Линейные стабилизаторы

 
 
 

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ  СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ  С НЕПРЕРЫВНЫМ  РЕГУЛИРОВАНИЕМ.  

Первые интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием появились в 1967 году. В 

настоящее время  в нашей стране и за рубежом выпускаются и применяются интегральные микросхемы стабилизаторов напряжения (ИСМ) на различные выходные напряжения и токи. Эти микросхемы можно разделить на следующие группы:

• трехвыводные стабилизаторы фиксированного напряжения;
• стабилизаторы фиксированного напряжения с малым падением напряжения на регулирующем элементе (low drop);
• стабилизаторы регулируемого выходного напряжения;
• двуполярные стабилизаторы.

 

 

Стабилизаторы фиксированного выходного  напряжения выполнены по функциональной схеме, приведенной на рис. 1.1.

С источника  опорного напряжения ИОН стабильное напряжение U_on поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, выполненного на операционном усилителе. На другой вход УПТ поступает напряжение U_выхR₂ /(R₁+R₂), снимаемое с делителя напряжения. Регулирующий элемент РЭ построен на транзисторе VT по схеме эмиттерного повторителя. Коэффициент передачи такого регулирующего элемента близок к единице. Уравнение компенсационного стабилизатора:

где K₀-коэффициент усиления УПТ;

К_д= R₂ /(R₁+R₂) – коэффициент передачи делителя напряжения.

Решая это уравнение  относительно U_вых и учитывая, что К₀К_д>>1, получаем:

Поскольку выходное напряжение зависит от нестабильности источника опорного напряжения U_оn , оно не может быть стабильнее последнего. Более высокая стабильность U_on ИОН по сравнению с U_вых нагруженного параметрического стабилизатора, выполненного по такой же схеме, что и ИОН, объясняется тем, что ИОН подключен к высокоомному входу УПТ. Недостатком этих стабилизаторов является сравнительно большое ( до 2,5 B) падение напряжения на регулирующем элементе.

Стабилизаторы с малым падением напряжения (low drop) выполнены на РЭ с коллекторным выходом. Падение напряжения на РЭ снижено в несколько раз. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис. 1.2. Регулирующий транзистор имеет два коллектора, один из которых является выходным, а другой- датчиком тока для схемы защиты от перегрузки по току. Кроме того, в схеме имеются еще две защиты: от перегрева и от повышенного входного напряжения.

Типовая схема  включения ИСН рассмотренных стабилизаторов приведена на рис. 1.3. Выходной конденсатор С2 ( не менее 1мкФ для танталовых и не менее 10мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов) обеспечивает устойчивость при импульсном изменении тока нагрузки, снижает уровень пульсации. Входной конденсатор С1 (не менее 2,2мкФ для танталовых и не менее 10мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов) необходимо включить для устранения генерации при скачкообразном включении входного напряжения. Эта генерация возникает в стабилизаторе из-за влияния паразитных индуктивности и емкости соединительных проводов, образующих контур ударного возбуждения. В отсутствии С1 амплитуда паразитных колебаний может превысить максимально допустимое входное напряжение, что приведет к пробою перехода коллектор - эмиттер регулирующего транзистора. В тех случаях, когда емкость С₂>20мкФ, случайные замыкания входной цепи могут представлять опасность для микросхемы, поскольку импульсы разрядного тока выходных конденсаторов будут создавать на ней импульсы обратного напряжения значительной амплитуды. Для защиты микросхемы от подобных перегрузок необходимо включить диод VD1 (КД510А), шунтирующий ее при замыкании входной цепи.

Регулируемые  стабилизаторы напряжения имеют дополнительный вывод, предназначенный для подключения делителя выходного напряжения (четырехвыводные стабилизаторы). С его помощью можно изменять или подстраивать выходное напряжение (рис. 1.4.)

.

Структурная схема DA такая же, как у трехвыводного  стабилизатора. На практике регулируемые стабилизаторы могут иметь дополнительные выводы: для подключения умощняющих транзисторов к силовой цепи; для  подачи внешнего сигнала, отключающего ИМС; для подключения конденсаторов , корректирующих переходные процессы. Регулируемое выходное напряжение можно получить и с помощью трехвыводного стабилизатора (рис. 1.5.).

Выходное напряжение:

U_вых=U_выхном+(Iп+I_д)R₂ , (1.1)

где U_выхном – выходное напряжение микросхемы; I_П – ток, потребляемый стабилизатором, I_д – ток делителя R1,R2.

На рис. 1.6. приведена  принципиальная схема стабилизатора  с 

регулированием  выходного напряжения на ИМС К142ЕН1, К142ЕН2.

Микросхема выполнена  на кристалле 1,7Х1,7 мм. Регулируемый элемент  – составной транзистор VT6, VT7. Применение составного транзистора позволяет существенно увеличить коэффициент передачи тока и уменьшить влияние неуправляемого коллекторного тока. Источник опорного напряжения служит для формирования опорного (эталонного) напряжения, с которым сравнивается часть выходного напряжения. Выделенный в результате сравнения сигнал рассогласования обеспечивает процесс автоматического регулирования выходного напряжения стабилизатора. Источник опорного напряжения в интегральном стабилизаторе представляет собой параметрический стабилизатор. В качестве стабилитрона VD1 используется эмиттер – базовый переход транзистора, смещенный в обратном направлении и имеющий характеристику лавинного пробоя. Для улучшения качества эталонного напряжения ток стабилитрона стабилизируется. В качестве стабилизатора тока используется МОП транзистор VT1, у которого закорочены выводы истока и затвора. Для уменьшения выходного сопротивления параметрического стабилизатора на его выход включают эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT3, резисторах R1,R2 и диоде VD2. Основным фактором, влияющим на качество опорного напряжения, является нестабильность, вызванная изменением температурных условий интегральной схемы.Для температурной компенсации опорного напряжения в схему параметрического стабилизатора вводят диод VD2.Делитель напряжения (резисторы R1,R2 ) позволяет получать опорное напряжение меньшее, чем напряжение стабилизатора VD1. Усилитель постоянного тока выполнен по дифференциальной схеме и состоит из транзисторов VT4, VT5. МОП транзистор VT2 включен как стабилизатор тока и является коллекторной нагрузкой транзистора VT5. Применение стабилизатора тока в качестве коллекторной нагрузки позволяет увеличить коэффициент усиления каскада.

Для нормальной работы интегрального стабилизатора напряжения, а также для получения заданного значения выходного напряжения к микросхеме подключают дополнительные дискретные элементы: резисторы и конденсаторы. Делитель напряжения, выполненный на резисторах R8,R9, являетсяделителем обратной связи. Необходимую величину выходного напряжения устанавливают при помощи переменного резистора R8.При помощи резисторов R5, R6, R7 обеспечивается работа схемы защиты при заданных перегрузках по току.В данной схеме источник опорного напряжения и усилитель постоянного тока питаются от входного напряжения. При изменении входного напряжения U_вх ( например, увеличении ) в первый момент возрастает выходное напряжение U_вых. Это вызывает повышение напряжений на резисторах делителя R8,R9. Напряжение на нижнем плече делителя U_R8,9 сравнивается с напряжением на резисторе R3, которое равно опорному напряжению U_on. Увеличение напряжения U_R8,9 приводит к возрастанию токов базы и коллектора транзистора VT5. Ток стока МОП транзистора VT2 I_C2 величина постоянная, равная сумме токов I_K5+I_б7.При повышении тока I_K5 ток базы транзистора I_б7 уменьшается, так как I_C2=const. Уменьшение тока I_б7 приводит к уменьшению тока базы транзистора VT6 I_б6 и к увеличению напряжения коллектор – эмиттер. В результате напряжение U_вых уменьшается до своего первоначального значения с определенной степенью точности. При изменении тока нагрузки I_н ( например, понижении ) в первый момент уменьшаются падение напряжения на регулирующем транзисторе VT6 и падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, питающего стабилизатор. Увеличивается выходное напряжение U_вых , что приводит к возрастанию напряжения на нижнем плече делителя U_R8,9. В дальнейшем схема работает так, как было показано выше. В стабилизаторе предусмотрена защита от перегрузок по току и от короткого замыкания. Эту функцию в интегральном стабилизаторе выполняет транзистор VT9, который работает совместно с дополнительными внешними резисторами R5, R6, R7.

Напряжение база - эмиттер транзистора VT9: U_бэ9=U_R6-U_бэ6-U_R5. При нормальной работе транзистора, когда ток нагрузки не превышает заданное максимальное значение, напряжение U_R5 мало и напряжение U_R6>(U_R5+U_бэ6).

В этом случае на базу транзистора VT9 относительно его  эмиттера подается отрицательное смещение и он заперт. При перегрузке по току или коротком замыкании на выходе схемы напряжение U_R5 возрастает и становится больше напряжения (U_бэ6-U_R6). Транзистор VT9 открывается, и на базу составного регулирующего транзистора (VT6, VT7 ) подается отрицательный потенциал с резистора R5. Регулирующий транзистор запирается и ограничивает величину тока нагрузки. При устранении перегрузки схема возвращается в исходное состояние. Изменяя величину сопротивления резистора R5, можно регулировать величину тока, при котором срабатывает защита.

В интегральном стабилизаторе предусмотрена возможность  запирать составной регулирующий транзистор внешним сигналом. Если на базу транзистора VT8 интегральной схемы ( вывод 9) от внешнего источника подать положительный  сигнал, то транзистор открывается. При этом на базу составного регулирующего транзистора VT6, VT7 подается отрицательный потенциал через открытый транзистор VT8. Составной транзистор запирается. Выходное напряжение стабилизатора падает до нуля.

В двуполярных стабилизаторах плюс и минус выходного напряжения поступают на нагрузку относительно общей ( нулевой или корпусной ) шины. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис. 1.7.

Стабилизатор, включенный в минусовую шину питания, является ведущем, его выходное напряжение устанавливается  делителем R3,R4, а источник опорного напряжения ИОН используется как  для стабилизатора отрицательного, так и положительного напряжений. Связь обоих стабилизаторов осуществляется через общий делитель R5, R6. Оба стабилизатора имеют раздельные узлы токовой защиты Т31 и Т32 со своими резисторами токовой защиты R1 и R2. Узел тепловой защиты ТПЗ – общий для обоих стабилизаторов. Подобную структурную схему имеют стабилизаторы К142ЕН6 и КР142ЕН15.  
 
 

2. ПАРАМЕТРЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ  МИКРОСХЕМ 

СТАБИЛИЗАТОРОВ  НАПРЯЖЕНИЯ.  

Качество работы ИСН оценивается следующими параметрами. Нестабильность выходного напряжения при заданном изменении входного напряжения:

, [%/B] (2.1)

Коэффициент стабилизации – отношение относительных нестабильностей  входного и выходного напряжений:

, (2.2)

Нестабильность  по току при заданном сбросе тока нагрузки:

, [%/A] (2.3)

где I_выхном – номинальный ток нагрузки.

Внутреннее сопротивление:

[Ом]. (2.4)

Коэффициент сглаживания  пульсации – отношение переменой  составляющей входного напряжения к  переменной составляющей выходного  напряжения.

[дБ]. (2.5)

Если К_сг не приведено, можно считать К_сг@ 20lg К_ст.

Относительный температурный коэффициент нестабильности напряжения:

[%/^oC], (2.6)

где U_вых0 – значение U_вых при нормальной температуре, а U_вых1 и U_вых2 – при температурах t₁ и t₂ соответственно;

t₁ и t₂ – крайние значения температурного интервала ( для большинства

ИСН t₂=125^оС, t₁=-60^оС ).

Падение напряжения на ИСН – U_пд, В.

Ток, потребляемый ИСН – I_П, мА.

Температурный коэффициент напряжения:

[B/^oC] (2.7)

Допустимая мощность, рассеиваемая в ИСН, определяется в основном потерями на регулирующем элементе Р_расс.. Для увеличения рассеиваемой мощности микросхему устанавливают на теплоотвод.В таблице 2.1 приведены параметры интегральных микросхем стабилизаторов напряжения.

Таблица 2.1