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 8.

 

Рисунок 8.

 

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 9А, а принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9Б.

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 9

 

В простейшем компенсационном стабилизаторе (Рисунок 9Б) опорным напряжением является напряжение U_CT 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:

Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка располагалась на середине линейного участка его входной характеристики. Напряжение U_ЭБ при этом 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 выходным напряжение является U_СТ. Так как I_Б << I_H, 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 10.

 

 

Рисунок 10

Основными параметрами, характеризующими стабилизатор напряжения, являются:

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

,

где U_ВХ и U_ВЫХ – номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора, ΔU_ВХ и ΔU_ВЫХ – 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:

, при U_ВХ = const.

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