9.2. Стабилизаторы напряжения с регулируемым выходным напряжением

В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент стабилизаторов в интегральном исполнении с регулируемым выходным напряжением серий 142ЕН1 – 142ЕН4, КР142ЕН1 – КР142ЕН4, КР142ЕН12, КР142ЕН14, 1151ЕН1, КР142ЕН10, КР142ЕН11, КР142ЕН18.

1.1.1. Микросхемные стабилизаторы напряжения с регулирующим транзистором в плюсовом проводе выходной цепи Микросхемы серий 142ен1–142ен2, кр142ен1–кр142ен2

Эти микросхемы выполнены и конструктивно оформлены в корпусе типа 402.16–2 (16 выводов) рис. 31. Интегральную микросхему (ИС) можно установить на теплоотвод. Принципиальная схема ИС и основная ее схема включения показаны на рис. 32, а и рис. 32, б [1].

Принципиальная электрическая схема содержит следующие функциональные узлы:

Рис. 31

0. источник опорного напряжения U_оп = 2,4 В ± 15 % (элементы VT1, VD1, VT2, R1, R2, VD2);

0. дифференциальный усилитель (элементы VT4 , VT5 , R3,VT3);

0. регулирующее устройство (РУ) ( элементы VT7, VT8) ;

0. схему выключения стабилизатора внешним сигналом (элементы VT9, VD3, R4);

0. транзистор защиты от токовых перегрузок и коротких замыканий (элемент VT6).

Назначение выводов: 2 – фильтр шума; 4 – второй вход; 6 – опорное напряжение; 8 – общий; 9 – выключатель; 10, 11, 14 – защита по току; 12 – регулировка выходного напряжения; 13 – выход; 16 – первый вход.

а

Рис.32

б

Рис. 32

Зависимость максимально допустимой мощности, рассеиваемой микро-схемой с использованием дополнительного теплоотвода, от температуры кор-пуса приведена на рис. 33 [2].

Для нормального функционирования интегрального стабилизатора напряжения, а также для получения заданных выходных напряжений к мик-росхеме подключаются дополнительные элементы (рис.32,б). Сопротивления резисторов R1, R2 измерительного элемента выбираются из условия допустимого тока делителя (I_дел >1,5 мА) и обычно составляют R2 = (1,2 ¸ 1,6) кОм, R1 = 22 кОм. С помощью конденсаторов C1 и С_н – обеспечивается работа микросхемы. Типовыми емкостями этих конденсаторов при низких уровнях U_вых < 5 B является С1 < 0,1 мкФ, С_н = 5 ¸ 10 мкФ. При уровнях U_вых > 5 B емкости конденсаторов составляют – С1 > 100 пФ, С_н > 1 мкФ. В рассмотренной схеме резисторы R3, R4, R5 работают в цепях защиты. С помощью R4, R5 задается напряжение на базу транзистора защиты. Резистор R3 служит датчиком тока в схеме защиты от перегрузок по току. Сопротивления этих резисторов выбираются из следующих условий [3]

R3 = U_{эб VT9} / I_{вых.порог} , а R5 = ( U_вых+U_{эб VT6} ) / I_VD2 ,

где U_{эб VT9} = U_{эб VT6} » 0,7 B; I_VD2 » 0,3 мА, при этом R4 = 2 кОм = const.

Защита от перегрузок по току срабатывает при увеличении тока нагрузки I_{вых.порог} » 2,2I_вых.max. в этом случае приращение напряжения на резисторе R3 должно быть не менее 0,7 В. При этом транзистор защиты микросхемы открывается и шунтирует регулирующий транзистор. На рис. 34 представлены характеристики переключения узла защиты микросхемы при различных сопротивлениях резистора R3.

Принцип действия работы стабилизатора заключается в следующем.

Пусть возмущающие факторы ток I_н нагрузки и температура окружающей среды Тсреды. в рассматриваемый момент времени неизменные, а напряжение сети U_п увеличилось. В первый момент увеличится и напряжение на нагрузке. Это приведет к тому, что напряжение на резисторах делителя R1, R2 (рис.32) тоже возрастет. В результате этого повысится потенциал напряжения на резисторе R2 делителя, который связан с выводом 12 микросхемы DA1 и транзистор VT5 больше приоткроется. В результате ток коллектора этого транзистора увеличится, что приведет к уменьшению тока базы транзистора VT7 и он призакроется. Это приведет к тому, что тра-нзистор VT8 DA1 тоже призакроется. Сопротивление его перехода коллек-тор-эммитер VT8 увеличится, что приведет к увеличению падения напряже-ния на нем. Следовательно, напряжение на нагрузке останется неизменным.

Рис. 33 Рис. 34

Выключение стабилизатора внешним сигналом осуществляется электронным ключом через резистор, подсоединяемый к выводу 9. Сопротивление этого резистора выбирается из условия протекания в цепи управления тока 0,5 ¸ 1 мА. (Например, логического элемента с током импульса 2 ¸ 5 мА и напряжением 0,7 ¸ 1,0 B). На практике иногда возникает необходимость повышения выходных токов (т.е. токов больших, чем максимальный допустимый ток микросхемы). Для этой цели обычно подключается дополнительный мощный транзистор n–p–n или p–n–p типа (рис. 35, а и рис. 35, б).

а б Рис. 35

Вместо транзисторов могут использованы транзисторные сборки. В этих схемах резистор R2 выбирается из условия

R2 = U_оп.min / ( h_21эVT1 I_дел.min ).

Резистор R3 (рис.35, б) служит для замыкания токов утечек регулирую-щего транзистора и выбирается в пределах 50 ¸ 100 Ом. Часто в стабилизаторах напряжения, собранных на микросхемах К142ЕН1 и К142ЕН2, управляющий (вывод 4) и регулирующий (вывод 16) элементы питаются от общего источника питания (выпрямителя) и выводы 4 и 16 объединяются (рис. 32, б). В этом случае, когда регулирующий транзистор находится в области насыщения, а на выходе стабилизатора требуется получить низкое (менее 4,5 в) напряжение, резко снижается стабильность опорного напряжения и, как следствие, ухудшаются стабилизирующие свойства микросхемы в целом [2,3]. При этом снижается и КПД стабилизатора, так как падение напряжения на регулирующем транзисторе составляет 4,2 ¸ 4,5 В. Минимальное входное напряжение (выводы 4, 16 и 8) не должно быть меньше 9 В. Введение раздельного питания источника опорного напряжения и регулирующего устройства позволяют улучшить стабилизирующие свойства микросхемы и повысить КПД при малой разнице между U_вх и U_вых ,так как КПД в этом случае определяется только минимально допустимым напряжением на РУ, которое составляет примерно 2,5 В. При раздельном питании на вход (U_вх.2) опорного источника питания (выводы 4 и 8) подается стабилизированное (например, стабилитроном) напряжение, которое должно быть равным или превышать входное напряжение U_вх.1 (выводы 16 и 8).

Микросхема КР142ЕН14

Рис. 36

Микросхема КР142ЕН14 представляет собой универсальный стабилизатор напряжения компенсационного типа с регулируемым выходным напряжением в пределах 2...37 В и выходным током до 150 мА. Прибор выполнен по планарно–эпитаксиальной технологии с изоляцией p–n переходом [4]. Стабилизатор имеет встроенное устройство защиты от перегрузки и замыкания выходной цепи – оно работает по принципу ограничения выходного тока. Регулирующий элемент включен в плюсовой провод источника питания

Микросхема оформлена в пластмассовом прямоугольном корпусе 2102.14–1 (рис.36). Масса прибора не более 1 г. Цоколевка микросхемы: выв. 2 и 3 – подключение внешнего резистора – датчика тока системы защиты от перегрузки; выв. 4, 5 – соответственно инвертирующий и неинвертирующий входы внутреннего рис.6 дифференциального усилителя сигнала обратной связи; выв. 6 – подключение резистора, задающего уровень образцового напряжения; выв. 7 – общий; выв. 9 – вывод внутреннего стабилитрона, предназначенного для установки режима умощняющего p–n–p транзистора; выв. 10 – вывод стабилизированного напряжения; выв. 11 – вывод коллектора транзистора внутреннего регулирующего элемента; выв. 12 – вход нестабилизированного напряжения; выв. 13 – подключение конденсатора частотной коррекции усилителя обратной связи; выводы 1, 8 и 14 – свободные. Типовая включения микросхемы для выходного напряжения в пределах 2...7 В показана на рис.37, а, а для выходного напряжения 7...37 В – на рис. 37, б. Таким образом, микросхема КР142ЕН14 заменяет собой первые два прибора этой серии – К142ЕН1 и К142ЕН2. Легко видеть, что все узлы микросхемы питаются от общего источника нестабилизированного напряжения – выв. 11 и 12 объединены. Такой способ питания микросхемы принято называть совместным.

а б

Рис. 37

Рис. 38

Вариант питания микросхе-мы от отдельного источника представлен на рис. 38. Этот спо-соб питания называют раздель-ным.

При раздельном питании напряжение выв. 11 не должно быть более напряжения выв. 12. Выходное напряжение, если оно находится в пределах 2...7 В (рис. 37, а) рассчитывают по формуле

U_{вых (2...7)} = R2U_обр / (R1 + R2),

где U_обр – образцовое напряжение 7,15±0,35 В, а если оно в пределах 7...37 В (рис. 37, б), то по формуле

U_{вых (7...37)} = (R1 + R2) U_обр / R2.

В случае выполнения источника опорного напряжения (ИОН) по схеме, отличной от типовой, следует принимать U_обр =7,15±0,35 В, I_ном. £10 мА.

Основные электрические параметры регулируемых микросхем стабилизаторов напряжения приведены в табл. 1.

Таблица 1

п араметр ИС		Uвх , B min... max		Uвых , B min... max		I вых , A max		KU , %/B не более		KI , %/А не более		aiuвых , %/оC не более		Uпд , B				Рmax , Bт –10...+55 оС
														совм.		разд.
142ЕН1А	10...20		3...12		0,15		0,3		–		–		–		–		0,8
142ЕН1Б	10...20		3...12		0,15		0,1		–		–		–		–		0,8
К142ЕН1А	10...20		3...12		0,15		0,3		0,5		0,01		4		2,5		0,8
К142ЕН1Б	10...20		3...12		0,15		0,1		0,2		0,01		4		2,5		0,8
К142ЕН1В	10...20		3...12		0,15		0,5		3		–		–		–		0,8
К142ЕН1Г	10...20		3...12		0,15		0,5		1		–		–		–		0,8
142ЕН2А	20...40		12...30		0,15		0,3		–		–		–		–		0,8
142ЕН2Б	20...40		12...30		0,15		0,1		–		–		–		–		0,8
К142ЕН2А	20...40		12...30		0,15		–		0,5		0,01		4		2,5		0,8
К142ЕН2Б	20...40		12...30		0,15		–		0,2		0,01		4		2,5		0,8
К142ЕН2В	20...40		12...30		0,15		0,5		2		–		–		–		0,8
К142ЕН2Г	20...40		12...30		0,15		0,5		1		–		–		–		0,8
К142ЕН14	9,5..40		2...37		0,15		0,018		4		0,01		3		2,5		0,8
К142ЕН4	9...45		3...30		1,0		0,05		0,5		0,01		–		3		4
К142ЕН3	9...45		3...30		1,0		0,05		0,5		0,01		–		4		4
КР142ЕН12А	5...45		1,3..37		1,0		0,01		0,2		0,02		–		3,5		1,0
КР142ЕН12Б	5...45		1,3..37		1,0		0,03		0,2		0,02		–		3,5		1,0
142ЕН10	9...40		3...30		1,0		0,05		1		0,01		–		2,5		5
142ЕН11	5...45		1,2..37		1,5		0,02		0,33		0,02		–		3,5		6
КР142ЕН18А	5...30		1,3*… 26,5		1,0		0,03		0,03		0,02		–		3,5		1,0
КР142ЕН18Б	5...30		1,3*… 26,5		1,5		0,03		0,03		0,02		–		3,5		1,0
1151ЕН1А	3,75...20		1,24... 17,5		10		0,4		0,12		0,015		–		2,5		50**
1151ЕН1Б	3,75...20		1,24... 17,5		5		0,4		0,12		0,015		–		2,5		50**

* при U_{вх min} =10В; ** при U_вых £ 12В

Таблица 3