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. 231. 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 ?/_ст 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) t/_BbIX ^{= и}сг ~ бэвТок через резистор R_v> образуется сложением двух токов: тока стабилитрона /_ст и тока базы /_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 и_эъ при этом составляет 0,—0,3 В. Так как напряжение стабилитрона обычно около 8 В, то {/_1!ЫХ = t/_CT.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке уменьшилось. Это приведет к увеличению падения напряжения 1/_ЭБ = = U" - С/_вых, что, в свою очередь, увеличит степень открытия транзистора. В результате падение напряжения на транзисторе U_K3 уменьшится, а значит, увеличится напряжение на нагрузке [/_вых = U_BX — t/_K3, 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_K3.

Транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, входным напряжением которого является U_CT. Так как /_Б «/», 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 рассогласован ия.

В рассмотренных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор всегда открыт, а саморегулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т. е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.