4.СТАБИЛИЗАТОРЫНАПРЯЖЕНИЙ

4.1.Линейные стабилизаторы

4.1.1.Назначениестабилизаторовнапряжения

Вбольшинстве случаев электронные устройства должны запитываться от специальных коммерчески доступных микросхем, на-

зываемыхстабилизаторами напряжения. Их особенностью является способность поддерживать заранее известное неизменное

напряжение на выходных зажимах при измененияхотбираемого от них тока и условий эксплуатации, например температуры и входного напряжения.

Упрощенная схема стабилизатора напряжения приведена на рис. 4.1.

По существу стабилизатор напряжения преобразует реальный

источник энергии с его выходным напряжением Uн, зависящим от отдаваемого им тока Iн, в практически идеальный источник напря-

жения с его выходным напряжениемUн = const, не зависящим от отбираемого от него токаIн = var.

107

Достигается это использованием в стабилизаторе принципа электронной следящей системы. Выходное напряжение Uн здесь

Здесь Ku – усиление регулятора мощности (РМ) по напряжению; βос ≤ 1 – коэффициент обратной связи.

Приβос Ku >> 1 соотношение (4.1) преобразуется к виду

где ε = 1/(βос Ku) – ошибка поддержания выходного напряжения

постоянным.

Очевидно, чтоприUоп = const выходное напряжение постоянно и не зависит от выходного тока.

Выходное напряжение стабилизатора можно менять,как следует из (4.1), если изменять глубину отрицательной обратной связи.

При βос = 1 выходное напряжение Uн = Uоп, при βос < 1 Uн > Uоп. К сожалению, при уменьшении βос увеличивается погрешность

стабилизации (4.2).

Таким образом, любой стабилизатор напряжения компенсирует

изменения напряжения, поступающего на его входные зажимы, обеспечивая постоянство напряжения на выходных зажимах. Ток,

поступающий во входные зажимы, практически равен выходному току и определяется только сопротивлением нагрузки, подключаемой к выходу стабилизатора.

4.1.2.Схемотехникаупрощенногостабилизаторанапряжения малой мощности

Источники опорного напряжения. В со ответствии с блок-

схемой (рис. 4.1) в состав стабилизатора входит источник опорнго напряжения. Как следует из 4(.1), он определяет качество ста-

билизатора. В качестве источника опорного напряжения можно использовать p-n переход как в прямом, таки в обратном включении.

108

На рис. 4.2, а представлена схема источника опорного напряжения (ИОН) на основе прямо смещенногоp-n перехода. Здесь используется вольт-амперная характеристика, практически параллельная оси токов. Обязательным элементом схемы источника опорного напряжения, помимо диода, является балластный рези-

стор Rб.

Если выбором Rб в схеме обеспечить токI0 = (U0 – 0,7В)/Rб, то

при ±∆ U < U0 – 0,7В в цепитечетток ±∆I, не выходящий за пределы практическивертикального участка вольт-амперной характеристики (рис. 4.2, б).

в

Рис. 4.2

При этом изменения напряжения наp-n переходе ±∆Uвых ока-

жутся очень малыми, существенно меньшими±∆U. p-n переход в этом режиме определяется как известно малым динамическим сопротивлением rд = ∆Uвых/∆I << Rб. Схема цепи для приращения входного напряжения представлена на рис. 4.2, в. Она ослабляет изменения входного напряжения в число раз, равное

K = ∆Uвых/∆Uвых = rд/(rд + Rб).

Такая схема обеспечивает приблизительно постоянное напряжение на выходных зажимах, равное 0,7 В, при изменениях входного напряжения в достаточно широких пределах. Это и есть простейший, достаточно грубый, источник опорного напряжения.

109

Недостаток такого источника – изменчивость опорного напряжения при изменении входного. Это связано с некоторой непараллельностью рабочей ветви характеристики перехода оси токов (рис. 4.2, б). Дополнительно опорное напряжение здесьменяется с

изменением температуры перехода со скоростью 2,5мВ/°С. Лучшая стабильность опорного напряжения достигается в слу-

чае обратно смещенных p-n переходов, работающих в режиме электрического пробоя − стабилитронов (рис. 4.3).

Здесь участок АВ вольт-амперной характеристики более крутой (на рис.4.3 картина сильно искажена). В таких схемах формирует-

ся, как и раньше, достаточно грубый источник опорного напряжения величинойUст0 (рис. 4.3, б). Как известно, существующие ста-

билитроны имеют Uст0 либо меньше 6 В, либо больше. У первых температурный коэффициент Uст0 отрицателен, а у вторых положителен.

И в том, и в другом случае использование p-n переходов для создания источников опорных напряжений приводит к тому,

опорное напряжение здесь достаточно заметно варьируется с изменением тока через переход, вызванным изменениями напряже-

ния на входе цепи.

Улучшенные источники опорных напряжений. Коль скоро при-

чиной погрешности рассмотренных источников опорных напряжений является изменчивость тока через переход, то логично обеспечить его постоянство при изменениях входного напряжения.

Этолегкоосуществляется введением электронного источника тока в схему источника опорного напряжения(рис. 4.4), гарантирующе-

го постоянство тока через стабилитрон.

110

б

Рис. 4.6

Поскольку даже при постоянном токе через переход падение напряжения на нем зависит от температуры, то в схемы источников напряжения вводят температурно компенсирующие элементы.

Упрощенный маломощный стабилизатор напряжения. Схемы,

представленные на рис. 4.6, а, б, являются не только источниками опорных напряжений, но и одновременно маломощными стабилизаторами напряжений. Их выходное напряжение не зависит от изменчивости входного напряжения, если U0 больше падения напряжения на прямо или обратно смещенном p-n переходе. Не зависит оно и от тока нагрузкиIн, если он не превышает максимальный выходной ток операционного усилителя. К сожалению, он мал, и такие стабилизаторы напряжения маломощны.

112