Стабилизаторы тока. виды и устройство. работа и применение

Основные характеристики стабилизатора напряжения

Эксплуатационные показатели прибора определяют, насколько он подойдет для работы в тех или иных условиях. Основным параметром является мощность. Она варьируется от 0,5 до 30 кВт. Сегмент бытовых стабилизаторов редко представляет аппараты с потенциалом более 10 кВт. Чаще всего для дома приобретается стабилизатор напряжения 220В с мощностью 1-3 кВт.

Для промышленных нужд, напротив, чаще используют приборы с поддержкой напряжения в 380 В, мощность которых превышает 12 кВт. У каждого стабилизатора есть и предельные величины по входному и выходному напряжению. Так, нижний порог варьируется в среднем от 70 до 140 В, а верхняя граница в случае с бытовыми моделями обычно достигает 270 В.

Разновидности стабилизаторов

Из всей палитры разнообразных конструкций СН можно выделить следующие приборы.

Стабилизаторы постоянного напряжения

Линейный стабилизатор

Устройство есть не что иное, как делитель напряжения. СН – это микросхема с тремя выводами. Две боковые клеммы предназначены для входного/выходного тока, средний контакт служит для заземления. Регуляция напряжения происходит путём изменения величины сопротивления одного из плеч делителя. Величина сопротивления выдерживается на постоянно заданном уровне напряжения на выходе микросхемы.

Надо отметить! При большом соотношении входных и выходных напряжений КПД устройств довольно низок. Из-за этого большая часть мощности входного тока рассеивается в виде тепла. Поэтому микросхему помещают на радиатор, который будет поглощать и рассеивать излишнюю тепловую энергию.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Один из типов линейных СН – это регулирующее устройство, включённое параллельно нагрузке. В этой схеме применяют полупроводниковый стабилитрон.

Обратите внимание! Стабилитрон (диод Зенера) функционирует по принципу обратного смещения в режиме пробоя. Ток, проходящий через радиодеталь, резко увеличивается, дифференциальное сопротивление резко падает. Из-за этого во время пробоя напряжение в стабилитроне выдерживается на одном уровне с высокой точностью

Из-за этого во время пробоя напряжение в стабилитроне выдерживается на одном уровне с высокой точностью.

Стабилитрон

Стабилитроны с интегральной структурой ценятся, как самые стабильные и точные поставщики опорного напряжения. СН с высокой дифференциальной величиной сопротивления применяют на участке ВАХ (вольт-амперная характеристика) в диапазоне рабочих токов.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Как работает компенсационный стабилизатор, можно понять из схемы ниже.

Схема ПСН

Входное напряжение стабилитрона Uz равно показателю базы транзистора. Напряжение на выходе Uout будет означает разницу:

Uout = Uz – Ube,

где Ube – напряжение между эмиттером и базой.

В устройстве отсутствует контур авторегулирования. Схема последовательного стабилизатора повторяет параллельный параметрический СН, только подсоединённый к входу повторителя эмиттера. Такие радиодетали используют в платах с низкими токами нагрузки, измеряемыми в единицах мкА.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Выходной показатель напряжения в таких стабилизаторах соразмеряется с величиной опорного напряжения. Их разница обрабатывается операционным усилителем рассогласования.

Несмотря на давность использования такого вида стабилизаторов (около 50 лет), эксплуатация их до сих пор актуальна. Примером может служить СН в интегральном виде – микросхема КР142ЕН22А.

Последовательный СН КР142ЕН22А

Импульсный стабилизатор

Внешняя энергия попадает серией коротких импульсов в накопитель (дроссель или конденсатор). Накопленная энергия затем подаётся в нагрузку. Применение накопителя даёт возможность влиять на величину выходного напряжения по отношению к входному показателю.

Импульсный СН отличается от линейного аналога более высоким КПД. Также он может быть как понижающим, так и повышающим стабилизатором.

Стабилизаторы переменного напряжения

Такие устройства разделяют на две группы.

Феррорезонансные стабилизаторы

ФС применялись в основном для ламповых телевизоров прошлого века. Конструкция приборов строилась на базе двух дросселей. Один был с ненасыщаемым сердечником, вторая катушка выступала в роли конденсатора.

Определённый подбор характеристик катушек (дросселей) позволяет стабилизировать напряжение при резких изменениях входного показателя. Недостатком феррорезонансного стабилизатора считается высокая чувствительность к колебаниям частоты напряжения сетевого тока.

Современные стабилизаторы

Радиотехническая промышленность выпускает несколько типов стабилизаторов:

• электромеханические (автотрансформаторы);
• феррорезонансные;
• электродинамические;
• электронные.

Электронные СН, в свою очередь, подразделяются на ступенчатые симисторные, тиристорные, релейные, а также плавные компенсационные и комбинированные.

Дополнительная информация. Различные модели СН предназначены как для однофазной сети (220 в), так и для трёхфазного тока (400 в). Их мощность варьируется от нескольких ватт до мегаватт.

СН трёхфазного тока

Разновидности импульсных стабилизаторов

Все стабилизирующие устройства импульсного типа по типу управления можно поделить на такие группы:

• Ключевой с триггером Шмитта;
• Ключевой с широтно-импульсной модуляцией;
• С частотно-импульсной модуляцией.

С триггером Шмитта

Импульсный стабилизатор напряжения, схема которого приведена ниже, содержит в себе инвертирующий триггер Шмитта, и еще известен как релейный, или стабилизатор с двухпозиционным регулированием.

Триггер содержит в себе компаратор, который сравнивает значение напряжения в емкости с максимально и минимально допустимыми значениями. Если показатель находится в допустимых пределах – положение ключа неизменно, как только достигается критическое значение – ключ изменяет положение. Этот процесс протекает циклично.

С ШИМ-модуляцией

Все работает так же, как и в предыдущей схеме, однако есть еще усилитель, генератор и модулятор. Модулятор сравнивает данные накопителя с опорным вольтажом, и при необходимости усиливает разность, поступающую на модулятор. Таким образом, регулируется время открытия или закрытия ключа (продолжительность импульса).

В подобной схеме частота преобразования не зависит от тока и напряжения на входе, а определяется лишь частотами на тактовом генераторе.

С частотно-импульсной модуляцией

В таком варианте исполнения прибора, импульс открытия ключа имеет постоянную длительность, а вот частота следования самих импульсов уже зависит от разности между опорным выходным напряжением. Допустим, вырос ток на потребителе, или наоборот – упало входное напряжение – в таком случае вырастет и частота импульсов стабилизации.

В таких приборах ключ зачастую управляется мультивибратором с управляемой частотой.

По разновидностям силовой части стабилизатора выделяют такие схемы импульсных стабилизаторов:

• Понижающий;
• Повышающий;
• Инвертирующий.

Понижающий

Это довольно надежные устройства, постоянно имеющие на выходе вольтаж меньше, чем на входе. Простейшая схема импульсного стабилизатора напряжения на на 12 В показана ниже:

При подаче управляющего напряжения, транзистор переходит в режим насыщения, ток движется по цепи от плюса по дросселю к нагрузке. При отключении управляющего сигнала – транзистор закрывается, и переходит в режим отсечки. И снова при подаче отпирающего напряжения открывается ключ – весь цикл повторяется.

Повышающий

Данная схема используется там, где разность потенциалов нагрузки значительно выше, чем вольтаж на входе. Когда транзистор включен в режим насыщения, так идет от плюса по дросселю к транзистору. При отключении управляющего напряжения на транзисторе, и на дросселе возникает ЭДС самоиндукции.

Получится, что она подключена последовательно с входящим током, и через диод коммутирована с нагрузкой. Таким образом, получается, что магнитное поле дросселя продуцирует энергию, а емкость накапливает заряд для выдачи тока на потребителя, когда транзистор перейдет в режим насыщения. Выходит, что в данной схеме дроссель служит резервной емкостью для сглаживания скачков и просадок.

Инвертирующий

Как понятно из названия, этот тип стабилизатора может, как понижать, так и повышать показатели сети относительно входящих значений. Схема, по сути, повторяет предыдущую, за тем отличием, что диод с сопротивлением и емкостью подключаются параллельно дросселю, а не ключу. Амплитуда пульсаций в таком варианте устройства зависит от емкости конденсатора, а дроссель в данной схеме уже не является частью фильтра.

Есть еще один вид устройств – регулируемый импульсный стабилизатор напряжения. В таком приборе выходящий ток обычно регулируется при помощи изменяемого сопротивления, или реостата. Благодаря возможности настройки, такой тип стабилизаторов можно использовать для питания потребителей с разным напряжением – достаточно лишь правильно подобрать номинал резистора.

Важно знать, что все перечисленные выше устройства призваны стабилизировать показатели сети только при работе с постоянным током, к примеру, такой импульсный стабилизатор напряжения на 12 Вольт отлично подойдет для бортовой сети автомобиля. Но если прибор планируется применять в бытовой сети с переменным током, то в схему обязательно нужно вносить изменения – ставить выпрямитель, а также фильтр сглаживания

Еще один нюанс – возникновение высокочастотных помех при стабилизации. Чтобы минимизировать этот эффект, необходимо использовать фильтры, причем как на входе, так и на выходе стабилизирующего прибора.

Принцип действия полевого транзистора

Полевой транзистор состоит из трех электродов – истока, стока и затвора. Вход заряженных частиц происходит через исток, а выход – через сток. Закрытие или открытие потока частиц осуществляется с помощью затвора, выполняющего функции крана. Заряженные частицы будут течь лишь при условии напряжения, которое должно быть приложено между стоком и истоком. Если напряжение отсутствует, то и тока в канале не будет. Следовательно, чем выше подаваемое напряжение, тем больше открывается кран. За счет этого ток в канале между стоком-истоком увеличивается, а сопротивление канала – уменьшается. Для источников питания предусмотрена работа полевых транзисторов в режиме ключа, обеспечивающая полное открытие или закрытие канала.

Стабилизаторы напряжения

Исходя из названия, эти устройства предназначены для поддержания напряжения в нагрузке на определённом уровне. При этом величина выходного тока зависит от самой нагрузки. Другими словами, сколько потребуется нагрузки, столько она возьмёт, но не более максимально возможного значения. Допустим, стабилизатор напряжения обладает такими выходными параметрами: 12В и 1 А. То есть на выходе всегда будет поддерживаться 12В, а ток потребления может быть в диапазоне от нуля до одного ампера. Существует два вида стабилизаторов напряжения: линейные и импульсные.

Наиболее распространенными и недорогими являются линейные стабилизаторы напряжения, однако они имеют ряд недостатков:

• низкий КПД;
• при большом токе нагрузки нуждаются в теплоотводе;
• имеют достаточно высокое падение напряжения.

Чтобы не сталкиваться с подобными недостатками, рекомендуется использовать стабилизаторы напряжения импульсного типа. Они бывают трех типов: повышающие, понижающие и универсальные. Импульсные стабилизаторы имеют высокий КПД, не нуждаются в дополнительном отводе тепла при больших токах нагрузки, но имеют более высокую стоимость.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h21э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

• Входное напряжение Uвх = 15V,
• выходное напряжение Uвых = 12V,
• максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.

По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р = (Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Схемы стабилизаторов и регуляторов тока

Всем известно, что светодиодным лампочкам необходимо питание двенадцать вольт. В сети авто это значение может доходить до 15 В. Светодиодные элементы очень чувствительны, на них такие скачки отражаются отрицательно. Светодиодные лампы могут перегореть либо некачественно светить (мигать, терять яркость и т.д.).

Чтобы светодиоды служили дольше, в электросеть автомобиля включаются драйвера (резисторы). При нестабильности в сети устанавливаются устройства, которые поддерживают постоянное значение. Существует несколько простых микросхем, по которым можно сделать стабилизатор напряжения своими руками. Все компоненты, входящие в цепь, можно приобрести в специализированных магазинах. Обладая начальными знаниями по электротехнике сделать приборы будет несложно.

На КРЕНке

Для того, чтобы сконструировать простейший стабилизатор напряжения 12 вольт своими руками, понадобится микросхема с потреблением 12 В. В этом случае подойдет регулируемый стабилизатор напряжения 12 В LM317. Он может функционировать в электросети, где входной параметр составляет до 40 В. Чтобы прибор стабильно работал, необходимого обеспечивать охлаждение.

Крены для микросхем

Стабилизатор тока на LM317требует для работы небольшой ток до 8 мА, и данное значение обычно остается неизменным, даже при большом токе, протекающем через крен LM317, или при изменении входного значения. Это реализуется с помощью компоненты R3.

Можно применять элемент R2, но пределы при этом будут небольшими. При неизменном сопротивлении LM317 ток, идущий через прибор, будет также стабильным (автор видео — Создано в Гараже).

Входное значение для кренки LM317 может составлять до 8 мА и выше. Пользуясь этой микросхемой, можно придумать стабилизатор тока для ДХО. Это устройство может выступать нагрузкой в бортовой сети или источником электричества при подзарядке аккумуляторной батареи. Сделать простой стабилизатор напряжения LM317 не составляет труда.

На двух транзисторах

На сегодняшний момент пользуются популярностью стабилизирующие устройства для бортовой сети машины на 12 В, разработанные с использованием двух транзисторов. Данную микросхему используют как стабилизатор напряжения для ДХО.

Резистор R2 является токораздающим элементом. При возрастании тока в сети увеличивается напряжение. Если оно достигает значения от 0,5 до 0,6 В, открывается элемент VT1. Открытие компонента VT1 закрывает элемент VT2. В итоге, ток, проходящий через VT2, начинает снижаться. Можно вместе с VT2 применять полевой транзистор Мосфет.

Элемент VD1 включается в цепь, когда значения находится в пределах от 8 до 15 В и настолько велики, что транзистор может выйти из строя. При мощном транзисторе допустимы показания в бортовой сети около 20 В. Не стоит забывать о том, что транзистор Мосфет откроется, если показания на затворе будут 2 В.

На операционном усилителе (на ОУ)

Стабилизатор напряжения для светодиодов на основе ОУ собирается при необходимости создания устройства, которое будет работать в расширенном диапазоне. В рассматриваемом случае в качестве элемента, который будет задавать выпрямляемый ток, является R7. С помощью операционного усилителя DA2.2 можно увеличить уровень напряжения в токозадающем компоненте. Задачей компонента DA 2.1 является контроль опорного напряжения.

При создании схемы следует учесть, что она рассчитана на 3А, поэтому необходим больший ток, который должен поступать на разъем ХР2. Кроме того, следует обеспечивать работоспособность всех составляющих данного устройства.

Сделанный стабилизирующий прибор для автомобиля должен иметь генератор, роль которого выполняет REF198. Чтобы правильно настроить прибор, ползунок резистора R1 нужно установить в верхнее положение, а резистором R3 задавать необходимое значение выпрямленного тока 3А. Для погашения возможных возбуждений, используются элементы R,2 R4 и C2.

На микросхеме импульсного стабилизатора

Если выпрямитель для автомобиля должен обеспечивать высокий КПД в сети, целесообразно использовать импульсные компоненты, создавая импульсный стабилизатор напряжения. Популярной является схема МАХ771.

Схема выпрямителя с импульсным выпрямителем

Импульсный стабилизатор тока характеризуется выходной мощностью 15 Вт. Элементы R1 и R2 делят показатели схемы на выходе. Если делимое напряжение превышает по показателям опорное, выпрямитель автоматически уменьшает выходное значение. В противном случае устройство будет увеличивать выходной параметр.

Сборка данного устройства целесообразна, если уровень превышает 16 В. Компоненты R3 являются токовыми. Для устранения высокого падения нагрузки на данном резисторе в схему следует включить ОУ.

Стабилизатор тока на двух транзисторах

Благодаря своему простому исполнению, в электронных схемах очень часто используются стабилизаторы на двух транзисторах. Их основным недостатком считается не вполне стабильный ток в нагрузках при изменяющемся напряжении. Если же не требуется высоких токовых характеристик, то данное стабилизирующее устройство вполне сгодится для решения многих несложных задач.

Кроме двух транзисторов в схеме стабилизатора присутствует токозадающий резистор. Когда на одном из транзисторов (VT2) увеличивается ток, возрастает напряжение на токозадающем резисторе. Под действием этого напряжения (0,5-0,6В) начинает открываться другой транзистор (VT1). При открытии этого транзистора, другой транзистор – VT2 начинает закрываться. Соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через него.

В качестве VT2 используется биполярный транзистор, однако в случае необходимости возможно создать регулируемый стабилизатор тока на полевом транзисторе MOSFET, используемом в качестве стабилитрона. Его выбор осуществляется исходя из напряжения 8-15 вольт. Данный элемент используется при слишком высоком напряжении источника питания, под действием которого затвор в полевом транзисторе может быть пробит.

Более мощные стабилитроны MOSFET рассчитаны на более высокое напряжение – 20 вольт и более. Открытие таких стабилитронов происходит при минимальном значении напряжения на затворе 2 вольта. Соответственно, происходит и увеличение напряжения, обеспечивающего нормальную работу схемы стабилизатора тока.

Назначение и принцип работы

Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, как подключить светодиод от сети 220 вольт). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.

Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.

1. Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
2. Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
3. Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.

В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.

Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении.

Подбираем стабилизатор напряжения для дома и дачи?

При выборе стабилизирующего аппарата для дома и дачи первое, что стоит учесть — мощность оборудования

Для корректного выбора важно посчитать общую нагрузку бытовой техники, которая будет подключена к устройству

Также стоит учесть пусковую мощность некоторых аппаратов, к примеру, холодильника или станка (если он будет установлен). Перегружать стабилизатор нельзя, ведь он отключится от защиты и не запустится до устранения причины.

Не менее важный нюанс — диапазон напряжений на входе. Он должен быть больше, чем для аппаратов, применяемых в квартире. Чем меньше нижняя граница, тем лучше. На дачах или в частных домах бывает просадка U ниже допустимого уровня из-за применения сварочной техники или других устройств повышенной мощности.

Рекомендуется отдать предпочтение аппаратам с высокой точностью, стойкостью к нагрузкам и плавностью регулирования.

Кроме того, стоит брать устройства с низкой шумностью и способностью работать при условии низких температур. На даче или в доме часто монтируется индивидуальная система освещения, поэтому от качества стабилизатора зависит ее исправность и надежность работы.

Компенсация наклона

Еще одной возможной причиной нестабильности петли обратной связи является субгармоническая бифуркация, или нестабильность, вызванная раздваиванием. Основная причина такой нестабильности — ШИМ-компаратор, который сравнивает уровень напряжения обратной связи с возрастающим пилообразным напряжением. Для того чтобы разобраться, обратимся к блок-схеме, приведенной на рис. 11.

Рис. 11. Блок-схема ШИМ-контроллера, работающего в режиме управления по напряжению (Voltage Mode Control)

Проблема здесь может возникнуть по той причине, что с каждым циклом переключения энергия в дросселе не исчезает полностью, так что ток, когда это не нужно, течет обратно в цепь обратной связи. Кроме того, это может быть просто переключением компаратора из-за наличия помех на его входе. Эффект аналогичен тому, как если бы ШИМ-модулятор формировал раздвоенный (это и есть бифуркация), или двойной, импульс.

Рис. 12. Временная диаграмма, иллюстрирующая субгармоническую нестабильность

Решение проблемы субгармонической неустойчивости называется компенсацией крутизны, или наклона (англ. Slope Compensation) (рис. 12). Такая компенсация заключается в том, чтобы добавить искусственный пилообразный сигнала (как правило, для этого используется спадающий ток дросселя, а иногда сигнал для компенсации берется непосредственно от напряжения на частотозадающем конденсаторе). Для того чтобы избежать ложных срабатываний или повторного запуска ШИМ-компаратора, это напряжение добавляется непосредственно к напряжению обратной связи (рис. 13).

Рис. 13. Компенсация наклона (пунктирная линия) и сигнал обратной связи (сплошная линия)

Виды источников питания

Все источники питания можно разделить на два больших класса:

• импульсные;
• трансформаторные.

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, базирующиеся на принципе действия. Трансформаторный источник питания с линейным регулятором напряжения распределяет энергию между нагрузкой и регулирующим элементом (как правило, мощным транзистором) и представляет собой делитель напряжения. Одним плечом служит регулирующий элемент, другим – нагрузка.

Рекомендуем: Виды блоков питания и их назначение

При уменьшении напряжения на нагрузке (например, из-за увеличения потребляемого тока) транзистор приоткрывается и поддерживает это напряжение постоянным. При увеличении напряжения на нагрузке процесс обратный – транзистор призакрывается. Так происходит процесс стабилизации.

Принцип действия линейного стабилизатора.

Минусы этой схемы:

• требуется, чтобы входное напряжение было заметно выше выходного;
• через регулирующий транзистор постоянно идет ток, равный току нагрузки — впустую рассеивается большая мощность;
• КПД даже теоретически не может превышать отношение Uвых/Uвх.

Плюсами являются:

• относительно простая и недорогая схема;
• выходное напряжение свободно от высокочастотных паразитных составляющих (помехи по питанию минимальны).

Импульсный источник питания действует по другому принципу. Здесь энергия распределяется во времени. У ключевых транзисторов всего два состояния – они либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Длительность открытого положения определяет средний ток через первичную обмотку трансформатора и усредненное напряжение на выходных конденсаторах фильтра (соответственно, и на нагрузке). Этим процессом удобно управлять методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда частота преобразования остается постоянной, а меняется лишь длина импульса.

В идеальном импульсном источнике стабилизированного напряжения у ключей в открытом положении нулевое сопротивление, падение напряжения отсутствует, а в закрытом – полностью отсутствует ток. Поэтому энергия на транзисторах не рассеивается. На практике не все так радужно. Идеальных транзисторов не существует, поэтому в открытом состоянии на них падает определенное напряжение (сопротивление не равно нулю), а в закрытом существует ток утечки (сопротивление не равно бесконечности).

Но основные потери, снижающие КПД, происходят по другой причине. Транзисторные ключи переходят из одного состояния в противоположное не мгновенно. На это нужно время, зависящее от быстродействия элемента. Во время перехода через транзистор идет сквозной ток, на нем падает напряжение – следовательно, выделяется мощность. Эти потери называются коммутационными, их величина зависит от частоты преобразования.

Реальный и идеальный ключ в импульсном источнике питания.

Но все равно, КПД такого источника выше, чем линейного. И это основной плюс такой схемы. Другое достоинство – меньшие габариты и вес источника питания. Это достигается за счет того, что преобразование осуществляется на достаточно высокой частоте – до нескольких десятков килогерц. Поэтому самый тяжелый и громоздкий элемент (силовой трансформатор) получается легким и компактным. Главным минусом является сложность схемы.

Обычно на ток до 2 А применяются линейные источники напряжения. Ближе к токам 3 А и выше достоинства импульсников начинают перевешивать.