Стабилизатор напряжения

Линейный стабилизатор напряжения представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах.

При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть входной мощности рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе, мощность потерь в последовательном стабилизаторе ${\displaystyle P_{L}}$:

${\displaystyle P_{L}=(U_{in}-U_{out})\cdot I_{out},}$

где ${\displaystyle U_{in}}$ — входное напряжение стабилизатора,

${\displaystyle U_{out}}$ — выходное напряжение стабилизатора,

${\displaystyle I_{out}}$ — выходной ток стабилизатора.

Поэтому регулирующий элемент в стабилизаторах такого типа и повышенной мощности должен рассеивать значительную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади.

Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых электронных компонентов.

В зависимости от включения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы классифицируются на два типа:

• Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.
• Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

• Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, где дифференциальное сопротивление прибора мало в широком диапазоне изменения токов, протекающих через прибор.
• Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

В этой схеме может быть применён как полупроводниковый стабилитрон, так и газоразрядный стабилитрон тлеющего разряда.

Простейшая схема параметрического стабилизатора

Такие стабилизаторы применяются для стабилизации напряжения схем с малым потребляемым током, так как для стабилизации напряжения ток через стабилитрон ${\displaystyle D1}$ должен в несколько раз (3 — 10) превышать ток потребления от стабилизатора в присоединённой нагрузке ${\displaystyle R_{L}}$. Обычно такая схема линейного стабилизатора применяется в качестве источника опорного напряжения в более сложных схемах регулирующих стабилизаторов.

Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора ${\displaystyle R_{V}}$ включают двухполюсник с высоким дифференциальным сопротивлением на участке ВАХ в диапазоне рабочих токов, работающий как источника тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор с эмиттерным повторителем. Стрелки направлены в сторону увеличения электрического потенциала.

В этой схеме напряжение на базе регулирующего транзистора равно напряжению на стабилитроне ${\displaystyle U_{z}}$ и выходное напряжение будет: ${\displaystyle U_{out}=U_{z}-U_{be},\ }$ ${\displaystyle U_{be}}$ — напряжение между базой и эмиттером транзистора. Так как ${\displaystyle U_{be}}$ мало зависит от тока эмиттера, — выходного тока стабилизатора, и невелико (0,4 В для германиевых транзисторов и 0,6—0,65 В для кремниевых транзисторов) приведённая схема осуществляет стабилизацию напряжения.

Фактически схема представляет собой рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет контура авторегулирования, обеспечивающего практически полную компенсацию изменений выходного напряжения и изменений выходного тока.

Выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину ${\displaystyle U_{be}}$, которая мало зависит от величины тока, протекающего через транзистор. Некоторая зависимость ${\displaystyle U_{be}}$ от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель здесь является усилителем тока и позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в ${\displaystyle B_{st}}$ раз, ${\displaystyle B_{st}}$ — статический коэффициент передачи тока транзистора в режиме с общим коллектором. Так как ${\displaystyle B_{st}}$ в несколько десятков раз больше 1, малый ток, отбираемый от параметрического стабилизатора усиливается в ${\displaystyle B_{st}}$ раз. Если такого усиления тока недостаточно для обеспечения заданного выходного тока, то применяют составной транзистор, например, пару Дарлингтона.

При очень малом токе нагрузки, порядка единиц — десятков мкА, выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на примерно 0,6 В, так как ${\displaystyle U_{be}}$ при таких токах становится близким к нулю. В некоторых применениях это нежелательно, тогда к выходу стабилизатора подключают дополнительный нагрузочный резистор, обеспечивающий в любом случае минимальный ток нагрузки стабилизатора в несколько миллиампер.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

В таких стабилизаторах выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением, разность этих напряжений усиливается усилителем сигнала рассогласования, выход усилителя сигнала рассогласования управляет регулирующим элементом.

В качестве примера приведена схема на рисунке. Часть выходного напряжения ${\displaystyle U_{out}}$, снимаемая с резистивного делителя напряжения, состоящего из потенциометра ${\displaystyle R2}$ и постоянных резисторов ${\displaystyle R1,\ R3}$ сравнивается с опорным напряжением ${\displaystyle U_{z}}$ от параметрического стабилизатора — стабилитрона ${\displaystyle D1}$. Разность этих напряжений усиливается дифференциальным усилителем на операционном усилителе (ОУ) ${\displaystyle U1}$, выход которого изменяет базовый ток транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя[3].

В этой схеме имеется контур авторегулирования, — петля отрицательной обратной связи. Если выходное напряжение меньше заданного, то через обратную связь регулирующий транзистор открывается больше, если выходное напряжения больше заданного, — то наоборот.

Для устойчивости контура авторегулирования петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°. Так как часть выходного напряжения ${\displaystyle U_{out}}$ подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя ${\displaystyle U1}$, сдвигающего фазу на 180°, а регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который при низких частотах фазу не сдвигает, это обеспечивает устойчивость контура авторегулирования, так как петлевой сдвиг фазы близок к 180°.

Опорное напряжение ${\displaystyle Uz}$ зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон. Основной источник нестабильности опорного напряжения — изменения входного напряжения, так как при таких изменениях изменяется ток стабилитрона. Для стабилизации тока при изменениях ${\displaystyle U_{in}}$ вместо резистора ${\displaystyle R_{V}}$ иногда включают источник тока.

В этом стабилизаторе ОУ включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение сопротивлений резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, определяющий во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (то есть опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения ${\displaystyle U_{z}}$ (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше, чем ${\displaystyle U_{out}}$, либо опорное напряжение снимают с резистивного делителя, подключённого к стабилитрону.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, так как за счёт большого коэффициента усиления современных ОУ, достигающих 10⁵…10⁶, остальные источники нестабильности выходного напряжения оказываются скомпенсированными.

Параметры такого стабилизатора оказались подходящими для многих практических нужд. Поэтому уже почти полвека выпускаются, и на сегодня имеют широчайшее применение, такие стабилизаторы в интегральном исполнении: КР142ЕН5А, 7805 и мн. др.

В импульсном стабилизаторе напряжение от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель энергии (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами формируемыми посредством электронного ключа. Во время замкнутого состояния ключа в накопителе запасается энергия, которая затем передается в нагрузку. Применение в качестве накопительного элемента дросселя позволяет изменять выходное напряжение стабилизатора относительно входного без использования трансформаторов: увеличивать, снижать или инвертировать. Стабилизация осуществляется должным управлением длительностью импульсов и пауз между ними с помощью широтно-импульсной модуляции, частотно-импульсной модуляции или их комбинации.

Импульсный стабилизатор по сравнению с линейным обладает значительно более высоким КПД, так как регулирующий элемент работает в ключевом режиме. Недостатки импульсного стабилизатора - импульсные помехи в выходном напряжении и относительная сложность.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом, зависящим от схемы стабилизатора и режима управления его ключами:

• Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.
• Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.
• Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение в зависимости от режима управления ключами может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение может отличаться от выходного напряжения в любую сторону.
• Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение входного напряжения может быть любым.
• Универсальный - выполняющий все функции из перечисленных.

Феррорезонансный стабилизатор для питания цветных ламповых телевизоров, СССР, 1970-е — 1980-е гг.

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно их использовали для питания телевизоров. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а некоторые цепи телевизора, например, цепи анодного напряжения и накала электровакуумных приборов питались нестабилизированным напряжением), что при суточных колебаниях и резких скачках сетевого напряжения, особенно в сельской местности, приводило к ухудшению качества изображения и требовало предварительной стабилизации переменного сетевого напряжения.

С появлением телевизоров более поздних поколений, например, 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, исчезла необходимость во внешней дополнительной стабилизации напряжения сети.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него, так как его ферромагнитный сердечник периодически насыщается. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах. Недостатком таких стабилизаторов является чувствительность к частоте напряжения в питающей сети. Незначительное отклонение частоты питающей сети существенно влияет на выходное напряжение феррорезонансного стабилизатора.

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

• электродинамические
• с электромеханическим сервоприводом регулирующего элемента, например, автотрансформатора
• феррорезонансные
• электронные разных типов
  • ступенчатые (силовые электронные ключи, симисторные, тиристорные)
  • ступенчатые релейные (силовые релейные ключи)
  • компенсационные (электронные плавные)
  • комбинированные (гибридные)

Промышленностью производятся разнообразные модели с входным напряжением однофазной сети, (220/230 В), так и трёхфазной (380/400 В) исполнении, с выходной мощностью их от нескольких единиц ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15 %, ±20 %, ±25 %, ±30 %, ±50 %,−25 %/+15 %, −35 %/+15 % или −45 %/+15 %. Чем шире диапазон (особенно в сторону снижения входного напряжения), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности. В настоящее время существуют модели стабилизаторов напряжения с нижним допустимым входным напряжением 90 вольт.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, - скорость отклика на возмущение. Чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие определяется как промежуток времени, за которое стабилизатор способен изменить выходное напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия. -->

Важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения стабилизатора переменного сетевого напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97 предельно допустимо отклонение выходного напряжения на ±10 % от номинального. Точность стабилизации современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 0,5 % до 8 %.

Точности в 8 % вполне хватает для обеспечения исправной работы подавляющего большинства современной бытовых и промышленных электротехнических устройств со встроенными инверторными и импульсными блоками питания. Более жесткие требования (точность стабилизации лучше 1 %) предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность стабилизатора отдавать номинальную мощность во всем диапазоне входного напряжения, но не все стабилизаторы обладают таким свойством.

КПД сервоприводных стабилизаторов большой мощности более 98 %, а электронных большой мощности - 96 %.