|
Самый кардинальный способ улучшить характеристики источника питания, это использовать стабилизатор напряжения. Стабилизатор
напряжения представляет peaлизованное на практике приближение к идеальной схеме источника напряжения Тевенина, то есть стабилизатор характеризуется
фиксированным значением выходного напряжения, а также значением выходного сопротивления, которое в идеале должно как можно
ближе приближаться к нулевому значению. Идеальный источник Тевенина имеет способность отдавать в нагрузку ток бесконечно
большой величины, тогда как источник питания, нагрузкой которого является стабилизатор, имеет в реальности ограничения по
величине своего тока. Следовательно, всегда необходимо помнить, что реальный стабилизатор может только имитировать характеристики
идеального источника Тевенина в ограниченном рабочем диапазоне, поэтому всегда необходимо быть уверенным, что работа стабилизатора
не выходит за эти пределы границ этого диапазона.
Принцип работы всех стабилизаторов напряжения базируется на свойствах схемы делителя напряжения. Если какое-нибудь из
плеч делителя, неважно, будет ли это верхнее, либо нижнее плечо, сделано регулируемым тем или иным образом, то выходное напряжение
может изменяться путем воздействия на регулируемое плечо (рис. 6.26).
Рис. 6.26 Взаимосвязь между делителем напряжения и стабилизаторами напряжения
Если верхний элемент делителя напряжения изготовлен таким образом, что можно изменять его характеристики, то такой стабилизатор
получил название последовательного стабилизатора (схемы последовательной стабилизации), так как регулирующий элемент включен
последовательно с нагрузкой. Если же регулируются параметры нижнего плеча делителя напряжения, то такой стабилизатор известен
под названием параллельного стабилизатора (схемой параллельной стабилизации), так как регулирующий элемент оказывается включенным
параллельно нагрузке. Схемы параллельной стабилизации менее эффективны по сравнению со схемами последовательной стабилизации
и их параметры должны быть более точно согласованы с нагрузкой, однако они обладают тем преимуществом, что они могут выполнять
роль как источника тока, так и роль его потребителя.
Классическая принципиальная схема последовательного стабилизатора напряжения приведена на рис. 6.27.
Рис. 6.27 Схема последовательного стабилизатора напряжения
В приведенной схеме использованы полупроводниковые элементы, однако, возможен и ламповый вариант реализации этой схемы,
обладающей аналогичными свойствами. Усилитель рассогласования (погрешностей) усиливает разностный сигнал между опорным напряжением
и частью выходного напряжения и управляет работой последовательно включенного проходного транзистора таким образом, что
выходное напряжение не изменяет своего значения.
Работы схемы зависит от действия цепи отрицательной обратной связи. В заключительных разделах уже рассматривалась
ситуация, что в условиях, когда действует обратная связь, входное и выходное сопротивления изменяются в соответствии с величиной
коэффициента связи (1 + βA0). Работа стабилизатора напряжения строится на уменьшении выходного напряжения
системы на величину, равную коэффициенту обратной связи.
Первоначально следует предположить, что схема стабилизатора включена и на его выходе есть напряжение, для простоты анализа
его можно принять равным 10 В. В результате воздействия делителя напряжения, на инвертирующем входе операционного усилителя
должно быть напряжение, равное 5 В. Источник опорного напряжения поддерживает на неинвертирующем входе неизменное (за счет
свойств стабилитрона) напряжение 5 В. Последовательно включенный проходной транзистор представляет собой эмитерный повторитель,
отпираемый током от усилителя рассогласования. Напряжение на его эмиттере транзистора составляет 10 В, следовательно, на
базе отпертого кремниевого транзистора напряжение составит 10,7 В.
Далее следует предположить, что по какой-нибудь причине выходное напряжение снизилось. Напряжение в средней точке делителя
напряжения также уменьшается, однако, величина опорного напряжения остается без изменения и по-прежнему равняется 5 В. Напряжение
на неинвертирующем входе операционного усилителя рассогласования будет больше по сравнению с величиной напряжения
на инвертирующем входе, поэтому его выходное напряжение
должно увеличиться. Однако, если напряжение на базе транзистора увеличивается, падение напряжения между коллектором и эмиттером
транзистора уменьшится (в силу уменьшения сопротивления этого участка с ростом отпирающего базового напряжения), а следовательно,
его эмитерное напряжение также должно возрасти. В результате, такая схема стабилизации препятствует уменьшению выходного
напряжения.
Так как совершенно аналогичные аргументы могут быть использованы для описания работы схемы при увеличении выходного напряжения,
то можно заключить, что работы схемы будет устойчивой, а величина выходного напряжения определяется параметрами схемы делителя
напряжения и источника опорного напряжения (стабилитрона). Если перерисовать схему стабилизатора в несколько ином виде,
то легко можно видеть, что она представляет собой обычный усилитель, коэффициент усиления которого задается делителем напряжения,
и что данный усилитель усиливает опорное напряжение (рис. 6.28).
Рис. 6.28 Видоизмененная схема последовательного стабилизатора, призванная продемонстрировать его сходство
с неинвертирующим усилителем
После рассмотрения преобразованной схемы величину выходного напряжения можно представить в виде:
Так как усилитель рассогласования в этой схеме просто усиливает опорное напряжение, то любая составляющая сигнала шума
в опорном напряжении также будет усиливаться, поэтому необходимым становится условие питания от настолько малошумящего источника,
насколько это возможным. Хотя приводимый аргумент и может быть уподоблен лисе, преследующей свой собственный хвост, но если
допустить, что напряжение питания на источник опорного напряжения подается с выхода этого же источника питания
(который не имеет шумов), то и опорное напряжение не будет иметь шумов. Однако в этом случае следует,
что выходное напряжение данного источника питания также не должно иметь шумов.
На первый взгляд могло бы показаться, что если опорное напряжение является частью выходного напряжения, то режим работы
такой системы окажется, вероятнее всего, неустойчивым, однако на практике это все не так.
Прежде всего, следует отметить, что во всех схемах стабилизаторов их входное напряжение превышает выходное. Минимально
допустимая разность между этими напряжениями, после ухода за которую стабилизатор перестает устойчиво работать, известна
под названием «напряжением выпадания» (так как стабилизатор как бы выпадает из режима стабилизации). Для приведенной конкретной
схемы эта величина составляет всего несколько вольт (минимальное остаточное падение напряжения между коллектором и эмиттером
управляющего транзистора), однако, напряжения выпадания для ламповой реализации стабилизатора может составлять порядка 40
В, либо принимать в некоторых случаях и еще большее значение.
|
