2.22. Интегральные схемы стабилизаторов напряжения

Операционные усилители можно отнести к ИС общего назна­чения, имеющим много применений в разнообразных аналоговых схемах. Уже разработаны специализированные ОУ для тех при­менений, где от ОУ требуются специальные характеристики. В этой главе будут рас­смотрены линейные и импульсные стабилизаторы для источни­ков питания.

2.22.1. Типы стабилизаторов напряжения

Почти для всех современных электронных схем очень сущест­венно иметь источник напряжения, у которого выходное напря­жение остается постоянным при изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Изменения напряжения источника питания могут вызвать изменения на выходе питаемой схемы, неотличи­мые от тех изменений, которые создаются истинным входным сигналом, а избыточное напряжение источника питания может привести к разрушению всей схемы. Поэтому хорошо стабилизированный источник питания постоянного тока очень сущест­вен для правильной работы как аналоговых, так и цифровых схем. Широкое распространение получили в последние годы интегральные схемы стабилизаторов напряжения, требующие только немногих внешних элементов. Такие интегральные схемы стабилизаторов отличаются превосходными рабочими характеристиками при очень умеренной стоимости. В результате появляется возможность снабдить каждую печатную плату собственным стабилизатором напряжения или стабилизированным источ­ником питания, что позволяет подавать на нее только нестабилизированные напряжения постоянного или переменного тока. При этом повышается надежность системы, так как выход из строя одного стабилизатора напряжения не приводит в нерабо­чее состояние всю систему в целом. Уменьшаются также труд­ности, связанные с наводками шумов на длинные провода, рас­пределяющие стабилизированное напряжение постоянного тока, а также с напряжениями, возникающими на шинах питания и земли при переходных процессах. Это достигается за счет рас­положения стабилизаторов напряжения в непосредственной бли­зости к схемам, потребляющим стабилизированное напряжение.

В интегральном исполнении имеются два главных типа стабилизаторов напряжения линейные и импульсные. Линейные стабилизаторы напряжения для осуществления стабилизации имеют регулирующие элементы, включаемые либо последова­тельно (проходные), либо параллельно нагрузке.

Из блок-схемы стабилизатора последовательного действия, представленной на рис. 41, а, следует, что для того, чтобы удержать выходное напряжение постоянным, на проходном ре­гулирующем элементе (обычно транзисторе) должно устанав­ливаться соответствующее падение напряжения. Стабилизатор параллельного действия, показанный на рис. 41, б, использует регулирующий элемент (обычно транзистор), включенный па­раллельно нагрузке. При этом удерживается постоянным ток, протекающий через нагрузку. Если напряжение на нагрузке па­дает, то шунтирующий нагрузку регулирующий элемент умень­шает свою проводимость, заставляя тем самым большой ток протекать через нагрузку. Увеличенный ток нагрузки вызывает увеличение напряжения на нагрузке до своего исходного значе­ния. Постоянное потребление большого тока в стабилизато­рах параллельного действия оказывается очень неэффективным при низких токах нагрузки. Потому в настоящее время такие стабилизаторы редко используются.

а

б

Рис. 41. Типы линейных стабилизаторов напряжения.

а – стабилизатор последовательного действия; б – стабилизатор параллельного действия. U_вх – нестабилизированное входное напряжение постоянного тока, U_у.э – напряжение управляющего элемента, U^*_вых – доля выходное напряжения, ИОН – источник опорного напряжения, U_вых – стабилизированное выходное напряжение постоянного тока, R – последовательный резистор, I_о – общий ток, I_н – ток нагрузки, I_у.э – ток управляющего элемента.

Импульсный стабилизатор составляет второй основной тип стабилизаторов напряжения. Регулирующий элемент (биполяр­ный транзистор или мощный полевой МОП-транзистор) управ­ляется так, что он либо полностью включен, либо выключен и рассеивает заметную мощность только во время включенного состояния. На рис. 42, а показана блок-схема импульсного стабилизатора.

а

б

Рис. 42. Импульсный стабилизатор.

а – блок-схема; б – широтно-импульсное регулирование (слева – при малом токе нагрузки, справа – при большом токе нагрузки). U_кл.э – выходное напряжение ключевого элемента, ШИМ – широтно-импульсная модуляция.

Если времена переключения существенно короче по сравнению с промежутками времени пребывания транзистора во включенном и отключенном состояниях, то регулирую­щий элемент рассеивает очень малую часть входной мощности. Таким образом, импульсные источники питания значительно более эффективны, чем линейные. Коэффициент полезного дей­ствия импульсных источников питания часто превышает 90 %, в то время как к. п. д. источников питания с непрерывно дейст­вующим проходным регулирующим элементом редко достигает 70 – 80 %, а чаще гораздо ниже за счет мощности, потребляемой последовательно включенным регулирующим транзистором. Стабилизация в импульсных источниках питания достигается за счет изменения времен включенного и отключенного состояний регулирующего элемента. Чем дольше регулирующий элемент находится во включенном состоянии, тем выше выходное на­пряжение. Это называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и иллюстрируется на рис.42, б. Катушки индуктив­ности и конденсаторы используются для фильтрации выходного напряжения. Если частота достаточно высока, то можно ис­пользовать небольшие катушки индуктивности и конденсаторы. Большинство импульсных стабилизаторов работает на частотах в диапазоне от 5 до 100 кГц, так что элементы фильтра полу­чаются небольшими по размерам и легкими по весу. В общем, импульсные стабилизаторы меньше, легче, сложнее и дороже линейных стабилизаторов. Однако линейные стабилизаторы дают несколько лучшую стабилизацию и более быстро проте­кающий переходный процесс.

Имеется много модификаций импульсных стабилизаторов. В этой главе будут рассмотрены лишь несколько основных типов,