1.5. Стабилизаторы напряжения

Радиоэлектронное устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью требуемую величину постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания или тока нагрузки, называется стабилизато­ром напряжения. В радиоэлектронных устройствах кроме стабилизаторов напряжения применяются стабилиза­торы тока. Стабилиза­торы тока автоматически поддерживают с заданной точностью требуемую величину постоянного тока в нагрузке при изменении напряжения питания или сопротивления нагрузки.

Различают параметрические и компенсационные стабилизаторы, разделяющиеся, в свою очередь, на стабилизаторы непрерывного и импульсного действия (ключевые стабилизаторы). В ряде случаев используются стабилизаторы переменного тока, которые здесь не рассматриваются.

Параметрический стабилизатор напряжения (ПСН) включает в себя балластный резистор R_Б и полупроводниковый стабилитрон VD, напря­жение на котором остается практически постоянным при изменении в некоторых пределах протекающего через него тока (рис. 1.9). Нагрузка R_Н включается параллельно стабилитрону.

Эффективность действия стабилизаторов оценивают коэффициентом ста­билизации, показывающим, во сколько раз относительное приращение выход­ного напряжения меньше вызвавшего его относительного приращения входного напряжения

Основные преимущества ПСН — простота конст­рукции, небольшое количество элементов и высокая надежность, а недостатки — малый коэффициент стабилизации (менее 25) и низкий КПД, малые токи стабилизации, а также узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения.

Принцип действия компенсационных стабилизаторов напряжения (КСН) основан на том, что любое изменение напряжения на нагрузке (вследствие изменения входного напряжения или тока нагрузки) передается на регулирующий элемент, который автоматически препятствует изменению напряжения на нагрузке. КСН по принципу действия является системой с отрица­тельной обратной связью (ООС). Данные устройства делятся на стабилизаторы непрерывного дей­ствия и ключевые (импульсные) стабилизаторы.

Различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типа. Стабилизаторы последовательного типа наиболее широ­ко используют в источниках вторичного питания (рис. 1.10).

В состав последовательного стабилизатора напряжения входит: регулирующий элемент (например, транзистор), включенный последовательно с нагрузкой; измерительный элемент, включаемый параллельно нагрузке; усилитель постоянного тока, усиливающий сигнал рассогласования, который служит управляющим для регулирующего элемента.

Принцип работы КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента таким образом, чтобы напряжение на нагрузке получило минимальные изменения.

Пусть напряжение на входе КСН возросло, что вызывает возрастание напряжения на нагрузке. Измерительный элемент сравнивает напряжение на нагрузке (или часть этого напряжения) с опорным стабильным напряжением, источник которого находится в измерительном элементе. Достаточно часто опорное напряжение формируется с помощью параметрического стабилизатора напряжения или стабилизаторов напряжения в микросхемном исполнении. Возникающий на выходе измерительного элемента сигнал рассогласования усиливается в усилителе постоянного тока и действует на регулирующий элемент, увеличивая его сопротивление. За счет возросшего сопротивления падение напряжения на регулирующем элементе возрастает, а на нагрузке напряжение остается в заданном диапазоне значений.

На рис.1.11 приведены два варианта схем простейших компенсационных стабилизаторов напряжения.

Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора с усилителем сигнала рассогласования на операционном усилителе (ОУ) может достигать несколько тысяч единиц.

Основной недостаток всех компенсационных стабилизаторов непрерывного действия — невысокий КПД (до 50 %), что связано с падением части входного напряжения на регулирующем элементе. Для устранения указанного недостатка были разработаны схемы импульсных (ключевых) стабилизаторов.

Импульсные (ключевые) cтабилизаторы делятся на три основных типа: повышающие, понижающие и инвертирующие. Название стабилизатора отражает одну из решаемых задач.

В понижающем импульсном стабилизаторе (рис.1.12) регулирующим элементом является транзистор VT, управление ключевым режимом работы которого производится блоком управления (БУ).

В схеме стабилизатора используется накопительная индуктивность (дроссель) L, включенная последовательно с нагрузкой R_H. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей введен конденсатор С. В схеме имеется также диод VD (обратный диод), с помощью которого создается контур для протекания постоянного тока через индуктивность и нагрузку при закрытом транзисторе VТ.

Блок управления периодически (период Т) подает на базу транзистора импульсы, действие которых переводит транзистор в ключевой режим (полностью открытый транзистор). В течение длительности импульса управления транзистор открыт, и энергия от выпрямителя передается через дроссель L в нагрузку. По мере нарастания тока происходит заряд конденсатора С, а в индуктивности дросселя L накапливается избыточная энергия.

В течение паузы между импульсами, когда транзистор закрыт, запасен­ная в индуктивности дросселя энергия через обратный диод поступает в нагруз­ку. Такой процесс возврата накопленной в реактивном элементе энергии полу­чил название рекуперации (от лат. — возвращение). Во время действия очередного импульса транзистор вновь открывается, и процесс повториться.

Среднее значение выходного напряжения ключевого стабилизатора зависит от соотношения интервалов открытого (τ) и закрытого ( Т – τ ) состояния транзистора, которыми можно управлять:

Поэтому импульсные стабилизаторы напряжения часто используют в ка­честве преобразователей постоянного напряжения одной амплитуды в другую.

В импульсных стабилизаторах регулирующий транзистор работает в ключевом режиме, что повышает их КПД до 90 %.

Стабилизаторы, в которых используется изменение напряжения стабилизации в зависимости от длительности управляющих импульсов, называются импульсными стабилизаторами с широтно – импульсной модуляцией (стабилизаторы с ШИМ).

В настоящее время широкое применение находят простые и удобные в использовании интегральные компенсационные стабилизаторы. Эти стабилизаторы представляют собой отдельные интегральные микросхемы (например, серий КР142ЕН и КР275ЕН – жаргон от номенклатурного обозначения - «крены») с фиксируемым и регулируемым выходным напряжением от 3 до 30 и более вольт. Входные и выходные напряжения в стабилизаторе могут быть как однополярными, так и двухполярными величинами. Схемотехнически структура интегральных стабилизаторов аналогична структуре стабилизаторов на дискретных элементах с ОУ, однако в них дополнительно введены цепи защиты от перегрузок и короткого замыкания.

Для повышения токовых нагрузок блоков питания с интегральными стабилизаторами параллельно последним включают мощные транзисторы, защищающие ИМС от перегрузок.

Для обеспечения требуемого теплового режима микросхем (как и мощных транзисторов) их устанавливают на специальные радиаторы.

Следует заметить, что все стабилизаторы напряжений (токов) совместно с фильтрами дополнительно уменьшают пульсации напряжения на нагрузке, то есть выполняют функции фильтров, дополняя последние. Часто фильтр является составной частью стабилизатора напряжения.