Стабилизаторы постоянного напряжения (СПН)

СПН обеспечивают стабильный уровень выходного напряжения источника питания при действии двух дестабилизирующих факторов - нестабильности входного напряжения и изменениях выходного (нагрузочного) тока.

СПН является принципиально нелинейным устройством, связь между выходным напряжением U₂, входным U₁ и выходным током I₂ может быть представлена некоторой функциональной зависимостью

U₂=F(U₁, I₂).

Линеаризуя это уравнение относительно некоторого номинального режима

U₂⁰, U₁⁰, I₂⁰,

получим уравнение для приращений

,

где - коэффициент стабилизации;

(7.1)

- выходное сопротивление.

Соотношения (7.1) являются основными для определения качества стабилизатора. Из (7.1) следует, что для идеального стабилизатора необходимо иметь

k®¥, r₂₂®0.

Различают два типа стабилизатора - параметрические и компенсационные. В параметрических СПН используются стабилизирующие свойства стабилизатора, в которых при изменении тока в режиме электрического пробоя в широких пределах напряжение остается практически неизменным.

Рис. 7.8. Расчетная схема для определения параметров параметрического стабилизатора

Рис. 7.7. Схема параметрического СПН

Схема параметрического (пассивного) СПН приведена на рис. 7.7. Изменение входного напряжения (DU₁) или тока нагрузки (DI₂) в этой схеме приводит лишь к изменению тока через стабилитрон (DI_ст), а напряжение на нем, которое и равняется выходному напряжению, меняется незначительно.

Используя линеаризованные расчетные темы с учетом соотношений (7.1) - рис. 7.8, можно получить значения параметров

(7.2)

Требуемый коэффициент стабилизации согласно (7.2) можно обеспечивать за счет увеличения балластного резистора R₀, хотя это приведет к снижению КПД стабилизатора.

Поэтому в качестве балластного элемента чаще всего используются нелинейные элементы с большим дифференциальным сопротивлением. Наиболее просто такая схема реализуется на полевом транзисторе (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Схема параметрического СПН с нелинейным балластным элементом

В силу особенности сквозной ВАХ полевого транзистора с управляемым р-п-переходом напряжение на стабилитроне одновременно является напряжением смещения транзистора, задающего номинальный ток через стабилитрон I_с⁰. Большое сопротивление для приращений участка сток-исток обеспечивает высокий коэффициент стабилизации в такой схеме. Выходное же сопротивление остается по-прежнему равным дифференциальному сопротивлению стабилитрона, которое у лучших образцов составляет единицы-десятки Ом, что в большинстве случаев является неприемлемым.

Поэтому параметрический СПН целесообразно использовать в системах, где ток нагрузки практически не меняется.

Рис. 7.10. Обобщенная схема СПН компенсационного типа

Близкие к идеальным характеристики можно получить в СПН компенсационного типа на основе усилителей постоянного тока с обратной связью по отклонению выходного напряжения относительно некоторого постоянного (опорного) напряжения вспомогательного источника. Обобщенная структурная схема компенсационного СПН изображена на рис. 7.10. Любые отклонения выходного напряжения от номинального значения выделяются путем сравнения опорного напряжения U₀ и части выходного U_ос, усиливаются и так воздействуют на регулирующий транзистор VT, чтобы свести отклонение к минимуму. Таким образом, в процессе работы меняется только напряжение коллектор-эмиттер регулятора.

Рассматривая схему данного СПН как усилитель с глубокой обратной связью (VT - как выходной каскад усиления мощности), на вход которого подано постоянное напряжение U₀, на основе свойств идеального операционного усилителя, запишем

(7.3)

Если U₀=const, отношение R₂/R₁= const, то из (7.3) следует, что

U₂=const

при действии любых дестабилизирующих факторов. Предельная стабильность выходного напряжения, кроме стабильности U₀, и отношения R₂/R₁ определяется также температурным дрейфом смещения нуля ОУ. Параметры современных прецизионных ОУ позволяют обеспечить практически идеальный СПН.

В качестве опорного источника в принципе можно использовать параметрический стабилизатор с нелинейным балластным резистором. Однако, температурный дрейф, разброс напряжения стабилизации стабилитронов достаточно велик и в микросхемном исполнении чаще всего используются опорные источники, не содержащие стабилитронов. В этих источниках путем выбора соответствующих параметров схемы на его зажимах напряжение равно ширине запрещенной зоны кремния с очень высокой температурной стабильностью. Пример реализации такого источника приведен на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Схема интегрального опорного источника без применения стабилитрона

Рассмотренные выше компенсационные СПН, основой которых являются усилители, работающие в непрерывном режиме, называются линейными. Основным их недостатком являются большие потери мощности на регулирующем транзисторе. Для обеспечения высокого значения КПД, как и в усилителе мощности, можно использовать ключевой режим работы регулирующего транзистора. Простейшая схема такого стабилизатора, называемого ключевым, на принципе адаптивной ШИМ изображена на рис. 7.12.

За счет временного запаздывания сигнала обратной связи, вносимого фильтром L_ф, С_ф - усилитель рассогласования работает в режиме компаратора, вырабатывающего широтномодулированные импульсы управления регулирующим транзистором, который работает в ключевом режиме (выходное напряжение ниже нормы - транзистор открывается, выходное напряжение выше нормы - транзистор полностью запирается). Ключевому стабилизатору принципиально присущ пульсирующий характер выходного напряжения, который сводится к приемлемому уровню за счет высокой чувствительности компаратора.

Рис. 7.12. Ключевой стабилизатор с адаптивной ШИМ