Какой стабилизатор напряжения выбрать: релейный или симисторный?
После предыдущего обзора релейного стабилизатора SmartWatt мне стало интересно изучить более продвинутую симисторную модель и сравнить их. e2e4 с вендором откликнулись на просьбу и предоставили симисторный стабилизатор SMARTWATT AVR TRIAC 2000TW, и я принялся за работу.
Эта статья — подробный разбор и сравнение релейного и симисторного стабилизаторов напряжения. Специалисты найдут в ней много технических деталей, а простые пользователи узнают об особенностях этой техники и смогут осознанно выбрать стабилизатор для дома.
О релейных и симисторных стабилизаторах напряжения
Релейные и симисторные стабилизаторы регулируют напряжение ступенчато. То есть повышают или понижают напряжение небольшими ступеньками — за счёт подключения или отключения обмоток трансформатора. Чем больше ступеней у стабилизатора, тем меньше шаг регулировки и тем плавнее регулируется напряжение.
В релейных стабилизаторах обмотки трансформатора переключаются с помощью реле, а в симисторных — с помощью силовых полупроводниковых приборов — симисторов. Что это даёт на практике?
|
Реле — это механизм с движущимися элементами, а любой механизм подвержен износу.
|
В основе симистора — полупроводниковая структура, подвижные элементы отсутствуют.
|
При реализации релейных ступенчатых стабилизаторов перед инженерами всегда стоит дилемма — регулировать выходное напряжение плавно за счёт уменьшения шага, но более частого переключения реле или уменьшить количество переключений реле, но потерять плавность регулировки выходного напряжения.
Использование симисторов решает эту проблему.
Количество ступеней можно увеличить, а разницу напряжения между ступенями уменьшить. Скорость переключения же у симисторов заведомо намного выше, чем у реле. Поэтому скачкообразные изменения напряжения сведены к минимуму и малозаметны, по сравнению с работой релейного стабилизатора.
Плюсов у симисторов много, но и стоит симисторный стабилизатор примерно вдвое дороже релейного. Стоит ли такая переплата этих денег?
Чтобы ответить на этот и другие вопросы, протестируем и сравним работу двух стабилизаторов напряжения одинаковой мощности — релейного AVR SLIM 2000RW и симисторного AVR TRIAC 2000TW. Начнём со сравнения характеристик.
Технические характеристики
Чтобы характеристики стабилизаторов было удобнее сравнивать, я свёл их в таблицу.
|
Параметр |
AVR SLIM 2000RW
|
AVR TRIAC 2000TW
|
|
Тип стабилизатора |
Ступенчатый релейный |
Ступенчатый симисторный |
|
Номинальная полная мощность, ВА |
2 000 |
2 000 |
|
Номинальное выходное напряжение, В |
220 |
220 |
|
Предельный диапазон входного напряжения, за пределами которого срабатывает защита. В |
90−270 |
90−270 |
|
Рабочий диапазон входного напряжения, В |
100−260 |
140−2501 100−2602 |
|
Возможное изменение выходного напряжения, В |
220±8% (от 202.4 В до 237.6 В) |
220±4% (от 211.2 В до 228.8 В)1 220±8% (от 202.4 В до 237.6 В)2 |
|
Количество ступеней регулировки напряжения * |
9 (8 на повышение, 1 на понижение) |
14 (12 на повышение, 2 на понижение) |
|
Время задержки подачи питания потребителю |
6 или 180 секунд (на выбор пользователя) |
6 или 180 секунд (на выбор пользователя) |
|
Количество розеток |
2 |
2 |
|
Индикация параметров |
LED-дисплей (светодиодный) |
LED-дисплей (светодиодный) |
|
Срок гарантии |
1 год |
1 год |
|
Срок эксплуатации |
10 лет |
10 лет |
|
Масса |
4.92 кг |
7.22 кг |
1 В указанном диапазоне точность поддержания выходного напряжения ± 4%
2 В указанном диапазоне точность поддержания выходного напряжения ± 8%
* Определено автором
Как видим, заявленные электрические характеристики стабилизаторов практически идентичны, за исключением точности поддержания выходного напряжения.
В симисторном стабилизаторе точность выше из-за большего количества ступеней регулировки, которое стало возможным благодаря симисторам.
Внешний вид и конструкция
Оба стабилизатора выполнены в металлическом корпусе.
|
Корпус релейного стабилизатора покрыт белой глянцевой эмалью, имеет размеры 280×200×120 мм, а весит устройство почти 5 кг. |
Симисторный стабилизатор окрашен в чёрный цвет, заметно крупнее и тяжелее — 380×234×110 мм и 7.2 кг. Почему симисторный превосходит релейный по массо-габаритным показателям, узнаем после вскрытия в следующей главе. |
Стабилизаторы имеют идентичные светодиодные дисплеи. На них отображается:
-
входное и выходное напряжение (реальное, а не номинал)
-
уровень нагрузки в процентах с учётом входного напряжения
-
индикация перегрузки
-
и срабатывание защит
Для размещения на горизонтальной поверхности в нижней части корпуса предусмотрены выштампованные ножки, а в комплекте имеются резиновые самоклейки.
Для крепления на стене на тыльной стороне корпуса предусмотрены проушины.
Что ещё общего у обоих стабилизаторов:
-
Две розетки с заземляющим контактом и защитными шторками.
-
Красная кнопка для выбора задержки подключения нагрузки. И у симисторного, и у релейного стабилизатора можно выбрать задержку 6 или 180 секунд.
-
Кабель питания — неотсоединяемый, длиной 1.3 метра и сечением 3х1 мм2.
Отличие только в выключателе питания:
|
У релейного стабилизатора выключатель совмещен с автоматическим предохранителем (тепловым расцепителем). При аварийной перегрузке по току выключатель автоматически разомкнёт цепь. После устранения перегрузки его необходимо включить. |
У симисторного стабилизатора автоматический предохранитель установлен отдельно. Дополнительно применяется обычный клавишный выключатель питания. |
Внутреннее устройство
Настал момент заглянуть внутрь и узнать, чем отличаются релейный и симисторный стабилизаторы на уровне электроники.
В стабилизаторах применяются похожие тороидальные трансформаторы, которые обладают рядом положительных качеств:
-
имеют более компактные размеры
-
более высокий КПД
-
и низкий уровень низкочастотного гула
У симисторного стабилизатора трансформатор имеет бо́льшие габариты и вес. Предполагаю, это связано с тем, что у трансформатора больше обмоток для увеличения количества ступеней регулировки. Либо производитель просто решил поставить в более продвинутую модель чуть более мощный трансформатор. А может и то, и другое. В любом случае это хорошо: больше запас по мощности — меньше нагрев.
В трансформаторах между обмотками интегрированы датчики температуры, которые подключены к микроконтроллерам. Это позволяет контролировать температуру трансформаторов и отключать стабилизатор при критическом перегреве. Безусловно, это хорошее решение.
Основное отличие стабилизаторов — в электронике.
|
В релейном стабилизаторе схема выполнена на одной плате. На ней размещены и силовые элементы, и элементы управления, включая микроконтроллер. Всего установлено шесть реле GK22F-12VDC-C:
|
В симисторном стабилизаторе установлено две платы:
|
Отмечу, что в релейном стабилизаторе нет отдельного источника питания электроники. Напряжение поступает от отдельной обмотки силового автотрансформатора. Т.е. применяется менее дорогое решение.
Внимательный читатель наверняка заметил, что на плате управления симисторного стабилизатора всё же установлено одно реле. Оно, как и в релейном стабилизаторе, применяется для коммутации общей цепи нагрузки:
-
обеспечивает паузу подключения потребителей при первом включении стабилизатора
-
и отключения нагрузки при возникновении аварийной ситуации
Количество переключений у этого реле минимально, поэтому инженеры посчитали нецелесообразным усложнять схему и заменять его на симистор.
На каждом из двух радиаторов установлено по 4 симистора BTA16-800, рассчитаных на ток 16 А и напряжение 800 В.
Радиаторы охлаждаются потоком воздуха от миниатюрного вентилятора 40×40×25 мм. Вентилятор не работает постоянно, а включается только при мощности нагрузки более 30% от допустимой, независимо от нагрева радиаторов. Уровень шума вентилятора сопоставим с работой системы охлаждения среднестатистического офисного ноутбука.
Для предотвращения аварийного перегрева симисторов на радиаторе установлен датчик температуры.
Аварийный перегрев может возникнуть при неисправности вентилятора или при высокой температуре в помещении. В этом случае стабилизатор отключит нагрузку и выведет на дисплей сообщение об ошибке.
|
На обратной стороне единственной платы релейного стабилизатора распаян микроконтроллер HT66F0181. |
В симисторном стабилизаторе применяется микроконтроллер HT66F0185. Он установлен на обратной стороне платы управления. |
Оба микроконтроллера тайваньской фирмы Holtek Semiconductor. Микроконтроллеры имеют одинаковую производительность, но контроллер в симисторном стабилизаторе имеет больше управляющих выходов в связи с увеличенным количеством ступеней регулировки.
Отмечу, монтаж плат обоих стабилизаторов выполнен качественно и с инженерной точки зрения вопросов не вызывает.
Перейдём непосредственно к тестам.
Качество стабилизации выходного напряжения
В характеристиках устройств внимательные читатели наверняка отметили особенность симисторного стабилизатора AVR TRIAC 2000TW —,точность стабилизации ±4% он обеспечивает только в диапазоне входного напряжения от 140 до 250 В.
Но стабилизаторы из обзора могут работать и при более низком входном напряжении — до 100 В. Правда, в таких условиях симисторный стабилизатор обеспечивает точность стабилизации, как у релейного — ±8%.
Напряжение 140 В и менее — аварийная ситуация на сетях. При таких значениях сеть, скорее всего, просто отключится (сработает защита) до устранения неполадок. Поэтому наиболее вероятный сценарий применения стабилизаторов — в диапазоне от 140 В и выше. И тут симисторный явно выигрывает в плане стабильности.
Думаю, разработчики рассуждали именно так. Они не стали усложнять схему ради маловероятных сценариев работы, но оставили симисторному стабилизатору возможность работать при аномально низких значениях сетевого напряжения, пусть и с большей погрешностью.
Для подтверждения заявленных характеристик я оценил реальную способность стабилизаторов поддерживать выходное напряжение при изменении напряжения сети от 100 до 263 В. Результаты ниже на графике.
Обозначения на графике: зелёный цвет — выходное напряжение симисторного стабилизатора, оранжевый — релейного стабилизатора, синий — напряжение сети
|
Релейный стабилизатор имеет 8 ступеней на повышение и одну на понижение и переключается более грубыми шагами. В диапазоне сетевого напряжения от 140 до 250 В минимальное напряжение на выходе релейного стабилизатора составляет 204 В, а максимальное 237 В. Это соответствует заявленным характеристикам даже с учётом погрешностей при измерении. Не забываем, что релейный стабилизатор периодически щёлкает контактами. |
Симисторный стабилизатор имеет больше ступеней регулировки — 14: 12 ступеней на повышение и две на понижение и переключается более мелкими шагами. При снижении сетевого напряжения до 140 В напряжение на выходе симисторного стабилизатора не опускается ниже 209 В, а при увеличении сетевого напряжения до 250 В не поднимается выше 229 В. Это соответствует отклонению от номинала около ±5%. Немного больше, чем заявляет производитель, но всё равно результат очень хороший. |
Отмечу, что наш релейный стабилизатор продвинутый — у него целых 9 ступеней регулировки. Если сравнить симисторный стабилизатор с более простыми релейными моделями, разница в процессах регулировки была бы ощутимее.
Есть ещё такой важный параметр ступенчатых стабилизаторов, как скорость коммутации. То есть время, которое требуется переключающему устройству, чтобы переключить обмотки после того, как система управления приняла решение о регулировке напряжения. Об этом поговорим в следующем разделе.
Скорость коммутации, функция ZeroCross
Минимальная задержка переключения обмоток в релейном стабилизаторе, которую удалось зафиксировать с помощью цифрового осциллографа — чуть более 2 мс.
Время переключения реле — 2 мс
Серия измерений показала, что у релейного стабилизатора время задержки может разниться. В некоторых случаях задержка переключения доходила до 2.5 мс. Скорее всего, разброс во времени зависит от экземпляра реле, которое в данный момент отвечает за коммутацию. Тем не менее, задержка 2−2.5 мс для релейного стабилизатора — очень неплохой результат.
У симисторного стабилизатора переключение происходит минимум в два раза быстрее — порядка 1 мс. И эта задержка постоянна для всех ступеней.
Время переключения симисторов — 1 мс
|
Механические контакты реле имеют нехорошее свойство — «дребезг контактов» в момент соединения. Это может создавать дополнительные помехи в цепях питания в моменты переключений. Например, искрение контактов. |
У симисторов контактов нет, поэтому и такой проблемы не существует в принципе. |
Функция ZeroCross
На осциллограммах выше видно, что переключение обмоток происходит в момент перехода синусоиды через ноль. Это не случайность, а результат работы функции ZeroCross.
Такое переключение вносит минимальные искажения в форму синусоидального напряжения (синус не «рвётся»), что минимизирует возможные помехи.
Мощность нагрузки
Максимальная мощность нагрузки, которая указана в характеристиках стабилизаторов, приведена для номинального входного напряжения, в нашем случае — 220 В. При снижении входного напряжения допустимая нагрузка уменьшается.
Узнаем, как зависит допустимая нагрузка от входного напряжения у наших стабилизаторов — AVR SLIM 2000RW и AVR TRIAC 2000TW.
В инструкциях к стабилизаторам SmartWatt приведены таблицы с допустимой мощностью при определённом входном напряжении (напряжении сети). Чтобы было удобнее смотреть и сравнивать, я свёл эти данные в одну таблицу, а также пересчитал проценты в мощность.
|
Входное напряжение, В |
100 |
140 |
160 |
180 |
200 |
210 |
220 |
240 |
260 |
|
Допустимая мощность нагрузки, % для линейки релейных стабилизаторов AVR SLIM |
35 |
49 |
56 |
68 |
84 |
92 |
100 |
100 |
100 |
|
Допустимая мощность нагрузки, % для линейки симисторных стабилизаторов AVR TRIAC |
39 |
58 |
71 |
80 |
91 |
99 |
100 |
100 |
100 |
|
Допустимая мощность нагрузки для релейного стабилизатора AVR SLIM 2000 RW, ВА |
700 |
980 |
1 120 |
1 360 |
1 680 |
1 840 |
2 000 |
2 000 |
2 000 |
|
Допустимая мощность нагрузки для симисторного стабилизатора AVR TRIAC 2000 TW, ВА |
780 |
1 160 |
1 420 |
1 600 |
1 820 |
1 980 |
2 000 |
2 000 |
2 000 |
Что мы видим:
-
При входном напряжении 220 В стабилизаторы могут работать с нагрузкой в 100% от номинала — 2000 ВА
-
А вот если напряжение в сети снизится до 160 В, то к симисторному стабилизатору можно будет подключить нагрузку уже не более 1420 ВА, а к релейному и вовсе не более 1120 ВА
Такая разница из-за того, что в симисторном стабилизаторе применяется более мощный трансформатор (больше габаритная мощность). Это я отметил выше, при вскрытии устройств.
Для наглядности я показал данные таблицы в виде графиков.
Мощность от входного напряжения
Визуальное представление ещё понятнее показывает, что при одинаковом напряжении сети симисторный стабилизатор может обеспечить питанием более мощную нагрузку.
Тесты под нагрузкой
Проверим как поведут себя стабилизаторы с реальной нагрузкой.
Для обеих моделей стабилизаторов было установлено напряжение сети 155 В. Мощность нагрузки увеличивалась до значения, пока на индикаторе стабилизатора не отобразилось предельное значение в 100%.
Для релейного стабилизатора при входном напряжении 155 В допустимая мощность нагрузки составляет около 1097 Вт (нагрузка активная, поэтому Вт = ВА). Цифра подтверждается графиком и данными таблицы, приведенными выше.
При тестировании симисторного стабилизатора максимальная мощность нагрузки при входном напряжении 155 В составила 1275 Вт.
Это больше, чем может выдать релейный, но меньше заявленных производителем 1350 ВА. Вероятно, в данные таблицы вкралась неточность, потому что даже на графике заметен излом в районе 160 В.
В любом случае, можно делать вывод, что при прочих равных условиях, данная модель симисторного стабилизатора более мощная.
Тестирование стабилизаторов в течение 1 часа при нагрузке в 100% показало, что трансформатор симисторного греется меньше, чем трансформатор релейного стабилизатора.
Реализация защит
У стабилизаторов реализован ряд защитных функций, которые призваны предотвратить выход стабилизатора из строя и обеспечить безопасность для подключенных устройств.
Покажу как работает защита от перегрузки у симисторного стабилизатора. У релейного данная защита реализована аналогично.
Стабилизатор допускает работу при небольшой перегрузке — до 110%. Злоупотреблять этим не стоит, тем не менее, такая возможность есть. Напомню, что выбирать стабилизатор следует всегда с запасом по мощности.
Как работает защита от перегрузки:
-
При потребляемой мощности от 110 до 120% от допустимой, стабилизатор начнёт подавать звуковые сигналы, а на дисплее отобразится индикация о перегрузке
-
Если перегрузка не будет устранена, через 30 секунд стабилизатор отключит выходное напряжение
-
При перегрузке более 120% от допустимой мощности стабилизатор отключит выходное напряжение через 6 секунд
-
Далее с периодичностью в 3 минуты стабилизатор дважды попытается подключить нагрузку. Если перегрузка так и не будет устранена, стабилизатор отключится
Защитные функции стабилизаторов я свёл в одну таблицу. У релейного и симисторного они реализованы одинаково.
Какой стабилизатор напряжения выбрать — релейный или симисторный?
В этом обзоре я протестировал и показал отличия ступенчатых стабилизаторов напряжения SmartWatt: релейного AVR SLIM 2000RW и симисторного AVR TRIAC 2000TW.
Оба стабилизатора имеют общие черты: компактный металлический корпус, тороидальный трансформатор, информативный яркий дисплей, функцию ZeroCross, широкий диапазон входных напряжений и «полный комплект» защит.
Отличия стабилизаторов продиктованы особенностями их схемотехники и элементной базы:
|
Релейный стабилизатор
|
Симисторный стабилизатор
|
В симисторных стабилизаторах сведён к минимуму главный недостаток ступенчатых стабилизаторов — скачкообразное изменение напряжения на выходе. По этой причине, если бы я выбирал стабилизатор в квартиру или дом, то отдал бы предпочтение симисторному.
На мой взгляд этот тип стабилизаторов напряжения — золотая середина по функциональности, надёжности и цене.
К тому же, если предполагается устанавливать стабилизатор сразу на всю квартиру, или дом, то в серии симисторных стабилизаторов SmartWatt есть модели на 5 и 10 кВт — для квартиры или дома достаточно, и даже с запасом, а для дачи тем более.
Впрочем, если требуется запитать нагрузку и хочется сэкономить, то подойдёт и релейный стабилизатор. Например, скважинному насосу небольшие скачки напряжения при стабилизации не страшны, а щелчки реле в котельной всё равно никто не услышит.