Линейные стабилизаторы напряжения

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 или нештатных режимов.

Монолитный линейный интегральный стабилизатор напряжения был впервые разработан Р. Видларом в 1967 году. Эта микросхема (рА723) содержит регулирующий транзистор, включенный последовательно между источником нестабилизированного напряжения и нагрузкой, усилитель ошибки и термокомпенсированный источник опорного напряжения. Схема оказалась настолько удачной, что в начале 70-х годов выпуск ее доходил до 2 млн штук в месяц! По массовости применения ЛCH стоят на втором месте после операционных усилителей.

В упрощенном виде схема линейного стабилизатора напряжения приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Базовая схема линейного стабилизатора напряжения

Схема состоит из операционного усилителя в неинвертирующем включении с отрицательной обратной связью по напряжению, источника опорного напряжения V_REF и регулирующего транзистора VT₁ включенного последовательно с нагрузкой.

Выходное напряжение V_OUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе R₁R_2.

ОУ играет роль усилителя ошибки, в качестве которой здесь выступает разность между опорным напряжением V_REF задаваемым источником опорного напряжения (ИОН), и выходным напряжением делителя R₁R₂

Схема работает следующим образом. Пусть по тем или иным причинам (например, из-за уменьшения сопротивления нагрузки или входного нерегулируемого напряжения) выходное напряжение стабилизатора V_OUT уменьшилось. При этом на входе ОУ появится ошибка V> 0. Выходное напряжение усилителя возрастет, что приведет к увеличению тока базы, а, следовательно, и тока эмиттера регулирующего транзистора до значения, при котором выходное напряжение возрастет практически до первоначального уровня.

В случае идеального операционного усилителя установившееся значение ошибки, совпадающее с дифференциальным входным напряжением ОУ, близко к нулю. Отсюда следует, что

Питание операционного усилителя осуществляется от входного нерегулируемого однополярного напряжения, в данном случае положительного (при регулирующем транзисторе p-n-p-типа все напряжения в схеме должны быть отрицательными). Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые в этих условиях должны быть только положительными

Для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования напряжения другой полярности для питания ОУ можно отказаться. Еще одно преимущество подобной схемы состоит в том, что напряжение питания операционного усилителя можно удвоить, не опасаясь превысить его предельно допустимые параметры. Таким образом, стандартные операционные усилители можно использовать в схемах стабилизаторов с входным напряжением до 30 В. Хотя операционный усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения V_IN, благодаря глубокой отрицательной обратной связи влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.