Содержание
В электрических схемах для изменения уровня выходного сигнала используется регулятор напряжения. Основное его назначение — изменять подаваемую на нагрузку мощность. C помощью устройства управляют оборотами электродвигателей, уровнем освещённости, громкостью звука, нагревом приборов. В радиомагазинах можно приобрести готовое изделие, но несложно изготовить регулятор напряжения своими руками.
Описание устройства
Регулятором напряжения называется электронный прибор, служащий для повышения или понижения уровня выходного сигнала, в зависимости от величины разности потенциалов на его входе. То есть это устройство, с помощью которого можно управлять значением мощности, подводимой к нагрузке. При этом регулировать подаваемый уровень энергии можно как на реактивной, так и активной нагрузке.
Самым простым устройством, с помощью которого можно изменять уровень сигнала, считается реостат. Он представляет собой резистор, имеющий два вывода, один из которых подвижный. При перемещении ползункового вывода реостата изменяется сопротивление. Для этого он подключается параллельно нагрузке. Фактически это делитель напряжения, позволяющий регулировать величину разности потенциалов на нагрузке в пределах от нуля до значения, выдаваемого источником энергии.
Использование реостата ограничено мощностью, которую можно через него пропустить. Так как при больших значениях тока или напряжения он начинает сильно нагреваться и в итоге перегорает, поэтому на практике применение реостата ограничено. Его используют в параметрических стабилизаторах, элементах электрического фильтра, усилителях звука и регуляторах освещённости небольшой мощности.
Разновидности приборов
По виду выходного сигнала регуляторы разделяют на стабилизированные и нестабилизированные. Также они могут быть аналоговыми и цифровыми (интегральными). Первые строятся на основе тиристоров или операционных усилителей. Их управление осуществляется путём изменения параметров RC цепочки обратной связи. Совместно с ними для повышения мощности применяются биполярные или полевые транзисторы. Работа же интегральных устройств связана с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), поэтому в цифровой схемотехнике используются микроконтроллеры и силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме.
При изготовлении самодельного регулятора напряжения могут быть использованы следующие элементы:
резисторы;- тиристоры или транзисторы;
- цифровые или аналоговые интегральные микросхемы.
Первые два типа имеют несложные схемы и довольно просты к самостоятельной сборке. Их можно изготавливать без использования печатной платы с помощью навесного монтажа, в то время как импульсные регуляторы на основе микроконтроллеров требуют более обширных знаний в радиоэлектронике и программировании.
Характеристика регулятора
По своему виду приспособления могут изготавливаться в портативном или стационарном исполнении. Устанавливаются они в любом положении: вертикальном, потолочном, горизонтальном.
Устройства могут крепиться с использованием дин-рейки или встраиваться в различные блоки и приборы. Конструктивно регуляторы возможно изготовить как корпусными, так и без помещения в корпус.
К основным характеристикам устройств относят следующие параметры:
- Плавность регулировки. Обозначает минимальный шаг, с которым происходит изменение величины разности потенциалов на выходе. Чем он плавнее, тем точнее можно выставить значение напряжения на выходе.
Рабочая мощность. Характеризуется значением силы тока, которое может пропускать через себя прибор продолжительное время без повреждения своих электронных связей.- Максимальная мощность. Пиковая величина, которую кратковременно выдерживает устройство с сохранением своей работоспособности.
- Диапазон входного напряжения. Это значения входного сигнала, с которым устройство может работать.
- Диапазон изменяемого сигнала на выходе устройства. Обозначает значения разности потенциалов, которое может обеспечить устройство на выходе.
- Тип регулируемого сигнала. На вход устройства может подаваться как переменное, так и постоянное напряжение.
- Условия эксплуатации. Обозначает условия, при которых характеристики регулятора не изменяются.
- Способ управления. Выставление выходного уровня сигнала может осуществляться пользователем вручную или без его вмешательства.
Особенности изготовления
Изготовить регулирующее приспособление можно несколькими способами. Самый лёгкий -приобрести набор, содержащий уже готовую печатную плату и радиоэлементы, необходимые для сборки своими руками. Кроме них, набор содержит электрическую и принципиальную схему с описанием последовательности действий. Такие наборы называются KIT и предназначены для самых неопытных радиолюбителей.
Другой путь подразумевает самостоятельное приобретение радиокомпонентов и изготовление в случае необходимости печатной платы. Используя второй способ, можно будет сэкономить, но он занимает больше времени.
Существует множество схем разного уровня сложности для самостоятельного изготовления. Но чтобы сделать регулятор напряжения, кроме схемы, понадобится подготовить следующие инструменты, приборы и материалы:
паяльник;- мультиметр;
- припой;
- пинцет;
- кусачки;
- флюс;
- технический спирт;
- соединительные медные провода.
Если планируется собирать устройство, состоящее из 6 и более элементов, то целесообразно будет смастерить печатную плату. Для этого необходимо иметь фольгированный текстолит, хлорное железо и лазерный принтер.
Техника изготовления печатной платы в домашних условиях называется лазерно-утюжной (ЛУТ). Её суть заключается в распечатывании печатной платы на глянцевом листе бумаги, и переносом изображения на текстолит с помощью проглаживания утюгом. Затем плату погружают в раствор хлорного железа. В нём открытые участки меди растворяются, а закрытые с переведённым изображением формируют необходимые соединения.
При самостоятельном изготовлении прибора важно соблюдать осторожность и помнить про электробезопасность, особенно при работе с сетью переменного тока 220 В. Обычно правильно собранный регулятор из исправных радиодеталей не нуждается в настройке и сразу начинает работать.
Простые схемы
Для управления величиной выходного напряжения для слабо мощных устройств можно собрать простой регулятор напряжения на 2 деталях. Понадобится лишь транзистор и переменный резистор. Работа схемы проста: с помощью переменного резистора происходит индуцирование (отпирание транзистора).
Если управляющий вывод резистора находится в нижнем положении, то напряжение на выходе схемы равно нулю. А если вывод перемещается в верхнее положение, то транзистор максимально становится открытым, а уровень выходного сигнала будет равен напряжению источника питания за вычетом падения разности потенциалов на транзисторе.
При изменении сопротивления регулируется величина напряжения на выходе. В зависимости от типа транзистора изменяется и схема включения. Чем номинал переменного резистора будет меньше, тем регулировка будет плавней. Недостатком схемы является чрезмерный нагрев транзистора, поэтому чем больше будет разница между Uвх и Uвых, тем он будет сильнее нагреваться.
Такую схему удобно применять для регулировки вращения компьютерных вентиляторов или других слабых двигателей, а также светодиодов.
Симисторный вид
Для регулировки переменного напряжения используются симисторные регуляторы, с помощью которых можно управлять мощностью паяльника или лампочки. Собрав схему на недорогом и доступном симисторе BT136, можно изменять мощность нагрузки в пределах 100 ватт.
Для сборки схемы понадобится:
| Наименование | Номинал | Аналог |
| Резистор R1 | 470 кОм | |
| Резистор R2 | 10 кОм | |
| Конденсатор С1 | 0,1 мкФ х. 400 В | |
| Диод D1 | 1N4007 | 1SR35–1000A |
| Светодиод D2 | BL-B2134G | BL-B4541Q |
| Динистор DN1 | DB3 | HT-32 |
| Симистор DN2 | BT136 | КУ 208 |
Принцип работы регулятора заключается в следующем: через цепочку, состоящую из динистора DN1, конденсатора C1 и диода D1, ток поступает на симистор DN2, что приводит к его открытию. Момент открытия зависит от ёмкости C1, которая заряжается через резисторы R1 и R2. Соответственно, изменением сопротивления R1 управляется скорость заряда C1.
Несмотря на простоту, такая схема отлично справляется с регулировкой вольтажа нагревательных устройств, использующих вольфрамовую нить. Но так как такая схема не имеет обратной связи, использовать её для управления оборотами коллекторного электродвигателя нельзя.
Реле напряжения
Для автолюбителей важным элементом является устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети в установленных пределах при изменении различных факторов, например, оборотов генератора, включении или выключении фар. Использующиеся для этого приборы работают по одинаковому принципу – стабилизация напряжения путём изменения тока возбуждения. Иными словами, если уровень сигнала на входе изменяется, то устройство уменьшает или увеличивает ток возбуждения.
Собранная схема своими руками реле-регулятора напряжения должна:
- работать в широком диапазоне температур;
- выдерживать скачки напряжения;
- иметь возможность отключения во время запуска мотора;
- обладать малым падением разности потенциалов.
Упрощённо принцип работы можно описать в следующем виде: при величине напряжения, превышающей установленное значение, ротор отключается, а при её нормализации запускается вновь. Основным элементом схемы является ШИМ стабилизатор LM 2576 ADJ.
Микросхема TC4420EPA предназначена для моментального переключения транзистора. С помощью резистора R3, конденсатора C1 и стабилитронов VD1, VD2 осуществляется защита микросхемы и полевого транзистора. Резисторы R1 и R2 задают опорное напряжение для стабилизатора. DD1 управляет работой полевого транзистора и ротора. Диод D2 используется для ограничения управляющего напряжения. Индуктивность L1 обеспечивает плавность разрядки ротора через диоды D4 и D5 при размыкании цепи.
Управляемый блок питания
Конструируя различные схемы, радиолюбители часто собирают источники напряжений. Спаяв регулятор постоянного напряжения своими руками, его можно будет использовать как управляемый блок питания в диапазоне от 0 до 12В.
Собираемый источник напряжения состоит из 2 частей: блока питания и параметрического регулятора напряжения. Первая часть изготавливается по классической схеме: понижающий трансформатор — выпрямительный блок. Типом используемого трансформатора, выпрямительных диодов и транзистора определяется мощность устройства. Переменное напряжение сети понижается в трансформаторе до 11 вольт, после чего попадает на диодный мост VD1, где становится постоянным. Конденсатор C1 используется как сглаживающий фильтр. Сигнал поступает на параметрический стабилизатор, состоящий из резистора R1 и стабилитрона VD2.
Параллельно стабилитрону подключён резистор R2, которым и изменяется уровень выходного напряжения. Транзисторы включены по упрощённой схеме эмиттерного повторителя, и при появлении на их переходах напряжения начинают работать в режиме усиления тока. То есть сигнал, снятый с R2, поступает на выход прибора через транзисторы, которые снижают его значение на величину своего насыщения. Таким образом, чем больше подаётся на них напряжение, тем сильнее они открываются и больше мощности поступает на выход.
Этот регулируемый блок питания может работать с нагрузкой до трёх ампер, то есть обеспечивать мощность до 30 ватт. Если есть опыт, то схема паяется навесным монтажом с использованием проводов любого сечения.
Собранный однажды простейший регулятор напряжения на одном транзисторе был предназначен для определённого блока питания и конкретного потребителя, никуда больше его подключать было конечно не нужно, но как всегда наступает момент, когда правильно поступать мы перестаём. Следствием этого являются хлопоты и раздумья как жить-быть дальше и принятие решения восстанавливать сотворённое ранее или продолжать творить.
Схема номер 1
Имелся стабилизированный импульсный блок питания, дающий на выходе напряжение 17 вольт и ток 500 миллиампер. Требовалось периодическое изменение напряжения в пределе 11 – 13 вольт. И общеизвестная схема регулятора напряжения на одном транзисторе с этим прекрасно справлялась. От себя добавил к ней только светодиод индикации да ограничительный резистор. К слову, светодиод здесь это не только «светлячок» сигнализирующий о наличии выходного напряжения. При правильно подобранном номинале ограничительного резистора, даже небольшое изменение выходного напряжения отражается на яркости свечения светодиода, что даёт дополнительную информацию о его повышении или понижении. Напряжение на выходе можно было изменять от 1,3 до 16 вольт.
КТ829 — мощный низкочастотный кремниевый составной транзистор, был установлен на мощный металлический радиатор и казалось, что при необходимости он вполне может выдержать и большую нагрузку, но случилось короткое замыкание в схеме потребителя и он сгорел. Транзистор отличается высоким коэффициентом усиления и применяется в усилителях низкой частоты – видно действительно его место там а не в регуляторах напряжения.
Слева снятые электронные компоненты, справа приготовленные им на замену. Разница по количеству в два наименования, а по качеству схем, бывшей и той, что решено было собрать, она несопоставима. Напрашивается вопрос – «Стоит ли собирать схему с ограниченными возможностями, когда существует более продвинутый вариант «за те же деньги», в прямом и переносном смысле этого изречения?»
Схема номер 2
В новой схеме также присутствует трёхвыводной эл. компонент (но это уже не транзистор) постоянный и переменный резисторы, светодиод со своим ограничителем. Добавлено только два электролитических конденсатора. Обычно на типовых схемах указаны минимальные значения C1 и C2 (С1=0,1 мкФ и С2=1 мкФ) которые необходимы для устойчивой работы стабилизатора. На практике значения емкостей составляют от десятков до сотен микрофарад. Ёмкости должны располагаться как можно ближе к микросхеме. При больших емкостях обязательно условие C1>>C2. Если ёмкость конденсатора на выходе будет превышать ёмкость конденсатора на входе, то возникает ситуация при которой выходное напряжение превышает входное, что приводит к порче микросхемы стабилизатора. Для её исключения устанавливают защитный диод VD1.
У этой схемы уже совсем другие возможности. Входное напряжение от 5 до 40 вольт, выходное 1,2 – 37 вольт. Да, имеется падение напряжения вход – выход равное примерно 3,5 вольтам, однако роз без шипов не бывает. Зато микросхема КР142ЕН12А именуемая линейным регулируемым стабилизатором напряжения имеет неплохую защиту по превышению тока нагрузки и кратковременную защиту от короткого замыкания на выходе. Её рабочая температура до + 70 градусов по Цельсию, работает с внешним делителем напряжения. Выходной ток нагрузки до 1 А при длительной работе и 1,5 А при непродолжительной. Максимально допустимая мощность при работе без теплоотвода 1 Вт, если микросхему установить на радиатор достаточного размера (100 см.кв.) то Р макс. = 10 Вт.
Что получилось
Сам процесс обновлённого монтажа занял времени ни сколько не больше чем предыдущий. При этом получен не простой регулятор напряжения, который подключается к блоку питания стабилизированного напряжения, собранная схема при подключении даже к сетевому понижающему трансформатору с выпрямителем на выходе сама даёт необходимое стабилизированное напряжение. Естественно, что выходное напряжение трансформатора должно соответствовать допустимым параметрам входного напряжения микросхемы КР142ЕН12А. Вместо неё можно использовать и импортный аналог интегральный стабилизатор LM317Т. Автор Babay iz Barnaula.
Обсудить статью ДВА ПРОСТЫХ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Нередко работа генератора перестает удовлетворять возросшим требованиям, связанным с установкой дополнительного электрического оборудования, постоянно включенным ближним светом, частой и длительной работой двигателя на холостых оборотах, например, в пробках, а также использованием современных аккумуляторных батарей (АКБ), требующих повышенного напряжения заряда и более точного его поддержания.
Если суммарная долговременная мощность потребителей превышает паспортную мощность генератора, т. е. имеет место отрицательный энергетический баланс, наиболее эффективным решением проблемы может служить только замена генератора на более мощный. Такие решения, как уменьшение диаметра ведомого шкива для повышения передаточного числа привода, замена диодов выпрямительного моста на диоды Шоттки для снижения падения напряжения, применение полевых транзисторов в оконечном каскаде регулятора напряжения (РН), снятие мощности с нулевой точки обмотки статора (третьей гармоники фазного напряжения) и другие являются полумерами с ограниченной эффективностью, достаточно затратны и не способны кардинально решить проблему нехватки мощности.
В случае же, когда генератор справляется с электрической нагрузкой во всем диапазоне оборотов двигателя, нередко возникает задача повышения выдаваемого им напряжения по сравнению с тем, которое обеспечивается применением штатного РН. Нередко он имеет большой разброс напряжения регулирования, нижний предел которого у некоторых экземпляров может доходить до 13,6 В, что приводит к хроническому недозаряду даже АКБ старого образца со всеми вытекающими отсюда последствиями, особенно в холодное время года.
Все сказанное в дальнейшем справедливо для исправной электрической схемы с хорошими контактами между АКБ, кузовом, двигателем и генератором, при правильно натянутом приводном ремне.
Для повышения напряжения регулирования штатного РН в простейшем случае можно использовать дополнительный диод, включаемый в его цепь:
При этом контрольное напряжение на РН снижается на величину падения напряжения на открытом диоде, которое в зависимости от его типа — диод Шоттки, германиевый или кремниевый — составляет от 0,3 до 1,2 В. В результате напряжение регулирования РН возрастает на ту же величину. Поскольку через диод течет ток возбуждения генератора, его максимально допустимый прямой ток должен составлять не менее 5 А. Конструктивно диод может быть либо впаян в шину дополнительных диодов (показан стралкой):
(фото с сайта http://forum.auto35.ru), либо вставлен в разрыв штатных разъемов:
Аналогичный результат достигается установкой такого же диода в минусовую цепь РН:
Возможна также замена диода резистором сопротивлением 0,2-0,3 Ом, чем обеспечивается отрицательная обратная связь по напряжению с аналогичным эффектом. Мощность резистора должна составлять не менее 5 Вт, и необходим теплоотвод (как, впрочем, и для диодов тоже). Такие схемы, правда, могут отличаться нестабильностью напряжения регулирования.
Недостатком этих решений является некоторое снижение тока через обмотку ротора из-за падения напряжения на диоде или резисторе и, как следствие, небольшое снижение максимальной мощности генератора.
Более правильной с учетом этого недостатка является такая схема:
Здесь силовая и контрольная цепи РН разделены, а диод, показанный на схеме справа, включен только в последнюю. Параллельно ему установлен диод, необходимый для гашения тока самоиндукции обмотки ротора. Он совместно с диодом в самом РН предотвращает пробой силового ключа РН при коммутации обмотки. Реализация этой схемы конструктивно сложнее, поскольку требует разъединения нередко сваренных контактов в самом щеточном узле. Здесь необходимо плюсовую щетку, соединяющуюся через клемму "папа" с выпрямителем, отключить от вывода, выходящего из корпуса РН, а в образовавшийся зазор впаять диоды и обеспечить их изоляцию. Это, правда, намного проще сделать, если РН уже вынесен за пределы генератора.
И, наконец, наиболее эффективное решение достигается установкой выносного РН с заменой щеточного узла и размещением самого регулятора вне генератора, подверженного нагреву, попаданию воды и антифриза. В этом случае обеспечиваются также более корректная термооптимизация работы РН, возможность переключения напряжений регулирования, как это сделано в многоуровневых РН, и удобство его обслуживания.
В генераторах 8-го и 10-го семейства, установленных на ВАЗ-21213 и 21214 соответственно, напряжение для контроля РН снимается с дополнительных диодов, которые одновременно служат для питания обмотки ротора. В ряде случаев, особенно при большой нагрузке на генератор и высоких оборотах двигателя, напряжение в этой точке может превышать на 0,2 — 0,3 В напряжение на силовом выводе генератора, а следовательно и на АКБ. Это объясняется бОльшим падением напряжения на силовых диодах по сравнению с дополнительными и приводит к некорректной работе РН, т. е. к занижению напряжения регулирования на эту величину. Избежать этого можно, снимая контрольное напряжение с силового вывода, что реализовано в современных генераторах путем применения РН нового образца с дополнительным выводом:
Путем несложной доработки его можно установить в генератор 10-го семейства. Подробности можно узнать на форуме autolada.ru http://www.autolada.ru/viewtopic.php?t=187791&start=150&postdays=0&postorder=asc&highlight=.
Для генераторов 8-го семейства, используемых в ВАЗ-21213, выпускается РН нового образца (1702.3702.01) с дополнительным выводом http://www.vtnauto.com/ru/1702.html, подключаемым к силовой клемме.
Поскольку у меня уже был установлен всем хорошо известный трехуровневый РН, я собрал несложную схему, показанную на следующем рисунке:
Здесь в цепь плюсовой клеммы РН введен контакт реле Р, обмотка которого подключена к дополнительным диодам. После запуска двигателя и возбуждения генератора реле Р срабатывает и переключает контрольный вывод РН с дополнительных диодов на силовой вывод генератора, в моем случае — непосредственно на плюсовую клемму АКБ. Таким образом, при работе генератора контрольная и силовая цепи РН развязаны: контрольное напряжение снимается с АКБ, а на обмотку ротора подается напряжение с дополнительных диодов. Благодаря этому удалось добиться стабилизации напряжения во всех режимах на уровне 14,2 В (в среднем положении переключателя).
Реле можно использовать любое автомобильное 5-контактное на напряжение 12 В. Конденсатор С служит для повышения инерционности реле и сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Диод VD1 с максимальным прямым током не менее 1 А, например, 1N4001 служит для гашения тока самоиндукции обмотки ротора взамен аналогичному диоду внутри РН, который для корректной работы схемы необходимо удалить:
Все элементы, включая сам РН, размещены в подходящей по размеру электротехнической монтажной коробке.
Статья не претендует на оригинальность, а является лишь попыткой обобщения имеющегося опыта и личных наблюдений.
