Стабилизация напряжения в современных электронных устройствах очень важный элемент. Цифровые схемы требуют стабильного и надежного питания.

Самая простая схема стабилизации напряжения, которую мы можем встретить на практике – это система на основе стабилитрона. Базовый режим работы стабилитрона показан на следующем рисунке:

Эта система использует эффект стабилитрона, который происходит во время пробоя p-n перехода при обратном смещении. Это приводит к протеканию тока, и весь избыток напряжения гасится на балластном резисторе. Величина падения напряжения определяется силой тока, протекающего через него.

Поэтому фиксированный тока через стабилитрон фиксирует падение напряжения на резисторе и тем самым стабилизируется выходное напряжение. Стабилитроны изготавливаются на различные напряжения в диапазоне от 1,5В до 200В.

Но, часто для стабилизации напряжения на практике применяются специализированные микросхемы, которые можно разделить на две группы:

• с возможностью регулировки напряжения
  - положительная полярность
  - отрицательная полярность
• без возможности регулировки напряжения
  - положительная полярность
  - отрицательная полярность

Интегральные стабилизаторы напряжения имеют три основные характеристики:

• выходное напряжение
• максимальный ток
• минимальное входное напряжение

На вход стабилизатора напряжения, необходимо подавать большее напряжение, чем то, которые должно быть на выходе.

В самых распространенных стабилизаторах разница между входным и выходным напряжением составляет около 2В. Но также существуют стабилизаторы LDO стабилизаторы, в которых эта разница намного ниже. Это напряжение часто обозначается как VDO

Среди популярных не регулируемых стабилизаторов можно отметить:
78xx – самый известный из всех стабилизаторов положительного напряжения. Выпускается в различных версиях на напряжения: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольт, VDO = 2В.
79xx – самый популярный из всех стабилизаторов отрицательного напряжения. Производятся в версиях на напряжения: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольт, VDO = 2В.

LM2940x – LDO стабилизатор положительного напряжения. На напряжение: 5, 8, 9, 10, 12, 15 вольт, VDO = 0,5В.

Среди регулируемых стабилизаторов напряжения наиболее известны:
– диапазон выходных напряжений от 1,25 до 37 вольт, VDO = 3В.
LM337 – диапазон выходных напряжений от -1,25 – 37 вольт, VDO = 5В.

Современные стабилизаторы напряжения имеют различного рода тепловую защиту и защиту по току, что обеспечивает безопасность работы и снижает шансы на «сгорание» схем.

Кроме линейных стабилизаторов существует также группа импульсных стабилизаторов. Отличаются они, безусловно, больший КПД (меньше энергии уходит на тепловые потери). Интересной особенностью является то, что они позволяют поднимать и снижать напряжения, что очень полезно во время питания микросхем от батареи.

Линейный стабилизатор 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 мощности Pрасс = (Uin - Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора - простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

− последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

− параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости отспособа стабилизации :

− параметрический : в таком стабилизаторе используется участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) прибора, имеющий большую крутизну.

− компенсационный : имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента. Они достаточно универсальны и могут быть изготовлены в виде интегральных микросхем стабилизаторов напряжения.

Микросхемы линейного стабилизатора напряжения (ЛCH) включают помимо силовых регуляторов более или менее сложную маломощную схему управления. Принципиальная трудность создания интегральных стабилизаторов заключается в том, что силовые транзисторы рассеивают значительную мощность , вызывая локальный нагрев кристалла с существенным градиентом температур. Это резко ухудшает стабильность параметров схемы управления, в состав которой входит источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель ошибки, цепи защиты от перегрузок по току и короткого замыкания нагрузки, от перегрева кристалла и других аварийных или нештатных режимов.

Монолитный линейный интегральный стабилизатор напряжения был впервые разработан Р. Видларом в 1967 году. Эта микросхема (рА723) содержит регулирующий транзистор, включенный последовательно между источником нестабилизированного напряжения и нагрузкой, усилитель ошибки и термокомпенсированный источник опорного напряжения. Схема оказалась настолько удачной, что в начале 70-х годов выпуск ее доходил до 2 млн штук в месяц! По массовости применения ЛCH стоят на втором месте после операционных усилителей .

В упрощенном виде схема линейного стабилизатора напряжения приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Базовая схема линейного стабилизатора напряжения

Схема состоит из операционного усилителя в неинвертирующем включении с отрицательной обратной связью по напряжению, источника опорного напряжения V REF и регулирующего транзистора VT 1 включенного последовательно с нагрузкой.

Выходное напряжение V OUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе R 1 R 2.

ОУ играет роль усилителя ошибки, в качестве которой здесь выступает разность между опорным напряжением V REF задаваемым источником опорного напряжения (ИОН), и выходным напряжением делителя R 1 R 2

Схема работает следующим образом. Пусть по тем или иным причинам (например, из-за уменьшения сопротивления нагрузки или входного нерегулируемого напряжения) выходное напряжение стабилизатора V OUT уменьшилось. При этом на входе ОУ появится ошибка V > 0. Выходное напряжение усилителя возрастет, что приведет к увеличению тока базы, а, следовательно, и тока эмиттера регулирующего транзистора до значения, при котором выходное напряжение возрастет практически до первоначального уровня.

В случае идеального операционного усилителя установившееся значение ошибки, совпадающее с дифференциальным входным напряжением ОУ, близко к нулю. Отсюда следует, что

Питание операционного усилителя осуществляется от входного нерегулируемого однополярного напряжения, в данном случае положительного (при регулирующем транзисторе p-n-p -типа все напряжения в схеме должны быть отрицательными). Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые в этих условиях должны быть только положительными

Для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования напряжения другой полярности для питания ОУ можно отказаться. Еще одно преимущество подобной схемы состоит в том, что напряжение питания операционного усилителя можно удвоить , не опасаясь превысить его предельно допустимые параметры. Таким образом, стандартные операционные усилители можно использовать в схемах стабилизаторов с входным напряжением до 30 В. Хотя операционный усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения V IN , благодаря глубокой отрицательной обратной связи влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.

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. Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения представлена на рисунке 8.

Рисунок 8.

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на сравнении фактического напряжения на нагрузке с эталонным и увеличении или уменьшении в зависимости от этого отклонения выходного напряжения. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9А, а принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9Б.

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.

Рисунок 9

В простейшем компенсационном стабилизаторе (Рисунок 9Б) опорным напряжением является напряжение U CT стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом – транзистор VT.

Поскольку нагрузка транзистора VT в цепи эмиттера, то это схема с общим коллектором и выходное напряжение определяется по формуле:

Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка располагалась на середине линейного участка его входной характеристики. Напряжение U ЭБ при этом для кремниевого транзистора составит ≈ 0,7 В.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке U ВЫХ 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 с общим коллектором и его выходным напряжение является U СТ. Так как I Б << I H , схема позволяет отдавать в нагрузку значительную мощность. Коэффициент стабилизации такой схемы составляет К 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 само регулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.

Более современными являются стабилизаторы напряжения, выполненные в виде интегральных микросхем. Именно такой стабилизатор напряжения используется в учебном стенде и представлен на рисунке 10.

Рисунок 10

Основными параметрами, характеризующими стабилизатор напряжения, являются:

1) Коэффициент стабилизации К СТ, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

где U ВХ и U ВЫХ – номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора, ΔU ВХ и ΔU ВЫХ – изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2) Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении:

При U ВХ = const.

3) Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента, однако на выходе выпрямителей пульсации значительно больше. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры, которые должны максимально уменьшить (подавить) переменные составляющие и с возможно меньшими потерями пропустить постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Рис. 2.30.

а – RC-фильтр; б – график, поясняющий работу фильтра: в – LC-фильтр; г – П-образный RС-фильтр

Простейшим фильтром служит конденсатор, включенный на выходе выпрямителя В параллельно нагрузке (рис. 2.30, а), который запасает энергию, заряжаясь во время возрастания напряжения выпрямителя, и отдает ее, разряжаясь на сопротивление нагрузки, когда оно снижается. На рис. 2.30, б показана форма напряжения на конденсаторе U c (а значит, и на параллельно включенном R н) при двухполупериодном выпрямителе.

Для дальнейшего снижения пульсаций применяют Г-образные LC-фильтры (рис. 2.30, в). Индуктивное сопротивление стремятся сделать значительно больше R н для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной со и выше "задерживались" бы фильтром в виде падения напряжения на X L, не достигая нагрузки. Емкостное же сопротивление выполняют значительно меньше, чем R H, для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через Х с, минуя R,. При этом постоянная составляющая тока, для которой , не создает падения напряжения на L ф и не замыкается через Сф, целиком поступая в нагрузку.

Недостатком LC-фильтров является громоздкость и трудность изготовления индуктивности в микроэлектронном исполнении. Поэтому в интегральных микросхемах при токах нагрузки в несколько миллиампер используют П-образные RС-фильтры (рис. 2.30, г), несмотря на их несколько худшие сглаживающие свойства и меньшие КПД.

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).

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

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.

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 cт стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом – транзистор (см. рис. 2.31, б).

Выходное напряжение (как это видно по знакам "+" и "-" на схеме) Uвых = U ст – UЭБ. Ток через резистор RБ 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 (см. рис. 2.31, в). Напряжение U ЭБ при этом составляет 0,-0,3 В. Так как напряжение стабилитрона обычно около 8 В, то U вых ≈ U CT.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке уменьшилось. Это приведет к увеличению падения напряжения UЭБ= U ст – U вых, что, в свою очередь, увеличит степень открытия транзистора. В результате падение напряжения на транзисторе U KЭ уменьшится, а значит, увеличится напряжение на нагрузке U вых= U BX – U ΚЭ, 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 CT. Так как I Б << I н, схема позволяет отдавать в нагрузку значительную мощность. Коэффициент стабилизации такой схемы составляет К ст = 150–300. В рассмотренной схеме сигнал рассогласования формируется на самом регулирующем транзисторе. Болес 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.

Импульсные стабилизаторы напряжения

В отличие от ранее рассмотренных линейных стабилизаторов, в импульсных стабилизаторах напряжения транзистор, через который течет ток в нагрузку, периодически открывается и закрывается, т.е. работает в ключевом режиме. Причем регулирование осуществляется путем изменения паузы, в течение которой через ключевой транзистор течет ток нагрузки от источника постоянного входного напряжения. Таким образом, транзистор работает не в линейном, а в импульсном режиме: он либо полностью открыт, либо полностью закрыт. В таких стабилизаторах среднее значение напряжения на нагрузке Uвых = U BXt / T, где Т – период следования импульсов; t – продолжительность замкнутого состояния ключа.

Импульсные стабилизаторы обеспечивают более высокий КПД, так как в полностью открытом состоянии на транзисторе падает очень небольшое напряжение, а следовательно, мощность, рассеиваемая на транзисторе, гораздо меньше той мощности, которая рассеивается в линейных стабилизаторах.

Поскольку регулирование осуществляется путем изменения ширины импульсов t, этот принцип работы получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсные стабилизаторы (рис. 2.32), так же как и линейные, являются компенсационными. Сигнал рассогласования U p, образованный сравнивающим элементом СЭ и усиленный усилителем (У), преобразуется в импульсы, следующие с одинаковой частотой, длительность которых t вкл изменяется под действием сигнала рассогласования. Эти импульсы открывают и закрывают ключевой транзистор VT, который вместе с диодом VD и LС-фильтром образует импульсный регулирующий элемент.

Рис. 2.32. Импульсный стабилизатор напряжения (a ) и происходящие в нем процессы (б)

Пока напряжение пилообразного напряжения U п < U p (участок t0 – t1 на рис. 2.32, б), транзистор заперт. В течение времени t 1 – t 3, когда U п > U p, транзистор открыт, и напряжение t/BX приложено к дросселю. Под действием UBX диод VD запирается, а ток через дроссель i др увеличивается, запасая энергию в индуктивности. До тех пор, пока ток дросселя не достигнет значения постоянного тока нагрузки I п (участок t 1 – t 2), конденсатор С разряжается на нагрузку и напряжение на нем U c снижается. С момента времени ί2> когда i др > I н конденсатор начнет подзаряжаться разностью токов i др – I н. В момент t3 запирания транзистора ЭДС самоиндукции дросселя открывает диод и ток дросселя, замыкаясь через диод, протекает по нагрузке и до момента t 4 продолжает заряжать конденсатор, отдавая ему запасенную дросселем энергию. На участке t4 – t5 ток дросселя меньше тока нагрузки и нагрузка подпитывается током разрядки конденсатора. С момента t 5 процесс повторяется.

Пусть выходное напряжение станет меньше заданного значения и напряжение рассогласования U p уменьшится на величину -ΔUρ. Тогда момент времени, когда пилообразное напряжение, формируемое ГПН, станет равным напряжению U p, наступит раньше, а время открытого состояния транзистора tвкл, формируемого ШИМ, увеличится. Это приведет к возрастанию выходного напряжения UBbIX и восстановлению сто заданного значения. Если же выходное напряжение увеличится, напряжение рассогласования также увеличится на величину +ΔU p. Это приведет к тому, что момент открытия транзистора, формируемый ШИМ, наступит позже, а время открытого состояния транзистора tвкл уменьшится. В результате выходное напряжение уменьшится и его заданное значение восстановится.