Почти для всех современных электронных схем очень существенно иметь источник напряжения, у которого выходное напряжение остается постоянным при изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Изменения напряжения источника питания могут вызвать изменения на выходе питаемой схемы, неотличимые от тех изменений, которые создаются истинным входным сигналом, а избыточное напряжение источника питания может привести к разрушению всей схемы. Поэтому хорошо стабилизированный источник питания постоянного тока очень существен для правильной работы как аналоговых, так и цифровых схем. Широкое распространение получили в последние годы интегральные схемы стабилизаторов напряжения, требующие только немногих внешних элементов. Такие интегральные схемы стабилизаторов отличаются превосходными рабочими характеристиками при очень умеренной стоимости. В результате появляется возможность снабдить каждую печатную плату собственным стабилизатором напряжения или стабилизированным источником питания, что позволяет подавать на нее только нестабилизированные напряжения постоянного или переменного тока. При этом повышается надежность системы, так как выход из строя одного стабилизатора напряжения не приводит в нерабочее состояние всю систему в целом. Уменьшаются также трудности, связанные с наводками шумов на длинные провода, распределяющие стабилизированное напряжение постоянного тока, а также с напряжениями, возникающими на шинах питания и земли при переходных процессах. Это достигается за счет расположения стабилизаторов напряжения в непосредственной близости к схемам, потребляющим стабилизированное напряжение.
В интегральном исполнении имеются два главных типа стабилизаторов напряжения линейные и импульсные. Линейные стабилизаторы напряжения для осуществления стабилизации имеют регулирующие элементы, включаемые либо последовательно (проходные), либо параллельно нагрузке.
Из блок-схемы стабилизатора последовательного действия, представленной на рис. 41, а, следует, что для того, чтобы удержать выходное напряжение постоянным, на проходном регулирующем элементе (обычно транзисторе) должно устанавливаться соответствующее падение напряжения. Стабилизатор параллельного действия, показанный на рис. 41, б, использует регулирующий элемент (обычно транзистор), включенный параллельно нагрузке. При этом удерживается постоянным ток, протекающий через нагрузку. Если напряжение на нагрузке падает, то шунтирующий нагрузку регулирующий элемент уменьшает свою проводимость, заставляя тем самым большой ток протекать через нагрузку. Увеличенный ток нагрузки вызывает увеличение напряжения на нагрузке до своего исходного значения. Постоянное потребление большого тока в стабилизаторах параллельного действия оказывается очень неэффективным при низких токах нагрузки. Потому в настоящее время такие стабилизаторы редко используются.
а
б
Рис. 41. Типы линейных стабилизаторов напряжения.
а – стабилизатор последовательного действия; б – стабилизатор параллельного действия. Uвх – нестабилизированное входное напряжение постоянного тока, Uу.э – напряжение управляющего элемента, U*вых – доля выходное напряжения, ИОН – источник опорного напряжения, Uвых – стабилизированное выходное напряжение постоянного тока, R – последовательный резистор, Iо – общий ток, Iн – ток нагрузки, Iу.э – ток управляющего элемента.
Импульсный стабилизатор составляет второй основной тип стабилизаторов напряжения. Регулирующий элемент (биполярный транзистор или мощный полевой МОП-транзистор) управляется так, что он либо полностью включен, либо выключен и рассеивает заметную мощность только во время включенного состояния. На рис. 42, а показана блок-схема импульсного стабилизатора.
а
б
Рис. 42. Импульсный стабилизатор.
а – блок-схема; б – широтно-импульсное регулирование (слева – при малом токе нагрузки, справа – при большом токе нагрузки). Uкл.э – выходное напряжение ключевого элемента, ШИМ – широтно-импульсная модуляция.
Если времена переключения существенно короче по сравнению с промежутками времени пребывания транзистора во включенном и отключенном состояниях, то регулирующий элемент рассеивает очень малую часть входной мощности. Таким образом, импульсные источники питания значительно более эффективны, чем линейные. Коэффициент полезного действия импульсных источников питания часто превышает 90 %, в то время как к. п. д. источников питания с непрерывно действующим проходным регулирующим элементом редко достигает 70 – 80 %, а чаще гораздо ниже за счет мощности, потребляемой последовательно включенным регулирующим транзистором. Стабилизация в импульсных источниках питания достигается за счет изменения времен включенного и отключенного состояний регулирующего элемента. Чем дольше регулирующий элемент находится во включенном состоянии, тем выше выходное напряжение. Это называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и иллюстрируется на рис.42, б. Катушки индуктивности и конденсаторы используются для фильтрации выходного напряжения. Если частота достаточно высока, то можно использовать небольшие катушки индуктивности и конденсаторы. Большинство импульсных стабилизаторов работает на частотах в диапазоне от 5 до 100 кГц, так что элементы фильтра получаются небольшими по размерам и легкими по весу. В общем, импульсные стабилизаторы меньше, легче, сложнее и дороже линейных стабилизаторов. Однако линейные стабилизаторы дают несколько лучшую стабилизацию и более быстро протекающий переходный процесс.
Имеется много модификаций импульсных стабилизаторов. В этой главе будут рассмотрены лишь несколько основных типов,
