Рассказано о назначении стабилизаторов, основных типах – линейных и импульсных, достоинствах и недостатках. Показаны испытания и результаты.
Для наглядности рассмотрим структурную схему, из анализа которой, назначение стабилизатора становится наиболее понятным.
Допустим, для питания нагрузки нужно постоянное напряжение 5В. Мы можем сделать выпрямитель, который из напряжения сети сформирует постоянное напряжение 5В при напряжении сети 230В. Но напряжение сети может изменяться и если не предпринять никаких мер, то и напряжение на выходе выпрямителя отклонится от нужного значения 5В. Для того, чтобы этого не произошло, нужен стабилизатор. Отсюда основная задача стабилизатора – поддерживать неизменное напряжение на выходе при изменении входного. Стабилизатор еще выполняет и другие функции, а именно, поддерживает постоянным напряжение в нагрузке при изменении тока в ней и уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.
Наиболее простыми являются линейные стабилизаторы. Их принцип работы понятен из приведенной ниже схемы.
При отклонении напряжения на выходе от нормы с делителя напряжения R2, R3 на регулирующий элемент R1 подается управляющий сигнал. R1 изменяет свое сопротивление до тех пор, пока напряжение на выходе не придет в норму. Понятно, что разница между входным и выходным напряжением падает на R1, при больших токах это приводит к выделению значительной мощности и понижает КПД линейного стабилизатора. В качестве R1, как правило, используется транзистор. Для обеспечения его работы в схеме есть источник образцового напряжения (стабилитрон) и усилитель сигнала ошибки. Схемы линейных стабилизаторов выполняются на отдельных элементах и в виде микросхем. Наиболее распространены микросхемы серии 7805, 7808, 7812, КР142ЕН5 и т.д. Подробнее можно посмотреть здесь и здесь.
Ниже приведены результаты испытаний линейного стабилизатора напряжения на микросхеме 7805. Напряжение на входе 7,3В, ток 1,08А. Напряжение на выходе 5,1В, ток 1,01А. Пульсации на осциллографе, подключенном к нагрузке, отсутствуют. Мощность на входе равна 7,3В х 1,08А = 7,9Вт. Полезная мощность в нагрузке равна: 5,1В х 1,01А = 5,2Вт. КПД = 5,2 : 7,9 = 0,66 или 66%.
Напряжение на входе 19В, ток 1,08А. Напряжение на выходе 5,1В, ток 1,02А. Пульсации на осциллографе практически отсутствуют. Мощность на входе равна 19В х 1,08А = 20,5Вт. Полезная мощность в нагрузке равна: 5,1В х 1,02А = 5,2Вт. КПД = 5,2 : 20,5 = 0,25 или 25%.
Чтобы повысить КПД стабилизаторов широко используются импульсные стабилизаторы. Принцип их работы заключается в том, что постоянное входное напряжение преобразуется в импульсное, с частотой от десятков до сотен кГц. Это импульсное напряжение на выходе с помощью индуктивности, диода и конденсатора фильтра снова преобразуется в постоянное напряжение. Величина напряжения на выходе зависит от длительности импульсов и поддерживается постоянной за счет обратной связи управляющей длительностью импульсов генератора. Структурная схема импульсного стабилизатора приведена ниже.
Мощный ключ VT1 в такой схеме имеет два устойчивых состояния – полностью открыт или полностью закрыт. При этом величина выходного напряжения прямо пропорциональна времени открытого состояния ключа. Падение напряжения на нем минимально, и он практически не греется, что существенно повышает КПД таких стабилизаторов. Подробнее о работе импульсных стабилизаторов можно посмотреть здесь .
Ниже приведены результаты испытаний импульсного стабилизатора напряжения на микросхеме 2576Т-5,0.
Напряжение на входе 7,5В, ток 0,84А. Напряжение на выходе 5,В, ток 0,98А. Мощность на входе равна 7,5В х 0,84А = 6,3Вт. Полезная мощность в нагрузке равна: 5 В х 0,98А = 4,9Вт. КПД = 4,9 : 6,3 = 0,78 или 78%. Как видно на осциллограмме, положительные импульсы широкие и небольшие по амплитуде. Это самый низкий КПД для импульсного стабилизатора.
Напряжение на входе 18,2В, ток 0,34А. Напряжение на выходе 5,В, ток 0,99А. Мощность на входе равна 18,2В х 0,34А = 6,2Вт. Полезная мощность в нагрузке равна: 5 В х 0,99А = 5Вт. КПД = 5 : 6,2 = 0,88 или 80%. Положительные импульсы по амплитуде выше, а по длительности меньше, чем в предыдущем случае. По сравнению с КПД линейного стабилизатора 25% при близком напряжении (там было 19В) это в разы лучше.
У линейного стабилизатора больше 19В повышать напряжение на входе не было возможности так как микросхема перегружалась и у нее срабатывала защита. У импульсного стабилизатора повышать напряжение можно. У 2576 до 40В, а у 2576HV до 60В. При этом КПД еще повышается.
Рассчитанный по методике, приведенной выше, при 24,2В КПД импульсного стабилизатора составляет 90%. При этом микросхема практически не греется, так как в последнем рассмотренном примере на ней выделяется мощность 0,6 Вт. У линейного стабилизатора при 19В мощность на микросхеме более 15Вт. Разница впечатляет. Для наглядности результаты сведены в таблицу при минимальных напряжениях на входе:
И при максимальных напряжениях на входе:
Но у импульсных стабилизаторов тоже есть недостатки. Конструктивно немного сложнее, чем линейный стабилизатор. Требуется индуктивность и быстрый диод на выходе. Но самое главное пульсации выше и есть помехи. Как видно на фото ниже они достигают 0,1В при токе 1А.
Для устранения указанных недостатков нужно применять дополнительные фильтры, например, как рекомендовано в документации микросхем 2576:
В любом случае, выигрыш КПД в разы по сравнению с линейными стабилизаторами делает импульсные стабилизаторы напряжения наиболее распространенными в последнее время. А повышение рабочей частоты, например, до 180кГц в микросхемах XL4016, делает возможным получать токи в нагрузке до 8А при небольших габаритах блока с радиатором в целом.
Используя такой импульсный стабилизатор напряжения с возможностью регулировки выходного тока и небольшой вольтметр-амперметр можно изготовить регулируемый блок питания для многих приборов и зарядное устройство для аккумуляторов включая автомобильные. Подробнее как это сделать показано здесь.
Материал статьи продублирован на видео: