16.4.2.2. Интегральные линейные стабилизаторы напряжения

В настоящее время широкое распространение на практике получили линейные стабилизаторы напряжения, выполненные на интегральных микросхемах.

Интегральный стабилизатор - это стабилизатор, элементы которого - транзисторы (биполярные, полевые, типа IGBT и др.), диоды, стабилитроны, резисторы, другие элементы и электрические связи между ними выполнены на кристалле кремния в едином технологическом цикле таким образом, что эти соединения и элементы представляют схему стабилизатора напряжения.

На практике нашли применение два типа ИСН: полупроводниковые или твердотельные и гибридные (гибридно-пленочные), т.е. элементы выполнены в виде пленок.

Полупроводниковые ИС серии К142ЕН… делятся на три группы:

• с регулируемым выходным напряжением;

• с фиксированным выходным напряжением;

• с двуполярным выходным напряжением.

Рассмотрим схему интегрального стабилизатора с регулируемым выходным напряжением на микросхеме К142ЕН1А .

Эта микросхема выполнена и конструктивно оформлена в корпусе типа 402.16 – 2 (16 выводов) рис. 210. Интегральную микросхему (ИС) можно установить на теплоотвод. Принципиальная электрическая схема ИС показана на рис. 211, а.

Принципиальная электрическая схема содержит следующие функциональные узлы:

• источник опорного напряжения U_оп = 2,4 В (элементы VT1, VD1, VT2, R1, R2, VD2);

• дифференциальный усилитель (элементы VT4 , VT5 , VT3 , R3);

• регулирующие элементы (РЭ) ( элементы VT7, VT8) ;

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

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

Назначение выводов:

2 – фильтр шума (частотная коррекция);

4 – второй вход - напряжение питания дифференциального усилителя ДУ;

6 – опорное напряжение, поступающее на не инвертирующий вход ДУ;

8 – общий (минус напряжения питания);

9 – выключатель(вход блокировки);

10, 11, 14 – защита по току;

12 – регулировка выходного напряжения(инвертирующий вход ДУ);

13 – выход (выходное напряжение);

16 – первый вход напряжения питания, поступающего на регулирующий элемент.

Для нормального функционирования интегрального стабилизатора напряжения, а также для получения заданных выходных напряжений к микросхеме подключаются дополнительные элементы (рис. 211, б): сопротивления резисторов R1, R2 измерительного элемента, конденсатор C1 для уменьшения шумов токов в самой ИС, а С_{н -} для сглаживания пульсаций выходного напряжения_, резисторы R3, R4, R5 – являются элементами устройства защиты ИС. С помощью R4, R5 задается напряжение на базу транзистора защиты.

Рис. 210

а

б

Рис. 211

Резистор R3 служит датчиком тока в схеме защиты от перегрузок по току в цепи потребителя. Защита от перегрузок по току срабатывает при увеличении тока нагрузки I_{вых.порог}  2,2I_вых.max. Элементы ИС VT9, VD3, R4 в ИС и R6 на типовой схеме служат для дистанционного управления работой стабилизатора.

Если надо внешним сигналом выключить стабилизатор, то управляющее положительное напряжение подают на базу транзистора VT9 с вывода 9 через диод VD3. Закрытый до этого транзистор VT9 откроется и закроет регулирующий транзистор VT7, VT8.

Для каждой микросхемы существует своя типовая схема включения.

На клеммы 16 и 8 подается напряжение U_п питающей сети постоянного тока, а нагрузка подсоединяется между выводами 13 и 8. В качестве регулирующего элемента используется составной транзистор на транзисторах VT8, VT7. Усилитель постоянного тока собран по дифференциальной схеме на транзисторах VT4, VT5.

Выходное напряжение стабилизатора регулируют резисторами R1, R2 (рис. 211, б).

Принцип действия стабилизатора напряжения на микросхеме аналогичен принципу действия ЛСН, выполненного на дискретных элементах (рис. 209).

Показатели качества выходного напряжения стабилизатора:

1. ; 2.; 3..

Здесь: К_{ст U}–коэффициент стабилизации выходного напряжения при изменении входного напряжения U_п ; q_сгл –коэффициент сглаживания пульсаций выходного напряжения; R_вн – внутреннее сопротивление ЛСН; K_U – коэффициент по напряжению; K_I – коэффициент по току; Iн – изменение тока нагрузки.

Основные параметры двух типов интегральных стабилизаторов напряжения приведены в табл.2

Таблица 2

ИС	Uвх, В min…max	Uвых, В min…max	Iвых, А	Ku, %/В	KI, %/A	ТКН, %/°С	Uпд, В		Pmax, Вт
							раздел	сов
К142ЕН1А	10…20	3…12	0,15	0,3	0,5	0,01	2,5	4,0	0,8
КР142ЕН18Б	5…30	1,3…26,5	1,5	0,03	0,03	0,02	3,5	-	1,0

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 и др.

В отличие от микросхемного стабилизатора с регулируемым выходным напряжением, интегральные стабилизаторы с фиксированным значением выходного напряжения практически не имеют дополнительных элементов, они представляют собой готовое к использованию изделие.

Номенклатура их также велика- это микросхемы с U_вых= 5, 6, 9, 12, 15, 20. 24, 27 В. Промышленность выпускает ИС с фиксированным выходным напряжением различных типов, например, - 142ЕН5А,Б,В.Г: 142ЕН8А,Б,В; 142ЕН9А,Б,В, а также подобные микросхемы в другом корпусе К142ЕН.

В некоторых случаях для потребителей требуется двуполярное выходное напряжение – в этом случае рекомендуется использовать ИС типа 142ЕН6 или 142ЕН15 с соответствующими буквами.

Достоинством линейных стабилизаторов напряжения является то, что все они обладают высоким качеством напряжения на нагрузке – имеют большой коэффициент стабилизации K_ст; большой коэффициент сглаживания напряжения на нагрузке, численно равныйq_сгл ≈K_сти малое значение внутреннего (выходного) сопротивленияR_вн =R_вых≈10^-3 ÷ 10^-5Ом; они практически безинерционны; не создают собственных помех.

Однако, все линейные стабилизаторы напряжения имеют низкие значения коэффициента полезного действия, не превышающие 0,5- 0,6, а при малых (единицы вольт) выходных напряжениях на нагрузке значения кпд ЛСН еще меньше, что приводит к увеличению массы и габаритов подобных стабилизаторов.