Что такое стабилизатор напряжения и как он работает

2023-08-21 12:27:22 Время чтения 10 мин 2285

Стабилизатор напряжения — это устройство, которое защищает оборудование от поломок, вызванных перепадами напряжения. По сути, оно поддерживает напряжение сигнал питающей сети в требуемых пределах, обеспечивая стабильный ток и предотвращая повреждение электронных компонентов: диодных мостов, фильтрующих конденсаторов, микрочипов и других. В этой статье мы рассмотрим, что такое стабилизатор напряжения, какими они бывают, как работают и как их правильно выбрать.

Как выглядит стабилизатор напряжения

Это устройство выпускается в корпусе, как правило, в форме параллелепипеда. Его размеры и вес определяются сложностью конструкции, функциональностью, общим качеством изготовления, а также мощностью. В общем случае чем он крупнее, тем больше оборудования к нему можно подключить и тем большими возможностями он обладает.

Любой регулятор напряжения обладает входным разъемом для подключения к первичному источнику питания (то есть к электросети) и выходными — для соединения с оборудованием. Разъемы питания могут быть разного типа, также может отличаться и их количество. Эти характеристики устройства напрямую зависят от его мощности, назначения и класса.

Какие бывают стабилизаторы напряжения

Принцип работы стабилизатора напряжения напрямую связан с его конструкцией и схемой. Он может быть предназначен для цепей как переменного, так и постоянного тока. Чаще всего речь идет о первом варианте, который подключают к бытовой электросети 220 Вольт, и уже к нему — потребителей (оборудование, защищаемое от скачков напряжения).

Как отмечалось выше, независимо от назначения и класса, каждое такое устройство имеет на входе клеммы для подключения к первичному источнику электропитания (сети 220 В). Маломощные варианты, рассчитанные на несколько потребителей, подключаются вилкой к розетке. Мощные — через клеммную колодку к однофазному или трехфазному щиту.

Далее рассмотрим виды стабилизаторов напряжения, которые встречаются в продаже.

Релейные

Это самые доступные и широко распространенные приборы, в которых обмотки электротрансформатора переключаются обыкновенными реле. Плата управления определяет напряжение в сети и подключает ту или иную часть обмотки, чтобы изменить напряжение в нужную сторону: сделать его больше или меньше.

Главные плюсы релейных стабилизаторов напряжения — низкая цена, высокий КПД и ремонтопригодность (по причине простоты конструкции). К минусам таких устройств относят:

  1. относительно недолгий срок службы;
  2. небольшое количество ступеней регулировки;
  3. малую скорость реакции на изменение напряжения;
  4. склонность к созданию помех в сети при переключении реле.

При своих, прямо скажем, невыдающихся параметрах релейные стабилизаторы напряжения подходят для обычной бытовой техники, которая не нуждается в высокоточном и стабильном напряжении. Однако следует знать, что из-за низкого быстродействия подобные устройства могут оказаться бесполезными при резком повышении напряжения (они не успеют выполнить свою функцию).

Электронные (симисторные, тиристорные)

В стабилизаторах напряжения этого типа вместо реле используются полупроводниковые ключи. В первую очередь это обеспечивает их большую скорость переключения — 10-20 мс против минимальных 35 мс у лучших релейных моделей. Регулировка в таких устройствах выполняется так же (ступенчато), количество шагов (ступеней) — от 9 до 36.

В плюсы электронных моделей записывают малый уровень шума, высокое быстродействие и широкий диапазон регулировок. Еще им пророчат долгий срок службы, но здесь есть важная оговорка: симисторы (коммутационные элементы) при сильном скачке напряжения могут быть пробиты накоротко с последующим повреждением других элементов.

Минусы электронных стабилизаторов напряжения — более высокая цена, создание помех в сети (как и релейные), а также нагрев полупроводниковых ключей, приводящий к снижению КПД устройства. В общем случае они считаются лучше релейных и выигрывают у них по большинству критериев, разумеется, исключая стоимость.

Электромеханические (сервоприводные)

Главная особенность таких стабилизаторов напряжения — бесступенчатая регулировка характеристики тока, выдаваемого потребителям. Ее обеспечивает управляющий графитовым электродом сервопривод, который скользит по виткам трансформатора. По сути, он управляет и задает местоположение рабочего органа.

Плюсы электромеханического стабилизатора напряжения — плавная регулировка и отсутствие склонности к созданию помех в сети (что характерно для релейных и тиристорных моделей). К минусам этого устройства обычно относят:

  1. невысокое быстродействие, что делает его малопригодным для защиты оборудования при резком скачке напряжения на 20-30 В;
  2. образование грязи на обмотках, которая возникает в результате естественного износа графитовой щетки и постепенно приводит к поломке прибора;
  3. высокий уровень шума, возникающий при перемещении щетки по обмотке и часто неприемлемый для эксплуатации в небольшом помещении с людьми.

Феррорезонансные

Эти устройства сегодня малопопулярны, мы их упомянем исключительно в целях расширения кругозора читателей статьи. Такие стабилизаторы напряжения не способны выравнивать напряжение до заданной величины, однако они фильтруют его скачки и помехи, что вполне может продлить срок службы различной телерадиоаппаратуры.

Плюсами таких устройств являются минимальная цена, быстродействие и рекордный срок эксплуатации (благодаря предельной простоте конструкции). Главные недостатки: очень малый диапазон рабочих напряжений, искаженный сигнал на выходе (синусоида) и высокий уровень шума (по сегодняшним меркам и в сравнении со стабилизаторами напрsяжения других типов).

Инверторные (с двойным преобразованием)

Это наиболее эффективный и вместе с тем дорогой тип устройства. На вопрос, как работает стабилизатор напряжения этого типа, трудно ответить в двух словах. Принцип его действия построен на так называемом двойном преобразовании и выглядит следующим образом:

  1. На входном фильтре электромагнитных помех переменный ток из электросети выпрямляется. Таким образом дальше по схеме сигнал передается в очищенном от искажений виде.
  2. Далее сигнал поступает в блок корректора коэффициента мощности, где обретает форму и фазу потребляемого тока, наиболее близкие к фазе питающего напряжения. Тут он становится постоянным.
  3. Потом ток, преобразованный в постоянный, подается на инвертор, где ШИМ-контроллер и другие элементы прибора создают выходной сигнал синусоидальной формы с частотой 50 Гц.

Также в состав инверторного стабилизатора напряжения может входить управляющий контроллер, который держит под контролем характеристики тока, управляя инвертором. В этом компоненте установлены всевозможные датчики и микропроцессор, используемый для обработки полученных показаний.

Плюсы инверторного стабилизатора напряжения: высочайшее быстродействие, точность характеристик и качество выходного тока (чистая синусоида), минимальный уровень шума. Сложность конструкции стабилизатора напряжения с двойным преобразованием (в сравнении с остальными видами стабилизаторов) — главная причина его высокой стоимости.

Его покупка, как правило, оправданна лишь в тех ситуациях, когда требуется защита сложного оборудования, например, станков и чувствительных котельных агрегатов. В технике же бытового уровня часто используются импульсные блоки питания, которые не нуждаются в синусоидальном сигнале для обеспечения бесперебойной работы.

Как выбрать стабилизатор напряжения

Выбирая это устройство, обычно отталкиваются от следующих критериев:

  1. Общая мощность. Чтобы определить необходимый предел по нагрузке, нужно сложить мощность подключаемого к стабилизатору напряжения оборудования и прибавить к полученному значению 20-30 %. Это нужно, чтобы он справился со своей задачей при возможных повышенных пусковых токах или перегрузках. В случае с общим прибором на весь дом (квартиру, офис) нужно умножить силу тока автомата на напряжение. Например, в случае со стандартным 16-амперным автоматом получится: 16 А × 220 В = 3520 Вт.
  2. Особенности исполнения. Сюда можно отнести все характеристики, связанные с удобством использования стабилизатора напряжения для конкретной задачи/помещения. В их числе способ монтажа (напольный — с ножками или настенный — с креплениями), тип и количество розеток, используемых для подключения потребителей, наличие ЖК-экрана с выходным и/или входным напряжением, габаритные размеры, цвет и форма корпуса, наличие ручки для переноски и многое другое.
  3. Технические требования. Под этим критерием мы подразумеваем соответствие стабилизатора напряжения особенностям подключаемого к нему оборудования. Так, для высокочувствительной аппаратуры, которая должна работать без перебоев, будет оправдан выбор дорогостоящего инверторного прибора. Для защиты обычной бытовой техники вполне подойдет электромеханический или релейный стабилизатор напряжения, разумеется, устраивающий по остальным пунктам.

Следуя этому несложному алгоритму, вы легко подберете оптимальный стабилизатор напряжения без переплаты за ненужную функциональность и без риска испортить электротехнику.