Материал: Аналоговая и цифровая электроника. Учебное пособие. 2000
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 Д Uвх; рассеиваемая мощность Pрас;
коэффициент нестабильности по напряжению KHV и току K HI :
KHV |
= |
DUвых × DUвх |
×100% ; |
KHI |
= |
DUвых I |
вых |
×100% ; |
|
Uвых DI |
|
||||||
|
|
Uвых |
|
|
вых |
|
||
температурный коэффициент напряжения и др.
Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе стабилитронов или стабисторов (рис.101).
|
|
|
|
|
Iст |
|
|
Uб |
|
|
|
|
|
|
Rб |
Iн |
|
|
|
|
Uвх |
|
VD |
Rн |
Uвых=Uн |
U |
|
Iст |
Iст мин. |
|||||
|
||||||
|
|
|
|
|
Uст |
|
|
|
|
|
|
Iст мак.. |
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.
86
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). Транзистор VT выбирается исходя из заданного тока нагрузки.
Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой устройство автоматического регулирования. Он включает в себя усилитель и регулирующий элемент, в качестве которого применяются транзисторы
(рис.103).
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.
|
|
|
Jвх |
Uр |
|
Rб |
Jст |
|
Регулиров. |
|
|
VT1 |
|
|
|||
|
|
|
элемент |
|
|
|
|
Jн |
|
Jн |
|
|
|
|
Усилитель |
|
|
|
VD |
|
Uвх |
Uвых=Uн |
|
|
Cф |
Rн |
|||
|
|
U |
|
||
|
Rэ |
|
вых |
Uоп |
|
|
|
Rн |
|
||
Рис. 102. Параметрический |
Рис. 103. Структурная схема |
|
|||
стабилизатор напряжения с |
компенсационного стабилизатора |
|
|||
эмиттерным повторителем. |
напряжения. |
|
|||
Для схемы стабилизатора Uвх=Up+Uвых. При изменении входного напряжения на величину Uвх имеем: (Uвх + Uвх ) = (Up + Up ) + (Uвых + Uвых ) . Необходимо, чтобы Up→ΔUвх, а Uвых→0.
Вкачестве усилителя могут использоваться транзисторные каскады, ОУ и т.д.
Внастоящее 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.
87
Универсальные стабилизаторы напряжения имеют внешний делитель напряжения, с помощью которого выходное напряжение можно регулировать в широких пределах. К ним
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uост |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
относятся |
|
микросхемы |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Jвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К142ЕН1, |
|
К142ЕН2, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jн |
|
|
К142ЕН3, К142ЕН10. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
15 |
11 |
|
|
|
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
142ЕН3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Микросхема |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К142ЕН3 имеет защиту по |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
Сф2 |
|
|
|
|
|
короткому замыканию и от |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
нагрева (рис.104). |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
вх |
|
|
|
|
Сф1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jдел |
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
Rн |
|
|
Расчет |
универсального |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стабилизатора |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
производится |
исходя из |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 104. Стабилизатор напряжения |
|
|
двух условий: |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iдел |
³ 1,5мА и |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на ИС К142ЕН3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(R1 + R 2 ) |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых = 2,6 |
. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R 2 |
|
Мощность рассеивания на ИС определяется по формуле: Pрас = Iвх Uост .
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 |
|||
Uвх |
|
|
|
142ЕН5А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на определенное |
выходное |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Сф1 |
|
|
|
|
|
|
|
Сф2 |
|
Rн |
напряжение. К таким ИС |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
относятся 142 ЕН5, ЕН6, ЕН8 и |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. 105. Стабилизатор на ИС К142ЕН5А |
др. Схемы имеют защиту от |
|||||||||||||||||||||||
короткого замыкания. Выходное |
||||||||||||||||||||||||
в конце маркировки (табл.3). |
напряжение определяется буквой |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
Таблица 3. |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Маркировка |
|
Выходное |
|
Маркировка |
|
Выходное |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжение (В) |
|
|
|
напряжение (В) |
||||||||||
К142ЕН5А |
|
5±0,1 |
|
|
|
|
К142ЕН8А |
|
|
9±0,27 |
||||||||||||||
К142ЕН5Б |
|
6±0,12 |
|
|
|
|
К142ЕН8Б |
|
|
12±0,3 |
||||||||||||||
К142ЕН5В |
|
5±0,18 |
|
|
|
|
К142ЕН8В |
|
|
15±0,45 |
||||||||||||||
К142ЕН5Д |
|
6±0,21 |
|
|
|
|
К142ЕН8Д |
|
|
9±0,36 |
||||||||||||||
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.
88
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопротивление |
резистора |
|||
|
|
|
|
|
|
|
142ЕН5А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
определяется |
из |
формулы: |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
Сф2 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R 2 = |
(Uвх - Uвых ) × R1 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
(Uвых + Iпотр R1 ) |
; |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Сф1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вых |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
где Iпотр – ток, потребляемый |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
микросхемой. |
Значение |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Рис. 106. Стабилизатор с повышенным |
резистора |
R1 |
задается. |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Вместо резистора R2 можно |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
фиксированным напряжением. |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
использовать |
диоды или |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
стабисторы. Методика проектирования компенсационных стабилизаторов напряжения заключается в выборе необходимых микросхем, расчетов делителей, и подборе радиаторов для ИС. Величина емкостных фильтров Сф1 и Сф2 берется из справочной литературы. Обычно Сф2 ³10 мкФ. Напряжение на микросхеме должно быть не менее 2 вольт, однако увеличение этого
напряжения приводит к существенному снижению КПД стабилизатора и увеличению массогабаритных показателей за счет радиаторов.
Компенсационные стабилизаторы напряжения применяются при небольших нагрузочных токах. Ключевые стабилизаторы напряжения обеспечивают значительно больший КПД за счет того, что транзисторный ключ работает в ключевом режиме. При этом снижаются массогабаритные характеристики стабилизатора. Однако в ряде случаев такие стабилизаторы являются источником импульсных помех, что снижает информационную надежность электронной аппаратуры.
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. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
VT |
L |
|
При |
|
открытом |
состоянии |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
транзистора напряжения |
поступает |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на выход и одновременно энергия |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Uвх |
|
|
|
|
|
|
VD |
|
|
|
|
Сф |
|
|
|
|
|
|
запасается |
в |
дросселе. |
При |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн |
отключении транзистора в нагрузке |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Устройство |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
течет |
ток |
за |
счет емкости Сф и |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
управления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
самоиндукции дросселя L. |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По |
виду |
управления |
ключевые |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Рис. 107. Ключевой стабилизатор |
|
стабилизаторы |
подразделяются |
на |
||||||||||||||||||||||||||
напряжения. |
импульсные и релейные. |
|
|
|
89 |
|
VT1 |
Lф |
|
|
|
|
|
VD1 |
R |
3 |
R |
5 |
Сф |
|
R1 |
DА1 |
|
|
||
|
R2 |
|
|
|
Uвых |
|
U |
|
|
|
|
||
вх |
VT2 |
|
|
|
|
|
|
|
R4 |
|
|
VD2 |
|
|
|
|
|
|
||
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
Uупр |
t1 |
t2 |
t3 |
t4 |
t5 |
t6 |
t |
|
t
JVT1 
t
JVD1 
t
Рис 108. Схема релейного стабилизатора напряжения (а) и временная диаграмма его работы (б).
Впервых – частота управляющих сигналов постоянна, задается внешним генератором, однако в процессе работы изменяется скважность.
Врелейных стабилизаторах напряжения управляющие сигналы формируются с помощью компаратора и зависят от выходного напряжения. На рис.108 приведена схема релейного стабилизатора напряжения.
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.
90