Стабилизаторы напряжения

Стабилизатор напряжения – это электронное устройство, которое обеспечивает постоянство входного напряжения или тока нагрузки. Стабилизаторы напряжения подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные. Основными параметрами стабилизаторов являются:

-выходное напряжение Uвых;

-выходной ток Iвых;

-пределы изменения входного напряжения Uвх;

-рассеиваемая мощность Pрас;

- коэффициент нестабильности по напряжению K_HV и току K _HI :

Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе стабилитронов или стабисторов (рис.101).

а) б)

Рис. 101. Схема параметрического стабилизатора напряжения (а), вольт- амперная характеристика (б).

Схема состоит из балластного резистора Rб и стабилитрона VD. При изменении входного напряжения Uвх напряжение на выходе стабилизатора будет изменятся незначительно, т.к. оно определяется малоизменяющимся обратным напряжением стабилитрона Uстаб.. При этом будет только изменятся ток через стабилитрон Iстаб.. Расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать величину сопротивления Rб, при котором ток через стабилитрон лежал в пределах: Iст.min<Iст<Iст.max при изменении напряжения Uвх в заданных пределах.

Рассмотренная выше схема параметрического стабилизатора напряжения отличается низким КПД и небольшими нагрузочными токами. Нагрузочной ток можно повысить, если на выходе поставить эмиттерный повторитель (рис.102).

Рис. 102. Параметрический стабилизатор напряжения с эмиттерным повторителем.

Принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения заключается в том, что при изменении входного напряжения Uвх или тока нагрузки Iн изменяется выходное напряжение Uвых. Это изменение Uвых поступает на вход усилителя, усиливается и изменяется напряжение на регулирующем элементе Uр таким образом, чтобы стабилизировать выходное напряжение Uвых.

Рис. 103. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения.

Для схемы стабилизатора Uвх=Up+Uвых. В качестве усилителя могут использоваться транзисторные каскады, ОУ и т.д. В настоящее время в качестве стабилизаторов напряжения широко используются интегральные схемы серии К142. Они построены на принципе компенсационных стабилизаторов напряжения и подразделяются на универсальные стабилизаторы и стабилизаторы с фиксированным напряжением.

Универсальные стабилизаторы напряжения имеют внешний делитель напряжения, с помощью которого выходное напряжение можно регулировать в широких пределах. К ним относятся микросхемы К142ЕН1, К142ЕН2, К142ЕН3, К142ЕН10.

Микросхема К142ЕН3 имеет защиту по короткому замыканию и от нагрева (рис.104).

Рис. 104. Стабилизатор напряжения на ИС К142ЕН3.

Для увеличения тока нагрузки параллельно с микросхемой ставят мощный транзистор, например, КТ805А, КТ829 и т.д.

Микросхемы с фиксированным напряжением имеют внутренний делитель напряжения и настроены на определенное выходное напряжение. К таким ИС относятся 142 ЕН5, ЕН6, ЕН8 и др. Схемы имеют защиту от короткого замыкания. Выходное напряжение определяется буквой в конце маркировки.

Рис. 105. Стабилизатор на ИС К142ЕН5А

Микросхема К142ЕН6А, В, Д формирует два разнополярных напряжения по 15В для питания ОУ. В стабилизаторах с фиксированным напряжением можно повысить выходное напряжение с помощью делителя R1, R2. Иногда резистор R2 заменяют диодом или стабилитроном.

Ключевые стабилизаторы (рис.107) содержат накопительную индуктивность (дроссель) L, включенную последовательно с нагрузкой Rн. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей включен конденсатор Сф. Ключевой транзистор VT включен между источником питания Uвх и накопительной индуктивностью L. Устройство управления включает и выключает транзистор VT в зависимости от значения напряжения на нагрузке Uн.

Рис. 107. Ключевой стабилизатор напряжения.

При открытом состоянии транзистора напряжения поступает на выход и одновременно энергия запасается в дросселе. При отключении транзистора в нагрузке течет ток за счет емкости Сф и самоиндукции дросселя L. По виду управления ключевые стабилизаторы подразделяются на импульсные и релейные. В первых – частота управляющих сигналов постоянна, задается внешним генератором, однако в процессе работы изменяется скважность. В релейных стабилизаторах напряжения управляющие сигналы формируются с помощью компаратора и зависят от выходного напряжения. На рис.108 приведена схема релейного стабилизатора напряжения.

Рис 108. Схема релейного стабилизатора напряжения (а) и временная диаграмма его работы (б).

Предположим в момент времени t1 напряжение Uвых выше требуемого (U1>U2), тогда напряжение на выходе ДА1 положительное, транзистор VT2 открывается, а транзистор VT1 запирается. Ток дросселя, протекая через диод VD1, отдает накопленную энергию в нагрузку. По мере уменьшения энергии дросселя выходное напряжение стабилизатора уменьшается и в момент времени t2 компаратор запирает транзистор VT2. При этом открывается транзистор VT1 и на вход LфСф фильтра прикладывается напряжение близкое к Uвх. Ключевые стабилизаторы напряжения имеют небольшие габаритные размеры.

Литература

1. Электротехника и электроника: Учебник в 3-х книгах. / Под ред. В. Г. Герасимова. Кн. 1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 287 с.

2. Электротехника и электроника: Учебник в 3-х книгах. / Под ред. В. Г. Герасимова. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 272 с.

3. Электротехника и электроника: Учебник в 3-х книгах. / Под ред. В. Г. Герасимова. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 432 с.

4. Рекус Г. Г., Белоусов А. И. Сборник задач по электротехнике и основам электроники. – М.: Высшая школа, 1991. – 416 с. (НТБ –217 экз.). – М.: Высшая школа, 2001. – 416с.

5. Федотов И. П. Основы электроники. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с.

6. Глазенко Т. Е., Прянишников В. А. Электротехника и основы электроники. – М.: Высшая школа, 1996