Релейный стабилизатор напряжения.

Сергей Никитин

Аннотация:
Данная схема собрана из подручных материалов, предназначена для приведения напряжения сети в приемлемые рамки. Мощность ограничивается применяемым трансформатором и током коммутации реле.

Введение

Немножко изучив китайские подобные устройства, пришёл к выводу, что они не стоят своих денег. Мощность их не соответствует заявленной в долговременном режиме работы, тем более, что силовые трансформаторы в таких устройствах, китайцы мотают алюминиевым проводом.
Поэтому из того что есть под рукой, решил для себя сделать релейный стабилизатор для холодильника на дачу, так как там напряжение сети иногда понижается до 160-150 Вольт.
Сначала решил сделать корпус, в дело пошли старый бесперебойник, так-же в гараже нашёл магнитофон Маяк 232, из элементов его корпуса и бесперебойника получился новый корпус. Детали от бесперебойника, транзисторы, диоды, реле, резисторы, конденсаторы, LM339, всё пошло в дело, купить пришлось только дешифратор.
Нашёлся подходящий трансформатор.... и поехало.

Теперь по теме. Все релейные стабилизаторы - они не совсем стабилизаторы, они не стабилизируют выходное напряжение, а просто поддерживают его в приемлемых значениях. Они не выдают те 220 Вольт, которые обычно высвечиваются на его табло. Эту цифру выдаёт контроллер, если выходное напряжение в пределах нормы, которую установили китайцы в этом устройстве (например +15 -20 Вольт).
Всё делается проще, измеряется входное напряжение, и если много не хватает то его добавляет трансформатор, включенный как автотрансформатор. Но для упрощения мы будем называть его стабилизатор.

Теперь по порядку. Трансформатор в нашем стабилизаторе, должен иметь мощность, примерно 1/3 от требуемой расчётной полной мощности стабилизатора.
Почему я взял примерно, потому что если Вы решили сделать для себя стабилизатор, на все случаи жизни, рассчитанный на долгую работу и с запасом по мощности, то нужно выбирать такую мощность трансформатора.

Самая большая нагрузка на трансформатор происходит при самых низких входных напряжениях сети (ток нагрузки одинаковый).
Чем ниже входное напряжении сети - тем больше добавляется напряжения на выход для обеспечения нормальной работы нагрузки, соответственно будет больше потребляться мощность и самим трансформатором.
Например, при входном напряжении сети 160 Вольт, нужно добавить ещё 60 Вольт для нормальной работы нагрузки (160+60=220).

Но если у Вас на даче, или в деревне, низкие напряжения сети бывают не круглые сутки, а очень редко и не долго, то можно мощность трансформатора выбрать и меньше, например 1/4 или даже 1/5 от расчетной мощности стабилизатора. На этот случай в конструкции стабилизатора предусмотрен вентилятор обдува, чего обычно нет у китайцев, и тепловое реле на 60 градусов ^оС, выше трансформатор перегревать не желательно.

Теперь как считать трансформатор. Тут сейчас набегут специалисты с кучей формул, здесь они особо не нужны, но некоторые нужно примерно знать.
И так, какая максимальная мощность трансформатора нам необходима, при минимальном входном напряжении сети 150 Вольт.
При таком напряжении сети до нормального значения (220 вольт) к 150 Вольт - нам нужно добавить примерно 70 Вольт, в схеме добавляется 75 Вольт (три обмотки по 25 Вольт), с запасом на просадку и потери.
Что у нас получается в теории. Если мы имеем нагрузку 1000 Вт, то ток протекаемый через неё будет около 5 ампер (там может быть ещё косинус, по этому всё примерно, чтоб легче было считать и понять). Трансформатор добавляет в этом случае 75 Вольт, 75х5 = 375 Ватт.
Вот мощность трансформатора которая должна быть в идеале.

Теперь как определить габаритную мощность трансформатора если он у вас есть, но ничего не написано на нём. Или какой размер магнитопровода нужно искать.
А это очень просто, измеряем сечение магнитопровода в см.кв и возводим эту цифру в квадрат.
Теперь как было у меня. Был красивый трансформатор, маленький и толстенький, размер магнитопровода 2,5х4,2 см=10,5 см.кв. Это сечение магнитопровода, 10,5х10,5=110,25 Ватт это примерно его габаритная мощность.

Меня вполне устроило, для холодильника с запасом хватает. Магнитопровод ПЛ, по этому я считаю так его 30/ 10, 5 см.кв = 3 витка на один вольт.
Если сердечник Ш образный, то я беру вместо 30 - коэффициент 50 (никогда не ошибётесь). Если у трансформатора можно определить количество витков первичной обмотки, то можно взять эти данные для намотки, скорее всего они будут меньше расчётных, потому что современные материалы позволяют мотать трансформаторы с меньшим количеством витков на вольт.

И так определяем провод. 110 Ватт при 150 Вольт входного напряжения дадут нам ток через первичную обмотку 110/150=0,73 Ампера. При плотности тока 2 Ампера на мм.кв., из справочника находим ближайший ток 0,7 А, и получаем провод 0,67 мм в диаметре.
У меня такого провода не оказалось. С учётом, что на такой мощности стабилизатор работать будет кратковременно, и из опыта китайцев экономить - я намотал обмотку проводом 0,56 мм.
150 вольт х 3 витка на вольт = 450 витков, так как магнитопровод ПЛ (это два сердечника) разбиваем пополам и на каждой половине мотаем по 225 витков.
Далее считаем дополнительные обмотки.

В теории, что бы выжать максимальные возможности с этого устройства, нужно каждую дополнительную обмотку мотать более толстым проводом, но тут может получиться так, что весь провод может не поместиться в окно сердечника, это нужно учитывать и всё измерять.
По этому мы все обмотки будем мотать одним проводом, что б голову не ломать лишними расчётами.
И так, добавляется у нас 75 Вольт, это максимум, при 110 Ваттах мощности трансформатора. 110 Ватт делим на 75 Вольт = 1,46 ампера. Смотрим (или считаем) в справочник, ближайший ток 1,42 А, это получается провод 0,95 мм. У меня такого не оказалось, а был 1,0 мм , что вполне подходит и даже с небольшим запасом.
Мотаем четыре обмотки по 25 вольт. 25 В х 3 витка на вольт = 75 витков. Так как 75 пополам не делится, я намотал все обмотки по 76 витков, соответственно на каждой половинке сердечника будет по 38 витков.

Остаётся ещё обмотка для питания самой схемы на 14 вольт, 14 х 3 витка = 42 витка.
Я намотал её проводом 0,56 мм, потому что у меня его много. Эту обмотку изолируем от остальных лучше всех.
Между сетевыми обмотками я прокладывал один слой подпергаментной бумаги (бумага для выпечки), а здесь её нужно будет 2-3 слоя.
Соединяем все полуобмотки последовательно (начало с началом или конец с концом), и все получившиеся силовые обмотки последовательно между собой. Про особенности стержневых трансформаторов и соединение у них обмоток последовательно, если кому не понятно, читаем в этой статье.

Схема

Теперь к схеме.

Описание

Входное напряжение приходит через включатель, предохранители и нормально замкнутые контакты реле на отвод трансформатора 230 Вольт, пониженное напряжение поступает через выпрямитель и стабилизатор на схему.
Пока заряжается конденсатор С3 реле находятся нормально замкнутом положении. Сетевое напряжение также поступает на диодный мост Вр2, после на компараторы.
В зависимости от его величины срабатывают определённые компараторы.
Если напряжение в пределах 210-250 Вольт, то срабатывают компараторы Ор1-Ор3, на их выходах устанавливается логическая "1", далее дешифратор дешифрирует это и оставляет реле в исходном нормально замкнутом состоянии. Напряжение со входа поступает на реле напряжения, там оно дополнительно определяет параметры, которые вы задаёте, с задержкой около 3 сек подаётся в нагрузку.

Реле напряжения обычное китайское с Алиэкспресса, это что бы не делать дополнительные компараторы в схеме и ещё одно реле не ставить.
Если напряжение ниже 210 Вольт, то на выходе компаратора Ор3 будет логический "0", данная комбинация дешифрируется дешифратором, на выходе 4 дешифратора появляется логическая "1", которая открывает Т4, который переключает реле Р2 и подаёт питающее напряжение на обмотку трансформатора 210 Вольт.
На выходе трансформатора обмотка W4 повышает напряжение на 25 Вольт, 210+25=235 Вольт, что вполне нормально. Транзисторы Т6, Т7 дают задержку около секунды для отработки компараторов, что бы не было лишних щелчков реле при включении устройства в сеть.
При превышении входного напряжения 250 Вольт, трансформатор уже работает как понижающий.

Для того что бы реле реже щёлкали, имеется гистерезис, это когда порог срабатывания в одну сторону отличается от порога в другую. При данных номиналах получилось примерно так, 151-160, 178-188, 210-221, 236-247 Вольт. Это так, при 151 Вольт на входе схема подключит обмотку !50 Вольт, а на обмотку 180 Вольт переключится при 160 Вольт на входе, и т.д. На 250 Вольт переключится при 247 Вольт в сети, а обратно вернётся при снижении напряжения ниже 236 Вольт.
Эту петлю можно расширить или сузить, примерно она считается как R7/R3= от входного напряжения 33 кОм /820 кОм= 0,04 , 0,04х220= 8,8 Вольт. Это примерно, по науке считается немножко по другому, там больше данных нужно.

Для охлаждения поставил вентилятор от компа старого, подключил через термореле, оно в корпусе ТО-220, на 40 градусов ^оС.
Если совсем перегреется, то там другое термореле на 60 градусов ^оС, как в обогревателях в масленых стоят такие, только там температура 135 градусов ^оС. Эти термореле прикрепил нитками к обмоткам трансформатора. Всё пропитано лаком.

Настройка

Подаём питание 14 Вольт на схему без реле (на С3), и через ЛАТР переменное напряжение - на диодный мост Br2.
Изменяем переменное напряжение вверх и вниз, и подбором резистора R16, подгоняем, чтобы реле 150 вольт срабатывало примерно, когда напряжение опускается ниже 150 вольт, а отпускалось, когда оно поднимается выше, где-то 158-160 вольт. Реле 180 вольт срабатывало, когда напряжение опускается ниже 180 вольт, а отпускалось, когда напряжение поднимается выше 188-190 вольт.
Ну и так далее, интервалы напряжений описаны выше, подгоняем плюс минус 2-3 вольта, срабатывание реле контролируем по соответствующим светодиодам, включённым параллельно обмоткам реле, нумерация их соответствует нумерации реле.
Резистор R16 сначала у меня по расчётам был 15 кОм, но высоковато напряжение получилось выходное, а ещё китайское реле напряжения, завышает его на 5 вольт, не комфортно смотреть было на эти цифры.

Печатка стабилизатора