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 (см. параграф 1.2). Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения в мощных компенсационных стабилизаторах (рис. 2.31).

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на сравнении фактического напряжения на нагрузке с эталонным и увеличении или уменьшении в зависимости от этого отклонения выходного напряжения. 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.

Транзистор нужно «перевернуть» справа - налево:

Рис. 2.31. Структура компенсационного стабилизатора напряжения (а), его простейшая реализация (б) и график, поясняющий выбор рабочей точки (в)

Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации — отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе:

.

В простейшем компенсационном стабилизаторе опорным напряжением является напряжение U _ст стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом — транзистор (рис. 2.31, б).

Выходное напряжение (как это видно по знакам «+» и «–» на схеме) U _вых = U _ст – U _ЭБ. Ток через резистор R _Б образуется сложением двух токов: тока стабилитрона I _ст и тока базы I _Б. Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка р располагалась на середине линейного участка его входной характеристики (рис. 2.31, в). Напряжение U _ЭБ при этом составляет 0,1…0,3 В. Так как напряжение стабилитрона обычно около 8 В, то U _вых ≈ U _ст.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке 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 эмиттерного повторителя, входным напряжением которого является U _ст. Так как I _Б << I _н, схема позволяет отдавать в нагрузку значительную мощность. Коэффициент стабилизации такой схемы составляет K _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 саморегулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.