Стабилизаторы напряжения (СН)

Почти для всех современных электронных схем особенно измерительных приборов очень существенно иметь источник напряжения, у которого остается постоянным при изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Изменения напряжения источника питания могут вызвать изменения напряжения на выходе питаемой схемы, неотличимые от тех изменений, которые создаются истинным входным напряжением, а избыточное напряжение ИП может привести к разрушению всей схемы.

Широкое распространение в последнее время получили интегральные схемы стабилизаторов напряжения, требующие только немного внешних элементов.

В интегральном исполнении имеются два главных типа стабилизаторов напряжения – линейные и импульсные.

Линейные СН для осуществления стабилизации имеют регулирующие элементы, включаемые либо последовательно (проходные), либо параллельно нагрузке.

Из блок-схемы СН последовательного действия следует, что для того, чтобы удержать выходное напряжение постоянным на проходном регулирующем элементе обычно транзисторе должно устанавливаться соответствующее падение напряжения.

СН параллельного действия использует регулирующий элемент (обычно транзистор) включенный параллельно нагрузке. При этом удерживается постоянным ток, протекающий через нагрузку. Если напряжение на нагрузке падает, то шунтирующий нагрузку РЭ уменьшает свою проводимость, заставляя тем самым больший ток протекать через нагрузку.

Увеличенный ток нагрузки вызывает увеличение напряжения на нагрузке до своего исходного значения.

Постоянное потребление большого тока в СН параллельного действия оказывается очень неэффективным при низких токах нагрузки. Поэтому такие СН используются редко.

Второй основной тип СН – импульсный стабилизатор напряжения. Регулирующий элемент (транзистор), управляется так, что он либо полностью включен, либо выключен и рассеивает значительную мощность только во время включенного состояния.

Если времена переключения существенно короче по сравнению с промежутками времени пребывания транзистора во включенном и отключенном состояниях, то РЭ рассеивает очень малую часть входной мощности. Таким образом, КПД ИСН часто превышает 90% в то время как КПД ЛСН≤70-80%, а чаще гораздо ниже за счет мощности, потребляемой последовательно включенным проходным транзистором.

Стабилизация в ИСН достигается за счет изменения времен включенного и отключенного состояний РЭ. Чем дольше РЭ находится во включенном состоянии, тем выше выходное напряжение. Это так называемая широтноимпульсная модуляция (ШИМ) LC-фильтр используется для фильтрации выходного напряжения. Большинство ИСН работают на частотах 5¸100кГц. Поэтому элементы фильтра небольшие по габаритам. В общем случае ИСН меньше, легче, сложнее и дороже линейных стабилизаторов. Однако ЛСН имеют несколько лучшую стабилизацию и более быстро протекающий переходной процесс. (В особо ответственных случаях идеальной является последовательная комбинация грубого импульсного и прецизионного линейного стабилизатора).

Линейные стабилизаторы последовательного действия

Простейшим последовательным СН является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения. Опорное напряжение может быть получено при помощи стабилитрона из нестабилизированного напряжения . За счет ООС по напряжению стабилизатора устанавливается равным величине .

Колебания входного напряжения сглаживаются благодаря малому дифференциальному сопротивлению стабилитрона . Изменение выходного напряжения составляет:

Для рассмотренной схемы он составляет10¸100.

Схема последовательного стабилизатора с замкнутой ОС

В данной схеме стабилизатора определяется параметрами эмиттерного повторителя. Оно может быть еще больше снижено за счет применения регулирующего усилителя, охваченного ООС.

Преимуществом данной схемы является то, что может быть точно отрегулировано путем изменения отношения сопротивлений, кроме того оно практически не зависит от напряжения транзистора.

Здесь VT1 – проходной регулирующий транзистор, VT2 – усилитель тока для VT1. Т.к. большинство мощных последовательно включаемых транзисторов имеют , то транзисторы VT1,2 включены по схеме Дарлингтона. Выход VT1 на нагрузку берется с эмиттера, так что VT1,2 обеспечивают усиление по току. Здесь ОУ включен в схему неинвертирующего усилителя на вход которого подано опорное напряжение со стабилитрона VD.

Выходное напряжение:

Стабилитрон работает следующим образом: если уменьшается либо под влиянием уменьшения , либо увеличения тока нагрузки , то также уменьшается, а остается постоянным. Разность возрастает. возрастает, что вызывает дополнительное отпирание VT1,2. При этом уменьшается, следовательно, возрастает. Этот процесс будет продолжаться до тех пор пока . Т.е. пока не достигнет значения, которое было до изменения. Если возрастет, то процесс в системе протекает в обратном направлении.

Т.к. и весь ток нагрузки протекает через VT1 то КПД стабилизатора непосредственно зависит от . Для получения высокого КПД должна быть малой. Для обеспечения линейности необходимо чтобы:

Для большинства мощных транзисторов достаточно для обеспечения линейности. Поэтому для надежной работы транзисторов VT1,2 в линейном режиме необходимо, чтобы

Нестабилизированное входное напряжение обычно имеет пульсации. Поэтому:

.

В данной схеме величина ограничена максимальным значением напряжения питания ОУ.

.

Т.к. вывод питания соединен с землей, то положительное напряжение питания можно удвоить, не опасаясь превысить его предельно допустимых параметров.

Уравнение, связывающее изменение с изменением будет иметь вид:

где - сопротивление нагрузки

- динамическое сопротивление коллектора ( )

При использовании составного транзистора, то , а уравнение выходного напряжения в зависимости от изменения выходного тока.