Линейные стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение на нагрузке при изменении в определенных пределах таких дестабилизирующих факторов, как напряжение первичного источника, сопротивление нагрузки, температура окружающей среды.

Существует два вида стабилизаторов – параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор использует элементы, в которых напряжение остается неизменным при изменении протекающего через них тока. Такими элементами являются стабилитроны, в которых при изменении тока в очень широких пределах падение напряжения изменяется на доли процента. Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения представлена на рисунке 6.

Рисунок 6

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на сравнении фактического напряжения на нагрузке с эталонным и увеличении или уменьшении в зависимости от этого отклонения выходного напряжения. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 7А, а принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 7Б.

Эталонное напряжение формируется источником опорного напряжения ИОН. В сравнивающем элементе СЭ происходит сравнение напряжения на нагрузке с эталонным и выработка управляющего сигнала рассогласования. Этот сигнал усиливается усилителем У и подается на регулирующий элемент РЭ, который обеспечивает такое изменение выходного напряжения, которое приводит к приближению фактического напряжения на нагрузке к эталонному значению.

Рисунок 7

В простейшем компенсационном стабилизаторе (Рисунок 7Б) опорным напряжением является напряжение U_ст стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом – транзистор VT.

Поскольку нагрузка транзистора VT в цепи эмиттера, то это схема с общим коллектором и выходное напряжение определяется по формуле:

U_вых = U_ст – U_ЭБ.

Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка располагалась на середине линейного участка его входной характеристики. Напряжение U_ЭБ при этом составляет для кремниевого транзистора составит ≈ 0,7 В.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке U_вых уменьшилось. Это приведет к увеличению падения напряжения U_ЭБ = U_ст - U_вых, что, в свою очередь, увеличит степень открытия транзистора. В результате падение напряжения на транзисторе U_КЭ уменьшится, а, значит, увеличится напряжение на нагрузке U_вых = U_вх - U_КЭ, и в итоге напряжение на нагрузке восстановится. Аналогичное восстановление выходного напряжения произойдет и при его увеличении. Только в этом случае произойдет уменьшение степени открытия транзистора и соответствующее увеличение падающего на нем напряжения U_КЭ.

Транзистор включен по схеме с общим коллектором и его входным напряжением является U_СТ. Так как I_Б<<I_Н, схема позволяет отдавать в нагрузку значительную мощность. Коэффициент стабилизации такой схемы составляет К_СТ = 150…300. В рассмотренной схеме сигнал рассогласования формируется на самом регулирующем транзисторе. Более высокую степень стабилизации обеспечивают схемы, в которых на базу регулирующего транзистора поступает предварительно усиленный сигнал рассогласования. В рассмотренных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор всегда открыт, а само регулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.

Более современными являются стабилизаторы напряжения, выполненные в виде интегральных микросхем. Именно такой стабилизатор напряжения используется в учебном стенде и представлен на рисунке 8.

Рисунок 8

        Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор напряжения, являются:

1) Коэффициент стабилизации Kст, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

Kст = (ΔUвх / Uвх) : (ΔUвых / Uвых),

где Uвх и Uвых - номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора, ΔUвх и ΔUвых  - изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2) Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении:

Rвых = ΔUвых / ΔIвых ,  при Uвх = const.

3) Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности:

h = (Uвых ∙ Iвых)  / (Uвх ∙ Iвх) .