Линейные стабилизаторы напряжения: принцип работы¶

Линейный стабилизатор напряжения — это устройство, предназначенное для поддержания постоянного выходного напряжения на нагрузке независимо от колебаний входного напряжения и тока потребления. В отличие от импульсных преобразователей, линейные стабилизаторы работают по принципу непрерывного рассеивания избыточной мощности на регулирующем элементе, который функционирует в линейном (активном) режиме. Данный класс стабилизаторов отличается простотой схемотехники, низким уровнем выходных помех и высокой точностью, однако характеризуется сравнительно низким коэффициентом полезного действия (КПД), особенно при большом перепаде между входным и выходным напряжениями.

¶Принцип работы

Основу любого линейного стабилизатора составляет регулирующий элемент (транзистор), включенный последовательно с нагрузкой. Управление этим элементом осуществляет цепь обратной связи, которая сравнивает фактическое выходное напряжение с опорным (эталонным) напряжением. При отклонении выходного напряжения от заданного значения схема управления изменяет сопротивление регулирующего транзистора таким образом, чтобы скомпенсировать это отклонение.

Входное напряжение всегда должно превышать выходное на некоторую минимальную величину, называемую падением напряжения или dropout-напряжением. Избыточная разница напряжений падает на регулирующем элементе, преобразуясь в тепловую энергию. Именно поэтому КПД линейного стабилизатора приблизительно равен отношению выходного напряжения к входному.

¶Классификация

Линейные стабилизаторы подразделяются на два основных типа:

• Параметрические стабилизаторы — используют нелинейные свойства полупроводниковых элементов (обычно стабилитронов) без применения обратной связи. Отличаются предельной простотой, но низкой точностью и невозможностью регулировки выходного тока.
• Компенсационные стабилизаторы — содержат цепь обратной связи и усилитель ошибки. Обеспечивают высокую точность поддержания напряжения и способны работать с большими токами нагрузки. В свою очередь, компенсационные стабилизаторы делятся на:
• Непрерывные — регулирующий транзистор всегда находится в активном режиме.
• Ключевые (импульсные) — формально относятся к отдельному классу, так как транзистор работает в режиме переключения, но часто рассматриваются совместно с линейными в учебной литературе.

¶Основные характеристики

Ключевыми параметрами линейных стабилизаторов являются:

• Выходное напряжение — номинальное значение, поддерживаемое на нагрузке (например, 3,3 В, 5 В, 12 В).
• Максимальный выходной ток — предельный ток, который стабилизатор способен отдавать в нагрузку без потери работоспособности.
• Dropout-напряжение — минимальная разница между входным и выходным напряжениями, при которой стабилизация ещё сохраняется. Для стандартных стабилизаторов (серии 78xx) оно составляет около 2 В, для LDO-стабилизаторов (Low Dropout) — менее 0,5 В.
• Точность стабилизации — отклонение выходного напряжения от номинала при изменении входного напряжения (коэффициент стабилизации) и тока нагрузки (выходное сопротивление).
• Коэффициент подавления пульсаций — способность ослаблять переменную составляющую входного напряжения.
• Температурный коэффициент — изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды.

¶Интегральные стабилизаторы

Наибольшее распространение получили интегральные трёхвыводные стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, например, отечественные микросхемы серии КР142ЕН5А или зарубежные аналоги серии 7805 (5 В), 7812 (12 В). Они содержат на одном кристалле регулирующий транзистор, источник опорного напряжения, схему защиты от перегрева и короткого замыкания. Регулируемые интегральные стабилизаторы, такие как LM317, позволяют устанавливать выходное напряжение с помощью внешнего делителя резисторов в диапазоне от 1,25 В до 37 В.

¶Достоинства и недостатки

К преимуществам линейных стабилизаторов относятся:

• низкий уровень выходного шума и пульсаций;
• простая схемотехника и малое количество внешних компонентов;
• быстрый отклик на изменение тока нагрузки;
• отсутствие электромагнитных помех, характерных для импульсных преобразователей.

Основные недостатки:

• низкий КПД при значительной разнице входного и выходного напряжений;
• необходимость отвода тепла от регулирующего транзистора (использование радиаторов);
• невозможность повышения напряжения или получения инвертированного выходного напряжения;
• ограничение по максимальному входному напряжению.

¶Применение

Линейные стабилизаторы применяются в маломощных устройствах, где критически важны чистота питания и простота реализации: в аналоговых измерительных приборах, аудиоаппаратуре, эталонных источниках напряжения, а также для питания цифровых микросхем с небольшим током потребления. В современных блоках питания они часто используются в качестве выходных каскадов после импульсных преобразователей для подавления остаточных пульсаций.

¶Источники

• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника».
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники».
• Техническая документация на микросхемы серий 78xx и LM317 (Texas Instruments, STMicroelectronics).