Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор является исходной формой стабилизирующих источников питания. Для понижения уровня входного напряжения до стабилизированного выходного в нем используется переменная проводимость активного электронного элемента. При этом линейный стабилизатор теряет много энергии в виде тепла и потому нагревается.

Линейные источники питания занимают значительную нишу в приложениях, где невысокий КПД таких источников не играет особой роли. К таким приложениям относится стационарное наземное оборудование, для которого принудительное воздушное охлаждение — не проблема. Сюда же относятся приборы, в которых измеритель настолько чувствителен к электрическому шуму, что требует электрически "тихого" источника питания. Среди таких приборов можно назвать аудио- и видеоусилители, радиоприемники и т.п. Линейные стабилизаторы популярны также в качестве локальных, встроенных в плату стабилизаторов. В данном случае плате требуется лишь несколько ватт, поэтому еще несколько ватт, ушедших в тепло, могут быть нейтрализованы с помощью простого радиатора. Если требуется диэлектрическая изоляция от входного источника переменного тока, то она обеспечивается трансформатором переменного тока или магистральной системой электроснабжения.

Обычно линейные стабилизаторы особенно полезны для приложений источников питания, требующих не более 10 Вт выходной мощности. При выходной мощности более 10 Вт обязательный теплоотвод становится столь громоздким и дорогостоящим, что более привлекательными становятся импульсные источники питания.

Принцип работы линейного стабилизатора

Все источники питания — будь то линейные или более сложные импульсные — работают по одному и тому же базовому принципу. Все источники питания имеют в своей основе замкнутый контур отрицательной обратной связи. Единственное назначение этого контура — удерживать постоянное значение выходного напряжения.

Линейные стабилизаторы бывают только понижающими. Это означает, что входное напряжение источника должно быть выше, чем требуемое выходное напряжение. Существует два типа линейных стабилизаторов: параллельные (shunt) и последовательные (series-pass). Параллельный стабилизатор (стабилизатор с параллельным включением регулирующего элемента) — это стабилизатор напряжения, подключенный параллельно нагрузке. Источник нерегулируемого тока соединен с источником более высокого напряжения, параллельный стабилизатор принимает выходной ток для поддержания постоянного напряжения на нагрузке с учетом переменного входного напряжения и тока нагрузки. Распространенным примером такого стабилизатора является стабилизатор на стабилитроне. Последовательный линейный стабилизатор более эффективен, чем параллельный, и в качестве последовательно включенного регулирующего элемента использует активный полупроводник между входным источником и нагрузкой.

Последовательно включенный проходной элемент работает в линейном режиме. Это означает, что он не проектировался для работы в полностью включенном (ON) или полностью выключенном (OFF) режиме, а работает в "частично включенном" режиме. Контур отрицательной обратной связи определяет степень электропроводности, которую должен принимать проходной элемент для обеспечения требуемого уровня выходного напряжения.

Основой контура отрицательной обратной связи является операционный усилитель с большим коэффициентом усиления, называемый усилителем напряжения ошибки. Его назначение— постоянно сравнивать разницу между высокостабильным опорным напряжением и выходным напряжением. Если эта разница составляет хотя бы милливольты, то выполняется корректировка электропроводности проходного элемента. Стабильное опорное напряжение подается на неинверсный вход операционного усилителя и обычно ниже, чем выходное напряжение. Выходное напряжение делится до уровня опорного и подается на инверсный вход операционного усилителя. Таким образом, при номинальном выходном напряжении центральная точка делителя выходного напряжения идентична опорному напряжению.

Усиление усилителя отклонения обеспечивает напряжение, соответствующее сильно увеличенной разнице между опорным и выходным напряжениями (напряжение ошибки). Напряжение ошибки непосредственно управляет электропроводностью проходного элемента, поддерживая тем самым номинальное выходное напряжение. С увеличением нагрузки выходное напряжение падает, что приводит к повышению выходной мощности усилителя, а это обеспечивает больший ток к нагрузке. Аналогично, при уменьшении нагрузки выходное напряжение будет расти, на что усилитель ошибки ответит снижением тока через проходной элемент на нагрузку.

Скорость, с которой усилитель ошибки отвечает на любые изменения на выходе, и насколько точно поддерживается требуемый уровень выходного напряжения, зависит от компенсации контура обратной связи усилителя ошибки. Компенсация обратной связи управляется размещением элементов внутри делителя напряжения и между отрицательным входом и выходом усилителя ошибки. Его конструкция диктует, насколько выполняется усиление при постоянном токе, что, в свою очередь, определяет точность выходного напряжения. Он также определяет степень усиления при повышенной частоте и полосе пропускания, что в свою очередь определяет время, затрачиваемое на реакцию на изменения выходной нагрузки, или продолжительность переходных процессов.

Как видите, принцип действия линейного стабилизатора очень прост. Точно такая же цепь присутствует во всех стабилизаторах, включая более сложные импульсные стабилизаторы. Контур обратной связи по напряжению выполняет конечную функцию источника питания: поддерживает уровень выходного напряжения.

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.