Стабилизатор напряжения: принцип работы¶
Стабилизатор напряжения — это устройство (или электронная схема), предназначенное для поддержания постоянного уровня выходного напряжения при изменении входного напряжения, нагрузки или температуры. Стабилизаторы применяются в блоках питания электроники, автомобильных генераторах, системах электроснабжения и измерительной технике. По принципу действия различают линейные и импульсные (ключевые) стабилизаторы; по типу регулируемого элемента — параметрические и компенсационные.
¶Основные параметры
Ключевые характеристики стабилизатора:
- Коэффициент стабилизации — отношение относительного изменения входного напряжения к относительному изменению выходного. Чем он выше, тем лучше устройство справляется с колебаниями сети.
- Внутреннее сопротивление — определяет, насколько выходное напряжение просаживается при росте тока нагрузки.
- Пульсации — остаточные колебания выходного напряжения, характерные для импульсных схем.
- Диапазон входных напряжений и максимальный ток нагрузки.
¶Линейные стабилизаторы
¶Параметрический стабилизатор
Простейший тип. В качестве регулирующего элемента используется нелинейный компонент, работающий на участке стабилирования вольт-амперной характеристики. Классический пример — стабилитрон (дроссель-стабилитрон), подключённый параллельно нагрузке. При росте входного напряжения ток через стабилитрон увеличивается, а его падение напряжения почти не меняется, поэтому на нагрузке поддерживается практически постоянное значение. Недостаток — низкий КПД, так как избыточная энергия рассеивается в виде тепла, и зависимость стабилизации от тока нагрузки.
¶Компенсационный стабилизатор с последовательным регулирующим элементом
Более совершенная схема. Регулирующий транзистор включён последовательно с нагрузкой и работает в активном режиме. Управляющее напряжение на базу (затвор) подаётся с усилителя ошибки, который сравнивает выходное напряжение с эталонным (обычно задаваемым стабилитроном или bandgap-референсом).
Принцип работы:
- Датчик (делитель напряжения) снимает пропорциональную копию выходного напряжения.
- Усилитель ошибки сравнивает её с опорным напряжением.
- Разница (ошибка) усиливается и управляет базой последовательного транзистора.
- Если выходное напряжение просело, усилитель увеличивает ток базы, транзистор открывается сильнее, и напряжение на нагрузке растёт. При избыточном выходном напряжении процесс идёт в обратную сторону.
Такая система работает по принципу отрицательной обратной связи. Скорость реакции и точность определяются полосой усилителя ошибки. Интегральные линейные стабилизаторы серии 78xx (положительное напряжение) и 79xx (отрицательное), а также отечественные КР142ЕН5, КР1157ЕН5 построены именно по этой схеме. Их главный недостаток — низкий КПД: разница между входным и выходным напряжением падает на транзисторе и рассеивается в тепле, поэтому КПД может составлять 30–50 % при большой разнице напряжений.
¶Импульсные стабилизаторы
В импульсных (ключевых) стабилизаторах регулирующий элемент работает не в активном режиме, а переключается между состояниями «открыт» и «закрыт». В открытом состоянии транзистор почти не рассеивает мощность (падение напряжения мало), в закрытом — ток через него отсутствует. Это обеспечивает высокий КПД — обычно 80–95 %.
¶Схема понижающего типа (buck)
При открытом ключе ток течёт через дроссель к нагрузке, энергия запасается в магнитном поле катушки и конденсаторе фильтра. При закрытом ключе накопленная энергия через диод (или синхронный ключ) продолжает поступать на нагрузку. Среднее выходное напряжение определяется скважностью (коэффициентом заполнения) импульсов: Uвых = D × Uвх, где D — отношение времени открытого состояния к периоду. Регулировка осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ): контроллер сравнивает выходное напряжение с опорным и корректирует длительность импульсов.
¶Схема повышающего типа (boost)
Ключ и дроссель включены последовательно с источником. Пока ключ замкнут, через дроссель течёт ток и он запасает энергию. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции дросселя складывается с входным напряжением, и энергия передаётся на нагрузку через диод. Выходное напряжение всегда выше входного.
¶Инвертирующая схема (buck-boost)
Позволяет получить выходное напряжение любой полярности, большее или меньшее входного, за счёт иного расположения дросселя, ключа и диода.
¶Стабилизация в автомобильных генераторах
В автомобилях напряжение бортовой сети (обычно 12 или 24 В) поддерживает реле-регулятор, встроенный в генератор. Он управляет током обмотки возбуждения: при росте частоты вращения или уменьшении нагрузки ток возбуждения уменьшается, и ЭДС генератора падает. Современные регуляторы — электронные, с ШИМ-управлением обмоткой возбуждения.
¶Термокомпенсация и прецизионные схемы
В измерительной технике и источниках опорного напряжения применяют bandgap-референс — схему, создающую напряжение около 1,25 В, практически не зависящее от температуры. Она компенсирует отрицательный температурный коэффициент прямого перехода транзистора положительным ТКС термопары, образованной переходами с разной плотностью тока.
Источники:
- Горелов А. И. «Источники питания электронных устройств»
- Фролов В. А., Гуринович В. Л. «Источники электропитания»
- Texas Instruments. Application Report: LDO Regulator Basics
- Даташиты интегральных стабилизаторов 78xx/79xx, КР142ЕН5