Стабилизатор напряжения параллельного типа принцип работы

Стабилизаторы напряжения

Стабилизатор напряжения — прибор, который обеспечивает стабильный уровень напряжения, автоматически компенсируя изменения напряжения источника и сопротивления нагрузки. Существует два основных типа стабилизаторов напряжения: параллельные стабилизаторы и последовательные стабилизаторы.

Стабилизация — термин, применяемый для выражения того, насколько хорошо источник электропитания поддерживает постоянное напряжение, подаваемое к нагрузке, независимо от изменений напряжения на входе источника и сопротивления нагрузки. Многие типы электронного оборудования для нормальной работы требуют стабильного уровня напряжения.

Стабилизатор напряжения

Параллельный стабилизатор напряжения

Стабилизатор, установленный параллельно нагрузке. Параллельный стабилизатор состоит из стабилитрона (VR1), ограничивающего ток сопротивления (R1) и сопротивления нагрузки (RL). Сопротивление нагрузки установлено параллельно стабилитрону.

Схема параллельного стабилизатора, соединённого с мостовым выпрямителем

Стабилитрон предназначен для работы с конкретным напряжением, известным как напряжение туннельного пробоя p-n-перехода. Поскольку стабилитрон — активный элемент, он может менять своё внутреннее сопротивление. Изменения в прохождении тока через стабилитрон не изменяют падение напряжения в нём. Ограничивающее ток сопротивление, установленное в последовательности со стабилитроном, ограничивает величину тока, которое протекает через стабилитрон, и предохраняет его от повреждений. Падение напряжения в стабилитроне фиксируется посредством самой конструкции стабилитрона и остаётся относительно постоянным. Часть напряжения от источника, которая не снижается стабилитроном, снижается ограничивающим сопротивлением. Поскольку стабилитрон установлен параллельно сопротивлению нагрузки, напряжение через RL будет равно падению напряжения на стабилитроне.

Последовательный стабилизатор

Это стабилизатор, установленный последовательно по отношению к нагрузке. Последовательный стабилизатор состоит из стабилитрона (VR1), ограничивающего ток сопротивления (R1), и сопротивления нагрузки (RL).

Стабилитрон и ограничивающее ток сопротивление соединены последовательно, чтобы образовался делитель напряжения. База транзистора подсоединена к делителю напряжения. Контур транзистора «эмиттер-коллектор» соединён последовательно с сопротивлением нагрузки.

Схема последовательного стабилизатора, соединённого с мостовым выпрямителем

Поскольку транзистор в последовательном стабилизаторе напряжение, воздействующее на базу транзистора, равно падению напряжения в стабилитроне. Этот потенциал положителен относительно эмиттера транзистора. Так как стабилитрон поддерживает падение напряжения на постоянном уровне, потенциал, воздействующий на базу транзистора, будет оставаться постоянным.

Последовательный стабилизатор поддерживает постоянный уровень напряжения, подаваемого на нагрузку, изменяя величину падения напряжения в транзисторе. Возрастание тока через нагрузку может быть вызвано либо повышением напряжения источника питания, либо снижением сопротивления нагрузки. Когда ток возрастает, возрастает также и падение напряжения на нагрузке. В результате, напряжение, приложенное к эмиттеру транзистора, возрастает, делая его более положительным. Это означает, что разность электрических потенциалов между эмиттером и базой становится меньше, поэтому возрастает внутреннее сопротивление транзистора.

Источник

Компенсационные стабилизаторы

Компенсационные стабилизаторы напряжения позволяют получить постоянное напряжение с минимальным значением пульсаций и шума, поэтому эти стабилизаторы применяются в узлах радиоаппаратуры, наиболее чувствительных к помехам. Более того! Если раньше в радиоэлектронном устройстве применялся один источник стабильного напряжения, а потребители разделялись пассивными RC фильтрами, то теперь экономически выгоднее вместо фильтрующих RC-цепочек поставить интегральные стабилизаторы напряжения.

Следует отметить, что при написании этой статьи я решал непростую дилемму. С одной стороны в настоящее время на рынке предлагается огромное количество готовых микросхем стабилизаторов напряжения. С другой стороны для правильного выбора и применения этих микросхем нужно понимать как они работают. Именно поэтому сначала познакомимся с принципами работы компенсационного стабилизатора, а только потом рассмотрим особенности применения готовых микросхем. Структурная схема компенсационного стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Стабилизация выходного напряжения в компенсационном стабилизаторе происходит при помощи отрицательной обратной связи. Выходное напряжение может измениться под влиянием входного напряжения или изменения тока нагрузки. Оно сравнивается с опорным высокостабильным напряжением и при несовпадении осуществляется его подстройка под заданное значение.

В процессе работы компенсационного стабилизатора транзистор, который применяется в качестве регулировочного элемента, изменяет свое внутреннее сопротивление. На этом сопротивлении по закону Ома осуществляется падение напряжения ΔU_РЭ. При этом напряжение падает ровно настолько, чтобы на выходе получилось требуемое напряжение питания. Это означает, что при применении компенсационного стабилизатора входное напряжение всегда должно быть больше выходного.

В схеме, приведенной на рисунке 1, коэффициент передачи элемента регулирования K_р определяет зависимость выходного напряжения от входного. Для хорошего стабилизатора чем меньше будет этот коэффициент, тем лучше. Пульсации входного напряжения не смогут пройти на выход стабилизатора. Поэтому в элементе регулировки обычно входное напряжение подается на коллектор биполярного транзистора или сток полевого транзистора. Эталонное напряжение Uэт обычно не совпадает с выходным напряжением стабилизатора, поэтому между его выходом и схемой сравнения ставится делитель напряжения с коэффициентом деления Kд. Для получения необходимого коэффициента стабилизации между устройством сравнения и регулирующим транзистором ставится усилитель постоянного тока, который усиливает сигнал ошибки ΔU_E. Общий коэффициент петлевого усиления в данной схеме можно определить следующим образом:

Принцип работы компенсационного стабилизатора лучше пояснить по принципиальной схеме. Подобная схема, выполненная на двух транзисторах, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения

В этой схеме в качестве регулирующего элемента использован транзистор VT1, включенный по схеме с общим коллектором. Схема сравнения реализована на транзисторе VT2. Ток этого транзистора зависит от разности напряжений между базой и эмиттером. В качестве эталонного источника напряжения применен параметрический стабилизатор на резисторе R1 и стабилитроне VD1. Выходное напряжение поступает на базу транзистора VT2 через делитель напряжения R3, R4.

Если напряжение на выходе стабилизатора по каким либо причинам возросло, то транзистор VT2 приоткрывается и напряжение на его коллекторе уменьшается. К коллектору VT2 подключена база транзистора VT1, следовательно, уменьшится и напряжение на выходе стабилизатора (вернется к заданному значению). Аналогичным образом схема отрицательной обратной связи отработает и при уменьшении напряжения на выходе.

Следует заметить, что от транзистора VT1 требуется обеспечивать большой коэффициент усиления по току, поэтому в современных стабилизаторах, таких как иностранные микросхемы 7805 или КР142ЕН5 отечественного производства, в качестве этого транзистора применяется составной транзистор по схеме Дарлингтона.

Рисунок 3. Схема Дарлингтона

Коэффициент усиления усилителя, собранного на транзисторе VT2, сильно зависит от сопротивления R2. Чем больше будет это сопротивление, тем больше Kу, и, следовательно, коэффициент стабилизации. Кроме того, через это сопротивление на базу транзистора VT1 поступают пульсации входного напряжения Uвх. С этой точки зрения тоже следует увеличивать сопротивление резистора R2. Однако в результате может не хватить тока для работы транзисторов VT1 и VT2. Поэтому в современных стабилизаторах вместо обычного резистора применяются генераторы тока. Чаще всего токовое зеркало.

Рисунок 4. Принципиальная схема токового зеркала

В результате получается схема, подобная схеме стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 7805. Конечно, существуют микросхемы стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, однако подобная функция приводит к усложнению схемы и снижению параметров стабилизатора, поэтому выгоднее подобрать готовый стабилизатор на необходимое напряжение.

Рисунок 5. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора 7805

Несмотря на достаточно сложную внутреннюю схему, применять такой стабилизатор чрезвычайно просто. Его схема включения приведена на рисунке 6

Рисунок 6. Принципиальная схема стабилизатора, реализованного на микросхеме 7805

Микросхемы, выполненные по этой схеме выпускаются большинством ведущих фирм мира. В качестве примера можно назвать LM7805 фирм Texas Instruments, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor, способную выдавать выходной ток более 1,5 А. Имеется отечественный аналог — стабилизаторы КР142ЕН5В. В названии приведенной микросхемы стабилизатора цифры 78 означают, что это стабилизатор, а цифры 05 означают, что он формирует на выходе напряжение 5 В. Соответственно стабилизаторы 7803 будут формировать напряжение 3.3 В, микросхема 7809 сформирует на выходе напряжение 9В, микросхема 7812 обеспечит напряжение 12В.

Так как через силовой транзистор (элемент регулировки) протекает весь ток нагрузки, то на нем выделяется тепловая энергия, которую необходимо рассеять в окружающем пространстве. Поэтому обычно этот стабилизатор размещается на радиаторе. Для удобства крепления микросхема выполняется в специально разработанном корпусе TO-220, который даже без радиатора способен рассеять до 1 Вт тепла.

Рисунок 7. Примеры компенсационных стабилизаторов, выполненных на микросхеме 7805

В ряде случаев такой большой ток не требуется, поэтому были разработаны микросхемы маломощных стабилизаторов напряжения. Наиболее распространены микросхемы LM78L05. Эти микросхемы выпускаются в малогабаритных корпусах, таких как SOIC, SOT-89, DSBGA или TO-92. Отечественные малогабаритные стабилизаторы — КР1157. Их схема включения не отличается от схемы, приведенной на рисунке 6, но конструкция совершенно другая.

Рисунок 8. Примеры компенсационных стабилизаторов, выполненных на микросхеме 78L05

Как видно из приведенных примеров, компенсационные стабилизаторы нашли широкое применение в современных компьютерах, сотовых телефонах и рациях.

Дата последнего обновления файла 21.05.2019

Понравился материал? Поделись с друзьями!

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Компенсационный стабилизатор напряжения. Расчёт стабилизатора напряжения (meanders.ru)
6. LDO-преобразователи с низким током собственного потребления и малым падением напряжения (compel.ru)
7. Одноканальные LDO-стабилизаторы малой мощности компании Texas Instruments (rlocman.ru)
8. 3 Pin 1.5A Fixed 5V Positive Voltage Regulator (ti.com)
9. 1A LOW DROPOUT POSITIVE FIXED 2.5V REGULATOR (gaw.ru)

Вместе со статьей «Компенсационные стабилизаторы» читают:

Источник

Простой мощный параллельный стабилизатор на транзисторах

В предлагаемой статье описываются принципы работы параллельного стабилизатора, и рассматривается возможность его применения для стабилизации питания мощных высококачественных усилителей НЧ. Приведена также схема полного источника питания с параллельным стабилизатором.

Среди радиолюбителей, а также в промышленных аудиоустройствах высокого качества широко используются параллельные стабилизаторы. В этих устройствах стабилизирующий элемент подключается параллельно нагрузке, что хорошо отражается на таком параметре стабилизатора, как его быстродействие. Фактически быстродействие стабилизатора определяется быстродействием стабилизирующего элемента. Также к достоинствам параллельных стабилизаторов стоит отнести тот факт, что независимо от тока, потребляемого от стабилизатора, ток, потребляемый им самим от источника питания, остается неизменным. Этот факт положительно отражается на уровне излучаемых БП в целом помех (за счет того, что девиации тока потребления не протекают через трансформатор и выпрямительный мост), хотя и служит причиной их низкого КПД.

Рассмотрим вышеизложенное на примере простейшего параллельного стабилизатора – параметрическом стабилизаторе на стабилитроне (рис.1.)

Рис.1. Параметрический стабилизатор

Резистор R0 задает суммарный ток, который будет течь через стабилитрон и подключенную, параллельно ему нагрузку. Легко видеть, что при изменении тока нагрузки, ток через резистор R0 останется постоянным, изменится лишь ток, текущий через стабилитрон D1. Так будет происходить, пока будет выполняться условие (1):
I_НR0-I_ст.мин. (1)
где I_Н — ток нагрузки,
I_R0 — ток через R0,
I_ст.мин. – минимальный ток стабилизации стабилитрона D1

Быстродействие данного стабилизатора будет определяться в основном скоростью изменением величины барьерной емкости стабилитрона [1], а также временем заряда-разряда конденсатора С1.
Однако у подобных стабилизаторов есть и недостатки – в частности для получения более-менее приличного коэффициента стабилизации (>100), через стабилитрон должен течь ток, соизмеримый с током нагрузки. Это обстоятельство, с учетом того, что подавляющее количество стабилитронов рассчитано на ток до 100 мА, затрудняет использование параметрических стабилизаторов в мощных устройствах.
Чтобы обойти это препятствие, параллельно стабилизатору ставят мощный активный элемент, например MOSFET транзистор, как показано на рисунке 2.

Рис.2. Мощный параллельный стабилизатор.

В этой схеме стабилитрон лишь задает стабильное напряжение на затворе транзистора Q1, через цепь сток-исток которого и течет основной ток. Стабилитрон VD3 предохраняет Q1 от пробоя ввиду высоковольтности данной реализации. Подробнее о работе этой схемы можно прочитать в [2].
Схема, приведенная на рисунке один способна работать с большими токами (ограничивается предельными характеристиками примененного мосфета), но выделяет большую мощность и имеет низкий КПД(менее 30% – если падение на резисторе R1 сравнительно велико, ток через мосфет сравним с током через нагрузку, величины входного и выходного напряжений не превышают 100 В), что в мощных приложениях является серьезным недостатком.

Но ток текущий через мосфет, можно заметно снизить без ущерба для коэффициента стабилизации, если устранить источник нестабильности в данной схеме. Остановимся на нем подробнее.
При изменении напряжения на входе стабилизатора изменяется ток, текущий через резистор R1, это изменение можно снизить увеличением номинала этого резистора, но это, в свою очередь потребует увеличение падения напряжения на этом резисторе, а следовательно снизит КПД. Оптимальным решением, на мой взгляд является замена этого резистора на источник тока, на котором падение напряжение можно будет установить равное сумме девиации входного напряжения+2-3 вольта для нормально работы активного элемента источника тока.
С учетом этих дополнений была разработана схема источника питания с параллельным стабилизатором, представленная на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема БП с параллельным стабилизатором

Функцию токозадающего резистора здесь выполняет источник тока на транзисторе Q1. Для снижения нестабильности выдаваемого им тока, он запитан от другого источника тока меньшей мощности, который в свою очередь запитан через RCR фильтр для снижения пульсаций. Резистором R7 можно грубо регулировать рабочий ток стабилизатора, резистором R4 плавно. Резистором R8 можно подстроить выходное напряжение стабилизатора в небольших пределах. R6 представляет собой нагрузку БП, потребляющую около 600 мА.(без нагрузки БП не подключать!). Транзисторы Q1 и M1 можно установить на общем радиаторе площадью не менее 500 кв.см.

Основные технические характеристики стабилизатора (с входным и выходным RC-фильтрами):

1. Выходное напряжение = 12В.
2. Входное напряжение > 18В.
3. Ток нагрузки – 600 мА
4. Потребляемый ток – 750 мА (при номиналах, указанных на схеме, изменяется подбором резистора R2,R7,R4 – в порядке величины влияния)
5. Уровень пульсаций на выходе — -112дБ
6. КПД=57%

Легко видеть, что представленная схема обладает достаточно высокими параметрами в части КПД и Кст, сравнимыми с характеристиками компенсационных последовательных стабилизаторов, при этом практически полностью сохраняя достоинства параллельных стабилизаторов.
При этом схема достаточно проста, не требует дефицитных деталей, и может быть сконструирована даже начинающими радиолюбителями.
При входном напряжении до 50В в схеме можно применить – Q1-BD244C, Q2-BC546А, M1-IRF630. В качестве стабилитрона D7 можно применить любой на напряжение 8,2 В, диоды D1-D4 например SF54, диоды D5,D6,D8,D9 – например 1N4148.

1. Жеребцов И.П. Основы электроники, стр. 40, Л, 1989.
2. Рыжков В.А. Простой параллельный стабилизатор на транзисторе.

Источник