребляющей ток в 0,1 А, тепловыделение составит:

Q = (12 — 5) х 0,1 = 0,7 Вт.

Из-за этого необходимо микросхему L7805 прикрепить к радиатору.

Еще один недостаток — в отсутствии возможности регулирования выходного напряжения.

Импульсный стабилизатор:

Используются такие радиодетали:

• микросхема LM2576S-5.0;
• два конденсатора емкостью 1000 и 100 мкФ;
• диод 1N5822;
• Дроссель из катушек на 100 мкГенри.

Характеристики микросхемы LM2576S-5.0:

• наибольший ток: 3 А;
• напряжение на входе: 7 – 37 В;
• напряжение на выходе: 5 В.

12 вольт

Такие стабилизаторы часто применяют автомобилисты с целью исключить мигание светодиодов в фарах или подсветке. Они же препятствуют преждевременной выработке ресурса светодиодов из-за повышенного напряжения, ведь зачастую бортовая электрика генерирует 13 В вместо положенных 12-ти.

Используются радиодетали:

• микросхема L7812;
• пара конденсаторов на 16 В: емкость — 100 и 330 мкФ;
• диод 1N4001 или любой другой выпрямительный на ток в 1 А (можно диод Шоттки);
• провода;
• трубка термоусадочная на 3 мм.

Элементы нужно подключить согласно схеме:

220 вольт

Этот вариант предназначен для подключения к сети переменного тока с напряжением 220 В. Выходное напряжение — 5В. Ток нагрузки может достигать 20 А.

В основу работы стабилизатора положен принцип обратной связи: разностный усилитель, сравнивая выходное напряжение с эталонным (формируется специальным источником), подает соответствующий сигнал регулирующему элементу.

Эталон запитан входным напряжением стабилизатора 15 В. Он состоит из таких компонентов:

• ограничители тока VD1 и VD2 — диодные;
• резисторы R3, R11, RP1;
• стабилитрон VD3.

Источник эталонного напряжения связан с перемещающимся контактом переменного резистора. Потенциал последнего направляется на вход разностного усилителя — им служит база VT4.

Дифференциальный усилитель запитан входным напряжением стабилизатора 15 В. В его состав включены:

• резисторы R1, R2, R12;
• транзисторы VT4и VT5.

Сигналы с выхода стабилизатора подаются на второй вход разностного (дифференциального) усилителя — базу VT5. Коллектор VT5 играет роль выхода.

Режим транзистора VT1 задается резистором R2. Под управлением VT1 находятся транзисторы VT2 и VT3.

Выходное напряжение управляется потенциалом на базе VT1 и коллекторе VT5.

Усилитель воспринимает разность потенциалов между эталоном и выходом стабилизатора, повышает ее и суммирует с потенциалом на базе VT1. Этот транзистор нужен для более четкого управления мощными транзисторами VT2 b VT3. Вдобавок он снижает нагрузку на выход усиливающего элемента.

С целью равномерного распределения токов в транзисторах VT2 и VT3 последовательно с их эмиттерами, включены резисторы R5 – R10. Необходимость этого обусловлена различиями в параметрах транзисторов. Попутно резисторы R5 – R10 придают стабилизатору некоторую устойчивость к перегрузкам.

Конденсатор C2 частично гасит шумы на выходе стабилизатора.

Для сборки стабилизатора потребуются элементы:

Характеристики элементов:

• тип конденсаторов C1 и C2: неэлектролитические;
• мощность резисторов R1 – R4, R11, R12: между 0,25 и 1 Вт;
• мощность резисторов R5 – R10: при токе до 5 А — 1 Вт, при токе в 10 А — 2 Вт.

Устройство моделей с регулятором

Аппараты с регулируемым Uвых. разнятся от обычных наличием следующих компонентов:

• конденсатор емкостью 1-10 мкФ для сглаживания пульсаций (C3);
• диод D2: обеспечивает разрядку конденсатора C3 при отключении питания;
• резисторы R1 и R2: задают выходное напряжение.

Прибор стремится поддерживать опорное напряжение Vref в паре выход — вывод подстройки. Оно не изменяется, следовательно, на протекающий через делитель R1 и R2 ток влияет только номинал R2.

Vref имеет значение от 1,2 до 1,3 В.

U вых. определяется как сумма Vref и падения напряжения на R1. Соответственно, с увеличением второй составляющей (падения напряжения на R1) — вырастает и напряжение на выходе.

Номинал R2 допускается принимать из диапазона 100 – 1000 Ом, оптимальное значение — 240 Ом.

Самостоятельно изготовить стабилизатор напряжения сможет даже начинающий радиолюбитель. Необходимо только точно придерживаться инструкций и проверить готовое изделие перед тем, как подключить к нему прибор. Поскольку последний, в случае ошибки может быть выведен из строя.