2.7.4 Стабилизаторы постоянного напряжения вторичного электропитания

РЭА компенсационные, собранные на микросхемах

В более сложных схемах стабилизаторах напряжения применяют многокаскадные усилители постоянного тока. Это очень усложняет схему

98

компенсационного стабилизатора напряжения, поэтому широко стали применять операционные усилители в усилительных узлах стабилизаторах напряжения. Упрощенная принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения на операционном усилителе приведена на рисунке 2.48.

Рисунок 2.48 – Принципиальная схема компенсационного стабилизатора на операционном усилителе

Компенсационный стабилизатор напряжения состоит из элементов: из регулирующего транзистора VT, усилителя постоянного тока выполненного на операционном усилителе DА, источника опорного напряжения собранного на стабилитроне VD и на резисторе R₁ и из резисторного делителя R₂ и R₃.

Принцип работы схемы заключается в следующем, если допустим увеличиться входное напряжение, относительно номинального напряжения, то моментально увеличиться напряжение на резисторе R₃. Данное напряжение поступает на инвертирующий вход ОУ. На неинвертирующий вход ОУ поступает напряжение с источника опорного напряжения, которое постоянное по величине. На выходе операционного усилителя напряжение будет равно

U_вых = ( е+ - е‾ )·К_U0. ( 2.58 )

Уменьшение напряжения на выходе операционного усилителя приводит, что транзистор VT закрывается, и увеличивается падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT, а входное напряжение уменьшается до своего первоначального значения.

Два основных элемента схемы стабилизатора, а именно, источник опорного напряжения и усилитель напряжения можно легко объединить в одной

99

интегральной схеме ( ИС ), получая в результате хорошую стабилизацию, малые габариты и простоту использования. Первые интегральные микросхемы (ИМС) компенсационных стабилизаторов напряжения появились в 1967 году. С тех пор их ассортимент достаточно определился, поэтому можно считать, что основными группами таких ИМС являются:

- трехвыводные стабилизаторы фиксированного напряжения

(положительного или отрицательного) ;

- стабилизаторы фиксированного напряжения с малым падением

напряжения на регулирующем элементе ;

- стабилизаторы регулируемого выходного напряжения ;

- многоканальные стабилизаторы.

Рассмотрим некоторые особенности этих групп.

Трехвыводные стабилизаторы фиксированного напряжения используют, в основном, в качестве встроенных на плату стабилизаторов. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рисунке 2.49.

Рисунок 2.49 – Принципиальная схема трехвыводного

компенсационного стабилизатора напряжения

В схеме применяется диод VD для разрядки конденсатора С₂. Конденсаторы С₁ и С₂ являются развязывающими, фильтрирующими конденсаторами.

Недостаток этих стабилизаторов является сравнительно большое ( до 2,5В) падение напряжения на регулирующем элементе. Последнее обусловлено тем, что эмиттерный повторитель нельзя ввести в состояние глубокого насыщения и тем самым снизить падение напряжения на регулирующем транзисторе.

Дополнительный материал к лекции 20 для самостоятельной работы

Стабилизаторы с малым падением напряжения (low drop) выполнены на регулирующим элемент с коллекторным выходом. В таких стабилизаторах на регулирующем элементе снижено почти в 5 раз (до 0,5В). Упрощенная структурная схема стабилизатора 1158ЕН5 приведена на рисунке 2.50.

100

Р исунок 2.50- Структурная схема стабилизатора с малым напряжением

на регулирующем элементе

В схеме использован регулирующий транзистор с двумя коллекторами, один из которых является выходным, а другой – датчик тока для защиты от перегрузки по току. Кроме того, в схеме имеются еще две защиты : от перегрева Т° и от повышения входного напряжения U .

Стабилизаторы регулируемые напряжения имеют дополнительный вывод, предназначенный для подключения делителя выходного напряжения. В связи с этим их часто называют четырехвыводные. Эти стабилизаторы применяются в тех случаях, когда необходимо иметь нестандартное выходное напряжение или

требуется точная подстройка. В остальном их схемы не отличаются от трехвыводных стабилизаторов.

Регулируемое выходное напряжение можно получить не только с помощью четырехвыводного стабилизатора, но также и с помощью трехвыводного, как показано на рисунке 2.51.

В четырехвыводном стабилизаторе делитель напряжения подключается к дополнительному выводу (рисунок 2.51,а), а трехвыводном – так, как показано на рисунке 2.51,б. При этом выходное напряжение определяется по формуле :

U_вых= U_вых.ст.( 1+R₂/R₁) + I_п·R₂ >U_вых.ст, (2.60)

где U_вых.ст – фиксированное выходное напряжение микросхемы ;

I_п- ток электропитания ИМС.

КПД интегральных стабилизаторов напряжения зависит от соотношения входного и выходного напряжений :

η = U_вых / U_вх. ( 2.61)

и может меняться от 30% до 90%.

101

Р исунок 2.51- Регулируемые стабилизаторы на четырехвыводной ИМС

(а) и трехвыводной ИМС (б)

Основным недостатком компенсационного стабилизатора с непрерывным регулированием является его невысокий КПД. В этом стабилизаторе мощность, потребляемая от источника, больше мощности, отдаваемой в нагрузку. Наибольший расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как он работает в режиме класса А, и на нем создается большое падение напряжения и через него протекает весь ток нагрузки. В связи с этим регулирующий элемент РЭ часто устанавливают на теплоотвод.

На рисунке 2.52 приведена типовая схема включения стабилизаторов напря­жения с фиксированным выходным напряжением. Кон­денсаторы С₁ и С₂ включают для повышения устойчивости стабилизаторов.

Рисунок 2.52 – Типовая схема включения стабилизатора с фиксированным

Выходом

Увеличение выходного напряжения. В стабилизаторах с фиксированным

102

значением выходного напряжения имеется возможность изменения последнего в некоторых пределах. Для этого в цепь общего вывода включают стабилитрон, как показано на рисунке 2.53. Это по­вышает выходное напряжение на величину U _ст.

Рисунок 2.53 – Повышение выходного напряжения с фиксированным

выходным напряжением

П овышение максимального выходного тока. Повысить максимальный выходной ток стабилизатора можно, включив дополнительный мощный транзистор, как показано на рисунке 2.54.

а ) б)

а – по схеме ОЭ ,

б - по схеме ОК

Рисунок 2.54 – Схемы повышении максимального выходного тока с включением

дополнительного мощного транзистора

Вместе с внутренним регулирующим транзистором интегрального стабили­затора он образует комплементарный (рисунок 2.54,а) или обычный (рисунок 2.54, б)

со­ставной транзистор. Недостаток такого способа состоит в том, что встроенные схемы ограничения тока и защиты выходного транзистора самого стабилизато­ра не зависят от тока нагрузки и фактически не используется по прямому на­значению.

Некоторые фирмы выпускают микросхемы, содержащие, по существу, толь­ко цепи управления стабилизатором напряжения и предназначенные для под­ключения к

103

мощному транзистору по схеме, сходной с приведенной на рисунке 2.54. Так, например, фирма Maxim Integrated Products производит ИМС типа МАХ687, к которой подключается р-п-р - транзистор с малым напряжени­ем насыщения коллектор—эмиттер. При фиксированном выходном напряже­нии 3.3В этот стабилизатор допускает при токе нагрузки 1 А минимальную раз­ность входного и

выходного напряжений 0.14 В. Фирма Analog Devices выпускает в миниатюрном корпусе SO-8 микросхему регулятора ADP3310, ко­торая совместно с мощным

полевым транзистором способна отдать в нагрузку ток до 10 А. Минимальная разность напряжений вход—выход составляет в этом случае порядка 0.5 В (существенно зависит от параметров регулирующего МОП- транзистора). Для токовой защиты включается внешний резистор.

Вопросы для самопроверки

1. С какой целью в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения

используют источник опорного напряжения ?

2 Объясните принцип построения структурных схемы последовательного и

параллельного стабилизаторов компенсационного типа .

3 Объясните работу схемы компенсационного стабилизатора напряжения без

усилителя постоянного тока.

4 Из каких соображений выбирают транзистор для работы стабилизатора

компенсационного без усилителя постоянного тока.

5 Расскажите о работе компенсационного стабилизатора на транзисторах.

6 Расскажите о работе стабилизатора на операционной микросхеме.

7 Расскажите о работе интегральных стабилизаторов напряжения.

8 Для каких целей применяется в компенсационных стабилизаторах

токостабилизирующий двухполюсник.

9 Назовите достоинство и недостатки компенсационных стабилизаторов

непрерывного типа.

10 Какие следует внести изменения в схему на рисунке 2.52 , чтобы получить

выходное напряжение больше опорного ?

11 От каких факторов зависит коэффициент стабилизации линейного

стабилизатора напряжения.

12 Как можно увеличить выходной ток линейного стабилизатора напряжения.

Примеры задач до темы лекции 20

Задача 1

Определите входное напряжение и напряжение U_ст в компенсационном стабилизаторе напряжения ( рисунок 2.46 ) ,если напряжение на нагрузке U_н= 12 В и U_кэ = 3 В.

Решение : 1 Напряжение Uэб невелико и поэтому напряжение

U_н= U_ст = 12 В.

104

2 Входное напряжение в данной схеме равно

U_вх = U_н + U_кэ ,

U_вх = 12 + 3 = 15 В.

Задача 2

Определите коэффициент усиления компенсационного стабилизатора

напряжения ( рисунок 2.47 ), если коэффициент усиления транзистора VT₃

К_UVT3 = 100 , напряжение на нагрузке U_н = 12 В., U_r = 7 В , U_вх = 15 В .

Решение : 1 Число, показывающее, во сколько раз напряжение U_r меньше U_вых равно

γ = U_r/U_н ,

γ = 7 / 12 = 0,58.

2 Коэффициент усиления компенсационного стабилизатора равен

К_ст(U)= К_{U VT3}·γ·(U_н/U_вх) ,

К_ст(U)= 100 ∙0,58∙ ( 12 / 15 ) = 46,4

Задача 3

Выбрать и рассчитать схему последовательного стаби­лизатора ( рисунок 2.46) напряжения с параметрами К_ст = 10⁴. Исходные дан­ные для расчета: U_вх = 12 В, ∆U_вх = ±2 В, I_н.макс = 2 А, U_н.мин = = 4 В, U_{н макс.}= 6 В.

Решение:1 Выбираем тип регулирующего транзистора из условий

U_кэмакс = U_вх +∆U_вх -U_нмин

U_кэмакс = 12 + 2 – 4 =10 В < U_{кэ.мах.доп}.

Р_{к max} =U_кэмакс ∙ I_нмакс ,

Р_{к max} = 10 ∙ 2 = 20 Вт< Р _{к макс доп} ,

I_н.макс < I_к.доп .

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа КТ908А с параметрами

I_{кмакс.доп} = 10 А , Р_{кмакс.доп} ⁼⁼ 50 Вт, h_21эмин = 80, U_{кэмакс.доп} = 65 В.

2 Рассмотрим возможность получения заданных параметров схемы при использовании в качестве усилительного элемента операционного усилителя (см. рисунок 2. 46).

Из условий

U_выхОУ = U_бэ + U_нмакс ,

105

U_выхОУ = 0,6 + 6,0 = 6,6 В < U_{выхмакс.ОУ} , ( 2.62 )

I_выхОУ = I_бмакс = I_нмакс/ ( 1 + h_21эмин)

I_выхОУ = 2 / ( 1 + 80 ) = 25 мА<I _{вых. макс.оу}

где U_{выхмакс0у}, I_{вых.макс.оу} - предельные значения выходных напря­жения и тока операционного усилителя. Выбираем опера­ционный усилитель типа К157УД1, для которого U_{вых. макс.оу} = 12 В , I_{вых.макс. оу} = 300 мА.

3 Для создания опорного напряжения U_оп=U_ст<U_нмин. выбираем стабилитрон КС133А с параметрами

U_ст = U_on = 3 В, R_д = 65 Ом, I_ст.ном = 10 мА.

4 Определяем сопротивление гасящего резистора R₁, полагая, что I_{ст ном.} » I_вх.оу

R₁ = (U_вх.ср – U_оп) / I_ст.ном ,

R₁ = ( 12 - 3 ) / 10 ∙10 ^-3 = 0,9 кОм

Выбираем по стандарту . R₁ = 910 Ом.

Мощность резистора R₁ равна

Р _R1 = (U_вх - U_ст )² / R₁ ,

Р _R1 = ( 12 – 3 )² / 910 = 0,089 Вт

Выбираем резистор МЛТ – 0,125 Вт – 910 Ом ± 5 %.

Задачи для самостоятельной работы

1 Выбрать и рассчитать схему последовательного стаби­лизатора ( рисунок 2.46) напряжения с параметрами К_ст = 10³. Исходные дан­ные для расчета: U_вх = 9 В, ∆U_вх = ±1 В, I_н.макс = 1 А, U_н.мин = = 4 В, U_{н макс.}= 6 В.

2 Определите коэффициент усиления компенсационного стабилизатора

напряжения ( рисунок 2.47 ), если коэффициент усиления транзистора VT₃

К_UVT3 = 30 , напряжение на нагрузке U_н = 24 В., U_r = 12 В , U_вх = 30 В .

3 Определите входное напряжение и напряжение U_ст в компенсационном стабилизаторе напряжения ( рисунок 2.46 ) ,если напряжение на нагрузке

U_н= 24 В и U_кэ = 2 В.

106

Литература

1 Векслер Г.С., Пилинский В.В Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.-К.: Вища школа,1986. с.240…244, 258…272.

2 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники.- К.: Вища школа, 1989. 371…379.

3 Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций.-4-е изд.=СПб.: КОРОНА принт,2004. с. 342…347.

4 Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого – цифровых электронных устройств. 2 –е изд., испр. – М .: Издательский дом « Додэка –ХХl», 2007. – 527с., с .217 …234.

5 Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та

мікросхемотехніка: теорія і практикум.- К.:Каравела, 2003. с.342…344.

107

Лекция 21

Экспресс - проверка знаний пройденного материала :

1 Нарисуйте принципиальную схему компенсационного стабилизатора на

операционном усилителе.

2 Нарисуйте структурные схемы компенсационных стабилизаторов.

3 Нарисуйте принципиальную схему компенсационного стабилизатора

напряжения с последовательным включением регулирующего транзистора и с

токостабилизирующим транзистором.

4 Нарисуйте регулируемые стабилизаторы на четырехвыводной ИМС и

трехвыводной ИМС .

5 Нарисуйте схемы повышении максимального выходного тока с включением

дополнительного мощного транзистора.