Линейные стабилизаторы напряжения

Общие сведения. Для питания любойэлектронной схемынеобходимо иметь один или несколько источников стабильного напряжения постоянного тока.

Качество работы электронной схемы в значительной степени зависит от качества ее источников питания. Так, например, медленные колебания и пульсации напряжений питания приводят к появлению ложных сигналов на выходе УПТ, они изменяют величину малосигнальных параметров транзистора и т.д..

Устройства электроники питаются от сети переменного тока через выпрямители и фильтр, поэтому основными источниками нестабильности питающего напряжения являются:

- колебания напряжения и частоты сети;

- пульсации переменного напряжения;

- изменение сопротивления нагрузки;

- изменение температуры.

Внутреннее сопротивление источников питания создает паразитные обратные связи, которые могут привести к значительным изменениям их параметров и даже самовозбуждению усилителя.

Все это создает необходимость стабилизации питающих напряжений. Требуемая точность стабилизации иногда может оказаться очень высокой. Например, для питания измерительных устройств, работающих с погрешностью 0,1 % необходимо стабилизировать напряжение питания с погрешностью не выше 0.01%.

Одним из основных параметров стабилизатора является коэффициент стабилизации, который характеризует процентное изменение входного питающего напряжения к выходному

k _ст = _{Rн = const};

Наилучшими стабилизационными свойствами обладают компенсационные стабилизаторы. Схема линейного компенсационного стабилизатора напряжения на ОУ приведена на рисунке 7.1.

Выходное напряжение через делитель напряжения ДН подводится к усилителю сигнала рассогласования на ОУ (DA 1), где сравнивается с опорным, которое задает стабилитрон VD 1. ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя с ООС по напряжению. Регулирующий транзистор VT 1 включен по схеме с ОК, то есть нагрузка включена последовательно с транзистором в эмиттерной цепи.

Выходное напряжение контролируется с помощью цепи ООС, выполненной на резистивном делителе R 1 и R 2 (ДН). ОУ играет роль усилителя ошибки.

∆ V = U _ОП - U _ДЕЛ= U _VD1 – U _ВЫХ (R ₂/(R ₁+ R ₂).

Если, например, выходное напряжение увеличивается по каким-то причинам (например, из-за увеличения входного напряжения или из-за изменения сопротивления нагрузки), увеличивается U _ДЕЛ и на входе ОУ появится дифференциальный сигнал ∆ V<0 и, соответственно, минус на базе регулирующего транзистора VT 1.

Ток базы уменьшится, соответственно уменьшится ток коллектора. Транзистор подзакрывается, увеличивается его внутреннее сопротивление, и напряжение на выходе падает. Таким образом, благодаря ООС через ОУ осуществляется регулировка выходного напряжения.

Изменение выходного напряжения при изменении входного зависит от соотношения сопротивлений R ­­_I - внутреннего сопротивления регулирующего транзистора и R _ВЫХ - выходного сопротивления каскада с ОК на VT 1.

− внутреннее сопротивление регулирующего транзистора;

,

где − коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

Выходное сопротивление стабилизатора R _ВЫХ - один из важных параметров стабилизатора и должно быть как можно меньше.

;

Коэффициент стабилизации определяется из соотношения:

k_ст = _{Rн = const};

Таким образом, коэффициент стабилизации равен:

.

Если, например, U_ВЫХ/U_ВХ = 0,5; r _k=50 кОм; r _э =20 Ом; k _ОУ=20000;

β = 50; k _дел = 0,8; то k _ст=200000.

Питание ОУ может быть осуществлено и однополярным положительным напряжением, причем необязательно использовать стабилизированное напряжение питания, можно использовать нестабилизированное входное напряжение. Колебания этого напряжения практически не влияют на стабильность выходного напряжения, так как дрейф выходного напряжения, вызываемый изменением напряжения питания, в ОУ крайне мал.

Интегральные стабилизаторы напряжения. Промышленность выпускает стабилизаторы напряжения на ряд напряжений для логических микросхем, для ОУ. Есть ИС с фиксированным напряжением, с регулируемым напряжением, двуполярные, многоканальные. При выборе стабилизаторы напряжения их необходимо подбирать по заданным эксплуатационным параметрам.

Представленная на рисунке 7.1 схема может быть выполнена в виде интегральной схемы. На рисунке 7.2 представлена упрощенная схема интегрального стабилизатора КР142ЕН5.

Рис. 7.2. Схема интегрального стабилизатора КР142ЕН5

Регулирующий транзистор на транзисторах VT 1 представляет собой составной транзистор. Управляющий усилитель построен по схеме дифференциального усилителя с несимметричным выходом на транзисторах VT 3 и VT 4. Коэффициент усиления этого каскада невысок, поэтому невысок и коэффициент стабилизации (300-400). В качестве источника опорного напряжения используется стабилитрон VD 1. ООС построена на делителе R 1, R 2.

Стабилитрон имеет встроенную систему ограничения выходного тока на транзисторе VT 2 и резисторе R 3. Если падение напряжения на R 3 превысит величину, примерно равную 0,6 В, транзистор VT 2 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение тока VT 1.

Имеются 3-х выводные интегральные стабилизаторы (для фиксированного напряжения) и многовыводные (для регулируемого напряжения). Параметры некоторых отечественных и зарубежных интегральных стабилизаторов приведены в таблице 7.1.

Важнейшие эксплуатационные параметры (предельно допустимые) интегральных стабилизаторов:

· диапазон допустимых входных напряжений;

· номинальное выходное напряжение для стабилизатора с фиксированным выходным напряжением, либо диапазон допустимых напряжений для регулируемого стабилизатора;

· максимально допустимый ток нагрузки;

· максимально допустимая рассеиваемая мощность;

· минимально допустимое падение напряжения между входом и выходом стабилизатора при максимальном токе нагрузки;

· ток, потребляемый стабилизатором, в режиме холостого хода;

· допустимый диапазон температур окружающей среды.