Регуляторы и стабилизаторы напряжения

Выходное напряжение блока питания может изменяться по двум причинам. Во-первых, может изменяться входное напряжение блока питания, что приводит к увеличению или уменьшению выходного напряжения. Во-вторых, сопротивление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого тока.

Многие цепи рассчитаны на работу при определенном напряжении. Если напряжение меняется, это может влиять на работу цепи. Следовательно, блок питания должен обеспечивать выходное напряжение постоянной величины, независимо от изменения нагрузки или входного напряжения. Для того, чтобы этого добиться, после фильтра ставят регулятор или стабилизатор напряжения.

Существует два основных типа регуляторов напряжения: параллельные регуляторы и последовательные регуляторы. Их названия соответствуют методу их соединения с нагрузкой. Параллельный регулятор подключается к нагрузке параллельно. Последовательный регулятор подсоединяется к нагрузке последовательно. Последовательные регуляторы более популярны, чем параллельные, так как они более эффективны и рассеивают меньшую мощность. Параллельный регулятор также работает в качестве управляющего устройства, защищая регулятор от короткого замыкания в нагрузке.

На рисисунке показана регулирующая цепь на основе стабилитрона. Это параллельный регулятор.

Стабилизирующая цепь на основе стабилитрона.

Стабилитрон соединен последовательно с резистором. Входное постоянное напряжение прикладывается к стабилитрону и резистору и смещает стабилитрон в обратном направлении. Резистор позволяет протекать малому току и поддерживать стабилитрон в области пробоя. Входное напряжение должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на стабилитроне равно напряжению стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на резисторе равно разности между входным напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона. Цепь обеспечивает постоянное выходное напряжение при изменениях входного напряжения. Любое изменение напряжения проявляется в виде изменения падения напряжения на резисторе. Сумма падений напряжения должна равняться входному напряжению. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путем замены стабилитрона и последовательно включенного резистора.

Ток через нагрузку определяется сопротивлением нагрузки и выходным напряжением. Через последовательно включенный резистор течет суммарный ток, состоящий из тока нагрузки и тока стабилитрона. Этот резистор должен быть тщательно подобран таким образом, чтобы ток через стабилитрон удерживал его в области стабилизации.

Когда ток через нагрузку увеличивается, ток через стабилитрон уменьшается, и сумма этих токов поддерживает напряжение постоянным. Это позволяет цепи поддерживать постоянное выходное напряжение при изменениях выходного тока так же, как и при изменениях входного напряжения.

Параллельный стабилизатор, использующий транзистор

На рисунке изображена параллельная регулирующая цепь, использующая транзистор. Заметим, что транзистор Qj включен параллельно нагрузке. Это защищает регулятор в случае короткого замыкания в нагрузке. Существуют более сложные параллельные регуляторы, которые используют больше одного транзистора.

Последовательный регулятор популярнее чем параллельный регулятор. Простейшим последовательным регулятором является переменный резистор, включенный последовательно с нагрузкой

Последовательный регулятор напряжения, использующий переменный резистор

Сопротивление регулируется непрерывно для поддержания постоянного напряжения на нагрузке. При увеличении постоянного напряжения сопротивление увеличивают, чтобы на нем падало излишнее напряжение. Это сохраняет постоянное падение напряжения на нагрузке, так как избыточное напряжение падает на последовательно включенном резисторе.

Переменный резистор может компенсировать и изменения тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки падение напряжения на переменном резисторе увеличивается. Это приводит к уменьшению падения напряжения на нагрузке. Если в момент увеличения тока уменьшить сопротивление, то падение напряжения на переменном резисторе останется постоянным. В результате постоянным окажется и выходное напряжение, несмотря на изменения тока нагрузки.

На практике достаточно трудно вручную изменять сопротивление резистора для компенсации изменений напряжения и тока. Более эффективно заменить переменный резистор транзистором

Транзисторный последовательный регулятор напряжения, использующий переменный резистор, регулируемый вручную

Транзистор включен таким образом, что через него течет ток нагрузки. Путем изменения тока базы транзистора можно управлять величиной тока, текущего через транзистор. Для того, чтобы сделать эту цепь саморегулирующейся, требуются дополнительные компоненты

Саморегулирующийся последовательный стабилизатор

Эти компоненты позволяют транзистору автоматически компенсировать изменения входного напряжения и тока нагрузки.

На рисунке изображен простой последовательный стабилизатор.

Последовательный стабилизатор

На его вход подается нестабилизированное постоянное напряжение, а на его выходе получается стабилизированное постоянное напряжение меньшее по величине. Транзистор включен как эмиттерный повторитель, и поэтому здесь отсутствует обращение фазы между базой и эмиттером. Напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе. Нагрузка подключена между эмиттером транзистора и землей. Напряжение на базе транзистора устанавливается с помощью стабилитрона. Следовательно, выходное напряжение равно напряжению стабилизации стабилитрона за вычетом 0,7 вольта падения напряжения на переходе база-эмиттер.

Когда входное напряжение на транзисторе увеличивается, выходное напряжение также пытается увеличиться. Напряжение на базе транзистора установлено с помощью стабилитрона. Если на эмиттере появляется положительный потенциал больший, чем на базе, проводимость транзистора уменьшается. Когда транзистор уменьшает свою проводимость, это действует так же, как включение между входом и выходом большого резистора. Большая часть добавившегося входного напряжения падает на транзисторе и только малая его часть увеличит выходное напряжение. Недостатком стабилизатора с эмиттерным повторителем является то, что стабилитрон должен быть рассчитан на достаточно высокую мощность, а стабилитроны большой мощности стоят дорого.

Рейтинг: 5 / Голосов: 1