Lineaarne pingestabilisaator

Pingestabilisaator integraallülitusena

Lineaarne pingestabilisaator ehk lineaarstabilisaator on pingestabilisaator, milles pinget reguleeriv element ‒ reguleerelement ‒ töötab võimendusrežiimis, s.t tema väljund- ja sisendpinge vahel on lineaarne ehk võrdeline seos. Reguleerelemendi vooluahelat on võimalik ühendada koormusega rööbiti või järjestikku. Rööpühenduses pingestabilisaatoreist on lihtsaim stabilitroniga lülitus. Jadastabilisaatoris on reguleerelemendiks emitterjärgurina ühendatud transistor. Stabiliseerimisomaduste parandamiseks lisatakse stabilisaatorile negatiivse tagasiside ahel. Niisuguse üldise skeemilahenduse järgi valmistatakse pingestabilisaatoreid integraallülitustena, mis ei vaja toiteallikasse ühendamisel mingeid või siis ainult mõningaid väliskomponente.

Stabilitroniga rööpstabilisaator

Stabilitroniga pingestabilisaator

Stabilitronil ehk Zeneri dioodil põhinevaid rööppingestabilisaatoreid tuntakse ka parameetriliste stabilisaatoreina. Nimelt põhineb nende pinget stabiliseeriv ehk püsistav toime sellel, et stabilitroni üks põhiparameetreid ‒ diferentsiaalne ehk dünaamiline takistus ‒ on palju väiksem tema staatilisest takistusest. (Diferentsiaalne on selline takistus, mida stabilitron avaldab teda läbiva voolu muutustele, staatiline ‒ takistus püsivale voolule.)

Stabilitroni (V_Z) sisendpinge (skeemil U_e) valitakse 1,5…2,0 korda vajalikust väljundpingest (U_a) suurem. Eeltakisti R_v takistus võetakse selline, et stabilitroni tööpunkt asuks läbilöögipiirkonnas, ent vool ei ületaks suurimale lubatud hajuvõimsusele vastavat väärtust.

Niisugust lülitust kasutatakse nõrga vooluga (kuni mõnikümmend milliamprit) ahelate toitepinge püsistamiseks, peamiselt aga tugipinge allikana keerukama skeemiga stabilisaatorites.

Jadatransistoriga stabilisaator

Emitterjärguriga jadastabilisaator

Eelvaadeldud stabilitronstabilisaatori väljundvoolu ja kasutegurit saab oluliselt tõsta ja ühtlasi väljundtakistust vähendada, kui lisada lülitusse emitterjärgur, s.o ühise kollektoriga ühenduses transistor. Sel juhul on stabilitroni D_Z ülesandeks hoida püsivana üksnes transistori baasipinget. Stabilisaatori koormusvooluks on transistori emitterivool, mis emitterjärguril on baasivoolust vooluülekandeteguri kordselt tugevam. Koormus R_L ühendatakse transistori kollektori-emitteri ahelasse järjestikku ning nii saadakse jadastabilisaator.

Jadastabilisaator töötab järgmiselt. Kui tema väljundpinge (transistori emitteripinge) näiteks väheneb koormusvoolu suurenemise tõttu, siis suureneb baasi ja emitteri vaheline pinge U_BE (baasipinget hoiab stabilitron püsivana) ja järelikult ka baasivool. Tulemusena avaneb transistor rohkem ning tema kollektori ja emitteri vaheline pingelang U_CE väheneb sedavõrd, et pinge koormusel jääb peaaega püsivaks. Niisiis toimib transistor reguleerelemendina, reageerides baasi ja emitteri vahelise pinge muutustele.

Kollektorkoormusega stabilisaator

Kollektorkoormusega stabilisaator

Kollektorkoormusega stabilisaatorite silutegur q jääb vahemikku 200...300, mis on paljude elektroonikalülituste jaoks piisav. Väljundtakistus R_v = 0,2...0,5 Ω, kuid kui reguleeremelment koostada erijuhtivustüübiga transistoridest, siis u. 10 korda väiksem. Seda lülitust iseloomustab väga hea enesekaitsetoime liig-koormuse ja väljundi lühise korral.

Tööpõhimõte: Normaalkoormusel läbib takistit R₃ transistori Q₂ emittervool ja stabilitroni D₁ vool. Kui väljundpinge langeb ΔU_v võrra, siis samavõrra väheneb ka Q₂ emitterpotensiaal, sest pinge stabilitronil jääb tema väikese diferentsi-aaltakistuse tõttu muutumatuks. Võimendustransistori Q₂ baasipinge aga langeb vähem, nimelt ΔU_v*R₂/(R₁+R₂) võrra. Seetõttu väljundpinge vähenemisel võimendus-transistori baasipinge U_BE suureneb, vastavalt suureneb ka tema kollektorivool ning reguleertransistori baasivool, järelikult reguleerelemendi Q₁ takistus väheneb, kom-penseerides väljundpinge languse.

Kaitsemehhanism: kui koormusvool ületab luba-tava väärtuse Ivmax, siis stabilisaatori väljundpinge väheneb, samuti väheneb stabili-troni vool ning diferentsiaaltakistus kasvab. Pinge edasisel alanemisel lakkab stabilitroni vool täiesti ehk viimane sulgub, mis on samaväärne ahela katkemisega. Nüüd väljundpinge langedes pinge võimendustransistori Q₂ baasil väheneb; järelikult väheneb ka reguleertransistori baasivool ja pingelang reguleerelemendil suureneb; seetõttu langeb väljundpinge veelgi, kuni reguleertransistor sulgub täiesti.

Püsivooluallikaga pingestabilisaator

Püsivooluallikaga pingestabilisaator

Stabilitroniga lülituse stabiliseerimis- ja silutegurit saab umbes 10-kordselt suurendada, kui hoida stabilitroni vool püsivana, asendades eeltakisti R_v püsivooluallikaga (Q_1, D_1, R₁ ja R₂-ga). Madala tugipinge vajadusel võib asendada stabilitronid päripingestatavate ränidioodidega. Ühe dioodi stabiliseerimispinge on vahemikus 0,5-0,7 V. Neid järjestikku ühendades, liituvad nende stabiliseerimispinged; ühtlasi liituvad ka nende diferentsiaaltakistused. Sellise püsivooluallikast toituva tugipingeallika stabiliseerimistegur on 200...300, seega näiteks toitepinge muutmisel vahemikus 1,5...9 V muutub pinge dioodil D₂ 2...3 %.

Kahe vastssuunalise püsivooluallikaga pingestabilisaator

Kahe vastandpolaarse tugipinge U_v1, U_v2 allikas

Liites kokku kaks vastassuunalist püsivooluallikat, mis vastastikku dioodide D1, D2 voole stabiliseerivad, saame kahe väljundiga (+Uv, -Uv) pingestabilisaatori, mille stabiliseerimistegur küünib 10 000-ni. Takisti R3 kompenseerib dioodide D1, D2 läbiva voolu suurenemist transistoride pinge Uce kasvamisel.

Vastusideahelaga jadastabilisaator

Vastusidega pingestabilisaator

Eelvaadeldud lülituse stabiliseerimisvõimet ja kasutegurit saab märksa parandada, kui rakendada lülituses vastusidet, s.t negatiivset tagasisidet. Selleks tuleb lisada väljundpinge jagur ja sellelt saadavat pinget võimendav element (skeemil on pingejaguriks R₁R₂R₃ ja võimenduselemendiks operatsioonvõimendi OA). Niiviisi saadakse automaatreguleerimissüsteem, mis võrdleb väljundpinge osa tugipingega. Kui väljundpinge muutub nimiväärtusest erinevaks, muutub ka pinge, mis rakendub võimenduselemendile; selle poolt võimendatud vastusidesignaal tüürib reguleerelemendil (Q) tekkivat pingelangu sellises suunas, et väljundpingemuutus väheneb.

Vaadeldaval skeemil on pingejaguri ahelas takisti R2, mis võimaldab teatud piires valida väljundpinge väärtust. Ühe kindla väljundpingega stabilisaatoris see takisti puudub.

Stabilisaatori koormusvool ulatub enamasti ampritesse. See vool läbib ka reguleerelementi, millena kasutatakse siis ühe võimsustransistori asemel kahest või kolmest transistorist moodustatud liittransistori.

Kiipstabilisaatoriga toiteallikas

Pingestabilisaatorite liigkoormuskaitse

Jadastabilisaatori liigkoormamisel kasvab reguleerelemendil eralduv võimsus ja temale rakenduv pinge (olles lühise korral võrdne sisendpingega), mille tagajärjeks on reguleertransistori soojuslik või elektriline läbilöök.Piiramistakisti Alaldi ja stabilisaatori vahele ühendatakse takisti Rp, mille takistus peab olema nii suur, et isegi väljundi lühise korral reguleertransistoril eralduv võimsus ei ületaks lubatavat väärtust:

Kiipstabilisaatorid

Eelvaadeldud automaatreguleerimise põhimõttel töötavad ka integraalülitusena (kiibina) valmistatud lineaarstabilisaatoreid. Need on senivaadelduist märksa keerukama skeemiga, sisaldades muuhulgas ka vooluahelaid, mis kaitsevad lülitust ülekoormuse ja väljundi lühise eest.

Ühe kindla väljundpingega kiibil on toiteallika trükkplaadile ühendamiseks kolm kontaktviiku (skeemil IN, OUT, GND). Kiibi ette ja järele on vaja ühendada kondensaatorid, mille peamine ülesanne on ära hoida parasiitvõnkumisi, mis võivad kaasneda koormuse järsu muutumisega. Nende kondensaatorite minimaalselt vajalik mahtuvus leidub iga stabilisaatoritüübi andmestikus.

Seatava väljundpingega kiipidel on vähemalt neli kontaktviiku ja nende ühendusskeem on keerukam.