Стабилизаторы напряжения

Электронные устройства

Всем привет 🙂

В этой стать мы рассмотрим очень важное электронное устройство- стабилизатор напряжения.

Небольшое вступление

Любое электронное изделие, не важно- будь это радиолюбительская самоделка или сложное устройство, нуждается в электропитании. Вопрос- где его взять? Ну конечно-же нужны какие-то источники- химические (батарейки, аккумуляторы), либо возникает необходимость преобразования промышленного сетевого напряжения.

В принципе ничего сложного в этом нет- для того чтобы получить необходимое напряжение при помощи химических источников, нужно всего- лишь подобрать их необходимое количество. Преобразование сетевого переменного напряжения также особых трудностей не вызывает- оно элементарно уменьшается или увеличивается при помощи трансформаторов и затем выпрямляется (ну то есть переменное напряжение преобразовывается в постоянное).

На первый взгляд все легко и просто, однако на практике могут возникнуть некоторые тонкости…
Проблема заключается в том, что в схемах может возникнуть необходимость использовать сразу несколько различных напряжений. Примеры? Да пожалуйста! 🙂

Усилитель НЧ. Для питания выходного каскада используется двуполярное напряжение ±30V, а в предварительном каскаде применена микросхема, для которой нужно питание не более ±15V.
Телевизионное шасси. Пусть даже и не современное, а, так называемое, кинескопное. В нем может применяться микропроцессор, для питания которого требуется сразу несколько напряжений: +8V, +5V и +3,3V одновременно.

И как быть в этих случаях? Лепить несколько отдельных источников различных напряжений? В принципе тоже вариант ( в некоторых случаях так и поступают- используют многовыводные трансформаторы), но можно поступить и проще- использовать линейные преобразователи или, так называемые, стабилизаторы напряжения. Их основная суть- получить из одного напряжения другое, причем, желательно, с минимальными потерями энергии.

Самый простейший вариант стабилизатора

Самый простейший вариант стабилизатора напряжения основан на свойствах полупроводникового прибора, который называется стабилитрон. Он имеет один интересный параметр- так называемое напряжение отсечки— некоторое пороговое значение, при котором он открывается. Для ясности давайте рассмотрим вот такую схему:

На вход Uin поступает некоторое напряжение ( не важно какое). На выходе Uout требуется получить необходимое напряжение для питания какого-то устройства (или отдельной цепи, опять-же не важно).
Пусть, к примеру, нам нужно получить на выходе +9V. Значит мы будем использовать стабилитрон с этим напряжением отсечки (ближайший стандарт из имеющихся стабилитронов 9.1 V).
Важное замечание- стабилитрон у нас включен в обратном направлении: «+» поступает на катод.
Пока напряжение на входе Uin будет в пределах до +9V, стабилитрон никаких изменений в работу схемы не внесет. Но вот как только напряжение на входе превысит значение +9V, то тут и начнется самое интересное…

В данном случае схема начнет работать как, пардон за сравнение, пороговый клапан- все напряжение, превышающее +9V, начнет через стабилитрон «стравливаться» на второй провод, оставляя на выходе необходимые +9V. Само собою разумеется, между входом Uin и выходом Uout возникнет разница напряжений, которое нужно будет куда-то девать. Для этой цели в цепь устанавливается дополнительный элемент- нагрузочный резистор R.

При всей своей простоте, схема вполне рабочая, часто применяется на практике, но она не лишена недостатков- в первую очередь это низкие рабочие токи. Посудите сами- ток в нагрузке будет напрямую зависеть от параметров стабилитрона (точнее от его мощности).
Есть и второй недостаток- зависимость между входным и выходным напряжениями. И на самом деле- если у нас имеется разница между входом и выходом раза в два, то потребуется достаточно мощный (или высокоомный) балластный резистор, и это тоже будет иметь свои последствия в виде нагрева или падения тока. То есть схема имеет высокую зависимость и от параметров деталей и от параметров самой цепи, и поэтому такой вариант стабилизатора получил название параметрический. Впрочем, в этих схемах есть кое- какие хитрости (точнее варианты доработок). Об этом чуть подробнее

Параметрические стабилизаторы

Для того чтобы увеличить мощность параметрических стабилизаторов, могут применяться дополнительные элементы- транзисторы. Здесь, как правило, чаще всего используются два варианта:

Транзистор вместо баластного резистора (рис. 1а)

Транзистор как ключевой элемент, стабилитрон играет роль источника опорного напряжения (рис. 1б)

В первом случае мощность стабилизатора остается прежней и ограничивается предельной рассеиваемой мощностью стабилитрона, увеличивается лишь коэффициент стабилизации устройства.

Во втором случае- увеличивается мощность стабилизатора: теперь она уже ограничивается рассеиваемой мощностью ключевого транзистора, но коэффициент стабилизации остается прежним.

Эти варианты доработок помогают значительно улучшить параметры преобразования напряжений, однако они в любом случае так и остаются параметрическими потому что их параметры нестабильны и находятся в сильной зависимости от входного напряжения и параметров нагрузки.

Существует еще один вариант стабилизаторов

Компенсационные стабилизаторы

Принцип работы компенсационных стабилизаторов основан на том, что в них внесен некий измерительный элемент (ИЭ), измеряющий выходное напряжение. Сигнал отклонения с ИЭ сравнивается с опорным напряжением и вырабатывается управляющий сигнал (Uу), подстраивающий Регулирующий Элемент (РЭ). Структурная схема компенсационного стабилизатора выглядит вот так:

Компенсационный стабилизатор структурная схема

А вот и практические примеры:

Рис 2а: роль измерительного элемента играет цепь из резисторов R3, R4.

стабилитрон VD1 -источник опорного напряжения, VT- регулирующий элемент

Рис 2б: практически копия варианта с рис 2а с аналогичным принципом работы

Рис 2в: вариант с увеличенным коэффициентом стабилизации, полученным за счет введения в измерительную цепь дополнительного стабилитрона VD4.

Ко всему вышесказанному следует добавить что реально мощность стабилизаторов напряжения можно и повысить если в качестве ключевых транзисторов применить составные пары транзисторов (и не только пары… на практике встречаются и тройки и даже четверки транзисторов, включенные составным образом)

Если рассматривать схемы стабилизаторов, то нетрудно догадаться что их можно сделать и регулируемыми- для этого достаточно в цепь управления ключевым элементом ввести регулировочный элемент-переменный резистор.