1. Интегральные микросхемы стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием.

 

Первые интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непре­рывным регулированием появились в 1967 году. В

настоящее время в нашей стране и за рубежом выпускаются и применяются интегральные микросхемы стабилизаторов напряжения (ИСМ) на различные выходные напряжения и токи. Эти микросхемы можно разделить на следующие группы:

• трехвыводные стабилизаторы фиксированного напряжения;

• стабилизаторы фиксированного напряжения с малым падением напряжения на регули­рующем элементе (low drop);

• стабилизаторы регулируемого выходного напряжения;

• двуполярные стабилизаторы.

 

Стабилизаторы фиксированного выходного напряжениявыполнены по функциональной схеме, приведенной на рис. 1.1.

С источника опорного напряжения ИОН стабильное напряжение U_onпоступает на вход уси­лителя постоянного тока УПТ, выполненного на операционном усилителе. На другой вход УПТ поступает напряжение U_выхR₂/(R₁+R₂), снимаемое с делителя напряжения. Регулирую­щий элемент РЭ построен на транзисторе VT по схеме эмиттерного повторителя. Коэффици­ент передачи такого регулирующего элемента близок к единице. Уравнение компенсацион­ного стабилизатора:

где K₀-коэффициент усиления УПТ;

К_д= R₂/(R₁+R₂) – коэффициент передачи делителя напряжения.

Решая это уравнение относительно U_выхи учитывая, что К₀К_д>>1, получаем:

Поскольку выходное напряжение зависит от нестабильности источника опорного напряже­ния U_оn, оно не может быть стабильнее последнего. Более высокая стабильность U_onИОН по сравнению с U_вых нагруженного параметрического стабилизатора, выполненного по такой же схеме, что и ИОН, объясняется тем, что ИОН подключен к высокоомному входу УПТ. Не­достатком этих стабилизаторов является сравнительно большое ( до 2,5 B) падение напряже­ния на регулирующем элементе.

Стабилизаторы с малым падением напряжения (low drop) выполнены на РЭ с коллектор­ным выходом. Падение напряжения на РЭ снижено в несколько раз. Структурная схема та­кого стабилизатора приведена на рис. 1.2. Регулирующий транзистор имеет два коллектора, один из которых является выходным, а другой- датчиком тока для схемы защиты от пере­грузки по току. Кроме того, в схеме имеются еще две защиты: от перегрева и от повышен­ного входного напряжения.

Типовая схема включения ИСН рассмотренных стабилизаторов приведена на рис. 1.3. Вы­ходной конденсатор С2 ( не менее 1мкФ для танталовых и не менее 10мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов) обеспечивает устойчивость при импульсном изменении тока на­грузки, снижает уровень пульсации. Входной конденсатор С1 (не менее 2,2мкФ для тантало­вых и не менее 10мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов) необходимо включить для устранения генерации при скачкообразном включении входного напряжения. Эта гене­рация возникает в стабилизаторе из-за влияния паразитных индуктивности и емкости соеди­нительных проводов, образующих контур ударного возбуждения. В отсутствии С1 ампли­туда паразитных колебаний может превысить максимально допустимое входное напряжение, что приведет к пробою перехода коллектор - эмиттер регулирующего транзистора. В тех случаях, когда емкость С₂>20мкФ, случайные замыкания входной цепи могут представлять опасность для микросхемы, поскольку импульсы разрядного тока выходных конденсаторов будут создавать на ней импульсы обратного напряжения значительной амплитуды. Для за­щиты микросхемы от подобных перегрузок необходимо включить диод VD1 (КД510А), шунтирующий ее при замыкании входной цепи.

Регулируемые стабилизаторы напряжения имеют дополнительный вывод, предназначен­ный для подключения делителя выходного напряжения (четырехвыводные стабилизаторы). С его помощью можно изменять или подстраивать выходное напряжение (рис. 1.4.)

.

Структурная схема DA такая же, как у трехвыводного стабилизатора. На практике регули­руемые стабилизаторы могут иметь дополнительные выводы: для подключения умощняю­щих транзисторов к силовой цепи; для подачи внешнего сигнала, отключающего ИМС; для подключения конденсаторов , корректирующих переходные процессы. Регулируемое выход­ное напряжение можно получить и с помощью трехвыводного стабилизатора (рис. 1.5.).

Выходное напряжение:

U_вых=U_выхном+(Iп+I_д)R₂ , (1.1)

где U_выхном – выходное напряжение микросхемы; I_П– ток, потребляемый стабилизатором, I_д – ток делителя R1,R2.

На рис. 1.6. приведена принципиальная схема стабилизатора с

регулированием выходного напряжения на ИМС К142ЕН1, К142ЕН2.

Микросхема выполнена на кристалле 1,7Х1,7 мм. Регулируемый элемент – составной тран­зистор VT6, VT7. Применение составного транзистора позволяет существенно увеличить ко­эффициент передачи тока и уменьшить влияние неуправляемого коллекторного тока. Источ­ник опорного напряжения служит для формирования опорного (эталонного) напряжения, с которым сравнивается часть выходного напряжения. Выделенный в результате сравнения сигнал рассогласования обеспечивает процесс автоматического регулирования выходного напряжения стабилизатора. Источник опорного напряжения в интегральном стабилизаторе представляет собой параметрический стабилизатор. В качестве стабилитрона VD1 использу­ется эмиттер – базовый переход транзистора, смещенный в обратном направлении и имею­щий характеристику лавинного пробоя. Для улучшения качества эталонного напряжения ток стабилитрона стабилизируется. В качестве стабилизатора тока используется МОП транзи­стор VT1, у которого закорочены выводы истока и затвора. Для уменьшения выходного со­противления параметрического стабилизатора на его выход включают эмиттерный повтори­тель, выполненный на транзисторе VT3, резисторах R1,R2 и диоде VD2. Основным факто­ром, влияющим на качество опорного напряжения, является нестабильность, вызванная из­менением температурных условий интегральной схемы.Для температурной компенсации опорного напряжения в схему параметрического стабилизатора вводят диод VD2.Делитель напряжения (резисторы R1,R2 ) позволяет получать опорное напряжение меньшее, чем на­пряжение стабилизатора VD1. Усилитель постоянного тока выполнен по дифференциальной схеме и состоит из транзисторов VT4, VT5. МОП транзистор VT2 включен как стабилизатор тока и является коллекторной нагрузкой транзистора VT5. Применение стабилизатора тока в качестве коллекторной нагрузки позволяет увеличить коэффициент усиления каскада.

Для нормальной работы интегрального стабилизатора напряжения, а также для получения заданного значения выходного напряжения к микросхеме подключают дополнительные дис­кретные элементы: резисторы и конденсаторы. Делитель напряжения, выполненный на рези­сторах R8,R9, являетсяделителем обратной связи. Необходимую величину выходного на­пряжения устанавливают при помощи переменного резистора R8.При помощи резисторов R5, R6, R7 обеспечивается работа схемы защиты при заданных перегрузках по току.В данной схеме источник опорного напряжения и усилитель постоянного тока питаются от входного напряжения. При изменении входного напряжения U_вх( например, увеличении ) в первый момент возрастает выходное напряжение U_вых. Это вызывает повышение напряжений на ре­зисторах делителя R8,R9. Напряжение на нижнем плече делителя U_R8,9сравнивается с на­пряжением на резисторе R3, которое равно опорному напряжению U_on. Увеличение напря­жения U_R8,9приводит к возрастанию токов базы и коллектора транзистора VT5. Ток стока МОП транзистора VT2 I_C2величина постоянная, равная сумме токов I_K5+I_б7.При повышении тока I_K5ток базы транзистора I_б7уменьшается, так как I_C2=const. Уменьшение тока I_б7приво­дит к уменьшению тока базы транзистора VT6 I_б6и к увеличению напряжения коллектор – эмиттер. В результате напряжение U_вых уменьшается до своего первоначального значения с определенной степенью точности. При изменении тока нагрузки I_н( например, понижении ) в первый момент уменьшаются падение напряжения на регулирующем транзисторе VT6 и падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, питающего стабилизатор. Увеличивается выходное напряжение U_вых, что приводит к возрастанию напряжения на нижнем плече делителя U_R8,9. В дальнейшем схема работает так, как было показано выше. В стабилизаторе предусмотрена защита от перегрузок по току и от короткого замыкания. Эту функцию в интегральном стабилизаторе выполняет транзистор VT9, который работает со­вместно с дополнительными внешними резисторами R5, R6, R7.

Напряжение база - эмиттер транзистора VT9: U_бэ9=U_R6-U_бэ6-U_R5. При нормальной работе транзистора, когда ток нагрузки не превышает заданное максимальное значение, напряжение U_R5мало и напряжение U_R6>(U_R5+U_бэ6).

В этом случае на базу транзистора VT9 относительно его эмиттера подается отрицательное смещение и он заперт. При перегрузке по току или коротком замыкании на выходе схемы напряжение U_R5возрастает и становится больше напряжения (U_бэ6-U_R6). Транзистор VT9 от­крывается, и на базу составного регулирующего транзистора (VT6, VT7 ) подается отрица­тельный потенциал с резистора R5. Регулирующий транзистор запирается и ограничивает величину тока нагрузки. При устранении перегрузки схема возвращается в исходное состоя­ние. Изменяя величину сопротивления резистора R5, можно регулировать величину тока, при котором срабатывает защита.

В интегральном стабилизаторе предусмотрена возможность запирать составной регулирую­щий транзистор внешним сигналом. Если на базу транзистора VT8 интегральной схемы ( вы­вод 9) от внешнего источника подать положительный сигнал, то транзистор открывается. При этом на базу составного регулирующего транзистора VT6, VT7 подается отрицательный потенциал через открытый транзистор VT8. Составной транзистор запирается. Выходное на­пряжение стабилизатора падает до нуля.

В двуполярных стабилизаторах плюс и минус выходного напряжения поступают на на­грузку относительно общей ( нулевой или корпусной ) шины. Структурная схема такого ста­билизатора приведена на рис. 1.7.

Стабилизатор, включенный в минусовую шину питания, является ведущем, его выходное напряжение устанавливается делителем R3,R4, а источник опорного напряжения ИОН ис­пользуется как для стабилизатора отрицательного, так и положительного напряжений. Связь обоих стабилизаторов осуществляется через общий делитель R5, R6. Оба стабилизатора имеют раздельные узлы токовой защиты Т31 и Т32 со своими резисторами токовой защиты R1 и R2. Узел тепловой защиты ТПЗ – общий для обоих стабилизаторов. Подобную струк­турную схему имеют стабилизаторы К142ЕН6 и КР142ЕН15.