Стабилизаторы напряжения • ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА

Стабилизаторами напряжения (тока) называются электронные устройства, предназначенные для обеспечения заданного качества выходного электрического параметра источника питания. Основными причинами нестабильности можно считать с одной стороны изменение амплитуды питающего напряжения (+10 … -15 %), с другой стороны изменение сопротивления нагрузки в процессе её эксплуатации. Качество стабилизаторов напряжения принято оценивать коэффициентом стабилизации, который определяется соотношением относительного изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора.

$S_1=\displaystyle\frac{\Delta U_{ВХ}}{U_{ВХ}}$

$S_2=\displaystyle\frac{\Delta U_{ВЫХ}}{U_{ВЫХ}}$

$K_{CT}=\displaystyle\frac{S_1}{S_2}$ .

На практике обычно используют величину абсолютного коэффициента стабилизации

$k_{ст}=\displaystyle\frac{\Delta U_{ВХ}}{\Delta U_{ВЫХ}}$ .

Помимо коэффициента стабилизации, важное значение имеют также выходное сопротивление и температурная стабильность выходного напряжения.

$R_{ВЫХ}=-\left.\displaystyle\frac{dU_{ВЫХ}}{dI_H}\right |_{U_{ВХ}=const.}$ ,

$\rho=\displaystyle\frac{dU_{ВЫХ}}{U_{ВЫХ}\cdot dt^o}\cdot 100\% \left[\displaystyle\frac{\%}{^o}\right]$ .

Энергетические характеристики стабилизаторов отражаются их выходной характеристикой Типовой вид выходной характеристики ИП представлен на рисунке.

По принципу построения стабилизаторы напряжения можно подразделить на параметрические и компенсационные. Параметрические стабилизаторы напряжения используют нелинейные свойства полупроводниковых приборов. Компенсационные стабилизаторы представляют собой системы автоматического регулирования выходного электрического параметра, работающие в режиме его стабилизации.

Простейший параметрический стабилизатор напряжения

Учитывая, что у полупроводникового стабилитрона в зоне электрического пробоя ветви ВАХ в диапазоне токов min – max напряжения пробоя является величиной слабо зависящей от тока, механизм работы простейшего стабилизатора можно предопределить следующими условиями:

$U_H=U_{CT}$ ,

$I_1=\displaystyle\frac{U_{BX}-U_{CT}}{R_Б}$ ,

$I_H=\displaystyle\frac{U_{CT}}{R_H}$ .

$I_{CT}=\displaystyle\frac{U_{ВХ}}{R_Б}-\displaystyle\frac{U_{СТ}}{R_Б}-\displaystyle\frac{U_{СТ}}{R_Н}$ ,

$I_{CT}^{min}\lt I_{CT}\lt I_{CT}^{max}$ .

Откуда следуют выводы:

$U_{ВХ}\gt U_{СТ}$

$\Delta I_{CT}\gt \Delta I_H$

Алгоритм расчёта простейшего стабилизатора заключается в следующем:

1) определение тока нагрузки $I_H=\displaystyle\frac{U_{CT}}{R_H}$ ;

2) определении тока $R_Б I_{R_Б}=I_H+\displaystyle\frac{I_{CT}^{max}+I_{CT}^{min}}{2}$ ;

3) $U_1=U_{CT}+I_{R_Б}\cdot R_Б$ .

Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice

Простейший параметрический стабилизатор, модель LTspice

На верхнем графике приведена переменная составляющая напряжения нагрузки, а на нижнем – входное и выходное напряжения совместно.

Эксплуатационные параметры простейшего стабилизатора

Учитывая, что в зоне пробоя ВАХ стабилизатора может быть заменена эквивалентным источником ЭДС и динамическим сопротивлением можно определить эксплуатационные характеристики стабилизатора

$\Delta U_H=\Delta U_{ВХ}\cdot\displaystyle\frac{R_H\parallel r_Д}{R_Б+R_H\parallel r_Д}$ ,

$(R_H\gg r_Д) \Rightarrow \Delta U_H\approx \Delta U_{ВХ}\cdot \displaystyle\frac{r_Д}{R_Б+r_Д}$ ,

$k_{ст}=\displaystyle\frac{\Delta U_{ВХ}}{\Delta U_H}\approx \displaystyle\frac{R_Б}{r_Д}$

$R_{ВЫХ}=R_Б\parallel r_Д\approx r_Д$ .

Адекватность схемы замещения можно проверить моделированием в LTspice.

Схема замещения простейшего параметрического стабилизатора, модель LTspice

Улучшение параметров простейшего параметрического стабилизатора напряжения

Поскольку коэффициент стабилизации определяется соотношением балластного сопротивления стабилизатора и динамического сопротивления стабилитрона (величина неизменяемая для данного типа стабилитрона), повышение коэффициента стабилизации может быть достигнуто увеличением номинала балластного резистора, однако последнее приводит к необходимости увеличения номинала питающего напряжения и, как следствие, ухудшению КПД стабилизатора (из-за больших энергетических потерь на балластном резисторе).

Альтернативным способом улучшения характеристик можно считать использование в качестве балластного резистора двухполюсников с нелинейными свойствами и высоким выходным сопротивлением.

Примером такой цепи может служить полевой транзистор с управляющим p-n переходом в режиме двухполюсного включения.

При необходимости регулировки тока двухполюсника в цепь истока транзистора можно устанавливать резистор. При этом управляющее напряжение транзистора определяется как падение напряжения на этом резисторе, и результирующая характеристика двухполюсника сдвигается на одну из низших ветвей.

Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice

Простейший параметрический стабилизатор с полевым транзистором, модель LTspice

Увеличение диапазона изменения выходного тока и уменьшение выходного сопротивления стабилизатора

Для улучшения этих свойств простейший параметрический стабилизатор может дополняться выходным эмиттерным повторителем.

Учитывая, что нагрузкой непосредственно параметрического стабилизатора является базовый ток усилительного транзистора, ток нагрузки всей схемы может в β раз превышать ток базы (каскад с ОК). Учитывая, что у современных транзисторов коэффициент β может изменяться от сотен до нескольких тысяч (в составном варианте), можно реализовать стабилизаторы с выходным током в несколько ампер.

Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice.

Параметрический стабилизатор с полевым и биполярным транзисторами, модель LTspice

Учитывая, что схемотехнически выходом стабилизатора является каскад по схеме с ОК, выходное сопротивление схемы определится выходным сопротивлением каскада (т.е. меньше, чем динамическое сопротивление стабилитрона).

Общим недостатком параметрических стабилизаторов можно считать слабую приспособленность к регулировке выходного напряжения, что легко реализуется компенсационными стабилизаторами.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационные стабилизаторы представляют собой системы автоматического регулирования выходного электрического параметра (напряжения, тока), основными элементами которых являются:

1) регулирующий элемент (РЭ) – включается в цепь питания совместно с нагрузкой и за счёт изменения собственной электропроводности регулирует ток или напряжение в нагрузке;

2) источник опорного напряжения – как правило, параметрический стабилизатор, формирует эталонный сигнал, с которым будет сравниваться текущее значение выходного электрического параметра;

3) усилительно-сравнивающий элемент – выявляет разность между текущим сигналом (его частью) и опорным сигналом и на базе этого сравнения формирует управление регулирующим элементом. В качестве усилительно-сравнивающего элемента используется, как правило, параллельно-балансные каскады или операционные усилители.

Структурно компенсационные стабилизаторы напряжения имеют две разновидности, определяемые способом включения регулирующего элемента.

1) Компенсационные стабилизаторы последовательного типа.

РЭ – регулирующий элемент,

УСЭ – усилительно-сравнивающий элемент,

ИОН – источник опорного напряжения.

2) Компенсационные стабилизаторы параллельного типа.

В компенсационном стабилизаторе последовательного типа выходной сигнал или его часть, определяемая делителем R1 R2, сравнивается с опорным напряжением, при этом, если сравниваемая величина больше опорного сигнала, формируется сигнал на уменьшение проводимости регулирующего элемента, а если меньше – на увеличение проводимости. В результате сравниваемая часть выходного сигнала поддерживается равной опорному сигналу, а выходной параметр сохраняет фиксированное значение.

Простейший способ регулировки выходного напряжения (тока) заключается в изменении коэффициента резистивного делителя R1 R2, измеряющего соотношение между выходным сигналом и его сравниваемой частью.

В компенсационных стабилизаторах параллельного типа регулирующий элемент включен параллельно нагрузке, а в цепи питания используется балластный резистор, при этом если выходное напряжение становится больше опорного, усилительно-сравнивающий элемент увеличивает проводимость регулирующего элемента, ток регулирующего элемента и балластного резистора возрастают, увеличивается падение напряжения на балластном резисторе, а напряжение нагрузки возвращается к нормальному состоянию.

Следует отметить, что стабилизаторы параллельного типа имеют два энергонагруженных элемента – балластный резистор и регулирующий элемент. При прочих равных условиях КПД таких стабилизаторов меньше, чем у стабилизаторов последовательного типа, поэтому практически они имеют ограниченное применение.

Последовательный компенсационный стабилизатор напряжения

Структурно цепь R1 — VD представляет собой источник опорного напряжения в виде простейшего параметрического стабилизатора.

VT1 – регулирующий элемент, p-n-p транзистор, работающий по схеме с общим эмиттером.

VT2, VT3, R2 – УСЭ, дифференциальный каскад.

R3, R4, R5 – резистивный делитель выходного напряжения с возможностью подстройки коэффициента деления подстроечным резистором R4 для точной установки выходного напряжения.

В нормальном режиме функционирования напряжения на базах транзисторов VT2, VT3 дифференциального каскада примерно одинаковы и обеспечивают требуемое распределение тока резистора R2 между коллекторными токами транзисторов VT2, VT3.

Учитывая, что коллекторный ток второго транзистора одновременно является управляющим током РЭ VT1, его изменение позволяет управлять выходным напряжением. Так, если по какой-то причине выходное напряжение схемы начинает увеличиваться, то увеличивается потенциал базы VT3, при этом транзистор VT3 открывается, а VT2 закрывается, ток коллектора VT3 увеличивается, а ток коллектора VT2 уменьшается.

Но ток коллектора VT2 — это есть ток базы VT1, поэтому уменьшение тока базы увеличивает падение напряжения на VT1, и выходное напряжение возвращается к заданному уровню.

Если $U_H\uparrow\Rightarrow U_{БVT3}\uparrow\Rightarrow I_{KVT3}\uparrow\Rightarrow I_{KVT2}\downarrow\Rightarrow I_{БVT1} \downarrow\Rightarrow I_{KVT1}\downarrow\Rightarrow U_H\downarrow$ .

Таким образом, если $U_{БVT2}=const.$ , то и $U_H=const$ .

Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice

Последовательный компенсационный стабилизатор, модель LTspice

Высокоточный стабилизатор образцового напряжения

Для формирования выходного напряжения как образцового измерительного сигнала с высокой точностью может использоваться схема стабилизатора с операционным усилителем.

При включении питания и не пробитом стабилитроне его выходное сопротивление велико, глубина положительной обратной связи больше, чем глубина ООС → схема возбуждается на постоянном токе. С ростом выходного напряжения стабилитрон пробивается, его выходное сопротивление резко уменьшается, глубина ООС становится больше глубины ПОС. Схема переходит к устойчивому режиму работы.

$U_{R1}=U_{ВЫХ}-U_{CT}$ ,

$U_{ВЫХ}=U_{CT}\cdot\left (1+ \displaystyle\frac{R_2}{R_3}\right )$ ,

$U_{R1}=U_{CT}\cdot \displaystyle\frac{R_2}{R_3}$ .

$U_{R1}=const \Rightarrow I_{R1}=const$ .

$I_{CT}=const$ .

Стабилизация тока резистора R1 и, как следствие, стабилизация тока стабилитрона позволяет сделать выходное напряжение не зависящим от динамического сопротивления стабилитрона (стабилитрон всегда работает при одном и том же токе), поэтому стабильность напряжения определяется только температурными свойствами стабилитрона и при использовании стабилитронов термокомпенсированной серии (см. раздел по опорным диодам) стабильность выходного напряжения может быть получена на уровне 10^-3–10^-4 процентов на градус, что является техническим пределом для не термостабилизированных эталонов.

Работа схемы иллюстрируется моделью LTspice

Высокоточный источник опорного напряжения, модель LTspice

Регулируемые интегральные стабилизаторы напряжения

В настоящее время широкое распространение получили интегральные регулируемые стабилизаторы, уровень выходного напряжения у которых регулируется внешним резистивным делителем.