Виды стабилизаторов и их основные характеристики.

Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др.

По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа.

Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке. Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме.

По выходной мощности стабилизаторы можно разделить на маломощные (до 1Вт), средней мощности (до 250 Вт) и большой мощности (свыше 250 Вт). Маломощные стабилизаторы используются в измерительной технике, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Стабилизаторы средней мощности используются для питания маломощных электронных устройств. Мощные стабилизаторы применяют для питания лазерных установок, электронных микроскопов и др.

По точности поддержания выходного напряжения на нагрузке стабилизаторы делят на прецизионные (изменение напряжения не более 0,005%), точные (изменение напряжения от 0,01 до 0,005%), средней точности (изменение напряжения от 0,1 до 0,01%) и низкой точности (изменение напряжения от 1 до 0,1%). В прецизионных стабилизаторах для получения наивысшей точности поддержания выходного напряжения используются специальные устройства, исключающие влияние изменения температуры окружающей среды (термостаты или криостаты).

Основные параметры стабилизаторов напряжения. Параметры стабилизаторов напряжения позволяют сравнивать их по качеству работы, выбирать те, которые удовлетворяют требованиям эксплуатации электронных устройств. К таким параметрам относят: номинальное выходное напряжение U_вых, диапазон изменения входного напряжения U_вх.min и U_вх.max, диапазон изменения тока нагрузки I_н.min и I_н.max, коэффициент полезного действия η, коэффициент нестабильности по напряжению K_нU и коэффициент нестабильности по току K_нI, коэффициент сглаживания пульсаций K_СГ и быстродействие.

Номинальное напряжение стабилизации U_вых – это выходное напряжение стабилизатора при нормальных условиях его эксплуатации (определенное входное напряжение, заданный ток нагрузки, установленная температура окружающей среды). Если стабилизатор позволяет регулировать выходное напряжение, то задается диапазон изменения выходного напряжения U_вых.min и U_вых.max. Диапазон изменения входного напряжения U_вх позволяет установить пределы изменения напряжения на входе стабилизатора, при которых сохраняются точностные свойства стабилизатора.

Диапазон изменения тока нагрузки I_н позволяет установить пределы изменения тока нагрузки, при котором сохраняются точностные свойства стабилизатора.

Коэффициент полезного действия стабилизатора η_ст – это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р_н, к мощности Р_пот, потребляемой от первичного источника питания:

(1)

Коэффициент нестабильности по напряжению K_нU – это отношение относительного изменения выходного напряжения ΔU_вых/U_вых к вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки ΔI_н/I_н:

(2)

Коэффициент сглаживания пульсаций — это отношение амплитудного значения пульсаций входного напряжения к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения:

(3)

Быстродействие стабилизатора характеризует его способность быстро отрабатывать скачкообразные изменения входного напряжения или тока нагрузки. Обычно быстродействие стабилизатора определяют временем установления выходного напряжения при заданном скачкообразном изменении напряжения на входе или тока нагрузки.

Параметрические стабилизаторы напряжения выполняют на специальных полупроводниковых диодах: стабилитронах и стабисторах. Для стабилизации напряжения при помощи стабилитрона используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, а при помощи стабистора – его прямую ветвь.

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Типовая схема включения стабилитрона приведена на рисунке 10. Основными параметрами стабилитрона являются: номинальное напряжение стабилизации U_cr, его дифференциальное сопротивление r_ст и температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН.

Рисунок 10 – Типовая схема включения стабилитрона

Работа типовой схемы стабилизатора, приведенной на рисунке 10, происходит следующим образом. Входное напряжение U_вх через ограничительное сопротивление R_г подводится к параллельно включенным стабилитрону Д и сопротивлению нагрузки R_н. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то то же относится и к напряжению на нагрузке.

Если входное напряжение увеличивается, то практически все приращение ΔU_BX передается на сопротивление R_г, что приводит к увеличению тока в нем. Это увеличение тока происходит за счет увеличения тока стабилитрона при почти неизменном токе нагрузки.

Компенсационные стабилизаторы. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рисунке 11, а. Выходное напряжение U_вых стабилизатора через делитель напряжения ДН подводится к усилителю сигнала рассогласования (сигнала ошибки) УСО, где сравнивается с выходным напряжением U_оп источника опорного напряжения ИОН. С выхода У СО напряжение ошибки поступает на регулирующий элемент РЭ и изменяет его коэффициент передачи.

Выходное напряжение компенсационного стабилизатора не зависит от изменения напряжения на входе U_вх и пропорционально опорному напряжению. В качестве источника опорного напряжения обычно используется один из видов параметрических стабилизаторов, рассмотренных ранее. В этом случае применение делителя напряжения ДН позволяет получать выходное напряжение, отличное от напряжения опорного источника.

Рисунок 11 — Упрощенная структурная схема стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием (а) и функциональная схема стабилизатора фиксированного напряжения (б)

Стабилизаторы тока

Стабилизаторы тока предназначены для стабилизации тока на нагрузке. Напряжение на нагрузке зависит от его сопротивления. Стабилизаторы необходимы для функционирования различных электронных приборов, например газоразрядные лампы.

Для качественного заряда аккумуляторов также необходимы стабилизаторы тока. Они используются в микросхемах для настройки тока каскадов преобразования и усиления. В микросхемах они играют роль генератора тока. В электрических цепях всегда есть разного рода помехи. Они отрицательно влияют на действие приборов и электрических устройств. С такой проблемой легко справляются стабилизаторы тока.

Отличительной чертой стабилизаторов тока является их значительное выходное сопротивление. Это дает возможность исключить влияние напряжения на входе, и сопротивления нагрузки, на значение тока на выходе устройства. Стабилизаторы тока поддерживают выходной ток в определенных пределах, меняя при этом напряжение таким образом, что ток, протекающий по нагрузке, остается постоянным.