3.2. Стабилизирующие ивэп с линейными стабилизаторами

Если нагрузка не допускает изменения питающего напряжения в тех пределах, которые задаются первичным источником, приходится стабилизировать выходное напряжение ИВЭП. При небольшой мощности (примерно до 10 Вт) стабилизацию можно осуществить, используя аналоговые методы регулирования. Такие стабилизаторы принято называть линейными.

Линейные стабилизирующие источники питания занимают значительную нишу в устройствах где невысокий КПД таких источников не играет особой роли, например в стационарном наземном оборудовании, для которого принудительное воздушное охлаждение — не проблема. Сюда же относятся приборы, в которых измерительные цепи настолько чувствительны к электрическому шуму, что требует электрически "тихого" источника питания. Среди таких приборов можно назвать аудио и видео-усилители, цифроаналоговые преобразователи высокой разрядности и т.п. Линейные стабилизаторы популярны также в качестве локальных, встроенных в плату стабилизаторов. В этом случае плате требуется лишь несколько ватт, поэтому еще несколько ватт, ушедших в тепло, могу быть рассеяны с помощью простого радиатора.

Линейные стабилизаторы бывают параметрическими и компенсационными. В параметрических стабилизаторах постоянство выходного напряжения обеспечивается особыми свойствами используемого в нем нелинейного элемента, в компенсационных − действием отрицательной обратной связи. Компенсационные линейные стабилизаторы являются более точными устройствами чем параметрические, то есть они позволяют поддерживать выходное напряжение на заданном уровне с меньшей погрешностью. Кроме того, компенсационный стабилизатор позволяет регулировать выходное напряжение.

Схема параметрического стабилизатора на полупроводниковом стабилитроне приведена на рис. 3.7, а.

а)

б)

Рис. 3.7

Стабилитрон имеет вольтамперную характеристику (рис. 3.7,б) с участком обратной ветви, где напряжение U_ст мало зависит от тока стабилитрона I_ст. Этот участок существует благодаря обратимому лавинному пробою p-n-перехода стабилитрона, возникающего если приложенное в обратном направлении напряжение превысит некоторый уровень. Допустимый диапазон изменения тока стабилитрона ограничивается снизу началом лавинного пробоя, а сверху переходом лавинного пробоя в необратимый тепловой пробой, приводящий к выходу стабилитрона из строя. В схеме параметрического стабилизатора работу стабилитрона VD1 в этом диапазоне токов обеспечивает токоограничивающий резистор R_огр. Его сопротивление

R_огр= (U_вх- U_ст)/(I_ст+I_н),

где U_ст− напряжение на выходе стабилизатора, I_ст− задаваемый ток стабилитрона, I_н− ток нагрузки.

Стабильность выходного напряжения параметрического стабилизатора в основном определяется двумя параметрами стабилитрона: дифференциальным сопротивлением и температурным коэффициентов напряжения стабилизации. Дифференциальное сопротивление задает наклон лавинного участка характеристики стабилитрона, и чем оно меньше, тем меньше выходное напряжение параметрического стабилизатора зависит от входного напряжения и тока нагрузки. Температурный коэффициент напряжения показывает изменение напряжения стабилизации при изменении температуры кристалла стабилитрона. В спецификациях он обычно приводится в процентах от номинального напряжения стабилизации на один градус Цельсия.

Номинальное напряжение стабилизации задается при изготовлении стабилитрона. Для получения требуемого выходного напряжения необходимо выбрать стабилитрон с нужным напряжением стабилизации. Электронная промышленность выпускает стабилитроны с напряжением стабилизации от 3,3 В до нескольких сотен вольт.

Компенсационный линейный стабилизатор можно реализовать по двум схемам: последовательной и параллельной. Определяющим признаком является включение регулирующего элемента по отношению к нагрузке. Стабилизаторы с последовательным включением регулирующего элемента получили гораздо большее распространение. Упрощенная схема последовательного компенсационного стабилизатора напряжения позволяющая понять принцип его действия приведена на рис. 3.8.

Рис. 3.8

Основными элементами схемы являются источник опорного напряжения U_оп, усилитель ошибки DA1, регулирующий транзистор VT1, выходной делитель R2, R3. Выход усилителя подключен к базе регулирующего транзистора VT1, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Для нормальной работы стабилизатора необходимо, чтобы входное напряжение было больше требуемого выходного напряжения. Стабильное опорное напряжение подается на неинвертирующий вход дифференциального усилителя ошибки. На инвертирующий вход с делителя на резисторах R2, R3 поступает часть выходного напряжения. Усилитель усиливает разницу этих напряжений, называемую ошибкой регулирования. Если коэффициент усиления достаточно большой (на практике он может достигать нескольких тысяч) напряжения на входах усилителя будут очень близки, и можно записать уравнение

U_выхR3/(R2+R3) ≈ U_оп .

Решив его относительно U_вых получим выходное напряжение

U_вых ≈ U_оп (R2/ R3+1).

Выходное напряжение зависит в основном от опорного напряжения и соотношения резисторов делителя и не зависит от входного напряжения и тока нагрузки. Нагрузочная способность стабилизатора определяется регулирующим транзистором, а именно допустимым током коллектора, рассеиваемой мощностью и коэффициентом передачи тока базы. Если требуется повысить нагрузочную способность, в качестве регулирующего применяют составной транзистор Дарлингтона.

Важным параметром стабилизатора является КПД

η= Р_вых/Р_вх=U_выхI_вых/U_вхI_вх.

Входной ток стабилизатора равен сумме выходного тока и тока потребляемого внутренними цепями: усилителем ошибки, делителем напряжения и т.п. В номинальном режиме суммарный ток внутренних цепей на несколько порядков меньше выходного тока. С учетом этого

η ≈ U_вых/U_вх.

Линейные стабилизаторы в настоящее время широко представлены на рынке готовыми интегрированными решениями, предлагаемыми многими производите­лями полупроводниковых приборов. Они требуют минимального числа внешних компонентов. Исключение составляют стабилизаторы с выходным напряжением более 50−70В при разработке которых требуются нестандартные оригинальные решения и индивидуальный подход.

Интегральные схемы стабилизаторов принято объединять в серии. Широко известны серии трехвыводных стабилизаторов на выходной ток до 1 А с фиксированным положительным (78ХХ) и отрицательным (79ХХ) напряжением. Например, LM7812 − стабилизатор с выходным напряжением +12 В. Аналогичные стабилизаторы малой мощности образуют серии 78LХХ и 79LХХ. Схемотехника стабилизаторов этих серий базируется на биполярных транзисторах, требующих напряжения регулирующего элемента не менее 2−2,5 В. Для уменьшения потерь разработаны стабилизаторы с уменьшенным минимальным напряжением регулирующего транзистора (серия LDO). Разница между входным и выходным напряжением таких стабилизаторов может составлять десятые доли вольта. Кроме стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением выпускаются стабилизаторы, позволяющие с помощью внешнего делителя регулировать выходное напряжение.