Стабилизаторы напряжения – электротехнические устройства, применяющиеся для улучшения качества электрического питания приборов, у которых от этого параметра зависит стабильность работы. В большей степени это относится к автоматическим системам управления на микроконтроллерах – компьютерам, сетевым устройствам и системам видеонаблюдения. А также бытовой технике, схема которой построена на полупроводниковых приборах малой мощности. К ней относятся не только телевизоры, но также датчики температуры, влажности, движения и осветительные LED приборы. Они различаются по типу питающего напряжения. Бывают приборы постоянного и переменного тока. Сегодня мы рассмотрим стабилизаторы, которые подключаются к бытовой однофазной сети 220 вольт 50 Гц.
Проблемы с переменным током
Токи переменного направления получили большее распространение, поскольку при их передаче теряется меньшее количество электрической энергии. Однако добиться того, чтобы уровень напряжения оставался стабильным на всем протяжении ЛЭП, довольно сложная задача. На него влияет множество факторов, основной из которых – количество подключенных электроустановок и потребляемая ими мощность. Если их немного и выполняемая ими работа равномерная, то и «поток» электронов в проводах будет равномерен. Если же, например, в небольшом селе, один хозяин включает циркулярную пилу, другой электрическую печь, а третий лишь телевизор, то напряжение в сети начинает «скакать». Это может вызвать выход из строя чувствительной к качеству питания техники. Чтобы такого казуса не произошло, используют стабилизаторы. Их можно ставить как для всего дома, так и для отдельного прибора. Например, телевизора.
Сложность удержания напряжения в заданных пределах заключается в том, что у переменного тока его величина меняется от нуля до максимума 100 раз за одну секунду, а скорость распространения равна скорости света – такова его волновая природа. Чтобы успеть среагировать на возмущение, требуется сущность той же природы. Например, электромагнитная индукция – феномен возникновения магнитного поля при прохождении тока через катушку с железным сердечником. Все стабилизаторы напряжения переменного тока используют этот принцип в своей работе.
Приборы, работающие на принципе электромагнитной индукции
Это очень широкое семейство электротехнических устройств, конструкция которых различается в деталях, но все они используют феномен электромагнитной индукции.
Феррорезонансные
Изготавливались в СССР для обеспечения стабильной работы телевизоров, магнитофонов и радиоприемников. Основой конструкции является трансформатор, магнитный сердечник которого имеет разные сечения: для входной катушки большее, а для выходной меньшее. Если напряжение в первичной цепи «подскакивает», то возникающий магнитный поток не может пройти целиком через сердечник меньшего размера из-за его большого электрического сопротивления. Поэтому напряжение на клеммах выходной катушки падает. При снижении сетевого напряжения происходит все наоборот: магнитный поток через меньший сердечник усиливается, на выходе прибора напряжение вырастает.
Феррорезонансные стабилизаторы напряжения нечувствительны к перегрузкам и действуют мгновенно, они способны сгладить скачки до 10 вольт от номинала в обе стороны. Их основным недостатком является искажение формы синусоиды. Из-за этого они непригодны для использования в цепях питания компьютерной техники. Кроме того, при работе они издают отчетливый гул.
Автотрансформаторы
Особый вид трансформаторов, у которых одна катушка, находящаяся на тороидальном металлическом сердечнике. Их входные и выходные фазные контакты подключены к разным виткам, а нейтраль общая. Из-за такой конструкции считается, что обмоток две, но они имеют гальваническую связь. Посчитать каково будет напряжение на каждом из витков несложно, надо разделить входное значение на их количество. Например, на входе 220 вольт, витков 100. Значит, на каждом из них 2,2 вольта. Если Входное напряжение подключить к крайним виткам катушки, а выходное снимать, например, с пятидесятого витка от начала, то на нем будет 110 вольт. При обратном включении – на 50-м витке вход 220 вольт, на крайних витках катушки будет 330 вольт – в этом случае автотрансформатор работает как повышающий. Традиционной конструкцией является подвижный выходной контакт, так называемый бегунок, позволяющий плавно изменять величину напряжения на выходе.
Стабилизирующими свойствами они обладают за счет того, что при увеличении или уменьшении напряжения питания возникающий магнитный поток в сердечнике имеет противоположное направление тому току, который его породил. Поэтому происходит компенсация. Такие стабилизаторы способны погасить флуктуации, не превышающие 2% от номинального значения.
Релейные и симисторные автотрансформаторы
Если, например, силовой трансформатор СНТ подключен к тяговой электрической сети железной дороги, то броски напряжения в вашей электросети могут достигать десятков вольт. В этом случае применяются стабилизаторы напряжения, в конструкции которых используются автотрансформаторы, но с фиксированными выводами катушки. Например, одним на 200 вольт и другим на 240 вольт. К ним подключаются силовые реле, имеющие порог срабатывания такого же номинала – 240 и 200 вольт. Причем первое реле к низковольтному, а второе – к высоковольтному выводу. При увеличении напряжения выходным контактом становится тот, с которого в обычных условиях снимается 210 вольт, а при уменьшении – 240 вольт.
Стабилизация происходит ступенчато и с небольшой точностью, в этом недостаток таких приборов. Но это еще не все. Аналоговые реле имеют время срабатывания 20-25 миллисекунд, на время цикла замыкания-размыкания питание обрывается полностью. Это может привести к несанкционированному отключению компьютерной техники, что губительно для нее. Симисторные схемы переключения работают быстрее – подключение к выводам происходит за 5-10 миллисекунд. Однако и в этом случае без полного обесточивания электроустановки не обходится. А как это повлияет на «жизнь и здоровье» дорогостоящей техники вы сможете узнать лишь на практике.
Автотрансформаторы с сервоприводом
Такие стабилизаторы имеют много общего с теми, что оснащены бегунками для съема напряжения. Однако управляет ими сервопривод на так называемом шаговом двигателе. Тиристорная схема измеряет уровень напряжения и дает ему команду на поворот, в результате которого бегунок перемещается в точку с большим или меньшим количеством витков относительно входа катушки. Эти приборы имеют высокую точность и работают плавно, без прерывания электропитания. Однако они очень сложны и сами по себе зависят от нестабильности напряжения, что является несомненным парадоксом.
Инверторы
По факту они являются генераторами непрерывной последовательности импульсов. Они выдают так называемую квазисинусоиду, которую все электроустановки воспринимают как нормальный и даже лучший тип переменного тока. Работают они на нем гораздо лучше, поскольку его параметры всегда стабильны по частоте, силе тока и величине напряжения. Инверторные стабилизаторы – это самостоятельные источники питания, работа которых зависит от внешних факторов, поэтому в их схему обязательно включаются элементы, сглаживающие их влияние. Встречаются конструктивные решения, предусматривающие их питание от аккумуляторов на случай аварийного отключение сетевого энергоснабжения. Конечно же, они очень дороги.
В бытовых условиях, когда в доме нет сложной компьютерной техники, систем видеонаблюдения и других элементов так называемого Интернета вещей, вполне достаточно обычного автотрансформатора. Мощность этого прибора должна в полтора раза превышать уровень потребления. Например, если к нему подключен телевизор, то достаточно модели до 400 Вт. А при установке на общем вводе дома нужен не менее чем пятикиловаттный.
