Стабилизаторы постоянного напряжения

Нормальная работа электронной аппаратуры возможна при поддержании напряжения питания в заданных допустимых пределах. Например, для питания измерительных устройств, работающих с точностью 0,1%, требуется стабильность напряжения питания 0,01%. Большинство выпрямителей не обеспечивают заданной стабильности напряжения. Изменение питающего напряжения может произойти из-за изменения напряжения в сети переменного тока или из-за изменения постоянного тока в аппаратуре. С изменением сопротивления нагрузки изменяется ток и падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямительных устройств, что приводит к изменению питающего напряжения.

Для поддержания напряжения питания в допустимых пределах между фильтром и нагрузкой включается устройство, называемое стабилизатором напряжения. Стабилизатор напряжения поддерживает напряжение питания аппаратуры с заданной точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в заданных пределах. После стабилизатора включается устройство защиты стабилизатора от перегрузок.

Параметрические стабилизаторы постоянного напряжения

В качестве нелинейных элементов в них применяются кремневые или газоразрядные стабилитроны (рисунок 5).

Рисунок 5 – Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения

Так как при использовании кремневых стабилитронов используется участок обратной ветви вольтамперной характеристики, то стабилитрон включается анодом к минусу, а катодом к плюсу входного напряжения. Сопротивление гасящего резистора R_Г и нагрузки R_Н выбираются таким образом, чтобы ток в цепи I_вх= I_ст.ср.

При увеличении (уменьшении) входного напряжения U_вх ток стабилитрона I_ст увеличивается (уменьшается) в пределах от I_ст минимум до I_ст максимум, а ток I_н остается постоянным. Этим обеспечивается стабильность напряжения на нагрузке.

Параметрические стабилитроны напряжения просты и надежны, однако имеют существенные недостатки:

Малый коэффициент стабилизации, малый коэффициент полезного действия, малая мощность, невозможность регулирования выходного напряжения, хорошо работают на постоянную нагрузку.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Принцип стабилизации напряжения сети можно рассмотреть на примере схемы (рисунок 6). Схема состоит из регулирующего элемента Р, измерительного элемента U(PV) и оператора (У). При изменении напряжения сети U_вх или тока нагрузки I_н в заданных пределах выходного напряжения U_вых должно оставаться постоянным. Согласно второго закона Кирхгофа U_вых= U_вх-U_р=const. Для поддержания постоянства выходного напряжения оператор должен изменять положение движка переменного резистора с учетом показаний вольтметра.

Рисунок 6 – Прнцип работы стабилизатора напряжения

Рассмотренная схема (рисунок 6) приемлема при медленных изменениях U_вх и I_н. В реальных устройствах U_вх и I_н могут изменяться в импульсном режиме или с большой скоростью. Поэтому стабилизаторы должны изготовляться на элементах с большим быстродействием, т.е. с использованием транзисторов и микросхем.

Стабилизаторы могут быть выполнены с последовательным (рисунок 7 а) и параллельным (рисунок 7 б) включением регулирующего элемента относительно нагрузки.

В последовательной схеме регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой и постоянство выходного напряжения достигается за счет изменения падения напряжения на самом регулирующем элементе. В параллельной схеме регулирующий элемент включен параллельно с нагрузкой, а постоянство выходного напряжения поддерживается за счет изменения тока через регулирующий элемент, в результате изменяется падение напряжения на гасящем (балластном) сопротивлении R_r, включенном последовательно с нагрузкой.

Схема с параллельным включением регулирующего элемента применяется лишь в маломощных стабилизаторах из-за низкого КПД, так как мощность расходуется на гасящем резисторе R_r и включенном параллельно нагрузке регулирующем элементе Р. Достоинством этой схемы является то, что такой стабилизатор не боится перегрузок и коротких замыканий.

Стабилизаторы с последовательным включением регулирующего элемента обладает более высоким КПД и находит более широкое применение. Принцип работы такого стабилизатора следующий. Пусть напряжение U_вх возросло, что в первый момент приведет к некоторому увеличению напряжения U_вых.

На измерительный элемент И поступит повышенное напряжение (или часть его). Измерительный элемент автоматически сравнивает напряжение U_вых с эталонным напряжением (источник эталонного напряжения находится в самом измерительном элементе) и вырабатывает сигнал рассогласования U_v. Этот сигнал усиливается усилителем У и поступает на регулирующий элемент Р. Под воздействием напряжения U_у регулирующий элемент увеличивает сопротивление. На возросшем сопротивлении регулирующего элемента увеличивается падение напряжения U_р настолько, насколько произошло увеличение входного напряжения, и выходное напряжение будет почти неизменным. Таким образом, насколько увеличится (уменьшится) выходное напряжение, настолько увеличится (уменьшится) падение напряжения на регулирующем элементе (т.е. произойдет компенсация входного напряжения), и выходное напряжение U_вых= U_вх-U_р останется постоянным. Поэтому такие стабилизаторы получили название компенсационных.

Принцип работы стабилизатора с параллельным включением регулирующего элемента описывается уравнением U_вых=U_вх-U_Rг=const. При изменении входного напряжения или тока нагрузки в заданных пределах ток регулирующего элемента I_р (т.е. падение напряжения U_Rг) изменяется таким образом, что выходное напряжение U_вых остается постоянным.

При напряжениях до 150 В применяются полупроводниковые стабилизаторы, так как они имеют малые габариты и массу, высокую надежность и большую долговечность. В последовательном полупроводниковом компенсационном стабилизаторе (рисунок 8) в качестве регулирующего элемента используется транзистор VT1, усилителя постоянного тока ─ транзистор VT2 и резистор R2. В качестве измерительного элемента применен мост, состящий из резисторов R4… R6 и параметрического стабилизатора, состоящего из стабилитрона VD5 и ограничительного резистора R3. К диагонали моста вг приложено выходное напряжение стабилизатора, а к диагонали аб присоединен участок эмиттер ─ база транзистора VT2.

При подключении к стабилизатору входного напряжения в нем протекают токи: ток делителя (плюс ─R6─ R5─ R4─ эмиттер VT1 ─ коллектор VT1 ─ минус); ток параметрического стабилизатора (плюс VD5─ R3─эмиттер VT1─ коллектор VT1 ─минус); ток коллектора VT2 (плюс ─ VD5 ─ VT2─коллектор VT2─ R2─минус); ток нагрузки (плюс ─ R_н(R8, R7) ─ эмиттер VT1─ коллектор VT1─ минус).

При уменьшении выходного напряжения, вызванного возрастанием тока нагрузки или уменьшением входного напряжения, уменьшается ток делителя. Падение напряжения на резисторе R6 и части резистора R5 уменьшится, что приведет к уменьшению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2. Так как к эмиттеру транзистора VT2 приложено эталонное напряжение U_оп, то ток коллектора транзистора R6уменьшится пропорционально уменьшению входного напряжения. Падение напряжения на резисторе R2, приложенное плюсом к базе транзистора VT1, уменьшится, а следовательно, потенциал базы станет более отрицательным по отношению к эмиттеру. Напряжение U_ЭБ1 возрастает, и сопротивление транзистора уменьшится. При правильно выбранных параметрах схемы падение напряжения на транзисторе уменьшится настолько, насколько увеличится входное напряжение. Выходное напряжение при этом стремится к прежнему значению.

При увеличении входного напряжения или уменьшении тока нагрузки процесс регулирования происходит таким образом, что напряжения U_ЭБ1 регулирующего транзистора понижается, сопротивление регулирующего элемента увели­чится и выходное напряжение стремится к прежнему значению.

Процесс регулирования происходит практически мгновенно.

При повороте оси переменного резистора R5 изменяется напряжение U_ЭБ1, что обеспечивает плавную регулировки выходного напряжения в заданных пределах от номинального значения. Для улучшения сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и подавления импульсных помех сопротивление верхнего плеча делителя шунтируется конденсатором С2.

При коротком замыкании нагрузки резко увеличивается ток в регулирующем транзисторе и возрастает падение напряжения на нем. Это может привести к выходу из строя транзистора VT1 как из-за увеличения мощности потерь, так и из-за возможного пробоя переходов.

Для защиты стабилизатора от перегрузок и коротких замыканий в его схему вводятся дополнительные элементы, которые в режиме перегрузки и короткого замыкания вырабатывают напряжение, запирающие транзистор VT1. В простейшем случае защита от коротких замыканий в стабилизаторах малой мощности может быть выполнена подбором сопротивления резистора R1 таким, чтобы выходной ток в режиме короткого замыкания не превышал максимально допустимого тока коллектора транзистора VT1 и выпрямительного моста.