2.4. Интегральные стабилизаторы напряжения

Интегральные стабилизаторы фиксируемого напряжения. Общая тенденция микроминиатюризации радиоэлектронных устройств привела к созданию интегральных микросхем, которые получили широкое распространение.

Для питания радиоэлектронных схем устройств автоматики и связи с небольшим потреблением энергии промышленность выпускает стабилизаторы напряжения в интегральных микросхемах. В их состав входят стабилизаторы: с  регулирующим транзистором, включенным в плюсовой провод выходной цепи, регулируемым выходным напряжением (КР142ЕН1 – КР142ЕН4, LM317), фиксированным выходным напряжением (КР142ЕН5, КР142ЕН8, КР142ЕН9, 7805, 7812) двуполярные с фиксированным выходным напряжением, стабилизаторы с регулирующим элементом в минусовом проводе (КР1162ЕН5, КР1162ЕН9, 7905, 7912). Эти микросхемы допускают небольшие нагрузочные токи и рассчитаны на небольшие мощности. Для увеличения допустимой мощности нагрузки  к ним подключаются навесные элементы (мощные транзисторы с радиаторами охлаждения). Кроме основной функции стабилизации напряжения, в микросхемах предусмотрена защита от тепловых и электрических перегрузок, что значительно повышает их надежность.

В настоящее время ассортимент отечественных и зарубежных микросхем-стабилизаторов напряжения настолько широк, что ориентироваться в нем стало уже довольно трудно. Помещенные ниже табл. 2.1 и 2.2призваны облегчить предварительный выбор микросхемного стабилизатора для того или иного электронного устройства, а на рис 2.4 представлены типы корпусов и назначение  выводов этих микросхем.

 

 

 

Рис. 2.4. Корпус интегральных микросхем: а, б – корпус типа ТО92; в, г – корпус типа ТО220

На рис. 2.5, а и б представлены схемы линейного источника питания с мостовым двухполупериодным выпрямителем. После выпрямительного моста включен конденсатор С1, представляющий из себя электролитический конденсатор большой емкости, который должен удерживать напряжение между полупериодами в заданных границах при работе под нагрузкой. Линейный стабилизатор DA1 обеспечивает на выходе источника питания необходимую стабильность по входному напряжению и току нагрузки, а также подавляет пульсации выходного напряжения. Выходной конденсатор С2 устанавливается после линейного стабилизатора. Емкость этого конденсатора имеет обычно более низкое значение чем конденсатор С1 и обеспечивает источнику питания низкое выходное сопротивление по переменному току. Для всех микросхем емкость входного конденсатора C1  должна быть не менее 2,2 мкФ для керамических или оксидных танталовых и не менее 10 мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов, а выходного конденсатора C2 – не менее 1 и 10 мкф соответственно.

Рис. 2.5. Линейные стабилизаторы напряжения: а – отрицательной полярности; б – положительной полярности

Стабилизатор с повышенным выходным напряжением. Как известно, эти стабилизаторы идентичны по схеме, каждый из них содержит устройство защиты от замыкания цепи нагрузки. Различаются они только максимальным выходным током и номинальным выходным напряжением, которое имеет одно из следующих значений: 5, 6, 9, 12, 15, 18 и 24 В.

При наличии в выходной цепи стабилизатора напряжения конденсатора большой емкости иногда необходимо принимать меры по защите микросхемы, т. е. по предотвращению разрядки конденсатора через ее цепи. Обычно используемые в цепях питания конденсаторы емкостью до 10 мкФ и более обладают малым внутренним (емкостным) сопротивлением, поэтому при аварийном замыкании той или иной цепи устройства возникает импульс тока, значение которого может достигать десятков ампер. И хотя этот импульс очень кратковременен, его энергии может оказаться достаточно для разрушения микросхемы. Энергия импульса зависит от емкости конденсатора, выходного напряжения и скорости его уменьшения.

Для защиты микросхемы от повреждения в подобных случаях используют диоды. В устройстве, выполненном по схеме (рис. 2.6), диод VD1 защищает микросхему DA1 от разрядного тока конденсатора С2, а диод VD2 – от разрядного тока конденсатора C3 при замыкании на входе стабилизатора напряжения.

Рис. 2.6. Схема стабилизатора с повышенным выходным напряжением

 

Выходное напряжение устройства

,                                                                                             (2.26)

где  – выходное напряжение микросхемы,  – ток через резистор R2.

Сопротивление резисторов R1 и R2 рассчитывают по формулам:

;  ,                                                                                   (2.27)

где   – ток потерь в микросхеме, равный 5...10 мА. Для нормальной работы устройства ток   должен быть, как минимум, вдвое больше тока  .

Приняв  =20 мА,   =10В,  =5 В и подставив значения в формулу (2.27) получаем:

; .

Поскольку выбор сопротивлений этих резисторов из стандартного ряда номиналов приводит к отклонению выходного напряжения от расчетного значения, резистор R2 рекомендуется выбирать подстроечным. Это позволит в определенных пределах регулировать выходное напряжение.

Мощность  , рассеиваемую микросхемой при максимальной нагрузке, определяют по формуле  .

Конденсатор С1 необходим только в том случае, если длина проводов, соединяющих стабилизатор напряжения с конденсатором фильтра выпрямителя, больше 100 мм; С2 сглаживает переходные процессы, и его рекомендуется устанавливать при наличии длинных соединительных проводов (печатных проводников) и в тех случаях, когда недопустимы броски напряжения и тока в цепи питания нагрузки. Что касается конденсатораС3, то он служит для дополнительного уменьшения пульсаций напряжения на выводе 8 микросхемы DA1

Наиболее подходят для использования в стабилизаторах танталовые оксидные конденсаторы, обладающие (конечно, при необходимой емкости) малым полным сопротивлением даже на высоких частотах: здесь танталовый конденсатор емкостью 1 мкФ эквивалентен алюминиевому оксидному конденсатору емкостью примерно 25 мкФ.

При соответствующем выборе микросхемы и сопротивления резисторов R1, R2 выходное напряжение может быть более 25 В (в любом случае оно не должно превышать разности  , где   – минимально допустимое падение напряжения на микросхеме). Емкость конденсаторов С2, С3 – не менее 25 мкФ.

Стабилизатор на большой ток нагрузки. Для питания радиоэлектронных средств с повышенным потреблением тока необходимо использовать стабилизаторы, обеспечивающие стабилизацию напряжения при токе нагрузки от 3 до 5 А. При применении современной элементной базы, т. е. микросхем стабилизаторов и мощных транзисторов поставленная задача будет легко выполнима. На рис. 2.7 представлена схема такого стабилизатора.

 

 

Рис. 2.7. Схема стабилизатора  на большой ток нагрузки

 

Однако эксплуатация их с предельным током нагрузки нежелательна, так как требует применения эффективных теплоотводов (допустимая рабочая температура кристалла ниже, чем у большинства мощных транзисторов).

Облегчить режим работы микросхемы в подобных случаях можно, подключив к ней внешний регулирующий транзистор.

При токе нагрузки до 180...190 мА падение напряжения на резисторе R1 невелико, и устройство работает так же, как и без транзистора. При большем токе это падение напряжения достигает 0,6...0,7 В, и транзисторVT1 начинает открываться, ограничивая тем самым дальнейшее увеличение тока через микросхему DA1. Она поддерживает выходное напряжение на заданном уровне, как и в типовом включении: при повышении входного напряжения снижается входной ток, а следовательно, и напряжение управляющего сигнала на эмиттерном переходе транзистора VT1, и наоборот.

Применяя такой стабилизатор напряжения, следует иметь в виду, что минимальная разность напряжений   и   должна быть равна сумме минимального падения напряжения на используемой микросхеме и напряжения   регулирующего транзистора.

Необходимо также позаботиться об ограничении тока через этот транзистор, так как при замыкании в нагрузке он может превысить ток через микросхему в определенное число раз, равное статическому коэффициенту передачи тока  , и достичь 20 А и даже более. Такого тока в большинстве случаев достаточно для вывода из строя не только регулирующего транзистора, но и нагрузки.

Схема стабилизатора с защитой от короткого замыкания. В схеме стабилизатора, представленного на рис. 2.8, транзистор VT1 также выполняет функции регулирующего элемента. Сопротивление резистора R1 выбирают таким образом, чтобы он открывался при токе нагрузки около 100 мА.

 

Рис. 2.8. Схема стабилизатора с защитой от КЗ

 

Транзистор VT2 реагирует на изменение (под действием тока нагрузки) падения напряжения на резистореR2 и открывается, когда оно достигает 0,6...0,7 В, защищая тем самым регулирующий транзистор VT1.

У рассматриваемого устройства два недостатка. Во-первых, довольно большая рассеиваемая мощность (при максимальном токе входное напряжение должно превосходить выходное на величину, равную сумме минимального падения напряжения на микросхеме и значений напряжения на эмиттерном переходе транзисторов VT1 и VT2). Во-вторых, очень жесткие требования к регулирующему транзистору, который должен выдерживать максимальный ток стабилизатора при большом напряжении.

Регулируемый стабилизатор напряжения. Регулируемые трехвыводные стабилизаторы (рис. 2.9) положительного напряжения обеспечивают ток нагрузки более 1,5 А в диапазоне выходных напряжений от 1,2 до 37 В. Эти стабилизаторы очень удобны в применении и требуют только два внешних резистора для задания выходного напряжения. Кроме того, нестабильность по напряжению и току нагрузки у этих стабилизаторов имеет лучшие показатели, чем у традиционных стабилизаторов с фиксированным значением выходного напряжения.

В дополнение к улучшенным традиционным стабилизаторам, имеющими фиксированное значение выходного напряжения, технико-эксплуатационные показатели, регулируемые стабилизаторы имеют все доступные для интегральных схем (ИС) средства защиты от перегрузки, включая схемы ограничения тока, защиты от перегрева и защита от выхода из области безопасной работы. Все средства защиты стабилизатора от перегрузки функционируют также и в случае, когда управляющий вывод ИС не подключен.

Обычно стабилизаторы серии LМ117 не требуют подключения дополнительных конденсаторов, за исключением ситуации, когда ИС стабилизатора установлена далеко от конденсатора фильтра исходного источника питания; в такой ситуации требуется входной конденсатор. Необязательный выходной конденсатор позволяет улучшить стабилизацию на высоких частотах, а шунтирование конденсатором управляющего вывода ИС повышает значение коэффициента сглаживания пульсаций напряжения, что труднодостижимо в остальных известных трехвыводных стабилизаторах.

Стабилизаторы удобны для работы во многих схемах. Они имеют «плавающие» относительно «земли» потенциалы выводов, ими могут быть стабилизированы напряжения в несколько сотен вольт, при условии, что не будет превышен допустимый предел разности напряжений вход-выход.

Кроме того, регулируемые стабилизаторы удобны при создании простых регулируемых импульсных стабилизаторов, стабилизаторов с программируемым выходным напряжением, либо для создания прецизионного стабилизатора тока простым включением постоянного резистора между управляющим и выходным выводами. При электронном отключении питания управляющий вывод подключается к земле, что задает выходное напряжение на уровне 1,2 В, при котором большинство нагрузок потребляет малый ток.

Стабилизатор LМ117 обеспечивает опорное напряжение   с номинальным значением 1,25 В (напряжения между выходным и управляющим выводами). Опорное напряжение прикладывается к задающему ток резистору R1, а поскольку значение этого напряжения постоянно, то постоянно и значение тока  , который протекает через резистор R2 установки выходного напряжения  :

.                                                                                        (2.28)

Ток через управляющий вывод (значение которого не превышает 100 мкА) входит в приведенной выше формуле в слагаемое, которое определяет погрешность. Поэтому при разработке стабилизатора LM117 этот ток   возможно предельно снизить, и таким образом уменьшить изменения выходного напряжения и тока нагрузки. Для этой цели весь ток потребления протекает через выходной вывод ИС, определяя минимально необходимый ток нагрузки. Если нагрузка на выходе не достаточна, то выходное напряжение будет расти.

При шунтировании емкостью на землю управляющего вывода ИС повышается значение коэффициента подавления пульсаций. Такой шунтирующий конденсатор предотвращает увеличение пульсаций напряжения по мере повышения выходного напряжения.

Рис. 2.9. Схема регулируемого стабилизатора

Так, например, при любом уровне выходного напряжения, шунтирующий конденсатор емкостью 10 мкФ позволяет обеспечить значение коэффициента подавления пульсаций 80 дБ. Дальнейшее увеличение емкости этого конденсатора уже не дает ощутимого улучшения данного коэффициента на частотах выше 120 Гц. При использовании шунтирующего конденсатора в некоторых случаях требуется подключение защитных диодов для предотвращения разряда конденсатора через внутренние слаботочные цепи ИС и повреждения прибора.

В общем случае предпочтительнее использование качественных танталовых конденсаторов. Конденсаторы этого типа характеризуются низким сопротивлением на высоких частотах, и несмотря на некоторый разброс параметров, связанных с конструктивно-технологическим исполнением танталовых конденсаторов, такой конденсатор емкостью 1 мкФ эквивалентен на высоких частотах электролитическому алюминиевому конденсатору 25 мкФ.

В табл. 2.3 и 2.4 приведены некоторые типы регулируемых стабилизаторов отечественного и зарубежного производства, а на рис. 2.10 типы их корпусов.

Таблица 2.3