4.1.4. Существующие коммерчески доступные стабилизаторы напряжений

Конденсатор С1 необходим, если подводящие провода длиннее пяти сантиметров. Напаивать его необходимо как можно ближе к корпусу микросхемы. Это должен быть высокочастотный конден-

сатор, например керамический, с емкостью порядка 0,1 мкФ. В случае использования конденсаторов другого типа, например

электролитических, емкость приходится увеличивать до десятков микрофарад.

Как известно, стабилизатор напряжения выполняется по принципу электронной следящей системы. Это означает, что и здесь возникает проблема устойчивости работы микросхемы. Эту задачу решают при разработке и изготовлении микросхемы. Конденсатор С2 , емкостью десятые доли микрофарад, выбирают не из соображений устойчивости. Его основное назначение− поддерживатьток в нагрузке в переходные режимы работы, т.е. когда нагрузка внезапно начинает потреблять бóльший ток.

118

Встроенный ограничитель тока не позволяет отбирать от микросхемы ток, бóльший номинального Iном. Увеличение тока трехвыводового стабилизатора возможно в соответствии со схемой рис. 4.13, б. Здесь если полагать переход диода VD и переход

эмиттер−база дополнительного транзистора VT одинаковыми в части падений напряжений на них, то одинаковымиокажутся и

падения напряжения на резисторах R1 иR2. Это означает, что при номинальном токе, протекающем через микросхему

I1 R1 = I2 R2 = Iном R2 илиI1 = Iном R2 /R1.

Суммарный выходной ток схемы на рис.4.13, б окажется равным

Iвых = Iном + I1 = Iн (1+R2 /R1).

Таким образом, подбирая соответственно транзисторVT,а также сопротивление резисторов R1 и R2, можно увеличить ток в нагрузке при использовании стабилизатора с меньшим номинальным

током Iн .

Регулируемые трехвыводовые стабилизаторы. В семействе трехвыводовых стабилизаторов, помимо рассмотренных ранее нерегулируемых, имеются и регулируемые. Их особенность – под-

держание на выходных зажимах 2−1 постоянного напряжения Uст=1,25В. Рассмотренная схема включения приведена на рис.4.14.

Как следует из рис. 4.14, выходное напряжение данной схемы

Uвых = (U23/R1)(R1 + R2) + I0R2 = Uст(1+ R2/R1) + I0R2.

Здесь I0 − ток потребления микросхемы. Обычно он очень мал, и при соответствующем выборе резисторовR1 и R2 им пренебре-

119

гают. Резистор установки тока R1 обычно мал (сотни ом). Подключается он непосредственно к выводам 2-3 микросхемы во избежание влияния проводов.

Резистор R2 в таких стабилизаторах желательно шунтировать электролитическим конденсатором C большой емкости. Это по-

зволит существенно уменьшить пульсации выходного напряжения.

Выходной конденсаторС2 так же электролитический, возможно бóльшей емкости, с малым сопротивлением потерь (EsR). Это позволит поддерживать постоянным напряжение на выходных азжимах микросхемы, поскольку такиеконденсаторы могут отдавать большие разрядные токи без заметных потерь напряжения в них. Разряд таких конденсаторов может повредить микросхему. Для ее

защиты вводятся специальные диоды VD1 и VD2, создающие пути разрядных токов.

Регулируемый трехвыводный стабилизатор напряжения можно включать в качестве мощного источника тока (рис. 4.15). Здесь выходной ток схемы не зависит от сопротивления нагрузки. Он

Рис. 4.15

Регулируемые многовыводные стабилизаторы. Они выполня-

ются в соответствии с упрощенной схемой рис.4.7, б. Величина выходного стабилизированного напряжения здесь определяется навесными резисторами. Они, как правило, уменьшают глубину отрицательной обратной связи. Ошибка стабилизации напряжения

при этом увеличивается. В соответствующие микросхемы входят упомянутые выше средства защиты.

Двухполярные стабилизаторы. Интегральные микросхемы за-

частую требуют питания их двухполярным стабилизированным

120

напряжением. Такие стабилизаторы можно строить на основе трехвыводных стабилизаторов, рассчитанных на стабилизацию положительных и отрицательных напряжений (рис. 4.16).

VD

Рис. 4.16

Трансформатор Т преобразует переменное напряжение U в два

одинаковых по величине U1 = U2 , но противоположных по

фазе напряжения. Они выпрямляются двухполупериодным выпрямителем. Выпрямленное двухполупериодное пульсирующее

напряжение сглаживается конденсаторами С1 иС2. В результате на выход стабилизаторов относительно общей точки поступают два равных по величине слегка пульсирующих напряжения. Конденсаторы С1 иС2 выполняют роль фильтров. Их емкость должна быть достаточно большой. Если длина проводов, соединяю-

щих выходы выпрямителя со входами стабилизатора напряжений, более пяти сантиметров, то непосредственно на их

входы необходимо напаивать высокочастотные конденсаторы С3 и С4 емкостью не менее 0,1 мкФ. Далее напряжения U1 и U2 стабилизируются стабилизаторами положительного Ст-р1 и отрицательного Ст-р2 напряжений. Функции конденсаторов С5 иС6, а также диодов известны.

Номенклатура стабилизаторов отрицательных напряжений ог-

раничена. По этой причине предпочтительнее пользоваться микросхемами с двухполярным выходным напряжением. Принцип их

действия поясняет рис.4.17.

121

В состав микросхемы входит стабилизатор положительных напряжений Ст-р1, операционный усилитель ОУ1 и умощняющий

проходной транзисторVT.

Поскольку потенциал неинвертирующего входа ОУ1 нулевой, то при линейном режиме ОУ1, благодаря ООС, поддерживает нулевой потенциал и на инвертирующем входе. При равенстве сопротивлений резисторов в делителе этоприводит к равенству аб-

солютных величиннапряжений–Uвых и +Uвых.

В простейшем случае, если ток выхода отрицательной полярности не превосходит допустимый выходной ток ОУ, транзистор VT может быть исключен из схемы,а выход ОУ долженбыть не-

посредственно соединен с отрицательным выходом стабилизатора.

Включение двуполярного стабилизатора напряжений приведено на рис.4.18.

Уменьшение потерь напряжения в стабилизаторах. Проход-

ные мощные транзисторы в рассмотренных стабилизаторах используются в режиме эмиттерных повторителей. По этой причине транзисторы здесь работают в линейном режиме – они не могут быть насыщены. Падение напряжения на них составляет 2...3 В.

Для схем, питающихся от химических источников, такие потери неприемлемы. Не оправданы они и с точки зрения тепловыдления

вмикросхемахстабилизаторов.

Всовременных стабилизаторахнапряжений проходные транзисторы вводятся в режим усилителей напряжения. Это позволяет насыщать их. Падение напряжения на таких микросхемах уменьшаетсядо десятыхдолейвольта.

4.1.5.Эксплуатационные параметрыстабилизаторов напряжений

Максимальное входное напряжение Uвхmax ограничено предельно допустимым напряжением коллектор – эмиттер проходного транзистора. Его превышение приводит квыходу микросхемыиз строя.

Минимальное допустимое напряжение Uвх min . Как следует из

принципа действия стабилизаторов напряжений, минимальное входное напряжение в них ограничивается работоспособностью

источников опорных напряжений. При напряжениях, меньших минимальных, стабилизаторперестаетработать.

Номинальное выходное напряжение Uн, или напряжение стаби-

лизации – это постоянное напряжение на выходных зажимах микросхемы при отборе от нее тока, изменяющегосяв определенных

пределах. У трехвыводовых стабилизаторов это некоторая фиксированная величина. У многовыводных стабилизаторов оговарива-

ется диапазон возможных напряжений стабилизации. Номинальный выходной ток – это граничное значение выход-

ного тока микросхемы, превышение которого может привести к ее тепловому разрушению. С увеличением температуры окружающей среды номинальный ток уменьшается.

Минимальноепадениенапряжения на стабилизаторе U – такое

падение напряжения, которое необходимо для нормальной работы микросхемы. У обычных стабилизаторов оно составляет порядка

2...3 В, у стабилизаторов с пониженным падением напряжения– десятыедоливольта.

123

Потребляемый ток Iпот – ток, потребляемый микросхемой от источника энергии при работе ее на холостом ходу. Называют этот ток еще током покоя.

Допустимая мощность рассеиванияРрас. При нагружении стаби-

лизатора на сопротивление нагрузки через микросхему течет ток

принекотором падении напряжения на ней. Это приводит к нагреву микросхемы. Допустимый нагрев определяетсядопустимой мощно-

стью рассеивания при эксплуатации микросхемы при комнатной

температуре (20...25°С).При повышении температуры окружающей среды допустимаямощность рассеивания уменьшается.

Коэффициент нестабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения Kuu. При изменениях входного на-

пряжения выходное напряжение стабилизатора несколько меняет-

ся. Эта зависимость выходного напряжения от входного определяется относительным изменением выходного напряжения,

отнесенного к относительному изменению входного, т.е.

Kuu = [(∆Uст/Uст)/(∆Uвх/Uвхр)]×100% = ∆Uст Uвхр 100%,

где Uвхр – рабочеезначение напряжения на входе стабилизатора.

Коэффициент нестабильности выходного напряжения из-за непостоянства выходного тока Kui. При изменении тока, отби-

раемого от стабилизатора, его выходное напряжение несколько меняется. Эта изменчивость определяется отношением относи-

тельного изменения выходного напряжения к изменениям выходного тока. Соответствующий коэффициент нестабильности

Температурный коэффициент нестабильности KuT. При изме-

нениях температуры кристалла меняется опорное напряжение,что приводит к изменениям выходного напряжения стабилизатора.

Определяется этот параметр как относительное изменение выходного напряжения, обусловленное изменением температуры кри-

сталла на одинградус Цельсия,т.е.

KuТ = U∆U∆стТ 100%.

ст

Дифференциальное выходноесопротивление rд – это отношение изменений выходного напряжения к соответствующим изменени-

124

ям тока, отбираемого от микросхемы при постоянном входном напряжении, т.е.

rд = ∆Uст/∆Iвых.

Коэффициент ослабления пульсаций напряжения (КОПН).

Входное напряжение стабилизатора может быть пульсирующим. Ценным свойством любого стабилизатора является ослабление

пульсаций, т.е. пульсации выходного напряжения всегда меньше пульсаций входного. Коэффициент ослабления пульсаций измеря-

ется в децибелахкак отношение размаха пульсации на входе Uпр вх к размаху пульсаций выходного напряженияUпр вых,т.е.

КОПН = 20lg(Uпр вх/ Uпр вых).

4.1.6.Параметрынекоторых микросхемстабилизаторов напряжений

Электрические параметры лишь ограниченного перечня коммерчески доступных стабилизаторов приведены в табл. 4.1.

125

Окончаниетабл.4.1

4.1.7.Особенностииспользования линейных стабилизаторов

вцепях пульсирующих напряжений

Схема источника стабилизированного напряжения, питаемого от источника переменного напряжения, приведена на рис. 4.19.

Если пренебречь потерями напряжения в трансформаторе и ывпрямителе, то максимальное пульсирующее напряжение на Сф окажется равным амплитуде вторичного напряжения трансформатора, т.е. maxUСф = U2m. Минимальное значение пульсирующего напряжения определяется постоянной времени разряда конденсатора Сф, в частности, величиной его емкости (рис. 4.20). Чем меньшеемкостьконденсатора Сф,тем меньше minUCф.

126

Рис. 4.20

Размах напряжения пульсацийUпр = maxUCф – minUCф увеличивается с уменьшением емкости конденсатора фильтра. При этом уменьшается среднее значение напряжения на конденсаторе

UСср2 < UСср1.

Назовем Uпр трубкой напряжений пульсаций, а величину (Uвх max – Uвх min) – трубкой входных напряжений стабилизатора. Очевидно, что нормальная работа стабилизатора возможна лишь

тогда, когда трубка напряжений пульсаций размещается в трубке входных напряжений стабилизатора. Только в этом случае не бу-

дет превышено допустимое входное напряжение стабилизатора, а также его входное напряжение не окажется излишне низким (рис.

4.21, а).

С увеличением емкостиСф при той же величинеU2 увеличивается minUСф2 (рис. 4.21, б),но увеличивается исреднее напряжение

на конденсаторе фильтра UСср2 > UСср1. Среднее значение напряжения на входе микросхемы определяет ее нагрев, так как греющая

мощность Ргр = Uср Iвых, где Iвых– выходной ток микросхемы. Таким образом, уменьшение пульсаций напряжения на входе

микросхемы неизбежно ведет к увеличению емкости – габаритов устройства, – атакже к увеличению нагрева микросхемы.

Расчет источника питания, как и всякий расчет практической схемы,связанс поиском компромиссного решения, принимаемого

приконкретных ограничениях.

Пример. Рассчитать блок питания с выходным стабилизированным напряжением Uст=5 В, номинальным выходным токомIн = =1А, напряжением U2 = 10 В, полагая трансформатор и выпрямитель идеальными. Частота переменного напряжения равна 500 Гц.

127

а

б

Рис. 4.21

Решение. Максимальное входное напряжение на конденсаторе фильтра

maxUСф = U2m = 10В×1,41 = 14,1 В ≈ 14 В.

Максимальное входное напряжение стабилизатора должно быть

Uвх max > 14 В.

Выбирается микросхема стабилизатора с Uст = 5 В, Iн = 1А, Uвх max > 14 В. Положим, что имеется микросхема, соответствующая этим условиям, с коэффициентом ослабления пульсаций КОПН=60дБ.

Поскольку размах напряжения пульсаций должен быть в пределах Uпр = 14 В – 8 В = 6 В, то требуемая емкость конденсатора

фильтра окажется равной

С = 0,5А/(Uпр f) = 0,5/(6 500) = 165 мкФ.

128