Линейные стабилизаторы напряжения

Выходное напряжение на выходе фильтра обычно имеет значительные пульсации, так как емкости конденсаторов не могут быть выбраны бесконечно большими. Кроме того, выходное напряжение таких схем сильно зависит от колебаний напряжения сети и изменения нагрузки. Для уменьшения влияния этих факторов обычно используют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатор напряжения (СН) – это устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Обычно СН представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования напряжения, в которой выходное напряжение поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, создаваемому специальным источником опорного напряжения (ИОН). Стабилизаторы такого типа, называемые компенсационными, содержат регулирующий элемент (биполярный или полевой транзистор), включаемый последовательно или параллельно нагрузке. Регулирующий элемент может работать в активном (непрерывном) режиме, в этом случае стабилизатор называется линейным или с непрерывным регулированием, а также в ключевом режиме. В этом случае стабилизатор называется ключевым или импульсным.

Линейные стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. Параметрические стабилизаторы являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Схема и принцип действия такого стабилизатора рассматривались в главе 4.

Параметрические стабилизаторы применяются в основном для построения источников опорного напряжения (ИОН). Так как стабильность ИОН определяет качество компенсационных стабилизаторов, то к стабилитронам применяются особые требования по стабильности характеристик. Чтобы повысить коэффициент стабилизации, применяют температурно-компенсиро-ванные двух- и трехвыводные стабилитронные интегральные микросхемы. Такие ИМС имеют в своем составе транзисторы, операционные усилители и обладают весьма стабильными характеристиками. На рис.17.2, а показана схема источника опорного напряжения TL431С (отечественный аналог – 142ЕН19). Это недорогой источник опорного напряжения на «программируемом стабилитроне», его схема включения показана на рис.17.2, б.

Рис.17.2. ИМС ИОН (а) и схема ее включения (б)

«Стабилитрон» включается, когда управляющее напряжение достигает 2,75 В («стабилитрон» собран из биполярных транзисторов). Этот прибор по управляющему входу потребляет то всего лишь в несколько микроампер и имеет малый температурный коэффициент выходного напряжения. При указанных в схеме параметрах на выходе получается стабилизированное напряжение 10 В.

Компенсационные стабилизаторы (рис.17.3) представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора является ИОН, элемент сравнения и усиления (ЭСУ) и регулирующий элемент (РЭ).

Рис.17.3. Структурная схема компенсационного стабилизатора

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения сравнивается с эталонным напряжением. В зависимости от их соотношения ЭСУ вырабатывает сигнал для РЭ, изменяющий режим его работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

Чаще всего РЭ включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным. В случае включения РЭ параллельно нагрузке стабилизатор называют параллельным.

Простейшим последовательным стабилизатором (рис.17.4) напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения. В схеме опорное напряжение получается с помощью параметрического стабилизатора на стабилитроне VD и резисторе R.

Рис.17.4. Простейший компенсационный стабилизатор напряжения

За чет отрицательной обратной связи по напряжению выходное напряжение стабилизатора устанавливается равным величине U_ВЫХ = U_ОПОРН – U_БЭ.

Схема работает следующим образом. Возьмем для примера, что входное напряжение увеличилось. В первый момент выходное напряжение также будет увеличиваться, управляющее напряжение транзистора U_БЭ = U_ОПОРН – U_ВЫХ уменьшается, транзистор подзапирается, сопротивление коллектор-эмиттер его увеличивается, а выходное напряжение уменьшается, компенсируя изменение входного сигнала. В данной схеме транзистор совмещает в себе функции ЭСУ и РЭ. Для улучшения параметров схемы дополнительно включают усилитель сигнала рассогласования (рис.17.5).

Рис.17.5. Стабилизатор напряжения с усилителем на ОУ

Недостатком таких схем является критичность к короткому замыканию (КЗ) на выходе. В случае короткого замыкания рассеиваемая на транзисторе мощность превысит допустимую и транзистор выйдет из строя. Для защиты схемы от КЗ используется принцип, который поясняется схемой, приведенной на рис.17.6.

Рис.17.6. Стабилизатор с защитой от короткого замыкания

Для защиты от КЗ в схему дополнительно введены резистор R₃ и транзистор VT₂. Если произойдет недопустимое увеличение тока, то падение напряжения на R₃ превысит величину, равную приблизительно 0,6 В, транзистор VТ₂ откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VT₁.

В настоящее время стабилизаторы напряжения выпускаются в виде интегральных микросхем. Наиболее известная серия отечественных ИМС компенсационных линейных стабилизаторов – серия К142ЕН. В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжением.

ИМС стабилизаторов имеют всего три внешних вывода (вход, выход и общий) и настраивается изготовителем на нужное фиксированное напряжение. На рис. 17.7 показано, как легко сделать стабилизатор, например на 5 В с применением одной из этих схем.

Рис.17.7. Стабилизатор на ИМС К142ЕН5

Конденсатор, поставленный параллельно выходу, улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное сопротивление на низком уровне при высоких частотах. ИМС стабилизаторов выпускаются в пластмассовых и металлических корпусах, как и транзисторы. На рис. 17.8 приведена схема блока питания с ИМС стабилизатора напряжения.

Рис.17.8. Блок питания на ИМС стабилизатора напряжения

В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами (рис.17.9).

ИМС стабилизаторов, как правило, снабжены внутренней защитой от повреждений в случае перегрева или чрезмерного тока нагрузки (ИМС не «сгорает», а выключается). Кроме того, предусмотрена защита прибора при выходе его из области безопасной работы за счет уменьшения предельно возможного выходного тока при увеличении разности входного и выходного напряжений.

Рис.17.9. ИМС стабилизатора с внешним транзистором

ИМС стабилизаторов дешевы, удобны в использовании, имеют широкую номенклатуру. Такое разнообразие схем дает возможность разработчикам не «изобретать» самостоятельно схемы стабилизаторов, а выбирать готовые по каталогам фирм-производителей.

Основной недостаток линейных СН – малый коэффициент полезного действия. КПД схемы зависит от соотношения входного U_ВХ и выходного U_ВЫХ . Для большинства линейных стабилизаторов значение КПД невелико и не превышает 50%, однако известны схемные решения, увеличивающие КПД до 90%. Особенно невыгодно применение линейных СН в случае большой разницы входного и выходного напряжения, отметим также, что все линейные СН являются понижающими, то есть U_ВЫХ для них всегда ниже U_ВХ.