Линейный стабилизатор напряжения

Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

X1 и X2 – клеммы входа, на которые может быть подано нестабилизированное напряжение. Если к выходным клеммам X3-X4 не подключена нагрузка, то при увеличении входного напряжения до значения напряжения стабилизации стабилитрона VD1, с выхода мы можем снять то же самое напряжение. После достижения напряжения стабилизации наступает обратимый пробой p-n перехода стабилитрона, при котором через стабилитрон начинает протекать ток, а часть избыточного напряжения падает на балластном сопротивлении.

У этой схемы есть несколько значительных недостатков. Необходимость наличия в схеме балластного сопротивления приводит к увеличению потерь энергии и не позволяет питать значительную нагрузку, сопротивление которой соизмеримо с балластным. При переменной нагрузке и незначительной разнице входного и стабилизированного напряжения могут быть провалы выходного напряжения в моменты увеличения нагрузки.

Для питания таким стабилизатором более мощного потребителя, необходимо уменьшать сопротивление балласта, что в свою очередь потребует увеличения допустимой рассеиваемой мощности стабилитрона, но это приведёт к ещё большим потерям энергии. Именно по этой причине данная схема не получила широкого распространения в качестве стабилизатора питания для нагрузки примерно большей 1 Вт.

Не смотря на указанные недостатки, рассмотренная схема оказалась вполне пригодна в качестве источника опорного напряжения.

Представьте, что у нас есть генератор, напряжение на клеммах которого может изменяться в значительных пределах, например, автогенератор, генератор ветряка или даже фотоэлектрическая панель (солнечная батарея). Если этот источник питания не имеет собственной схемы стабилизации выходного напряжения, то при сильном ветре, или увеличении яркости солнечного потока, мы рискуем спалить подключенную к нему нагрузку, например, радиоприёмник или лампочку. Чтобы этого не произошло, можно собрать нехитрую схему стабилизации, рисунок 2.

Рисунок 2. Схема стабилизации напряжения на одном транзисторе.

 Здесь Г1, это применяемый нами в качестве источника питания генератор переменного тока. На диодах DV1-DV4 собрана схема двухполупериодного выпрямителя. Конденсатор C1 сглаживает пульсации, которые вызваны синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения.

При увеличении напряжения на входных клеммах X1-X2 через балластный резистор и базу транзистора VT1 начинает протекать ток базы, через коллектор-эмиттер и сопротивление нагрузки начинает протекать ток нагрузки. Вспомнив принцип работы биполярного транзистора, увидим, что на эмиттере он всегда будет стараться поддерживать тоже напряжение, которое будет подаваться на базу. Как только напряжение на базе транзистора достигнет значения напряжения стабилизации стабилитрона, оно прекратит увеличиваться независимо от увеличения входного напряжения. Так транзистор будет автоматически изменять сопротивление коллектор-эмиттерного перехода, стабилизируя напряжение на уровне опорного базового, которое будет обеспечивать стабилитрон.

По сути, эта схема является делителем напряжения, верхнее плечо которого образовано переходом транзистора, а нижнее – нагрузкой. Этот принцип регулирования напряжения накладывает некоторые ограничения. Чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем большую мощность должен рассеивать транзистор. Это значительно снижает КПД стабилизатора и требует использовать более мощный транзистор, устанавливая его на радиатор.

Тем не менее, такой стабилизатор оказывается весьма эффективен, когда выходное напряжение незначительно отличается от входного. Он прекрасно справляется с кратковременными перенапряжениями сети, а также с импульсными помехами, приходящими по сети во время грозовой активности, или при работе в той же сети мощных импульсных преобразовательных устройств. Для этого параллельно стабилитрону нужно добавить конденсатор небольшой ёмкости, который будет шунтировать импульс помехи, приходящий на базу.

Схема на транзисторе более эффективна по сравнению со стабилитронной, но тоже имеет ограничение по мощности подключаемой нагрузки. Наиболее эффективно с этой задачей справляются стабилизаторы на основе импульсных преобразователей, но это тема уже для другого разговора.