Как сделать стабилизатор напряжения 220в своими руками: схема + инструктаж по сборке

инверторный стабилизатор для дома 220в своими руками, частота 50 гц

Содержание

• 1 Конструкция стабилизатора инверторного
• 2 Характеристики стабилизатора тока
• 3 Свойства электронного стабилизатора
• 4 Достоинства бытового выпрямителя
• 5 Недостатки стабилизирующего устройства
• 6 Условия работы прибора

Для стабилизации силы тока в электросети используется электронное устройство с тиристорными или симисторными ключами. Современные пользователи отдают предпочтение устройству двойного преобразования инверторного типа. Высокоэффективный электронный инвертор подает электроток стабильного напряжения и определенной частоты с допустимым отклонением на 0,5% от заданных параметров.

Конструкция стабилизатора инверторного

Инверторный стабилизатор содержит набор компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию. В конструкцию прибора входит:

1. Блок питания с конденсаторами C 2 и C 5, компаратором DA 1, тепловым электрическим диодом VD 1, трансформатором T 1.
2. Узел для задержки нагрузки при включении. В его комплектации содержатся резисторы R1-R5, транзисторы VT1-VT3 и конденсатор С1.
3. Выпрямитель для измерения амплитуды колебания силы тока. В конструкцию устройства входит конденсатор С2, диод VD2, стабилитрон VD2 и делитель R14, R13.
4. Компаратор с резисторами R15-R39 и компараторами DA3 и DA2.
5. Логический контроллер DD1.
6. Усилитель с транзистором VT4 и токоограничивающим резистором R40.
7. Светодиод индикаторный HL1-HL9.
8. Оптронные ключи.
9. Автоматический предохранитель QF1.
10. Трансформатор T 2.

Характеристики стабилизатора тока

Бытовой выпрямитель электротока, своими руками который можно собрать в частной мастерской, выравнивает ток при условии подачи тока 130−270 V. Аппарат не реагирует на частоту колебания электричества, поступающего из центральной линии электропередачи. К приспособлению можно подключать электроприборы общей мощностью до 6 кВт.

Электронный выравниватель напряжения в автоматическом режиме переключает нагрузки в течение 10 мсек. Принцип работы устройства заключается в осуществлении двух процессов:

1. Преобразование переменного сетевого тока в потребительский постоянный.
2. Преобразование потребительского постоянного тока в сетевой переменный.

При выполнении первого процесса инверторные стабилизаторы напряжения для дома осуществляют выпрямление и коррекцию коэффициента напряжения. Процессы выравнивания осуществляются в момент входа переменного тока в частотный фильтр стабилизатора. На выходе потребитель получает постоянный ток синусоидальной формы. Положительным фактором выпрямителя является создание тока с высокими коэффициентами мощности и накопление его в конденсаторах.

Инверторный стабилизатор напряжения для дома в конечном результате выдают электрический ток напряжением 220 В с частотой колебания 50 гц. Отличительным свойством инвертора является наличие в конструкции кварцевого генератора, обеспечивающего высокую точность преобразования исходного материала с помощью микроконтроллера. Благодаря двум взаимозаменяемым процессам выравнивания электротока инвертор, или стабилизатор двойного преобразования, имеет более высокие показатели по сравнению с приборами релейного, электромеханического и симисторного типа.

Свойства электронного стабилизатора

Автоматический стабилизатор напряжения с двойным преобразованием обладает высоким потенциалом, эффективность процесса выравнивания тока заключается в отсутствии реле и других подвижных компонентов. Важным элементом конструкции является конденсатор, в задачу которого входит нивелирование перепадов силы входящего тока. Двойной преобразователь не позволяет изменяться выходному электропитанию от перепада в электрической сети.

В процессе сборки стабилизатора напряжения своими руками следует учесть рабочий процесс бытового устройства при входном возбуждении 130 V. Логическая величина фиксируется компенсаторами прибора, открытый транзистор VT 4 включает сигнальный светодиод, свидетельствующий о том, что стабилизатор не выполняет свою задачу из-за отсутствия нагрузки.

Когда сила тока колеблется в пределах 130−150 В, характеристики инверторного стабилизатора напряжения штиль падает, система открывает транзистор VT 5, включает второй сигнальный светодиод, оптосимистор U1.2 и симистор VS2. Рабочая нагрузка передается на обмотку верхнего вывода трансформатора T 2.

Собранный в домашних условиях инверторный стабилизатор штиль способен передавать напряжение 220 В и переключать соединение с обмоткой второго трансформатора при скачке напряжения в сети от 190 до 250 В. Основным элементом инверторного стабилизатора штиль является печатная плата 115×90 мм из стеклотекстолита с односторонним покрытием фольгой.

Достоинства бытового выпрямителя

По конструкции и принципу действия стабилизатор с двойным преобразованием имеет ряд положительных свойств. Бытовой инвертор обладает следующими качествами, влияющими на производительность прибора:

1. Расширенный показатель входного напряжения в пределах 115−300.
2. Стабилизация выходного напряжения до 220 V в случае резкого скачка ток.
3. Низкий порог шума при работе прибора.
4. Компактные габариты корпуса и небольшая масса.
5. Фильтрация высокочастотных помех и выбросов.
6. КПД > 90%.
7. Низкая точность нормализации входного напряжения.
8. Оперативное регулирование силы электротока.
9. Неприхотливость к обслуживанию и условию эксплуатации.

Недостатки стабилизирующего устройства

Наряду с достоинствами, электронный инверторный стабилизатор напряжения штиль обладает существенными недостатками. Среди комплекса отрицательных свойств наиболее важными считается:

1. Высокая стоимость.
2. Снижение диапазона входного напряжения.
3. Чувствительность к перепадам напряжения в сети.

Условия работы прибора

В процессе преобразования тока необходимо защитить прибор от влаги, пыли, перегрева и механических повреждений. Устройство нельзя включать в работу, если в корпусе возникло образование конденсата от перепада температуры окружающей среды, для защиты стабилизатора от короткого замыкания необходимо дождаться полного испарения влаги с внутренних элементов оборудования.

Сделанный выпрямитель тока, изготовленный своими руками в частной мастерской, может эксплуатироваться только в сухих помещениях, где отсутствуют грызуны, насекомые, взрывоопасные и горючие материалы. Для стабилизации частоты колебания тока прибор должен устанавливаться на открытом пространстве, на расстоянии не менее 50 мм от стены, использоваться нулевой или фазный кабель.

Стабилизатор напряжения 220В своими руками

Современная жизнь сопряжена с постоянным использованием различной техники, а некоторые сферы просто немыслимы без нее. Естественно, каждый человек желает, чтобы срок службы таких приборов был максимален, некоторые с этой целью покупают только продукцию известных брендов для большей надежности. Однако не всегда высокая стоимость гарантирует сохранность в критических эксплуатационных условиях. К таковым относятся резкие перепады напряжения сети. Особенно это касается той категории бытовой техники, которая подразумевает постоянное сетевое подключение, например, холодильник.

Для того, чтобы обезопасить себя от неприятных последствий подобных скачков напряжения можно обзавестись специальным техническим устройством, стабилизирующим выходной ток. Для регулировки напряжения используется два метода:

1. Механический. Для этого способа используется линейный стабилизатор, состоящий из 2-х колен и реостата, соединяющего их. Напряжение поступает на первое колено и через реостат передается второму, которое раздает поток далее. Данный метод эффективен в условиях небольшой разницы входного и выходного тока, в других случаях КПД снижается.

2. Импульсный. В конструкцию стабилизатора входит выключатель, периодически разрывающий цепь на определенное время. Это дает возможность подавать ток порционно и накапливать его равномерно в конденсаторе. После полной зарядки конденсатора к приборам подается выровненный поток без скачков.

Основным недостатком данного способа является невозможность задать конкретную величину параметра. Поэтому, если вы решили собрать стабилизатор напряжения 220В своими руками, ориентироваться нужно на механический метод. Для создания простого линейного однофазного выравнивателя тока потребуются:

• Трансформатор;
• Конденсаторы;
• Резисторы;
• Диод;
• Провода, которыми будут соединяться микросхемы.

Трансформатор представляет собой пару катушек, которые образуют индуктивную электромагнитную связь, т.е. попадая на первичную обмотку, ток ее заряжает, а возникающее электромагнитное поле заряжает другую катушку. Такая взаимосвязь напряжения (U), силы тока (I) и числа витков (N) на обеих обмотках выражается формулой:

I2/I1 = N2/N1 = U2/U1

Сами индуктивные катушки можно найти в каждом магазине электротехники. Количество витков на первой не должно быть ниже 2000. Замерив напряжение в сети, можно рассчитать необходимое количество витков на вторичной обмотке. Например, фактическое напряжение 198 В, тогда вторая катушка должна иметь х/2000 = 220/198 = 2223 витка. По такому же принципу определяется вырабатываемая сила тока. По этой схеме при резком увеличении мощности на входе, напряжение пропорционально увеличится и на выходе. Поэтому для регулировки подобных ситуаций необходим реостат, изменяющий сопротивление сети. Путь, по которому следует ток после трансформатора, отмечается на микросхеме-стабилизаторе.

Из трансформатора ток выводится на конденсаторы одинаковой емкости для накопления и выравнивания потока, их потребуется примерно 16 штук. Далее конденсаторы необходимо подсоединить к реостату. Его сопротивление при напряжении 220 В и силе тока 4,75 А (среднее значение диапазона 4,5-5 А) после трансформатора должно быть 46 Ом. Для максимально плавного выравнивания напряжения можно установить несколько реостатов, распределяя сопротивление на каждый поровну. После того, как цепь пройдет реостаты, она снова соединяется в единый поток и следует на диод, который подключается непосредственно к розетке.

Данные операции применимы к проводу с фазой, ноль напрямую пропускается к розетке. Подобные стабилизаторы лучше всего подходят к постоянным условиям напряжения и собираются, руководствуясь параметрами конкретного прибора, что значительно повышает эффективность устройства.

Рекомендуем Вашему вниманию два полезных и интересных видео о том, как сделать стабилизатор напряжения 220В своими руками:

Благодарю за репост, друзья:

Читайте также:

автомобильных генераторов делают отличные электродвигатели; Вот как

Скромный автомобильный генератор скрывает интересный секрет. Известные как часть, которая преобразует энергию внутреннего сгорания в электричество, необходимое для работы всего остального, они также могут сами использоваться в качестве электродвигателя.

Схема простого автомобильного генератора переменного тока из патента США 3329841A, поданного в 1963 году для Robert Bosch GmbH.

Эти устройства почти всегда имеют форму трехфазного генератора переменного тока с магнитным компонентом, питаемым от электромагнита на роторе, и поставляются с блоком выпрямителя и регулятора для преобразования более высокого напряжения переменного тока в 12 В для электрических систем автомобиля. Внутри они имеют три соединения с катушками статора, которые кажутся универсальными в конфигурации треугольника, и пару соединений с набором щеток, питающих катушки ротора через набор токосъемных колец. У них удивительно высокая мощность, а их мощность оценивается в несколько лошадиных сил. Лучше всего то, что они легко доступны, бывшие в употреблении, а также удивительно дешевы, показанный здесь блок Ford Focus был куплен на аукционе eBay и стоил всего 15 фунтов стерлингов (около 20 долларов США).

Мы уже слышим, как вы кричите «Почему?!» на вашем волшебном интернет-устройстве, когда вы читаете это. Давайте перейдем к этому.

Эти люди думают, что создавать собственные электромобили — это весело!

Одним из интересных аспектов наблюдения за тем, как британская серия Hacky Racer превращается из группы друзей, делающих глупые электромобили, в нечто, приближающееся к официальной гоночной серии, является наблюдение за эволюцией искусства создания Hacky Racer. Как немного более грубый кузен серии US Power Racing, он получил некоторую выгоду от наследования их эволюционного опыта, но это не помешало Hacky Racers придумывать собственные разработки автомобилей. Они перешли от старых автомобилей и моторов для гольф-багги к китайским электровелосипедам и моторам для трехколесных велосипедов, и теперь более предприимчивые конструкторы начинают искать движущую силу дальше. Одним из многообещающих источников недорогого двигателя с приличной мощностью является автомобильный генератор переменного тока.

Наш генератор переменного тока Ford Focus

При поиске переоборудования автомобильного генератора выявляется множество страниц, HOWTO и руководств, многие из которых могут быть чрезвычайно запутанными и слишком сложными. В частности, есть предложения, касающиеся трех соединений статора, с советами разбивать отдельные обмотки и применять к ним специальные конфигурации проводки. Основываясь на опыте переоборудования довольно большого количества генераторов, это кажется удивительным, поскольку все различные модели, которые мы переоборудовали, имели одну и ту же готовую к работе конфигурацию треугольника, которая вообще не требовала перемонтажа. Возможно, пришло время представить руководство Hackaday с настоящим генератором переменного тока и разрушить все оставшиеся мифы, пока мы это делаем.

Итак, воодушевленные перспективой дешевого бесколлекторного мотора в пассаже выше, перед вами на скамейке стоит генератор Ford Focus. Как его преобразовать?

Беспричинное уничтожение невинной машины Деталь

Снятие узла регулятора/щетки

На задней части современного генератора обычно находится пластиковая пылезащитная крышка, закрепленная набором болтов. Эти устройства предназначены для ремонта, поэтому (что, возможно, удивительно для современного автомобильного компонента) их, как правило, очень легко демонтировать. Если снять пылезащитную крышку, то можно увидеть регулятор, выпрямители и щетки, иногда объединенные в единый блок, но чаще, как в случае с генератором Focus, где регулятор и щетки представляют собой отдельный узел к выпрямителю.

Часто имеется большое количество силиконового герметика, который необходимо срезать, но любые гайки или болты, крепящие регулятор, должны иметь возможность откручиваться, и осторожно, чтобы не повредить сами щетки, его можно снять за один раз. кусок. Затем блок выпрямителя можно снять, процесс, при котором иногда проще атаковать его бокорезами, чем пытаться удалить его целиком.

Задняя панель генератора переменного тока со снятыми регулятором и выпрямителем, показывающая соединения обмотки статора.

Вы должны быть в состоянии идентифицировать три пучка толстых эмалированных медных проводов, идущих от катушек статора, и отсоединить от них перемычки выпрямителя. В некоторых генераторах они припаяны, а в некоторых особенно раздражающих конструкциях — приварены точечной сваркой. В конце процесса разборки у вас должен быть оголенный генератор с тремя торчащими комплектами проводов статора и оголенный вал с двумя токосъемными кольцами, все, что осталось от блока выпрямителя и блока регулятора/щеток.

Следующим шагом является снятие схемы регулятора с сохранением формы узла регулятор/щетка, а также размещение и сохранение соединений щеток в месте их соединения с регулятором. И снова потребуется обильное количество силиконового герметика, который нужно будет удалить, но в конечном итоге регулятор должен быть оголен. Обычно это некоторая форма гибридной схемы на керамической или металлической подложке с соединениями, выходящими из формованного пластика, окружающего их, припаянными к контактным площадкам на их краях. Относительно просто определить пару разъемов для щеток, аккуратно отпаять их и вытолкнуть схему регулятора.

Открытая цепь регулятора с контактами токосъемного кольца вверху справа.

Контакты токосъемных колец закреплены на своих проводах.

Готовый мотор.

Наконец, у вас должен быть голый генератор, щеточный блок с отсутствующей схемой регулятора и пластиковый пылезащитный чехол. Просто припаяйте три провода подходящего большого сечения к трем наборам проводов статора и покройте их термоусадкой, припаяйте пару более тонких проводов к соединениям щеток и снова соберите щеточный блок к генератору. Возможно, вам придется наложить какой-либо фиксатор на провода, ведущие к щеткам. Блок выпрямителя не требует повторной сборки, поэтому на некоторых моделях вам может потребоваться изготовить прокладку, чтобы заменить ее, поддерживающую одну сторону блока щеток.

В пылезащитной крышке можно сделать отверстия для различных проводов, и в пылезащитную крышку можно продеть все провода. На этом этапе вы переоборудовали свой генератор переменного тока, и все, что осталось, — это чем-то управлять им. К счастью, это удивительно простой процесс с готовыми деталями.

Управление новым двигателем

Двигатель и контроллер на верстаке.

Так называемый бесщеточный двигатель постоянного тока — это просто двигатель переменного тока с электронным блоком, который для его работы превращает источник постоянного тока в источник переменного тока. Они имеют преимущество перед щеточными двигателями постоянного тока в надежности, эффективности и простоте управления скоростью, но за счет большей сложности.

Хорошая новость для тех, кто переделывает автомобильные генераторы переменного тока в электродвигатели, заключается в том, что за небольшие деньги можно приобрести целый ряд бесщеточных контроллеров двигателей в виде электронных регуляторов скорости (ESC), предназначенных для китайских электрических велосипедов и трехколесных велосипедов. . Они питаются от батареи постоянного тока и производят трехфазный переменный ток, подходящий для привода двигателя, соединенного треугольником, и они хорошо работают с преобразованными генераторами переменного тока.

ESC имеют два режима: один для двигателей с датчиками обратной связи на эффекте Холла, а другой для двигателей без генератора переменного тока. Обычно для этого необходимо установить проводную связь, см. инструкции для вашего контроллера. Мы обнаружили, что генератор переменного тока хорошо работает как двигатель от источника питания 36 В или 48 В, и пока используется контроллер с достаточной мощностью, они работают надежно. Быстрый поиск на AliExpress по запросу «бесщеточный контроллер двигателя 1500 Вт» дает множество вариантов.

При наличии контроллера есть еще одно требование, чтобы наш генератор переменного тока стал двигателем: он должен иметь источник постоянного тока на обмотке ротора. Через него должно протекать около 2 или 3 А, для чего модуль блока питания с ограничением по току превосходно выполняет эту задачу. Необходимость использовать эту мощность делает двигатель немного менее эффективным, чем двигатель с постоянными магнитами, но стоимость старого генератора трудно превзойти.

Мотору, изображенному на наших фотографиях, суждено стать одним из пары двигателей, обеспечивающих тягу новой машины для участия в гонках этого года. Личный опыт работы с SMIDSY, роботом Robot Wars, заставил меня дать им принудительное воздушное охлаждение, но, в отличие от электрических трехколесных двигателей, они, кажется, хорошо справляются с перегревом. Двигатель генератора переменного тока может не быть универсальным решением для любых ваших потребностей в небольшой тяге, но даже в этом случае стоит знать, что это вариант без неожиданных ритуалов подключения. Если вы конвертируете один для проекта, обязательно напишите об этом и отправьте его в нашу линию советов!

Как правильно выбрать регулятор(ы) напряжения для вашей конструкции

В этой статье показано, как выбрать наилучший тип регулятора напряжения для вашего конкретного электронного продукта.

Вероятно, более чем для 90% продуктов требуется какой-либо регулятор напряжения, что делает их одним из наиболее часто используемых электрических компонентов.

Если вы не можете работать напрямую от аккумулятора или от внешнего адаптера переменного/постоянного тока, вам потребуется регулятор напряжения. Скорее всего, потребуется несколько регуляторов напряжения.

Эта статья поможет вам правильно выбрать стабилизатор(ы) напряжения для вашей конструкции. Мы рассмотрим все, от определения типа регулятора напряжения, который вам нужен, до выбора того, который соответствует вашим конкретным требованиям.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

Содержание

Выбор типа стабилизатора, который необходимо использовать

Первый шаг в выборе правильного регулятора напряжения — определить входное напряжение, выходное напряжение и максимальный ток нагрузки.

Несмотря на то, что существует множество других спецификаций, эти три помогут вам начать работу и сузить круг выбора нужного вам типа регулятора.

Регуляторы напряжения можно разделить на две большие категории:

• Понижающие : Выходное напряжение ниже входного
• Повышение : Выходное напряжение больше, чем входное напряжение

Знание ваших входных и выходных напряжений поможет вам легко решить, к какой группе относится ваш регулятор.

Регуляторы напряжения, для которых выходное напряжение меньше входного, являются наиболее распространенным типом регуляторов напряжения. Например, вы вводите 5 В, а на выходе 3,3 В, или вы вводите 12 В, а на выходе 5 В.

Необходимо рассмотреть два типа регуляторов:

• Линейные регуляторы : простые, дешевые и бесшумный, но может иметь низкую энергоэффективность. Линейные регуляторы способны только понижать напряжение.
• Импульсные регуляторы : Высокая энергоэффективность, но более сложная и дорогая, и больше шума на выходе. Импульсные стабилизаторы могут использоваться как для понижения, так и для повышения напряжения.

Если вам требуется выходное напряжение, которое меньше входного напряжения, начните с выбора линейного стабилизатора, а не импульсного стабилизатора.

Рисунок 1. Линейный регулятор использует транзистор и контур управления с обратной связью для регулирования выходного напряжения. Линейный регулятор может только производить выходное напряжение ниже, чем входное напряжение.

Линейные стабилизаторы намного дешевле и проще в использовании, чем импульсные регуляторы, поэтому обычно они должны быть вашим первым выбором.

Единственный случай, когда вы не хотите использовать линейный регулятор, это если рассеиваемая мощность слишком велика или вам нужно повысить напряжение.

Определение рассеиваемой мощности

Несмотря на то, что линейные регуляторы дешевы и просты в использовании, их основным недостатком является то, что они могут тратить много энергии впустую. Это может привести к чрезмерному разряду батареи, перегреву или повреждению устройства.

Если у вас есть аккумуляторный продукт, в котором энергия расходуется в виде тепла, батарея будет разряжаться быстрее. Если это не аккумуляторный продукт, но он по-прежнему выделяет значительное количество тепла, это все равно может вызвать другие проблемы с вашей конструкцией.

Фактически, при определенных условиях линейный регулятор может выделять столько тепла, что фактически разрушает сам себя. Очевидно, это не то, чем вы хотите заниматься.

При использовании линейного стабилизатора начните с определения того, какая мощность будет рассеиваться регулятором.

Для линейных регуляторов используйте уравнение:

Мощность = (входное напряжение – выходное напряжение) x ток          (уравнение 1)

Можно предположить, что выходной ток (также называемый током нагрузки) примерно одинаков как входной ток для линейных регуляторов.

На самом деле входной ток равен сумме выходного тока и тока покоя, потребляемого линейным регулятором для выполнения функции регулирования.

Однако для большинства стабилизаторов ток покоя чрезвычайно мал по сравнению с током нагрузки, поэтому достаточно предположить, что выходной ток равен входному току.

Как видно из уравнения 1, если у вас большой перепад напряжения (Vin – Vout) на стабилизаторе и/или высокий ток нагрузки, то ваш стабилизатор будет рассеивать большое количество энергии.

Например, если на входе 12 В, а на выходе 3,3 В, разность напряжений будет рассчитываться как 12 В – 3,3 В = 8,7 В.

Если ток нагрузки 1 А, это означает, что регулятор должен рассеивать 8,7 Вт мощности. Это огромное количество энергии, которое тратится впустую, и это больше, чем может выдержать любой линейный регулятор.

Если, с другой стороны, у вас высокая разность напряжений, но ток нагрузки составляет всего несколько миллиампер, то мощность будет небольшой.

Например, в приведенном выше случае, если вы теперь используете только 100 мА тока нагрузки, тогда рассеиваемая мощность падает до 0,87 Вт, что намного удобнее для большинства линейных регуляторов.

При выборе линейного стабилизатора недостаточно просто убедиться, что входное напряжение, выходное напряжение и ток нагрузки соответствуют спецификациям регулятора.

Например, у вас есть линейный стабилизатор, рассчитанный на 15 В и ток 1 А. Вы думаете: «Хорошо, если это так, я могу подать 12 В на вход, получить 3,3 В на выходе и запустить его на 1 А, верно?»

Неправильно! Вы должны убедиться, что линейный регулятор может справиться даже с такой мощностью. Способ сделать это состоит в том, чтобы определить, насколько регулятор будет нагреваться в зависимости от мощности, которую он должен рассеять.

Для этого сначала рассчитайте, сколько мощности будет рассеивать линейный регулятор, используя уравнение 1 выше.

Во-вторых, посмотрите в таблице данных регулятора в разделе «Тепловые характеристики» параметр под названием «Theta-JA», выраженный в единицах °C/Вт (°C на ватт).

Theta-JA показывает, на сколько градусов чип нагреется выше температуры окружающего воздуха, на каждый ватт мощности, который он должен рассеять.

Просто умножьте расчетную рассеиваемую мощность на Theta-JA, и это покажет вам, насколько линейный регулятор будет нагреваться при такой мощности:

Мощность x Theta-JA = температура выше температуры окружающей среды          (уравнение 2)

Допустим, ваш регулятор имеет спецификацию Theta-JA 50°C на ватт. Это означает, что если ваш продукт рассеивает:

• 1 Вт, он нагреется на 50°C.
• 2 Вт нагреется до 100°C.
• ½ ватта нагреется до 25°C.

Важно отметить, что температура, рассчитанная выше, представляет собой разницу температур выше температуры окружающего воздуха.

Допустим, вы подсчитали, что при ваших условиях питания регулятор будет рассеивать 2 Вт мощности. Вы умножаете это на Theta-JA и определяете, что он нагреется до 100°C.

Здесь важно не забыть добавить температуру окружающего воздуха. Комнатная температура обычно составляет 25°C. Следовательно, вы должны добавить 25°C к 100°C. Теперь у вас до 125°C.

125°C — это максимальная температура, на которую рассчитано большинство электронных компонентов, поэтому никогда не следует намеренно превышать 125°C.

Как правило, вы не повредите свой продукт, пока не достигнете температуры от 170°C до 200°C. К счастью, большинство регуляторов также имеют функцию отключения при перегреве, которая срабатывает при температуре около 150°C, поэтому они просто отключаются, прежде чем причинят какой-либо ущерб.

Однако некоторые регуляторы не имеют защиты от перегрева, поэтому вы можете повредить их, если они будут рассеивать слишком много энергии.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

В любом случае, вы не хотите проектировать свой продукт таким образом, чтобы он постоянно перегревался и должен был выключаться для охлаждения.

Следует также учитывать, что температура воздуха не всегда может быть 25°C.

Допустим, ваш регулятор по-прежнему нагревается до 100°C под нагрузкой, но теперь температура окружающей среды составляет 50°C (например, в закрытом автомобиле в жаркий летний день).

Теперь у вас есть 50°C плюс 100°C и до 150°C под нагрузкой. Вы превысили указанную максимальную температуру и находитесь на грани срабатывания теплового отключения.

Очевидно, этого следует избегать. Эксплуатация регулятора, при котором он регулярно превышает указанную температуру 125°C, может не привести к немедленному повреждению, но может сократить срок службы компонента.

Регуляторы с малым падением напряжения (LDO)

В некоторых случаях линейные регуляторы могут быть очень эффективными, потребляя очень мало энергии. Это происходит, когда они работают с очень низким перепадом входного напряжения и выходного напряжения.

Например, если Vin – Vout составляет всего 300 мВ, то даже при токе нагрузки 3 А рассеиваемая мощность составляет всего 0,9 Вт, что достаточно мало для большинства регуляторов.

Минимальный дифференциал Vin-Vout, с которым может работать линейный регулятор, называется падением напряжения. Если разница между Vin и Vout падает ниже напряжения отключения, то регулятор находится в режиме отключения.

Регулятор в режиме отключения выглядит просто как небольшой резистор от входа до выхода. Это означает, что выход, по сути, просто отслеживает входное питание, и на самом деле никакое регулирование не выполняется.

В большинстве случаев вы хотите избежать работы линейного регулятора в режиме отключения. Ни в коем случае это ничего не повредит, но вы потеряете многие преимущества наличия регулятора.

Например, если на вашем входном источнике есть много шума сигнала, он обычно отфильтровывается линейным регулятором. Однако эта фильтрация не будет выполняться в режиме отключения, поэтому весь шум входного питания напрямую передается выходному напряжению.

Причина, по которой стабилизаторы с малым падением напряжения так полезны, заключается в том, что они позволяют управлять регулятором с очень небольшой рассеиваемой мощностью. Это связано с тем, что линейный регулятор наиболее эффективен, когда разница между Vin и Vout мала.

Многие старые линейные стабилизаторы имели очень высокое падение напряжения. Например, популярная серия стабилизаторов 7800 имеет спецификацию падения напряжения 2 В. Это означает, что входное напряжение должно быть как минимум на 2 В выше, чем выходное напряжение.

Рисунок 2. Старые 3-выводные линейные стабилизаторы требуют большего перепада напряжения Vin-Vout и, следовательно, потребляют больше энергии, чем более новые стабилизаторы LDO.

Несмотря на то, что 2 В не очень много, если вы пропускаете 1 ампер тока через этот регулятор и у вас есть разница в 2 В, то 2 ватта мощности тратятся впустую.

Более новые стабилизаторы LDO могут иметь очень низкое падение напряжения менее 200 мВ при полной нагрузке.

LDO, работающий с перепадом напряжения всего 200 мВ, может пропускать в 10 раз больший ток при той же рассеиваемой мощности, что и линейный регулятор, работающий с перепадом напряжения 2 В. Таким образом, 1 ампер тока с дифференциалом Vin-Vout 200 мВ соответствует рассеиваемой мощности всего 0,2 Вт.

Краткий обзор линейных регуляторов

Линейные регуляторы полезны, если:

• Разница между входным и выходным напряжением мала
• У вас низкий ток нагрузки
• Вам требуется очень чистое выходное напряжение
• Дизайн должен быть как можно более простым и дешевым

Как мы обсудим далее, импульсные стабилизаторы производят много шума на выходе и могут создавать неряшливое выходное напряжение.

Это может быть приемлемо для некоторых приложений, но во многих случаях требуется очень чистое напряжение питания. Например, при формировании напряжения питания для аналого-цифрового преобразователя или какой-либо звуковой схемы.

Таким образом, линейные стабилизаторы не только проще в использовании, но и обеспечивают гораздо более чистое выходное напряжение по сравнению с импульсными стабилизаторами, без пульсаций, пиков или шума любого типа.

Таким образом, если рассеиваемая мощность не слишком велика или вам не требуется повышающий регулятор, линейный регулятор будет лучшим вариантом.

Импульсные регуляторы

Импульсные регуляторы гораздо сложнее понять, чем линейные регуляторы. Линейный регулятор основан на силовом транзисторе, который управляет величиной тока, подаваемого на выход.

Если система управления линейного регулятора определяет, что выходное напряжение ниже, чем должно быть, то от входа к выходу может течь больший ток. И наоборот, если обнаружено, что выходное напряжение выше, чем должно быть, регулятор позволит меньшему току течь от входа к выходу, тем самым снижая выходное напряжение.

С другой стороны, импульсные стабилизаторы используют катушки индуктивности и конденсаторы для временного накопления энергии перед передачей ее на выход.

В этом уроке я разрабатываю печатную плату с использованием простого линейного стабилизатора, а в этом более подробном курсе я разрабатываю пользовательскую плату с использованием более сложного импульсного стабилизатора.

Существует два основных типа импульсных регуляторов: повышающий и понижающий.

Понижающий импульсный стабилизатор также называется понижающим стабилизатором, и, как и линейный стабилизатор, выходное напряжение ниже входного.

Рисунок 3. В импульсном понижающем регуляторе используется индуктор в качестве элемента временного накопления энергии для эффективного создания выходного напряжения ниже входного.

Если вы изначально планировали использовать линейный регулятор (понижающий), но определили, что рассеиваемая мощность слишком велика, тогда вам следует использовать понижающий импульсный регулятор.

В то время как повышающий импульсный стабилизатор создает выходное напряжение выше входного и называется повышающим стабилизатором.

Импульсные регуляторы очень эффективны даже при очень больших перепадах между входом и выходом.

Эффективность равна выходной мощности, деленной на входную мощность. Это отношение того, сколько мощности от входа переходит к выходу.

КПД = Pвых / Вывод = (Vвых x Iвых) / (Vin x Iвх)          (Уравнение 3)

Уравнение эффективности такое же, как и для линейного регулятора. Однако, поскольку выходной ток равен входному току для линейного регулятора, уравнение 3 упрощается до простого:

Эффективность (линейный регулятор) = Vout / Vin на входе 24 В, а на выходе 3 В при токе нагрузки 1 А. Если бы это был линейный регулятор, он работал бы с чрезвычайно низкой эффективностью, и почти вся мощность рассеивалась бы в виде тепла.

Эффективность линейного регулятора будет только 3 В / 24 В = 12,5%. Это означает, что только 12,5% мощности от входа доходит до выхода. Остальные 87,5% передаваемой мощности теряются в виде тепла!

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

С другой стороны, импульсные стабилизаторы обычно имеют КПД 90 % или выше независимо от разницы между входным и выходным напряжениями. Для импульсного регулятора около 9На выходе передается 0% мощности и только 10% тратится впустую.

Только когда Vin и Vout близки друг к другу, эффективность линейного регулятора можно сравнить с импульсным регулятором.

Например, если входное напряжение 3,6 В (напряжение литий-полимерной батареи), а выходное 3,3 В, то линейный стабилизатор будет иметь энергоэффективность 3,3 В / 3,6 В = 91,7%.

Повышающие регуляторы напряжения

В большинстве случаев выходное напряжение будет ниже входного. В этом случае следует использовать линейный стабилизатор или понижающий импульсный регулятор, как обсуждалось выше.

Однако есть и другие случаи, когда вам может потребоваться более высокое выходное напряжение, чем входное. Например, если у вас есть батарея на 3,6 В, а вам нужен источник питания на 5 В.

Рисунок 4. Импульсный импульсный стабилизатор использует катушку индуктивности в качестве временного накопительного элемента для эффективного создания выходного напряжения, превышающего входное напряжение.

Многие новички в электронике с удивлением узнают, что можно получить более высокое напряжение из более низкого напряжения. Для выполнения этой функции необходим импульсный регулятор, называемый повышающим регулятором.

В отличие от линейных стабилизаторов, выходной ток импульсного стабилизатора не равен входному току. Вместо этого вы должны смотреть на входную мощность, выходную мощность и эффективность.

Рассчитаем входной ток для повышающего регулятора. Предположим, что входное напряжение равно 3 В, выходное напряжение равно 5 В, выходной ток равен 1 А, а энергоэффективность составляет 90 % (как указано в техническом описании).

Чтобы понять это, нам нужно использовать немного базовой алгебры в уравнении 3, чтобы найти входную мощность:

Pin = Pout / Efficiency          (уравнение 5)

Мы знаем, что эффективность составляет 90 % (или 0,90), и мы знаем, что выходная мощность составляет 5 В x 1 A = 5 Вт. Мы можем рассчитать, что входная мощность составляет 5 Вт / 0,9 = 5,56 Вт.

Поскольку входная мощность составляет 5,56 Вт, а выходная мощность составляет 5 Вт, это означает, что регулятор рассеивает только 0,56 Вт.

Далее, поскольку мы знаем, что мощность равна произведению напряжения на ток, это означает, что входной ток равен:

Входной ток = 5,56 Вт / Vin = 5,56 Вт / 3 В = 1,85 А          (уравнение 6)

Для повышающего стабилизатора входной ток всегда будет выше, чем выходной ток. С другой стороны, входной ток понижающего стабилизатора всегда будет меньше выходного тока.

Понижающе-повышающие регуляторы

Предположим, вы питаете свой продукт от двух последовательно соединенных батареек типа АА. При полной зарядке две батареи AA могут выдавать около 3,2 В, но когда они близки к разрядке, они выдают только 2,4 В.

В этом случае ваше напряжение питания может варьироваться от 2,4 В до 3,2 В.

Теперь предположим, что вам нужно выходное напряжение ровно 3 В независимо от состояния батарей. Когда аккумуляторы полностью заряжены (выход 3,2 В), необходимо понизить напряжение аккумуляторов с 3,2 В до 3 В.

Однако, когда аккумуляторы близки к разрядке (выход 2,4 В), необходимо для повышения напряжения батареи с 2,4 В до 3 В.

В этом сценарии вы должны использовать так называемый повышающе-понижающий импульсный стабилизатор, который представляет собой просто комбинацию повышающего и понижающего регуляторов.

Для решения этой проблемы потенциально можно использовать отдельный понижающий регулятор, за которым следует повышающий регулятор (или наоборот). Но обычно лучше использовать один повышающе-понижающий регулятор.

Импульсный регулятор + линейные регуляторы

Помните о трех преимуществах линейных регуляторов: дешевизна, простота и чистое выходное напряжение.

Может быть много случаев, когда вы хотите использовать линейный стабилизатор, потому что вам нужно чистое выходное напряжение, но вы не можете, потому что они тратят слишком много энергии.

В этой ситуации вы можете использовать импульсный регулятор, а затем линейный регулятор.

Допустим, у вас есть входное напряжение от литий-полимерной батареи, равное 3,6 В, но вам нужен чистый источник питания 5 В.

Для этого вы должны использовать повышающий стабилизатор, чтобы повысить напряжение до значения, чуть превышающего целевое выходное напряжение. Например, вы можете использовать повышающий стабилизатор для повышения напряжения с 3,6 В до 5,5 В.

Затем вы используете линейный регулятор, который принимает 5,5 В и понижает его до 5 В, а также устраняет шумы и помехи. пульсации для получения чистого сигнала.

Это очень распространенный метод получения эффективности импульсного стабилизатора и бесшумного выходного напряжения линейного стабилизатора.

Если вы выбрали этот вариант и хотите специально отфильтровать помехи переключения, обязательно обратите внимание на коэффициент ослабления питания (PSRR) линейного регулятора.

PSSR заданного линейного регулятора зависит от частоты. Поэтому PSSR обычно представляют в виде графика, показывающего, как линейный регулятор подавляет любые пульсации на входе на различных частотах.

Рис. 5. Коэффициент ослабления источника питания (PSRR) в зависимости от частоты для TPS799 от Texas Instruments.

Чтобы использовать этот график, посмотрите на частоту переключения вашего импульсного стабилизатора (или любого другого источника шума в вашей цепи). Затем посмотрите на PSSR линейного регулятора на этой конкретной частоте.

Затем можно рассчитать, какая часть шума импульсного регулятора будет удалена линейным регулятором.

Резюме

Чтобы выбрать стабилизатор напряжения для вашей системы, начните с предположения, что линейный стабилизатор можно использовать, если входное напряжение выше выходного.

Только если при этом расходуется слишком много энергии, используйте импульсный понижающий регулятор.

Если вам нужно, чтобы выходное напряжение было выше входного, используйте повышающий импульсный регулятор.

Если у вас есть ситуация, когда входное напряжение может быть выше или ниже выходного напряжения, то вам нужен импульсный стабилизатор.