Стабилизаторы постоянного напряжения

Стабилизаторы постоянного напряжения (СПН) обеспечивают стабильный уровень выходного напряжения источника питания при действии двух дестабилизирующих факторов – нестабильности входного напряжения и изменениях выходного (нагрузочного) тока. СПН является принципиально нелинейным устройством, связь между выходным напряжением U₂, входным U₁ и выходным током I₂ может быть представлена некоторой функциональной зависимостью

U₂=F(U₁, I₂).

Линеаризуя это уравнение относительно некоторого номинального режима

U₂⁰, U₁⁰, I₂⁰,

получаем уравнение для приращений

,

где – коэффициент стабилизации; (7.1)

– выходное сопротивление. (7.2)

Соотношения (7.1,7.2) являются основными для определения качества стабилизатора. Из уравнений следует, что для идеального стабилизатора необходимо иметь

k®¥, r₂₂®0.

Различают два типа стабилизатора – параметрические и компенсационные. В параметрических СПН используются стабилизирующие свойства стабилитрона, в которых при изменении тока в режиме электрического пробоя в широких пределах напряжение остается практически неизменным.

Рис. 7.7. Схема параметрического СПН

Рис. 7.8. Расчетная схема для определения параметров параметрического стабилизатора

Схема параметрического (пассивного) СПН приведена на рис. 7.7. Изменение входного напряжения (DU₁) или тока нагрузки (DI₂) в этой схеме приводит лишь к изменению тока через стабилитрон (DI_ст), а напряжение на нем, которое и равняется выходному напряжению, меняется незначительно.

Используя линеаризованные расчетные схемы, с учетом соотношений (7.1) и (7.2) – рис. 7.8, можем получить значения параметров:

(7.3)

Требуемый коэффициент стабилизации согласно (7.3) можно обеспечивать за счет увеличения балластного резистора R₀, хотя это приведет к снижению КПД стабилизатора.

Поэтому в качестве балластного элемента чаще всего используются нелинейные элементы с большим дифференциальным сопротивлением. Наиболее просто такая схема реализуется на полевом транзисторе (рис. 7.9).

Рис. 7.10. Схема интегрального опорного источника без применения стабилитрона

Рис. 7.9. Схема параметрического СПН с нелинейным балластным элементом

В силу особенности сквозной ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом напряжение на стабилитроне одновременно является напряжением смещения транзистора, задающего номинальный ток через стабилитрон I_с⁰. Большое сопротивление для приращений участка сток-исток обеспечивает высокий коэффициент стабилизации в такой схеме. Выходное же сопротивление остается по-прежнему равным дифференциальному сопротивлению стабилитрона, которое у лучших образцов составляет единицы – десятки Ом, что в большинстве случаев является неприемлемым. Поэтому параметрический СПН целесообразно использовать в системах, где ток нагрузки практически не меняется, например в качестве опорного источника. Однако температурный дрейф, разброс напряжения стабилизации стабилитронов достаточно велик и в микросхемном исполнении чаще всего используются опорные источники, не содержащие стабилитронов. В этих источниках путем выбора соответствующих параметров схемы напряжение на его зажимах равно напряжению запрещенной зоны кремния с очень высокой температурной стабильностью. Пример реализации такого источника приведен на рис. 7.10.

Близкие к идеальным характеристики можно получить в СПН компенсационного типа на основе усилителей постоянного тока с обратной связью по отклонению выходного напряжения относительно некоторого постоянного (опорного) напряжения вспомогательного источника. Обобщенная структурная схема компенсационного СПН изображена на рис. 7.11. Любые отклонения выходного напряжения от номинального значения выделяются путем сравнения опорного напряжения U₀ и части выходного U_ос, усиливаются и так воздействуют на регулирующий транзистор VT, чтобы свести отклонение к минимуму. Таким образом, в процессе работы меняется только напряжение коллектор-эмиттер регулятора.

Рассматривая схему данного СПН как усилитель с глубокой обратной связью (VT – как выходной каскад усилителя мощности), на вход которого подано постоянное напряжение U₀, на основе свойств идеального операционного усилителя, записываем:

(7.4)

Если U₀=const, отношение R₂/R₁= const, то из (7.4) следует, что U₂=constпри действии любых дестабилизирующих факторов. Предельная стабильность выходного напряжения, кроме стабильности U₀, и отношения R₂/R₁ определяется также температурным дрейфом смещения нуля ОУ. Параметры современных прецизионных ОУ позволяют обеспечить практически идеальный СПН.

Рис. 7.11. Обобщенная схема СПН
компенсационного типа

По представленной на рис. 7.11 схеме СПН реализованы стабилизаторы в интегральном исполнении (например, серии К142ЕН1-9, КР1158 и др.) на различные значения выходных напряжений от 3 до 90 В. В таком исполнении схемы имеют только три внешних вывода: вход, выход и общий провод. На рис. 7.12 приведена схема подключения такого стабилизатора. Выходное напряжение подобного СПН можно изменять в некоторых пределах. На рис. 7.13 приведена схема включения микросхемы для увеличения выходного напряжения

U_вых= U_ном+ U_R2.

При этом входное должно оставаться больше выходного напряжения примерно на 3 В. Серийные СПН рассчитаны на ток нагрузки от десятых долей до единиц ампер. Включением дополнительного регулирующего транзистора можно увеличить нагрузочную способность СПН.

Рис. 7.12. Схема подключения трехвходового СПН

Рис. 7.13. Подключение СПН для получения повышенного U_вых

Рассмотренные стабилизаторы стабилизируют положительные напряжения. Однако те же самые СПН можно использовать и для стабилизации отрицательных напряжений, если использовать гальванически изолированное от земли входное напряжение (см. рис. 7.14). В настоящее время выпускаются и стабилизаторы отрицательного напряжения, например, отечественные трехвходовые микросхемы серии КР1162.

В тех случаях, когда нужно разнополярное напряжение с общей точкой, могут применяться двуполярные СПН с фиксированным выходным напряжением, например К142ЕН6 (см. рис. 7.15).

Рис. 7.14. Стабилизация отрицательного напряжения

Рис. 7.15. Типовая схема включения К142ЕН6

7.3. Вторичные источники
с преобразованием частоты сети

Уменьшить габариты трансформатора, который в любом случае применяется для электрической развязки, можно за счет увеличения частоты питающего напряжения. С этой целью применяется промежуточное преобразование частоты сети.

Структурная схема источника с преобразованием частоты изображена на рис. 7.16. Он состоит из следующих блоков: первый преобразователь (Пр1) с емкостным фильтром (Ф1) преобразует напряжение сети (50 Гц, 220 В) непосредственно (без трансформации) в постоянное напряжение. Высокочастотный инвертор (И) преобразует полученное постоянное напряжение в высокочастотное (десятки – сотни кГц), которое трансформируется высокочастотным трансформатором (ТрВ) до нужного значения или нескольких значений. Габариты трансформатора уменьшаются почти пропорционально увеличению частоты. И если низкочастотный трансформатор мог весить несколько килограмм, то высокочастотный – десятки грамм.

Для обеспечения высокого значения КПД инвертор выполняется на элементах, работающих в ключевых режимах, и строится либо как автоколебательный генератор, либо для управления инвертором используются устройства управления (УУ). Обычно это специализированные микросхемы управления. Далее следует высокочастотный преобразователь (Пр2) с фильтром (Ф2), при необходимости – стабилизатор постоянного напряжения (может использоваться и линейный стабилизатор).

Рис. 7.16. Структурная схема вторичного источника электропитания
с преобразованием частоты

Очень часто вместо линейного стабилизатора выходное постоянное напряжение выводится на схему управления (рис. 7.16, пунктир) и его изменения меняют скважность выходных импульсов инвертора. Таким образом достигается стабилизация выходного напряжения.

Источники питания, в которых инвертор работает в ключевом режиме, называют импульсными источниками электропитания (ИВЭП).

На рис. 7.17 приведена условная классификация импульсных источников вторичного питания.

Рис. 7.17. Классификация ИВЭП

В табл. 7.1 даны сравнительные характеристики источников питания без преобразования частоты – линейных и с преобразованием частоты – импульсных.

Таблица 7.1

Несмотря на существенное усложнение электронной части схемы, необходимость экранирования во избежание воздействия на окружающие устройства импульсных помех от инвертора из-за значительного увеличения удельной мощности, источники с преобразованием практически вытеснили классические схемы из современных электронных устройств.