1. Линейные стабилизаторы напряжения. Параметрический стабилизатор.

Схема представляет делитель напряжения, состоящий из резистора R0 и стабилитрона VD. Нагрузочный резистор Rн включен параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение стабилитрона почти постоянно, постоянным будет и напряжение на нагрузке.

Нагрузочная характеристика линейной подсхемы представляет прямую, проходящую через точки, соответствующие режимам холостого хода U_xx = βU_вx и короткого замыкания I_кз = U_вх / R₀ . Здесь β = Rн /( R0 + Rн ).

В параметрических стабилизаторах напряжения в качестве

регулирующих используют нелинейные элементы, имеющие участок ВАХ, на

котором напряжение остается неизменным при изменении тока. Такой участок

имеет обратная ветвь ВАХ стабилитрона.

Для поддержания режима стабилизации сопротивление R0

Коэффициент стабилизации определяется по формуле

Плюсы: простота и надежность, ток до неск. десятков миллиампер Минусы: КПД не более 50%, узкий диапазон напряжения.

2. Линейные стабилизаторы напряжения. Компенсационный стабилизатор.

Схема работает следующим образом. Предположим, что по каким-

либо причинам выходного напряжение стабилизатора U2 уменьшилось. При этом сигнал ошибки, равный разности напряжения на стабилитроне VD1 и на выходе делителя напряжения R1 – R2 увеличится. Это приведет к увеличению тока базы. Увеличится и ток эмиттера регулирующего транзистора до величины, при которой выходное напряжение примет первоначальное значение.

Расчет стабилизатора выполняется в следующем порядке. 1. Определяем минимальное входное напряжение с помощью соотношения

2. По заданным значениям Uвыхmaх , Uвыхmin , I нma выбираем тип транзистора, реализующего регулирующий элемент (РЭ).

3. Выбираем стабилитрон из условия Uст =Uвыхmin –(2 ÷3 )В.

4. Рассчитываем сопротивление резистора R0 по формуле R0 = (2 ÷3 )/Iстmin. Здесь Iстmin – минимальный ток стабилитрона, мА. 5. Рассчитываем суммарное сопротивление делителя напряжения из условия, что ток делителя должен составлять в номинальном режиме 5 – 10 мА. Сопротивления резисторов делителя определяются выражениями RΣ = R1 + R2 ;

3. Линейные стабилизаторы напряжения. Интегральные стабилизаторы.

Простые стабилизаторы выполнены в виде законченных устройств(вход-выход-земля). Они обычно бывают на 5-24В с током до 1А. А интегральные стабилизаторы имеют встроенные механизмы ограничения выходного тока и защиту от перегрева. Упрощенная схема ИС: VD1 – источник опорного напряжения

VT1+VT2 – усилитель ошибки (дифусилитель на транзисторах)

VT4+VT5 – регулирующий элемент

R1 и R2 образуют цепь отрицательной обратной связи VT3+R5 – ограничитель тока

Выходное напряжение стабилизатора

4. Импульсные источники напряжения. Повышающий преобразователь.

Он относится к классу так называемых обратноходовых преобразователей.

Его работу можно разделить на 2 фазы по ключу: 1.Ключ замкнут(активная): энергия источника напряжения E передается не в нагрузку, а запасается в индуктивности L.

2.Ключ разомкнут(пассивная): к нагрузке R_Н через диод D оказывается приложенной сумма напряжений источника E и наведенной в индуктивности ЭДС. Выходное напряжение в такой схеме всегда оказывается выше входного. Энергия, накопленная в индуктивности, полностью или частично отдается в нагрузку. Такой тип преобразователя называется обратноходовым, так как отдача энергии в нагрузку происходит в пассивной фазе, на «обратном ходу».

Диод D нужен для предотвращения шунтирования выходного напряжения замкнутым ключом. Емкость C сглаживает «провалы» напряжения на нагрузке в активной фазе.

В данном случае за время пассивной фазы индуктивность не отдает всю запасенную энергию в нагрузку. Это называется режимом непрерывного тока:

studfiles.net

Мощный линейный стабилизатор напряжения

Для питания различных электронных устройств и схем, сделанных своими руками нужен такой источник питания, напряжение на выходе которого можно регулировать в широких пределах. С его помощью можно наблюдать, как ведёт себя схема при том или ином напряжении питания. При этом он должен иметь возможность выдавать большой ток, чтобы питать мощную нагрузку, и минимальные пульсации на выходе. На роль такого источника питания отлично подойдёт линейный стабилизатор напряжения – микросхема LM338, она обеспечивает ток до 5 А, имеет защиту от перегрева и короткого замыкания на выходе. Схема её включения достаточно проста, она представлена ниже.

Схема

Микросхема LM338 имеет три вывода – вход (in), выход (out) и регулирующий (adj). На вход подаём постоянное напряжение определённой величины, а с выхода снимаем стабилизированное напряжение, величина которого задаётся переменным резистором Р2. Напряжение на выходе регулируется от 1,25 вольт до величины входного, с вычетом 1,5 вольт. Проще говоря, если на входе, например, 24 вольта, то на выходе напряжение будет меняться в пределах от 1,25 до 22,5 вольт. Подавать на вход более 30 вольт не следует, микросхема может уйти в защиту. Чем больше ёмкость конденсаторов на входе, тем лучше, ведь они сглаживают пульсации. Ёмкость конденсаторов на выходе микросхемы должна быть небольшой, иначе они будут долго сохранять заряд и напряжение на выходе будет регулироваться неверно. При этом каждый электролитический конденсатор должен быть зашунтирован плёночным или керамическим с малой ёмкостью (на схеме это С2 и С4). При использовании схемы с большими токами микросхему обязательно нужно установить на радиатор, ведь она будет рассеивать на себе всё падение напряжения. Если токи небольшие – до 100 мА, радиатор не потребуется.

Сборка стабилизатора

Вся схема собирается на небольшой печатной плате размерами 35 х 20 мм, изготовить которую можно методом ЛУТ. Печатная плата полностью готова к печати, отзеркаливать её не нужно. Ниже представлены несколько фотографий процесса.



Дорожки желательно залудить, это уменьшит их сопротивление и защитит от окисления. Когда печатная плата готова – начинаем запаивать детали. Микросхема запаиваться прямо на плату, спинкой в сторону края. Такое расположение позволяет закрепить на радиаторе всю плату с микросхемой. Переменный резистор выводится от платы на двух проводках. Можно использовать любой переменный резистор с линейной характеристикой. При этом средний его вывод соединяется с любым из крайних, полученные два контакта идут на плату, как видно на фото. Для подключения проводов входа и выхода удобнее всего использовать клеммник. После сборки необходимо проверить правильность монтажа.

Запуск и испытания

Когда плата собрана, можно переходить к испытаниям. Подключаем на выход маломощную нагрузку, например, светодиод с резистором и вольтметр для контроля напряжения. Подаём напряжение на вход и следим за показаниями вольтметра, напряжение должно меняться при вращении ручки от минимума до максимума. Светодиод при этом будет менять яркость. Если напряжение регулируется, значит схема собрана правильно, можно ставить микросхему на радиатор и тестировать с более мощной нагрузкой. Такой регулируемый стабилизатор идеально подойдёт для использовании в качестве лабораторного блока питания. Особое внимание стоит уделить выбору микросхемы, ведь её очень часто подделывают. Поддельные микросхемы стоят дёшево, но легко сгорают при токе уже 1 – 1,5 Ампера. Оригинальные стоят дороже, но зато честно обеспечивают заявленный ток до 5 Ампер. Удачной сборки.

Смотрите видео

На видео наглядно показана работа стабилизатора. При вращении переменного резистора напряжение плавно меняется от минимума к максимуму и наоборот, светодиод при этом меняет яркость.

sdelaysam-svoimirukami.ru

Что значит линейное напряжение. Линейные стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение на нагрузке при изменении в определенных пределах таких дестабилизирующих факторов, как напряжение первичного источника, сопротивление нагрузки, температура окружающей среды.

Существует два вида стабилизаторов – параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор использует элементы, в которых напряжение остается неизменным при изменении протекающего через них тока. Такими элементами являются стабилитроны, в которых при изменении тока в очень широких пределах падение напряжения изменяется на доли процента. Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения представлена на рисунке 8.

Рисунок 8.

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на сравнении фактического напряжения на нагрузке с эталонным и увеличении или уменьшении в зависимости от этого отклонения выходного напряжения. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9А, а принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9Б.

Эталонное напряжение формируется источником опорного напряжения (ИОН). В сравнивающем элементе (СЭ) происходит сравнение напряжения на нагрузке с эталонным и выработка управляющего сигнала рассогласования. Этот сигнал усиливается усилителем (У) и подается на регулирующий элемент (РЭ), который обеспечивает такое изменение выходного напряжения, которое приводит к приближению фактического напряжения на нагрузке к эталонному значению.

Рисунок 9

В простейшем компенсационном стабилизаторе (Рисунок 9Б) опорным напряжением является напряжение U CT стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом – транзистор VT.

Поскольку нагрузка транзистора VT в цепи эмиттера, то это схема с общим коллектором и выходное напряжение определяется по формуле:

Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка располагалась на середине линейного участка его входной характеристики. Напряжение U ЭБ при этом для кремниевого транзистора составит ≈ 0,7 В.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке U ВЫХ уменьшилось. Это приведет к увеличению падения напряжения

U ЭБ = U СТ – U ВЫХ, что, в свою очередь, увеличит степень открытия транзистора. В результате падение напряжения на транзисторе U КЭ уменьшится, а, значит, увеличится напряжение на нагрузке U ВЫХ = U ВХ – U КЭ, и в итоге напряжение на нагрузке восстановится. Аналогичное восстановление выходного напряжения произойдет и при его увеличении. Только в этом случае произойдет уменьшение степени открытия транзистора и соответствующее увеличение падающего на нем напряжения U КЭ.

Транзистор включен по схеме с общим коллектором и его выходным напряжение является U СТ. Так как I Б

Более современными являются стабилизаторы напряжения, выполненные в виде интегральных микросхем. Именно такой стабилизатор напряжения используется в учебном стенде и представлен на рисунке 10.

Рисунок 10

Основными параметрами, характеризующими стабилизатор напряжения, являются:

1) Коэффициент стабилизации К СТ, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

где U ВХ и U ВЫХ – номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора, ΔU ВХ и ΔU ВЫХ – изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2) Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении:

При U ВХ = const.

3) Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin – Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора – простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

− последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

− параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости отспособа стабилизации :

− параметрический : в таком стабилизаторе используется участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) прибора, имеющий большую крутизну.

− компенсационный : имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента. Они достаточно универсальны и могут быть изготовлены в виде интегральных микросхем стабилизаторов напряжения.

Микросхемы линейного стабилизатора напряжения (ЛCH) включают помимо силовых регуляторов более или менее сложную маломощную схему управления. Принципиальная трудность создания интегральных стабилизаторов заключается в том, что силовые транзисторы рассеивают значительную мощность , вызывая локальный нагрев кристалла с существенным градиентом температур. Это резко ухудшает стабильность параметров схемы управления, в состав которой входит источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель ошибки, цепи защиты от перегрузок по току и короткого замыкания нагрузки, от перегрева кристалла и других аварийных

elektrokomplektnn.ru

Стабилизатор напряжения и стабилизатор тока

В обсуждениях электрических схем часто встречаются термины «стабилизатор напряжения» и «стабилизатор тока». Но какая между ними разница? Как работают эти стабилизаторы? В какой схеме нужен дорогой стабилизатор напряжения, а где достаточно простого регулятора? Ответы на данные вопросы вы найдёте в этой статье.

Рассмотрим стабилизатор напряжения на примере устройства LM7805.В его характеристиках указано: 5В 1,5А.  Это значит стабилизирует он именно напряжение и именно до 5В. 1,5А — это максимальный ток, который может проводить стабилизатор. Пиковая сила тока. То есть от может отдать и 3 миллиампера, и 0,5 ампер, и 1 ампер. Столько, сколько тока требует нагрузка. Но не больше полутора. Это главное отличие стабилизатора напряжения от стабилизатора тока.

Виды стабилизаторов напряжения

Различают всего 2 основных типа стабилизаторов напряжения:

• линейные
• импульсные

Линейные стабилизаторы напряжения

Например, микросхемы КРЕН или LM7805, LM1117, LM350.

Кстати, КРЕН — это не аббревиатура, как многие думают. Это сокращение. Советская микросхема-стабилизатор, аналогичная LM7805 имела обозначение КР142ЕН5А. Ну а ещё есть КР1157ЕН12В, КР1157ЕН502, КР1157ЕН24А и куча других. Для краткости всё семейство микросхем стали называть «КРЕН». КР142ЕН5А тогда превращается в КРЕН142.

Советский стабилизатор КР142ЕН5А. Аналог LM7805.

Стабилизатор LM7805

Наиболее распространенный вид. Недостаток их в том, что они не могут работать на напряжении ниже, чем заявленное выходное напряжение. Если LM7805 стабилизирует напряжение на 5 вольтах, то на вход ему подать нужно как минимум на полтора вольта больше. Если подать меньше 6,5 В, то выходное напряжение «просядет», и мы уже не получим 5 В. Еще один минус линейных стабилизаторов — сильный нагрев при нагрузке. Собственно, в этом и заключается принцип их работы — всё, что выше стабилизируемого напряжения, просто превращается в тепло. Если мы на вход LM7805 подадим 12 В, то 7 потратятся на нагрев корпуса, а 5 пойдут потребителю. Корпус при этом нагреется настолько сильно, что без радиатора микросхема просто сгорит. Из всего этого вытекает ещё один серьёзный недостаток — линейный стабилизатор не стоит применять в устройствах с питанием от батареек. Энергия батареек будет тратиться на нагрев стабилизатора. Всех этих недостатков лишены импульсные стабилизаторы.

Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы — лишены недостатков линейных, но и стоят дороже. Это уже не просто микросхема с тремя выводами. Выглядят они, как плата с детальками.

Один из вариантов исполнения импульсного стабилизатора.

Импульсные стабилизаторы бывают трех видов: понижающие, повышающие и всеядные. Наиболее интересные — всеядные. Независимо от напряжения на входе, на выходе будет именно то, которое нам нужно. Всеядному импульснику все равно, что на входе напряжение ниже или выше нужного. Он сам автоматом переключается в режим повышения или понижения напряжения и держит заданное на выходе. Если в характеристиках заявлено, что стабилизатору на вход можно подать от 1 до 15 вольт и на выходе будет стабильно 5, то так оно и будет. Кроме того, нагрев импульсных стабилизаторов настолько незначителен, что в большинстве случаев им можно пренебречь. Если ваша схема будет питаться от батареек или размещаться в закрытом корпусе, где сильный нагрев линейного стабилизатора недопустим — ставьте импульсный. Я использую настраиваемые импульсные стабилизаторы напряжения за копейки, которые заказываю с Aliexpress. Купить можно здесь.

Хорошо. А что со стабилизатором тока?

Не открою Америку, если скажу, что стабилизатор тока стабилизирует ток.
Токовые стабилизаторы ещё иногда называют светодиодным драйвером. Внешне они похожи на импульсные стабилизаторы напряжения. Хотя сам стабилизатор — маленькая микросхема, а всё остальное нужно для обеспечения правильного режима работы. Но обычно драйвером называют всю схему сразу.

Примерно так выглядит стабилизатор тока. Красным кружком обведена та самая схема, которая и является стабилизатором. Всё остальное на плате — обвязка.

Итак. Драйвер задаёт ток. Стабильно! Если написано, что на выходе будет ток в 350мА, то будет именно 350мА. А вот напряжение на выходе может меняется в зависимости от требуемого потребителем напряжения. Не будем пускаться в дебри теории о том. как всё это работает. Просто запомним, что вы напряжение не регулируете, драйвер сделает все за вас исходя из потребителя.

Ну так и зачем всё это нужно то?

Теперь вы знаете, чем стабилизатор напряжения отличается от стабилизатора тока и можете ориентироваться в их многообразии. Возможно, вам так и не стало понятно, зачем эти штуки нужны.

Пример: вы хотите запитать 3 светодиода от бортовой сети автомобиля. Как вы можете узнать из статьи о светодиоде, для светодиода важно контролировать именно силу тока. Используем самый распространенный вариант соединения светодиодов: последовательно соединены 3 светодиода и резистор. Напряжение питания — 12 вольт.

Резистором мы ограничиваем ток на светодиоды, чтобы они не сгорели. Падение напряжения на светодиоде пусть будет у нас 3.4 вольта.
После первого светодиода остается 12-3.4= 8.6 вольт.
Нам пока хватает.
На втором потеряется еще 3.4 вольта, то есть останется 8.6-3.4=5.2 вольта.
И для третьего светодиода тоже хватит.
А после третьего останется 5.2-3.4=1.8 вольта.
При желании добавить четвёртый светодиод — уже не хватит.
Если напряжение питания поднять до 15В, то тогда хватит. Но тогда и резистор тоже надо будет пересчитать. Резистор — простейший стабилизатор (ограничитель) тока. Их часто ставят на те же ленты и модули. У него есть минус — чем ниже напряжение, тем меньше будет и ток на светодиоде (закон Ома, с ним не поспоришь). Значит, если входное напряжение нестабильно (в автомобилях обычно так и есть), то предварительно нужно стабилизировать напряжение, а потом можно ограничить резистором ток до необходимых значений. Если используем резистор, как токовый ограничитель там, где напряжение не стабильно, нужно стабилизировать напряжение.

Стоит помнить, что резисторы имеет смысл ставить только до определенной силы тока. После некоторого порога резисторы начинают сильно греться и приходится ставить более мощные резисторы (зачем резистору мощность рассказано в статье о этом приборе) . Тепловыделение растёт, КПД падает.

Импульсный стабилизатор тока

Импульсный стабилизатор тока тоже называют светодиодным драйвером. Часто те, кто не сильно разбирается в этом, стабилизатор напряжения называют просто драйвером светодиодов, а импульсный стабилизатор тока — хорошим светодиодным драйвером. Он выдаёт сразу стабильное напряжение и ток. И почти не нагревается. Вот так он выглядит:

Импульсный стабилизатор тока

uscr.ru

Линейный стабилизатор напряжения | Volt-info

Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

X1 и X2 – клеммы входа, на которые может быть подано нестабилизированное напряжение. Если к выходным клеммам X3-X4 не подключена нагрузка, то при увеличении входного напряжения до значения напряжения стабилизации стабилитрона VD1, с выхода мы можем снять то же самое напряжение. После достижения напряжения стабилизации наступает обратимый пробой p-n перехода стабилитрона, при котором через стабилитрон начинает протекать ток, а часть избыточного напряжения падает на балластном сопротивлении.

У этой схемы есть несколько значительных недостатков. Необходимость наличия в схеме балластного сопротивления приводит к увеличению потерь энергии и не позволяет питать значительную нагрузку, сопротивление которой соизмеримо с балластным. При переменной нагрузке и незначительной разнице входного и стабилизированного напряжения могут быть провалы выходного напряжения в моменты увеличения нагрузки.

Для питания таким стабилизатором более мощного потребителя, необходимо уменьшать сопротивление балласта, что в свою очередь потребует увеличения допустимой рассеиваемой мощности стабилитрона, но это приведёт к ещё большим потерям энергии. Именно по этой причине данная схема не получила широкого распространения в качестве стабилизатора питания для нагрузки примерно большей 1 Вт.

Не смотря на указанные недостатки, рассмотренная схема оказалась вполне пригодна в качестве источника опорного напряжения.

Представьте, что у нас есть генератор, напряжение на клеммах которого может изменяться в значительных пределах, например, автогенератор, генератор ветряка или даже фотоэлектрическая панель (солнечная батарея). Если этот источник питания не имеет собственной схемы стабилизации выходного напряжения, то при сильном ветре, или увеличении яркости солнечного потока, мы рискуем спалить подключенную к нему нагрузку, например, радиоприёмник или лампочку. Чтобы этого не произошло, можно собрать нехитрую схему стабилизации, рисунок 2.

Рисунок 2. Схема стабилизации напряжения на одном транзисторе.

 Здесь Г1, это применяемый нами в качестве источника питания генератор переменного тока. На диодах DV1-DV4 собрана схема двухполупериодного выпрямителя. Конденсатор C1 сглаживает пульсации, которые вызваны синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения.

При увеличении напряжения на входных клеммах X1-X2 через балластный резистор и базу транзистора VT1 начинает протекать ток базы, через коллектор-эмиттер и сопротивление нагрузки начинает протекать ток нагрузки. Вспомнив принцип работы биполярного транзистора, увидим, что на эмиттере он всегда будет стараться поддерживать тоже напряжение, которое будет подаваться на базу. Как только напряжение на базе транзистора достигнет значения напряжения стабилизации стабилитрона, оно прекратит увеличиваться независимо от увеличения входного напряжения. Так транзистор будет автоматически изменять сопротивление коллектор-эмиттерного перехода, стабилизируя напряжение на уровне опорного базового, которое будет обеспечивать стабилитрон.

По сути, эта схема является делителем напряжения, верхнее плечо которого образовано переходом транзистора, а нижнее – нагрузкой. Этот принцип регулирования напряжения накладывает некоторые ограничения. Чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем большую мощность должен рассеивать транзистор. Это значительно снижает КПД стабилизатора и требует использовать более мощный транзистор, устанавливая его на радиатор.

Тем не менее, такой стабилизатор оказывается весьма эффективен, когда выходное напряжение незначительно отличается от входного. Он прекрасно справляется с кратковременными перенапряжениями сети, а также с импульсными помехами, приходящими по сети во время грозовой активности, или при работе в той же сети мощных импульсных преобразовательных устройств. Для этого параллельно стабилитрону нужно добавить конденсатор небольшой ёмкости, который будет шунтировать импульс помехи, приходящий на базу.

Схема на транзисторе более эффективна по сравнению со стабилитронной, но тоже имеет ограничение по мощности подключаемой нагрузки. Наиболее эффективно с этой задачей справляются стабилизаторы на основе импульсных преобразователей, но это тема уже для другого разговора.

volt-info.ru

Введение в теорию линейных стабилизаторов

Линейный стабилизатор является исходной формой стабилизирующих источников питания. Для понижения уровня входного напряжения до стабилизированного выходного в нем используется переменная проводимость активного электронного элемента. При этом линейный стабилизатор теряет много энергии в виде тепла и потому нагревается.

Линейные источники питания занимают значительную нишу в приложениях, где невысокий КПД таких источников не играет особой роли. К таким приложениям относится стационарное наземное оборудование, для которого принудительное воздушное охлаждение — не проблема. Сюда же относятся приборы, в которых измеритель настолько чувствителен к электрическому шуму, что требует электрически “тихого” источника питания. Среди таких приборов можно назвать аудио- и видеоусилители, радиоприемники и т.п. Линейные стабилизаторы популярны также в качестве локальных, встроенных в плату стабилизаторов. В данном случае плате требуется лишь несколько ватт, поэтому еще несколько ватт, ушедших в тепло, могут быть нейтрализованы с помощью простого радиатора. Если требуется диэлектрическая изоляция от входного источника переменного тока, то она обеспечивается трансформатором переменного тока или магистральной системой электроснабжения.

Обычно линейные стабилизаторы особенно полезны для приложений источников питания, требующих не более 10 Вт выходной мощности. При выходной мощности более 10 Вт обязательный теплоотвод становится столь громоздким и дорогостоящим, что более привлекательными становятся импульсные источники питания.

Принцип работы линейного стабилизатора

Все источники питания — будь то линейные или более сложные импульсные — работают по одному и тому же базовому принципу. Все источники питания имеют в своей основе замкнутый контур отрицательной обратной связи. Единственное назначение этого контура — удерживать постоянное значение выходного напряжения. На рис. 2.1 показаны главные составляющие последовательного линейного стабилизатора.

Рис. 2.1. Базовый линейный стабилизатор

Линейные стабилизаторы бывают только понижающими. Это означает, что входное напряжение источника должно быть выше, чем требуемое выходное напряжение. Существует два типа линейных стабилизаторов: параллельные (shunt) и последовательные (series-pass). Параллельный стабилизатор (стабилизатор с параллельным включением регулирующего элемента) — это стабилизатор напряжения, подключенный параллельно нагрузке. Источник нерегулируемого тока соединен с источником более высокого напряжения, параллельный стабилизатор принимает выходной ток для поддержания постоянного напряжения на нагрузке с учетом переменного входного напряжения и тока нагрузки. Распространенным примером такого стабилизатора является стабилизатор на стабилитроне. Последовательный линейный стабилизатор более эффективен, чем параллельный, и в качестве последовательно включенного регулирующего элемента использует активный полупроводник между входным источником и нагрузкой.

Последовательно включенный проходной элемент работает в линейном режиме. Это означает, что он не проектировался для работы в полностью включенном (ON) или полностью выключенном (OFF) режиме, а работает в “частично включенном” режиме. Контур отрицательной обратной связи определяет степень электропроводности, которую должен принимать проходной элемент для обеспечения требуемого уровня выходного напряжения.

Основой контура отрицательной обратной связи является операционный усилитель с большим коэффициентом усиления, называемый усилителем напряжения ошибки. Его назначение— постоянно сравнивать разницу между высокостабильным опорным напряжением и выходным напряжением. Если эта разница составляет хотя бы милливольты, то выполняется корректировка электропроводности проходного элемента. Стабильное опорное напряжение подается на неинверсный вход операционного усилителя и обычно ниже, чем выходное напряжение. Выходное напряжение делится до уровня опорного и подается на инверсный вход операционного усилителя. Таким образом, при номинальном выходном напряжении центральная точка делителя выходного напряжения идентична опорному напряжению.

Усиление усилителя отклонения обеспечивает напряжение, соответствующее сильно увеличенной разнице между опорным и выходным напряжениями (напряжение ошибки). Напряжение ошибки непосредственно управляет электропроводностью проходного элемента, поддерживая тем самым номинальное выходное напряжение. С увеличением нагрузки выходное напряжение падает, что приводит к повышению выходной мощности усилителя, а это обеспечивает больший ток к нагрузке. Аналогично, при уменьшении нагрузки выходное напряжение будет расти, на что усилитель ошибки ответит снижением тока через проходной элемент на нагрузку.

Скорость, с которой усилитель ошибки отвечает на любые изменения на выходе, и насколько точно поддерживается требуемый уровень выходного напряжения, зависит от компенсации контура обратной связи усилителя ошибки. Компенсация обратной связи управляется размещением элементов внутри делителя напряжения и между отрицательным входом и выходом усилителя ошибки. Его конструкция диктует, насколько выполняется усиление при постоянном токе, что, в свою очередь, определяет точность выходного напряжения. Он также определяет степень усиления при повышенной частоте и полосе пропускания, что в свою очередь определяет время, затрачиваемое на реакцию на изменения выходной нагрузки, или продолжительность переходных процессов.

Как видите, принцип действия линейного стабилизатора очень прост. Точно такая же цепь присутствует во всех стабилизаторах, включая более сложные импульсные стабилизаторы. Контур обратной связи по напряжению выполняет конечную функцию источника питания: поддерживает уровень выходного напряжения.

nauchebe.net

Линейные стабилизаторы напряжения | joyta.ru

Стабилизация напряжения в современных электронных устройствах очень важный элемент. Цифровые схемы требуют стабильного и надежного питания.

Самая простая схема стабилизации напряжения, которую мы можем встретить на практике – это система на основе стабилитрона. Базовый режим работы стабилитрона показан на следующем рисунке:

Эта система использует эффект стабилитрона, который происходит во время пробоя p-n перехода при обратном смещении. Это приводит к протеканию тока, и весь избыток напряжения гасится на балластном резисторе. Величина падения напряжения определяется силой тока, протекающего через него.

Поэтому фиксированный тока через стабилитрон фиксирует падение напряжения на резисторе и тем самым стабилизируется выходное напряжение. Стабилитроны изготавливаются на различные напряжения в диапазоне от 1,5В до 200В.

Но, часто для стабилизации напряжения на практике применяются специализированные микросхемы, которые можно разделить на две группы:

• с возможностью регулировки напряжения
  — положительная полярность
  — отрицательная полярность
• без возможности регулировки напряжения
  — положительная полярность
  — отрицательная полярность

Интегральные стабилизаторы напряжения имеют три основные характеристики:

• выходное напряжение
• максимальный ток
• минимальное входное напряжение

На вход стабилизатора напряжения, необходимо подавать большее напряжение, чем то, которые должно быть на выходе.

В самых распространенных стабилизаторах разница между входным и выходным напряжением составляет около 2В. Но также существуют стабилизаторы LDO стабилизаторы, в которых эта разница намного ниже. Это напряжение часто обозначается как VDO

Среди популярных не регулируемых стабилизаторов можно отметить:
78xx – самый известный из всех стабилизаторов положительного напряжения. Выпускается в различных версиях на напряжения: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольт, VDO = 2В.
79xx – самый популярный из всех стабилизаторов отрицательного напряжения. Производятся в версиях на напряжения: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольт, VDO = 2В.

LM2940x – LDO стабилизатор положительного напряжения. На напряжение: 5, 8, 9, 10, 12, 15 вольт, VDO = 0,5В.

Среди регулируемых стабилизаторов напряжения наиболее известны:
LM317 – диапазон выходных напряжений от 1,25 до 37 вольт, VDO = 3В.
LM337 – диапазон выходных напряжений от -1,25 – 37 вольт, VDO = 5В.

Современные стабилизаторы напряжения имеют различного рода тепловую защиту и защиту по току, что обеспечивает безопасность работы и снижает шансы на «сгорание» схем.

Кроме линейных стабилизаторов существует также группа импульсных стабилизаторов. Отличаются они, безусловно, больший КПД (меньше энергии уходит на тепловые потери). Интересной особенностью является то, что они позволяют поднимать и снижать напряжения, что очень полезно во время питания микросхем от батареи.

www.joyta.ru