Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
можному. Точки пересечения кривой 1 с прямыми 2 и 3 будут определять
б
ст
д
R
К
r
≈
пределы изменения выходного напряжения схемы ΔU
при измене-
вых
нии входного напряжения на величину ΔUвх. Из графика видно, что
ΔU
<< ΔUвх, таким образом, схема обеспечивает стабилизацию выход-
вых
ного напряжения. Коэффициент стабилизации схемы может быть опреде-
лён либо по графику (рис. 17, б) с использованием формулы (22), либо по
формуле [2]
. (27)
Следует отметить, что формула (27) справедлива только в случае, ко-
гда выполняется условие Rн >> rд. Анализируя эту формулу, можно опре-
делить два пути увеличения коэффициента стабилизации схемы.
Во-первых, при конструировании параметрического СН выбирают
стабилитроны с малым дифференциальным сопротивлением (rд не более
10–20 Ом).
Во-вторых, можно увеличить балластное сопротивление Rб, однако эта
мера на практике не всегда приемлема, поскольку для сохранения заданных
значений токов Iст и I
(рис. 16) одновременно с увеличением балластного
вых
сопротивления придётся увеличить и входное напряжение Uвх.
Следует отметить, что в параметрических СН на основе стабилитро-
нов значение Кст обычно не превышает 100.
Компенсационный стабилизатор напряжения
на базе операционного усилителя
Компенсационный стабилизатор представляет собой замкнутую си-
стему автоматического регулирования, поддерживающую на своём выхо-
де постоянное напряжение независимо от изменения напряжения питания
и сопротивления нагрузки. Компенсационные стабилизаторы подразделя-
ются на стабилизаторы с непрерывным регулированием (линейные) и им-
пульсные.
31
Структурная схема компенсационного стабилизатора с непрерывным
регулированием приведена на рис. 18.
Р
Э
УСР
Uвх
Up
Uоп
УС ИОН
Рис. 18. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения
Uд
ДН
Н
U
вых
На один из входов устройства сравнения УС поступает стабильное
постоянное опорное напряжение Uоп, формируемое источником опорного
напряжения (ИОН) (в качестве ИОН используется параметрический ста-
билизатор напряжения). На другой вход УС с выхода делителя напряже-
ния ДН поступает напряжение Uд, пропорциональное выходному напря-
жению стабилизатора. УС непрерывно сравнивает эти два напряжения
и формирует на своём выходе сигнал рассогласования Uр = Uоп – Uд. Этот
сигнал усиливается с помощью усилителя сигнала рассогласования УСР,
после чего воздействует на регулирующий элемент РЭ таким образом, что
в зависимости от величины и знака Uр сопротивление РЭ изменяется так,
чтобы напряжение U
на нагрузке Н оставалось постоянным. Таким об-
вых
разом, компенсационный стабилизатор представляет собой замкнутую си-
стему автоматического регулирования (САР).
В компенсационном СН (рис. 1) регулирующий элемент и нагрузка
включены последовательно, поэтому стабилизаторы такого типа называ-
ются последовательными. Существуют также параллельный тип СН,
32
структурная схема которого отличается от показанной на рис. 1 тем, что
выхОУ оп д
U (U )k –U= ⋅
вместо регулирующего элемента последовательно с нагрузкой включается
сопротивление, а сам регулирующий элемент подключается параллельно
нагрузке. В настоящее время наибольшее распространение получили СН
последовательного типа.
Электрическая схема компенсационного стабилизатора напряжения,
выполненного на базе операционного усилителя, представлена на рис. 19.
I
к VT2
Rот VT1
VT2
R1
U
3
I
вых
вых
Rн
Uвх
1
Rб
Uоп
U
I
б VT1
DA
U
вых
д
ОУ
I
вых ОУ
V
D
R2
R3
2
4
Рис. 19. Схема компенсационного стабилизатора напряжения
ИОН в схеме представляет собой параметрический стабилизатор
напряжения, выполненный на сопротивлении Rб и стабилитроне VD. Рези-
сторы R1…R3 образуют делитель напряжения, выходное напряжение ко-
торого можно регулировать.
Операционный усилитель (ОУ) DA выполняет функции устройства
сравнения и усилителя сигнала рассогласования, поскольку выходное
напряжение ОУ определяется как
где k – коэффициент усиления ОУ. Поскольку величина k у современных
ОУ составляет от 50⋅10
, (28)
3
до 1∙107, то даже небольшая разность между Uоп
33
и Uд будет вызывать значительное изменение выходного напряжения ОУ,
вых оп
R1 R2
U U1
(1- ) R 2 R3
+α⋅
= ⋅+
α⋅ +
воздействующего на регулирующий элемент. В результате процесс регу-
лирования выходного напряжения будет осуществляться даже при очень
малых отклонениях от его установленного значения, и статическая ошиб-
ка СН, вызванная изменением сопротивления нагрузки, будет близка к ну-
лю. По этой же причине внутреннее сопротивление компенсационных
стабилизаторов имеет малую величину (десятые и сотые доли Ом) по
сравнению с параметрическими СН.
Роль регулирующего элемента в рассматриваемом стабилизаторе
напряжения выполняет мощный биполярный транзистор VT1, включен-
ный по схеме с общим коллектором. Транзистор осуществляет усиление
по току выходного сигнала ОУ, обеспечивая заданную величину выходно-
го тока стабилизатора. В схемах СН, где выходной ток может достигать
нескольких ампер, в качестве регулирующего элемента могут использо-
ваться биполярные составные транзисторы, включенные по схеме Дар-
лингтона [2,3], и мощные полевые транзисторы.
Выходное напряжение стабилизатора определяется по формуле
, (29)
где Uоп – значение опорного напряжения, формируемого ИОН; α – коэф-
фициент, изменяющийся в пределах от 0 до 1, показывающий, в каком по-
ложении находится движок переменного резистора R2. Например, если
движок R2 находится в верхнем по схеме (см. рис. 19) положении, то α = 0,
а если в нижнем, то α = 1.
Из формулы (29) следует, что нестабильность выходного напряжения
в схеме стабилизатора практически полностью определяется нестабильно-
стью опорного напряжения Uоп. Максимальный коэффициент стабилиза-
ции, который способен обеспечить используемый в качестве ИОН пара-
метрический стабилизатор напряжения RбVD, составляет порядка 100.
34
Для получения более высоких значений этого параметра необходимо при-
6
оп оп.ном
UU
ТКН 10
t
−
∆
= ⋅
∆
от
огр
0,6
R
I
=
менять специализированные интегральные схемы ИОН (например, широ-
ко распространённые микросхемы серии REF19X).
Следует отметить, что для высокоточных ИОН одним из основных
дестабилизирующих факторов является окружающая температура. Для
оценки температурной стабильности ИОН используется температурный
коэффициент выходного напряжения (ТКН), определяющий относительное
изменение выходного напряжения при изменении температуры на 1 ºС:
, (30)
где ΔUоп – изменение выходного напряжения ИОН; U
– номинальное
оп.ном
выходное напряжение ИОН при комнатной температуре; Δt – изменение
окружающей температуры. Множитель 10–6 означает, что ТКН оценивает-
ся в миллионных долях на градус Цельсия (в английской литературе для
этого используется аббревиатура ppm). Лучшие на сегодняшний день
ИОН имеют ТКН менее 5∙10–6 ppm [4].
Элементы VT2 и Rот (рис. 19) образуют схему защиты стабилизатора
от короткого замыкания на выходе. Величина сопротивления ограничения
тока Rот выбирается таким образом, чтобы при выходном токе СН, равном
I
, падение напряжения на Rот составляло примерно 0,6 В [4]:
огр
, (31)
где I
– значение тока ограничения в амперах, при котором должно сра-
огр
батывать устройство защиты. Пока величина выходного тока стабилиза-
тора I
меньше, чем I
вых
ставляет менее 0,6 В, транзистор VT2 закрыт, и схема защиты не влияет на
работу стабилизатора. Если произойдёт короткое замыкание выходных
клемм 3 и 4, ток I
, падение напряжения на сопротивлении Rот со-
огр
начнёт резко возрастать, пока не превысит значения
вых
35
I
. При этом падение напряжения на Rот станет больше 0,6 В, транзистор
огр
VT2 откроется и замкнёт на общий провод выход ОУ. Выходной ток ОУ
I
вых ОУ
начнёт возрастать, пока не сработает встроенная в ОУ защита от
превышения предельно допустимого тока. После её срабатывания выход-
ное напряжение ОУ будет уменьшаться, и регулирующий транзистор VT1
начнёт закрываться, в результате чего выходной ток I
растать, оставаясь примерно равным значению I
до тех пор, пока не бу-
огр
перестанет воз-
вых
дет ликвидировано короткое замыкание на выходе схемы.
Интегральные стабилизаторы напряжения
Следует отметить, что в настоящее время при изготовлении стабили-
зированных источников питания в подавляющем большинстве случаев
используются интегральные стабилизаторы напряжения, в которых все
элементы схемы выполняются на одном кристалле.
Первая микросхема линейного стабилизатора μА723, содержащая на
одном кристалле термокомпенсированный ИОН, дифференциальный уси-
литель, схему защиты и маломощный регулирующий транзистор, была
разработана в 1967 г. фирмой Fairchild [3, 4]. Хотя эта микросхема требо-
вала наличия нескольких внешних элементов, она настолько хорошо удо-
влетворяла потребности электронной промышленности, что почти 10 лет
не имела конкурентов. Затем, в процессе усовершенствования технологии
изготовления интегральных микросхем, фирме Fairchild удалось совме-
стить на одном кристалле мощный транзистор и схему линейного стабили-
затора. В результате появились серии трёхвыводных стабилизаторов фик-
сированного положительного напряжения μА78хх и комплементарные им
стабилизаторы отрицательного напряжения μА79хх (цифрами 78 обозна-
чаются стабилизаторы положительного напряжения, цифрами 79 – отрица-
тельного, а последние две цифры обозначают выходное напряжение в воль-
тах). Все эти приборы имеют встроенные схемы тепловой защиты, защиты
от КЗ и от выхода из области безопасной работы. Усредненные параметры
стабилизаторов серий μА78хх и μА79хх приведены в табл. 1.
36
Параметры стабилизаторов
Среднее
Максимальное изменение выходного напряжения
2 %
Минимально допустимая разность напряжения вход-выход
2 В
Коэффициент подавления пульсаций
0,05...0,1 %
Нестабильность по току
0,1...0,5 %
Нестабильность по напряжению
0,2 %
Температурная нестабильность, не более
0,2 %
Таблица 1
Параметр
Максимальное входное напряжение 20…35 В
значение
Основными достоинствами этих схем являются простота использова-
ния и дешевизна. Благодаря этим преимуществам серии μА78хх и μА79хх
широко применяются и в настоящее время. Отечественным аналогом
для μА78хх являются микросхемы серии 142ЕН5/8/9, а для μА79хх –
1162ЕНхх [4].
Интегральные трёхвыводные стабилизаторы положительного напря-
жения выпускаются как в металлических, так и в пластмассовых корпусах.
Внешний вид пластмассовых корпусов с указанием цоколёвки представ-
лен на рис. 20.
Корпус типа: КТ-28-2 Корпус типа: КТ-27-2
для КР142ЕН5/8/9 для КР142ЕН5/8/9
(ТО-220 для μА78хх) (ТО-126 для μА78хх)
Рис. 20. Типы корпусов и цоколёвка трёхвыводных
интегральных стабилизаторов напряжения серии 142ЕН5/8/9 (μА78хх)
(общий вывод электрически соединён с теплоотводом)
37
Интегральные трёхвыводные стабилизаторы отрицательного напря-
жения конструктивно отличаются от приведённых на рис. 20 тем, что вы-
воду 1 соответствует «Общий», а выводу 2 – «Вход».
Стандартная схема включения интегрального трёхвыводного стаби-
лизатора положительного напряжения представлена на рис. 21.
Рис. 21. Схема включения
интегрального трёхвыводного стабилизатора серии 78
Для обеспечения устойчивой работы микросхем во всем диапазоне
допустимых значений входного напряжения и выходного тока необходи-
мо применять шунтирующие конденсаторы С1 и С2. Более предпочти-
тельно использовать керамические и танталовые конденсаторы (емкость
С1 = 2 мкФ и С2 = 1 мкФ), так как они имеют малое реактивное сопротив-
ление на высоких частотах. При использовании алюминиевых электроли-
тических конденсаторов их емкость должна быть не менее 10 мкФ. Мон-
таж шунтирующих конденсаторов должен выполняться предельно корот-
кими проводниками и по возможности непосредственно рядом с соответ-
ствующими выводами стабилизатора.
Стандартные стабилизаторы серий 78 и 79 рассчитаны для работы
с предельно допустимым током нагрузки от 1 до 2 А. Если требуется по-
лучить больший выходной ток, то можно использовать схему, представ-
ленную на рис. 22 [4]. Транзистор VT1 является мощным проходным
транзистором. При токе нагрузки, большем 200 мА, падение напряжения
на резисторе R1 становится достаточным для открывания транзистора, ко-
торый начинает работать параллельно с интегральным стабилизатором.
При этом ток интегрального стабилизатора ограничивается на уровне
38
200 мА. Транзистор VT2 и резистор R2 представляют собой схему огра-
max
R2 0, 6В/I
≈
ничения выходного тока стабилизатора.
Рис. 22. Схема для работы с большим током нагрузки
и защитой от короткого замыкания
Сопротивление резистора R2 определяется по формуле
,
где I
– максимально допустимый выходной ток схемы.
mах
С помощью трёхвыводных стабилизаторов положительного напря-
жения можно строить схемы двухполярных стабилизаторов напряжения.
Пример такой схемы представлен на рис. 23 [4].
выводные стабилизаторы положительного и отрицательного напряжений
(рис. 24) [4].
Рис. 23. Схема двухполярного стабилизатора напряжения
Схему двухполярного стабилизатора удобно строить, применяя трёх-
39
Рис. 24. Схема двухполярного стабилизатора на ±15 В (ток 1.0 А)
При конструктивной реализации данной схемы следует учитывать
тот факт, что при установке интегральных стабилизаторов на одном теп-
лоотводе их необходимо электрически изолировать от поверхности тепло-
отвода, поскольку в противном случае источник отрицательного входного
напряжения окажется замкнутым накоротко.
Кроме мощных интегральных стабилизаторов напряжения серий 78
и 79 выпускаются их маломощные аналоги (серии μА78Lхх и μА79Lхх),
рассчитанные на максимальный выходной ток от 100 до 250 мА. Эти ста-
билизаторы имеют встроенную схему ограничения тока и схему тепловой
защиты. Схема включения маломощных стабилизаторов не отличается от
представленной на рис. 21.
Такие микросхемы широко используются при построении источни-
ков питания, прежде всего как локальные стабилизаторы напряжения на
печатной плате для устранения помех и проблем распределения питания
(в случае, когда печатная плата имеет единственное напряжение питания).
Кроме того, они могут использоваться с мощными проходными элемента-
ми для построения сильноточных стабилизаторов напряжения в схеме,
аналогичной представленной на рис. 22.
Стабилизаторы серии 78L целесообразно использовать в качестве за-
мены параметрического стабилизатора резистор-стабилитрон (рис. 16),
поскольку при этом примерно на два порядка снижается эффективное
значение выходного сопротивления стабилизатора, а также уменьшаются
ток потребления и уровень шумов.
40