Linearni stabilizator je napetostni delilnik, katerega vhod se napaja z vhodno (nestabilno) napetostjo, izhodna (stabilizirana) napetost pa se odstrani iz spodnjega kraka delilnika. Stabilizacija izvedel spremembe upora ene od rok delilnik: upor se stalno vzdržuje, tako da je napetost na izhodu stabilizatorja v uveljavljenih mejah. Z velikim razmerjem vhodnih/izhodnih napetosti ima linearni stabilizator nizek izkoristek, saj se večina moči Pdis = (Uin - Uout) * razprši kot toplota na krmilnem elementu. Zato mora biti krmilni element sposoben odvajati zadostno moč, to pomeni, da mora biti nameščen na radiatorju zahtevane površine. Prednost linearnega stabilizatorja je njegova preprostost, pomanjkanje motenj in majhno število uporabljenih delov.

Odvisno od lokacija elementa s spremenljivo odpornostjo Linearni stabilizatorji so razdeljeni na dve vrsti:

− dosledno: krmilni element je zaporedno povezan z bremenom.

− vzporedno: regulacijski element je povezan vzporedno z bremenom.

Odvisno od stabilizacijska metoda:

− parametrični: v takem stabilizatorju se uporablja odsek tokovno-napetostne karakteristike (volt-amperska karakteristika) naprave, ki ima veliko strmino.

− kompenzacijski: ima povratne informacije. V njem se napetost na izhodu stabilizatorja primerja z referenčno, iz razlike med njima pa se oblikuje krmilni signal za krmilni element. So precej vsestranski in jih je mogoče izdelati v obliki integriranih vezij za napetostne stabilizatorje.

Čipi linearnega stabilizatorja napetosti (LCH) vključujejo poleg regulatorjev moči tudi bolj ali manj zapleteno krmilno vezje nizke porabe. Temeljna težava ustvarjanje integriranih stabilizatorjev je močnostni tranzistor razpršijo znatno moč, kliče lokalno segrevanje kristala z znatnim temperaturnim gradientom. To dramatično poslabša stabilnost parametrov krmilnega vezja, ki vključuje vir referenčne napetosti, ojačevalnik diferencialne napake, zaščitna vezja nad tokom in kratek stik obremenitev, zaradi pregrevanja kristala in drugih izrednih ali nenormalnih načinov.

Monolitna linearna integralni stabilizator napetost je prvi razvil R. Widlar leta 1967. To mikrovezje (pA723) vsebuje krmilni tranzistor, ki je zaporedno povezan med nestabiliziranim virom napetosti in bremenom, ojačevalnik napak in temperaturno kompenzirani vir referenčne napetosti. Shema se je izkazala za tako uspešno, da je v zgodnjih 70. letih njena proizvodnja dosegla 2 milijona enot na mesec! Po masnih številih uporaba LCH stati na drugo mesto po operacijski ojačevalniki.

Poenostavljen diagram linearnega napetostnega stabilizatorja je prikazan na sl. 1.

riž. 1. Osnovno vezje linearnega napetostnega regulatorja

Vezje je sestavljeno iz operacijskega ojačevalnika v neinvertirajoči povezavi z negativno povratno napetostjo, referenčnega napetostnega vira V REF in regulacijski tranzistor VT 1 zaporedno povezan z bremenom.

Izhodna napetost V VEN krmiljen z negativnim krogom povratne informacije, izdelan na uporovnem delilniku R 1 R 2.

Op-amp igra vlogo ojačevalnika napake, ki je tukaj razlika med referenčno napetostjo V REF določen z virom referenčne napetosti (VR) in izhodno napetostjo delilnika R 1 R 2

Shema deluje na naslednji način. Naj iz enega ali drugega razloga (na primer zaradi zmanjšanja upora obremenitve ali neregulirane vhodne napetosti) izhodna napetost stabilizatorja V VEN zmanjšala. V tem primeru se bo na vhodu op-amp pojavila napaka V > 0. Izhodna napetost ojačevalnika se bo povečala, kar bo povzročilo povečanje baznega toka in posledično oddajnega toka krmilnega tranzistorja na vrednost, pri kateri se bo izhodna napetost povečala skoraj na prvotno raven.

V primeru idealnega operacijskega ojačevalnika je vrednost napake v stabilnem stanju, ki sovpada z diferencialno vhodno napetostjo operacijskega ojačevalnika, blizu ničle. Iz tega sledi

Operacijski ojačevalnik se napaja iz vhodne neregulirane unipolarne napetosti, v tem primeru pozitivne (z regulacijskim tranzistorjem p-n-p -tip vse napetosti v tokokrogu morajo biti negativne). To nalaga omejitve glede dovoljenega obsega vhodnih in izhodnih signalov, ki naj bi bili pod temi pogoji le pozitivni.

Za napajalna vezja takšna omejitev ni pomembna, zato lahko zavrnete uporabo napetosti drugačne polarnosti za napajanje op-amp. Še nekaj prednosti takšne sheme je to napetost napajanje operacijskega ojačevalnika lahko dvojno , brez strahu pred prekoračitvijo najvišjih dovoljenih parametrov. Tako se lahko standardni operacijski ojačevalniki uporabljajo v regulatorskih vezjih z vhodnimi napetostmi do 30 V. Čeprav operacijski ojačevalnik napaja neregulirana vhodna napetost V IN , zaradi globoke negativne povratne informacije je vpliv tega faktorja na stabilnost izhodne napetosti majhen.

Za napajanje elektronske opreme je dovoljeno valovanje napetosti, ki ne presega delčka odstotka, na izhodu usmernikov pa je valovanje veliko večje. Za njihovo zmanjšanje se uporabljajo gladilni filtri, ki naj čim bolj zmanjšajo (zadušijo) spremenljive komponente in s čim manjšimi izgubami prepustijo direktno komponento usmerjene napetosti.

riž. 2.30.

A – RC filter; b – graf, ki pojasnjuje delovanje filtra: V - LC filter; G – RC filter v obliki črke U

Najenostavnejši filter je kondenzator, priključen na izhodu usmernika IN vzporedno z obremenitvijo (slika 2.30, A), ki shranjuje energijo s polnjenjem, ko napetost usmernika narašča, in jo sprošča s praznjenjem v bremenski upor, ko ta pada. Na sl. 2.30, b prikazuje valovno obliko napetosti na kondenzatorju U c (in torej na vzporedni povezavi R n ) s polnovalnim usmernikom.

Za nadaljnje zmanjšanje valovanja se uporabljajo LC-filtri v obliki črke L (slika 2.30, V). Induktivna reaktanca je ponavadi veliko večja R n tako, da bi izmenične komponente popravljene napetosti s frekvencami valovanja od glavne in višje filter "zadržal" v obliki padca napetosti čez X L, ne da bi dosegli obremenitev. Kapacitivnost je bistveno manjša od R H, tako da so izmenične komponente usmerjenega toka zaprte X z, mimo R,. V tem primeru komponenta konstantnega toka, za katero , ne povzroči padca napetosti čez L f in se ne zapre skozi Sf, v celoti vstopi v obremenitev.

Pomanjkljivost LC filtrov je obsežnost in težavnost izdelave mikroelektronskih induktorjev. Zato v integrirana vezja pri obremenitvenih tokovih več miliamperov se uporabljajo RC filtri v obliki črke U (slika 2.30, G), kljub nekoliko slabšim gladilnim lastnostim in nižji učinkovitosti.

Linearni stabilizatorji napetosti

Stabilizator napetosti je naprava, ki samodejno vzdržuje napetost na obremenitvi, ko se destabilizirajoči dejavniki, kot so napetost primarnega vira, upor obremenitve in temperatura okolice, spremenijo v določenih mejah.

Obstajata dve vrsti stabilizatorjev - parametrični in kompenzacijski.

Parametrični stabilizator uporablja elemente, v katerih napetost ostane nespremenjena, ko se spremeni tok, ki teče skozi njih. Takšni elementi so zener diode, v katerih se pri spremembi toka v zelo širokem območju padec napetosti spremeni za delčke odstotka (glej odstavek 1.2). Parametrični stabilizatorji se praviloma uporabljajo kot viri referenčne (referenčne) napetosti v močnih kompenzacijskih stabilizatorjih (slika 2.31).

riž. 2.31. Struktura kompenzacijskega napetostnega stabilizatorja (a), njegova najpreprostejša izvedba(b) in graf, ki pojasnjuje izbiro delovne točke(V)

Princip delovanja kompenzacijski stabilizator temelji na primerjavi dejanske napetosti bremena z referenčno napetostjo in povečanju ali zmanjšanju odstopanja izhodne napetosti glede na to odstopanje. Referenčno napetost tvori vir referenčne napetosti (VS). V primerjalnem elementu (CE) se bremenska napetost primerja z referenčno napetostjo in generira se krmilni signal neusklajenosti. Ta signal ojači ojačevalnik (U) in dovede do regulacijskega elementa (RE), ki zagotovi takšno spremembo izhodne napetosti, da se dejanska bremenska napetost približa referenčni vrednosti.

Glavni parameter stabilizatorja je stabilizacijski koeficient – razmerje relativne spremembe napetosti na vhodu in relativne spremembe napetosti na izhodu:

V najpreprostejšem kompenzacijskem stabilizatorju je referenčna napetost napetost U st zener dioda VD, in primerjalni element, ojačevalnik in hkrati regulacijski element je tranzistor (glej sliko 2.31, b).

Izhodna napetost (kot je razvidno iz znaka "+" in "-" na diagramu) Uout = U st – UEB. Tok skozi upor RB nastane s seštevanjem dveh tokov: toka zener diode jaz st in trenutna osnova jaz B. Način delovanja tranzistorja je izbran tako, da je začetna delovna točka r se je nahajal na sredini njenega linearnega dela vhodne značilnosti(glej sliko 2.31, V). Napetost U V tem primeru je EB 0,-0,3 V. Ker je napetost zener diode običajno približno 8 V, potem U ven ≈ U CT.

Predpostavimo, da se je iz nekega razloga napetost bremena zmanjšala. To bo povzročilo povečanje padca napetosti UEB =U st – U ven, kar bo posledično povečalo stopnjo odpiranja tranzistorja. Posledično pade napetost na tranzistorju U KE se bo zmanjšal, kar pomeni, da se bo napetost bremena povečala U ven= U BX – U ΚE, in sčasoma bo napetost na obremenitvi obnovljena. Podobna obnovitev izhodne napetosti se bo zgodila, ko se poveča. Samo v tem primeru bo prišlo do zmanjšanja stopnje odpiranja tranzistorja in ustreznega povečanja padle napetosti na njem U ke.

Tranzistor je povezan v skladu z oddajnim sledilnim vezjem, katerega vhodna napetost je U CT. Ker jaz B << I n, vezje vam omogoča, da obremenitvi zagotovite znatno moč. Koeficient stabilizacije takšne sheme je TO st = 150–300. V obravnavanem vezju se signal neujemanja generira na samem krmilnem tranzistorju. Visoko stopnjo stabilizacije zagotavljajo vezja, v katerih se vnaprej ojačen signal neusklajenosti dovaja na osnovo krmilnega tranzistorja.

V obravnavanih stabilizatorjih napetosti je regulacijski tranzistor vedno odprt, samoregulacija pa se izvaja s spreminjanjem stopnje njegovega odpiranja, tj. linearni. Zato se takšni stabilizatorji imenujejo linearni.

Preklopni stabilizatorji napetosti

Za razliko od prej obravnavanih linearnih stabilizatorjev, v stabilizatorji impulzne napetosti tranzistor, skozi katerega teče tok do bremena, se občasno odpira in zapira, tj. deluje v ključnem načinu. Poleg tega se regulacija izvaja s spreminjanjem premora, med katerim bremenski tok teče skozi ključni tranzistor iz vira konstantne vhodne napetosti. Tako tranzistor ne deluje v linearnem načinu, ampak v impulznem načinu: bodisi je popolnoma odprt ali popolnoma zaprt. V takih stabilizatorjih je povprečna napetost na bremenu Uout = U BX t / T, kje T - obdobje ponavljanja impulza; t – trajanje zaprtega stanja ključa.

Preklopni stabilizatorji zagotavljajo večjo učinkovitost, saj v popolnoma odprtem stanju pade zelo malo napetosti na tranzistorju, zato je moč, ki jo odvaja tranzistor, veliko manjša od moči, ki jo odvaja linearni stabilizator.

Ker se regulacija izvaja s spreminjanjem širine impulza t, Ta princip delovanja se imenuje modulacija širine impulza (PWM). Impulzni stabilizatorji (slika 2.32), tako kot linearni, so kompenzacijski. Signal napake U p, ki ga tvori primerjalni element SE in ga ojača ojačevalnik (A), se pretvori v impulze, ki sledijo z enako frekvenco, katerih trajanje t na spremembe pod vplivom signala napake. Ti impulzi odpirajo in zapirajo ključni tranzistor V.T. ki skupaj z diodo VD in LC filter tvori element za uravnavanje impulzov.

riž. 2.32. Preklopni stabilizator napetosti (a ) in procesi, ki se v njem dogajajo(b)

Medtem ko je žagasta napetost U n < U p (odsek t0 – t1 na sliki 2.32, b), tranzistor je zaklenjen. Čez čas t 1 – t 3 kdaj U n >U p, je tranzistor odprt in napetost t/BX je priključena na induktor. Poganja UBX dioda VD je zaklenjen in tok skozi induktor i dr poveča in shranjuje energijo v induktivnosti. Dokler induktorski tok ne doseže vrednosti DC obremenitve jaz n (razdelek t 1 – t 2), kondenzator Z razelektritve na breme in napetost na njem U c se zmanjša. Od trenutka ί2> ko i itd > jaz n kondenzator se bo začel polniti s tokovno razliko i dr – jaz n. V trenutku t3 izklopa tranzistorja samoinduktivna emf induktorja odpre diodo in tok induktorja, ki se zapre skozi diodo, teče skozi breme, dokler t 4 še naprej polni kondenzator in mu daje energijo, shranjeno v induktorju. V odseku t4 – t5 je induktorski tok manjši od obremenitvenega toka in obremenitev napaja tok praznjenja kondenzatorja. Ker t 5 se postopek ponovi.

Naj izhodna napetost postane manjša od nastavljene vrednosti in napetosti neujemanja U p se bo zmanjšal za -ΔUρ. Nato je trenutek v času, ko žagasta napetost, ki jo ustvari GPN, postane enaka napetosti U p bo prišel prej in odprto stanje tona tranzistorja, ki ga ustvari PWM, se bo povečalo. To bo vodilo do povečanja izhodne napetosti UBbIX in ponovne vzpostavitve sto nastavljene vrednosti. Če se izhodna napetost poveča, se bo napetost napake povečala tudi za +Δ U str. To bo privedlo do dejstva, da bo trenutek odpiranja tranzistorja, ki ga ustvari PWM, prišel kasneje, čas odprtega stanja tona tranzistorja pa se bo zmanjšal. Posledično se bo izhodna napetost zmanjšala in njena nastavljena vrednost bo obnovljena.

Stabilizacija napetosti v sodobnem elektronske naprave Zelo pomemben element. Digitalna vezja zahtevajo stabilno in zanesljivo napajanje.

Najbolj preprosto vezje stabilizacija napetosti, ki jo lahko srečamo v praksi, je sistem, ki temelji na zener diodi. Osnovni način delovanja zener diode je prikazan na naslednji sliki:

Ta sistem uporablja učinek zener diode, ki se pojavi med okvaro p-n spoj pri obratni prednapetosti. To povzroči pretok toka in vsa odvečna napetost se absorbira preko balastnega upora. Količina padca napetosti je določena z količino toka, ki teče skozi to.

Zato fiksni tok skozi zener diodo popravi padec napetosti na uporu in s tem stabilizira izhodno napetost. Zener diode so izdelane za različne napetosti v območju od 1,5 V do 200 V.

Toda pogosto se v praksi za stabilizacijo napetosti uporabljajo specializirana mikrovezja, ki jih lahko razdelimo v dve skupini:

• z nastavitvijo napetosti
  - pozitivna polarnost
  - negativna polarnost
• brez nastavitve napetosti
  - pozitivna polarnost
  - negativna polarnost

Integrirani napetostni stabilizatorji imajo tri glavne značilnosti:

• izhodna napetost
• največji tok
• minimalna vhodna napetost

Na vhodu stabilizatorja napetosti je potrebno uporabiti višjo napetost od tiste, ki bi morala biti na izhodu.

V najpogostejših stabilizatorjih je razlika med vhodno in izhodno napetostjo približno 2V. Obstajajo pa tudi stabilizatorji LDO, pri katerih je ta razlika veliko manjša. Ta napetost se pogosto imenuje VDO

Med priljubljenimi nenastavljivimi stabilizatorji so:
78xx– najbolj znan izmed vseh stabilizatorjev pozitivne napetosti. Na voljo v različnih napetostnih izvedbah: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 voltov, VDO = 2V.
79xx– najbolj priljubljen med vsemi stabilizatorji negativne napetosti. Proizvaja se v napetostnih izvedbah: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 voltov, VDO = 2V.

LM2940x– LDO pozitivni stabilizator napetosti. Za napetost: 5, 8, 9, 10, 12, 15 voltov, VDO = 0,5 V.

Med nastavljivimi napetostnimi stabilizatorji so najbolj znani:
– območje izhodne napetosti od 1,25 do 37 voltov, VDO = 3V.
LM337– območje izhodne napetosti od -1,25 – 37 voltov, VDO = 5V.

Sodobni stabilizatorji napetosti imajo različne vrste toplotna in tokovna zaščita, ki zagotavlja varno delovanje in zmanjšuje možnost pregorevanja tokokrogov.

Poleg linearnih stabilizatorjev obstaja tudi skupina preklopnih stabilizatorjev. Razlikujejo se seveda po tem, da imajo večji izkoristek (manjša poraba energije za toplotne izgube). Zanimiva funkcija je, da vam omogočajo zvišanje in znižanje napetosti, kar je zelo uporabno pri napajanju mikrovezja iz baterije.

Linearni stabilizator je prvotna oblika stabilizacijskih napajalnikov. Za znižanje nivoja vhodne napetosti na stabilizirano izhodno napetost uporablja spremenljivo prevodnost aktivnega elektronskega elementa. V tem primeru linearni stabilizator izgubi veliko energije v obliki toplote in se zato segreje.

Linearni napajalniki zavzemajo pomembno nišo v aplikacijah, kjer nizka učinkovitost takšnih virov ne igra posebne vloge. Te aplikacije vključujejo stacionarno talno opremo, za katero prisilno zračno hlajenje ni problem. To vključuje tudi instrumente, pri katerih je merilnik tako občutljiv na električni šum, da potrebuje električno "tihi" vir energije. Take naprave vključujejo avdio in video ojačevalnike, radie itd. Linearni stabilizatorji so priljubljeni tudi kot lokalni, vgrajeni stabilizatorji. V tem primeru plošča potrebuje le nekaj vatov, tako da lahko nekaj več vatov, izgubljenih zaradi toplote, nadomestimo s preprostim hladilnikom. Če je potrebna dielektrična izolacija od vhodnega vira izmeničnega toka, jo zagotovi izmenični transformator ali glavni napajalni sistem.

Na splošno so linearni regulatorji še posebej uporabni za aplikacije napajanja, ki ne zahtevajo več kot 10 W izhodne moči. Pri izhodni moči, večji od 10 W, postane potrebno hladilno telo tako zajetno in drago, da postane privlačnejše. impulzni viri prehrana.

Načelo delovanja linearnega stabilizatorja

Vsi napajalniki - naj bodo linearni ali zahtevnejši preklopni - delujejo enako osnovno načelo. Vsi viri energije temeljijo na zaprta zanka negativne povratne informacije. Edini namen tega vezja je ohranjanje konstantne izhodne napetosti.

Linearni stabilizatorji so samo stopenjski. To pomeni, da mora biti vhodna napetost vira višja od zahtevane izhodne napetosti. Obstajata dve vrsti linearnih stabilizatorjev: vzporedni (shunt) in serijski (series-pass). Vzporedni stabilizator (stabilizator z vzporedna povezava regulacijski element) je stabilizator napetosti, povezan vzporedno z obremenitvijo. Neregulirani vir toka je povezan z virom višje napetosti, vzporedni regulator vzame izhodni tok za vzdrževanje enosmerna napetost na bremenu, ob upoštevanju spremenljive vhodne napetosti in bremenskega toka. Pogost primer takega stabilizatorja je stabilizator z zener diodo. Serijski linearni regulator je učinkovitejši od vzporednega regulatorja in uporablja aktivni polprevodnik med vhodnim virom in bremenom kot zaporedno povezan regulacijski element.

Zaporedno povezan pretočni element deluje v linearnem načinu. To pomeni, da ni bil zasnovan za delovanje v popolnoma VKLOPLJENEM ali popolnoma IZKLOPLJENEM načinu, temveč deluje v "delno VKLOPLJENEM" načinu. Negativna povratna zanka določa količino prevodnosti, ki jo mora prehodni element sprejeti, da zagotovi zahtevano raven izhodne napetosti.

Srce negativne povratne zanke je operacijski ojačevalnik z visokim ojačenjem, imenovan ojačevalnik napake napetosti. Njegov namen je nenehno primerjati razliko med zelo stabilno referenčno napetostjo in izhodno napetostjo. Če je ta razlika vsaj milivoltov, se električna prevodnost prehodnega elementa prilagodi. Stabilna referenčna napetost se dovaja na neinvertirajoči vhod operacijskega ojačevalnika in je običajno nižja od izhodne napetosti. Izhodna napetost se razdeli na referenčno raven in napaja na inverzni vhod operacijskega ojačevalnika. Tako je pri nazivni izhodni napetosti središčna točka delilnika izhodne napetosti enaka referenčni napetosti.

Ojačanje prednapetostnega ojačevalnika zagotavlja napetost, ki ustreza močno povečani razliki med referenčno in izhodno napetostjo (napačna napetost). Napačna napetost neposredno nadzira prevodnost prehodnega elementa in s tem ohranja nazivno izhodno napetost. Ko se obremenitev poveča, izhodna napetost pade, kar povzroči povečanje izhodne moči ojačevalnika, ki zagotavlja več toka obremenitvi. Podobno, ko se obremenitev zmanjša, se bo izhodna napetost povečala, na kar se bo ojačevalnik napak odzval z zmanjšanjem toka skozi prehodni element do obremenitve.

Hitrost, s katero se ojačevalnik napak odzove na kakršne koli spremembe v izhodu, in kako natančno se vzdržuje zahtevana raven izhodne napetosti, je odvisno od kompenzacije povratne zanke ojačevalnika napak. Kompenzacija povratne informacije se krmili z namestitvijo elementov znotraj napetostnega delilnika in med negativnim vhodom in izhodom ojačevalnika napake. Njegova zasnova narekuje, koliko enosmernega ojačenja se izvaja, kar nato določa natančnost izhodne napetosti. Določa tudi količino povečanja pri povečani frekvenci in pasovni širini, kar nato določa čas, potreben za odziv na spremembe v izhodni obremenitvi, ali trajanje prehodnih pojavov.

Kot lahko vidite, je princip delovanja linearnega stabilizatorja zelo preprost. Popolnoma enako vezje je prisotno v vseh stabilizatorjih, vključno s kompleksnejšimi preklopnimi stabilizatorji. Napetostna povratna zanka opravlja končno funkcijo napajanja: vzdrževanje nivoja izhodne napetosti.

Stabilizator napetosti- pretvornik električna energija, ki omogoča pridobitev izhodne napetosti v določenih mejah z bistveno večjimi nihanji vhodne napetosti in obremenitvenega upora.

Glede na vrsto izhodne napetosti delimo stabilizatorje na enosmerne in izmenične stabilizatorje. Praviloma vrsta napajanja (konstantno oz AC) je enaka izhodni napetosti, čeprav so možne izjeme.