Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
Отечественным аналогом для μА78Lхх являются микросхемы серии
1157ЕНхх/1181ЕНхх/1188ЕНхх, а для μА79хх – 1168ЕНхх/1199ЕНхх/
1189ЕНхх [4].
Микросхемы серий 78L и 79L выпускаются в металлических и пласт-
массовых корпусах, причём в последнем случае существуют варианты как
для монтажа в отверстия печатной платы, так и для поверхностного монта-
жа. Один из самых распространённых вариантов – корпус типа ТО-92,
представленный с цоколёвкой на рис. 25.
Рис. 25. Интегральный стабилизатор серии 78L в корпусе ТО-92
Интегральные трёхвыводные стабилизаторы отрицательного напря-
жения серии 79L конструктивно отличаются от приведённых на рис. 25
тем, что выводу 1 соответствует «Общий», а выводу 2 – «Вход».
Наряду со стабилизаторами с фиксированным напряжением были
разработаны регулируемые стабилизаторы. Так, фирма Fairchild выпусти-
ла в своё время четырёхвыводные регулируемые стабилизаторы серий
μА78G и μА79G, рассчитанные на положительные и отрицательные вы-
ходные напряжения. Фирма National Semiconductor разработала альтерна-
тивные приборы LM317 и LM337 соответственно для положительных и от-
рицательных напряжений, имеющие ток потребления порядка 50...100 мкА,
что позволяет при установке выходного напряжения обходиться без чет-
вертого вывода.
Трехвыводные микросхемы LM317 и LM337 быстро потеснили
μA78G и μA79G на мировом рынке и довольно широко выпускаются се-
годня.
41
Регулируемые трехвыводные стабилизаторы положительного напря-
жения LM117/LM217/LM317 имеют следующие технические характери-
стики [4]:
Диапазон регулировки выходного напряжения ............... (1,2…37) В
Гарантированный выходной ток (нагрузки)..................... 1,5 А
Нестабильность по напряжению........................................ 0,01 %/В
Нестабильность по току нагрузки...................................... 0,1 %
Коэффициент подавления напряжения пульсаций .......... 80 дБ
Эти стабилизаторы очень удобны в применении и требуют только два
внешних резистора для задания выходного напряжения. Кроме того, не-
стабильность по напряжению и току нагрузки у стабилизаторов LM117/
LM217/LM317 имеет лучшие показатели, чем у традиционных стабилиза-
торов с фиксированным значением выходного напряжения.
Микросхемы LM117К, LM217K, LM317K выпускаются в стандартном
транзисторном корпусе ТО-3, микросхемы LM117H, LM217H, LM317H –
в транзисторном корпусе ТО-39. LM117 работает в температурном диапа-
зоне –55...+150 ºС, LM217 – в температурном диапазоне –25...+150 ºС,
a LM317 – в температурном диапазоне 0...+125 °С. LM317TH и LM317MP,
предназначенные для работы в температурном диапазоне 0...+125 ºС, вы-
пускаются в пластмассовых корпусах ТО-220 и ТО-202 соответственно.
В качестве примера на рис. 26 приведен внешний вид и цоколёвка микро-
схемы LM317 в корпусе ТО-220 [4].
Рис. 26. Интегральный стабилизатор серии LM317 в корпусе ТО-220
В дополнение к улучшенным, по сравнению с традиционными стаби-
лизаторами, имеющими фиксированное значение выходного напряжения,
технико-эксплуатационным показателям стабилизаторы серии LM117
42
имеют все доступные для ИС средства защиты от перегрузки, включая
схемы ограничения тока, защиты от перегрева и защиты от выхода из об-
ласти безопасной работы. Все средства защиты стабилизатора от пере-
грузки функционируют также и в случае, когда управляющий вывод ИС
не подключен.
Кроме замены традиционных стабилизаторов с фиксированным зна-
чением выходного напряжения, ИС LM117/LM217/LM317 удобны для ра-
боты во множестве иных применений. В силу того, что данный стабилиза-
тор имеет «плавающие» относительно «земли» потенциалы выводов, им
могут быть стабилизированы напряжения в несколько сотен вольт при
условии, что не будет превышен допустимый предел разности напряже-
ний вход-выход.
Кроме того, ИС LM117/LM217/LM317 удобны для создания простых
регулируемых импульсных стабилизаторов, стабилизаторов с программи-
руемым выходным напряжением либо для создания прецизионного стаби-
лизатора тока простым включением постоянного резистора между управ-
ляющим и выходным выводами. При электронном отключении питания
управляющий вывод подключается к земле, что задает выходное напря-
жение на уровне 1,2 В, при котором большинство нагрузок потребляет
малый ток.
Типовая схема включения микросхемы стабилизатора представлена
на рис. 27.
Рис. 27. Типовая схема включения регулируемого стабилизатора LM117
43
Выходное напряжение схемы определяется по формуле
( )
OUT REF ADJ
V V 1 R2 / R1 I R2= +⋅⋅+
, (32)
где V
выводами; I
= 1,25 В – опорное напряжение между выходным и управляющим
REF
– ток, протекающий через управляющий вывод.
ADJ
Ток I
в формуле (32) входит в слагаемое, которое определяет по-
ADJ
грешность установки и поддержания выходного напряжения. Поэтому при
разработке стабилизатора LM117 этот ток I
стремились предельно сни-
ADJ
зить (значение тока не превышает 100 мкА) и таким образом уменьшить,
насколько это возможно, его влияние на выходное напряжение.
Стабилизаторы серии LM117 не требуют обязательного подключения
внешних конденсаторов С1 и С2. Однако в ситуации, когда микросхема
стабилизатора установлена далеко от конденсатора фильтра исходного ис-
точника питания, требуется входной конденсатор C1 (керамический, ем-
костью 0,1 мкФ, либо танталовый, емкостью 1 мкФ). Выходной конденса-
тор С2 (рекомендуется танталовый, емкостью 1 мкФ) позволяет подавить
высокочастотные переходные процессы, которые могут возникать при ра-
боте схемы стабилизатора.
Шунтирование конденсатором управляющего вывода ИС повышает
значение коэффициента сглаживания пульсаций напряжения. Так, напри-
мер, при любом уровне выходного напряжения шунтирующий конденса-
тор емкостью 10 мкФ позволяет обеспечить значение коэффициента по-
давления пульсаций 80 дБ. При использовании шунтирующего конденса-
тора требуется подключение защитных диодов для предотвращения раз-
ряда конденсатора через внутренние слаботочные цепи микросхемы, что
может привести к выходу её из строя.
Схема включения интегрального стабилизатора с шунтированием
управляющего вывода и защитными диодами представлена на рис. 28.
В данной схеме диод VD1 предназначен для защиты от разряда С1, а диод
VD2 защищает микросхему от разряда шунтирующего конденсатора С2.
44
Рис. 28. Схема включения регулируемого стабилизатора LM117
с защитными диодами
Для того чтобы микросхема LM117 могла обеспечить очень хорошую
стабилизацию по току нагрузки, резистор R1 (рис. 28) следует подсоединять
как можно ближе непосредственно к выходу стабилизатора, а не к нагрузке.
Это исключает влияние падение напряжения в линии связи между выво-
дом микросхемы V
и резистором R1 [4].
OUT
Кроме того, в фирменной документации на LM117/LM217/LM317
приводится большое число схем, значительно расширяющих функцио-
нальные возможности регулируемых стабилизаторов.
Отечественная промышленность выпускает аналог микросхемы
LM317 – интегральный стабилизатор напряжения КР142ЕН12, а также
комплементарный ему стабилизатор отрицательного напряжения
КР142ЕН18. Данные микросхемы выполняются в пластмассовом корпусе
типа КТ-28-2 (ТО-220) или в планарном металлокерамическом корпусе
4116.4-3 [Д].
Так же, как и в случае с нерегулируемыми стабилизаторами напря-
жения, выпускаются маломощные аналоги регулируемых трёхвыводных
стабилизаторов положительного и отрицательного напряжений – серии
LM317L, LM337L [4]. Благодаря миниатюрному корпусу типа ТО-92 ста-
45
ло возможным и выгодным их использование для стабилизации напряже-
ния питания отдельных узлов электронных схем и устройств.
В областях применения, где необходим выходной ток в пределах 3 А
и 5 А рекомендуются серии LM150 и LM138 соответственно (все необхо-
димые справочные данные о стабилизаторах серий LM150 и LM138 мож-
но найти в фирменных проспектах и справочниках).
Следующий шаг в развитии линейных стабилизаторов был сделан
фирмой National Semiconductor при создании прибора LM2931. Выходом
регулирующего элемента стал не эмиттер n-р-n-транзистора, а коллектор
транзистора р-n-р-структуры, что позволило уменьшить прямое падение
напряжения на стабилизаторе приблизительно до 0,6 В. Такой стабилиза-
тор с малым падением напряжения, называемый по-английски Low-drop,
позволяет получить стабилизированное напряжение, близкое ко входному,
и уменьшить рассеиваемую на стабилизаторе мощность. Но у первых
Low-drop-стабилизаторов существовал заметный недостаток: коэффици-
ент передачи тока интегрального p-n-p-транзистора на порядок меньше,
чем n-р-n, что при прочих равных условиях означает увеличение соб-
ственного тока потребления стабилизатора на порядок, а также ощутимую
зависимость последнего от тока нагрузки, поэтому первые Low-drop-
стабилизаторы типа LM2931 были рассчитаны на небольшой выходной ток.
Постепенный прогресс в конструкции и технологии транзисторов р-n-р-
структуры позволил создать более качественные приборы серий LT1083–
LT1086 фирмы Linear Technology, рассчитанные на токи до 7,5 А.
Новые возможности для развития Low-drop-стабилизаторов дало по-
явление полевых транзисторов с очень малым сопротивлением канала
в открытом состоянии. Подобную схемотехнику реализуют приборы типа
UCC383 (фирма Unitrode). Эти приборы имеют падение напряжения на
стабилизаторе порядка 0,2 В при максимальном рабочем токе и очень не-
большом собственном токе потребления.
46
В последние годы в связи с бурным развитием компьютерной техни-
ки и автомобильной электроники в схемотехнике линейных интегральных
стабилизаторов появились некоторые изменения. В первую очередь ли-
нейные стабилизаторы, предназначенные для питания современных мик-
ропроцессоров, должны иметь выходной ток более 10 А и легко переклю-
чаться на выбранные стандартные значения выходных напряжений из ря-
да 2.2, 2.5, 2.7, 2.8, 2.9, 3.2, 3.3, 3.5 В и т. п. Достичь подобных параметров
удалось путём дальнейшего уменьшения прямого падения напряжения на
стабилизаторе и ограничения максимального входного напряжения до
уровня 7 В. Практически все линейные стабилизаторы, сконструирован-
ные для построения источников питания микроконтроллеров (как, напри-
мер, в семействе микросхем TLE42xx фирмы Siemens), имеют одну или
несколько следующих функций: вход блокировки, встроенный монитор
напряжения, встроенный сторожевой таймер.
Появились многоканальные стабилизаторы положительного напря-
жения для питания микропроцессорных устройств в автомобиле (напри-
мер, TDA8138 и L4936 фирмы SGS-Thomson). Для высоковольтных схем
выпускаются микросхемы линейных стабилизаторов, рассчитанные на
напряжения до 150 В (например, TL783).
Заметен и значительный прогресс в области корпусов для микросхем
линейных стабилизаторов. Появилось множество схем в корпусах для по-
верхностного монтажа, небольших, но позволяющих рассеивать значи-
тельную мощность, отличающихся разнообразием форм и размеров, типа
DDPACK, ТО-252 и т. п.
Таким образом, сегодня при разработке источников питания для
электронной аппаратуры практически отпала необходимость использова-
ния схем на дискретных элементах, поскольку имеется огромный выбор
интегральных микросхем, обладающих параметрами, способными удовле-
творить любые сложные требования, предъявляемые к качеству выходно-
го напряжения.
47
Источники опорного напряжения
Множество функционально законченных устройств современной элек-
троники требуют для своей работы стабильных источников опорных напря-
жений (ИОН). Прежде всего, это схемы линейных стабилизаторов для ЦАП
и АЦП. И хотя уровень современной технологии позволяет размещать ста-
билизированный источник напряжения непосредственно внутри микросхе-
мы, отдельно выполненные ИОН пока обеспечивают лучшие параметры вы-
ходного напряжения.
Существуют несколько способов реализации ИОН:
1. Дискретные стабилитроны (используются в сочетании с резисто-
рами, ОУ с транзисторами).
2. Интегральные ИОН:
а) «стабилитронные» интегральные схемы;
б) температурно-стабилизированные ИОН;
в) bandgap ИОН.
Один из наиболее распространенных способов получения опорных
напряжений – с помощью стабилитронов, которые, несмотря на некото-
рые недостатки, имеют два достоинства: они компактны и дешевы.
Простейший способ получения опорного напряжения – применение
схемы классического параметрического стабилизатора напряжения
(рис. 16). Однако, как отмечалось ранее, в данной схеме сложно получить
значение коэффициента стабилизации выше 100.
Существенное увеличение коэффициента стабилизации можно обес-
печить, если балластный резистор Rб заменить источником тока. Простей-
шим схемным решением было бы применение стабильного источника тока
на полевом транзисторе [2]. Такая схема стабилизатора удобна тем, что
имеет всего два вывода и может обеспечить значение коэффициента стаби-
лизации до 10000.
Еще одна возможность питать стабилитрон постоянным током за-
ключается в том, чтобы подключать его к стабилизированному выходному
напряжению, а не к нестабилизированному входному. Схема, реализую-
щая этот принцип, представлена на рис. 29.
48
( )
ref 2 1 z
U 1 R /R U+ ⋅=
Рис. 29. Схема ИОН с питанием стабилитрона
стабилизированным напряжением
Выходное напряжение схемы определяется как
,
где Uz – напряжение стабилизации стабилитрона. Очевидно, что выходное
напряжение U
ет неизменный ток IZ = (U
превышает величину Uz. Тогда через резистор R3 протека-
ref
– UZ)/R3. В этом случае колебания входного
ref
напряжения подавляются в основном благодаря ослаблению колебаний
напряжения питания в операционном усилителе. В результате коэффици-
ент стабилизации схемы может достигать 10000, т. е. при изменении
входного напряжения на 10 В выходное изменится не более чем на 1 мВ.
При таком коэффициенте стабилизации температурные колебания
напряжения Uz вносят гораздо больший вклад в нестабильность выходно-
го напряжения U
. Типичное значение температурного коэффициента
ref
стабилитрона лежит в пределах ±1 · 10–3/ºС [2].
Типичная характеристика зависимости температурного коэффициен-
та стабилитрона от напряжения стабилизации представлена на рис. 30. Из
рисунка видно, что при малом напряжении стабилизации он отрицателен,
а при большом – положителен. Это характерное поведение связано с тем,
что в стабилитронах в действительности используются два разных меха-
низма пробоя, имеющих разные знаки температурных коэффициентов: зе-
49
неровский и лавинный; первый – при низком напряжении, второй – при
высоком [3]. При напряжении стабилизации около 6 В оба механизма
пробоя действуют в одинаковой мере, в результате их температурные ко-
эффициенты взаимно компенсируют друг друга.
Рис. 30. Зависимость температурного коэффициента
от напряжения стабилизации
При построении стабильного в температуре ИОН в схеме (рис. 29)
лучше использовать один из компенсированных опорных стабилитронов,
состоящих из стабилитрона приблизительно на 5,6 В и последовательно
с ним соединенного диода, смещенного в прямом направлении. Напряже-
ние стабилитрона выбирается так, чтобы взаимно компенсировать поло-
жительный температурный коэффициент стабилитрона и отрицательный
температурный коэффициент диода, составляющий примерно 2,1 мВ/ºC.
Например серия недорогих стабилитронов с напряжением стабилизации
6,2 В 1N82х имеет температурные коэффициенты от 10–4/°С (1N821) до
5·10–6/°С (1N829), а стабилитроны 1N940 и 1N946 с напряжением 9 В
и 11,7 В имеют температурный коэффициент 2·10–6/°С [3].
Однако гораздо чаще используются интегральные источники опорно-
го напряжения с опорными диодами, выполненные по схемам, аналогич-
ным рис. 29. Типичными представителями интегральных источников
опорного напряжения на стабилитронах являются микросхемы AD588 от
Analog Devices (U
Technology (U
= 5…10 В, ТКН = 2·10–6/°С) [2].
ref
= 10 В, ТКН = 1·10–6/°С) и LT1021 от Linear
ref
50