7.5 Інтегральні стабілізатори напруги

Спочатку розглянемо компенсаційний стабілізатор напруги, в якому в якості ППС використано операційний підсилювач. Рішення про використання операційних підсилювачів виникло тому, що в умовах значних змін зовнішньої температури вихідна напруга стабілізатора не залишається постійною. Одною з причин цього є залежність параметрів підсилювального елементу (транзистора) від температури, зокрема температурний дрейф вихідної напруги ППС.

Схемна реалізація такого стабілізатора показана на рис.7.10.

Рис.7.10 – Компенсаційний стабілізатор напруги

Схема складається з операційного підсилювача, що використовується по схемі неінвертуючого ввімкнення з негативним зворотним зв’язком за напругою, вихідний струм якого підсилюється емітер ним повторювачем на транзисторі VT. Живлення операційного підсилювача здійснюється не симетричною відносно землі напругою, а одно полярною позитивною напругою, оскільки це стабілізатор позитивної напруги. В цій схемі величина вихідної напруги U₂ визначається як U₂ = U_оп (1 + (R₂ / R₁)). Очевидно її величина може бути змінена шляхом вибору опорів резисторів R₁ і R₂.

За таким принципом будуються і інтегральні стабілізатори напруги. Очевидно, вони не обов’язково повинні мати в своєму складі операційний підсилювач, достатньо використати простий диференційний підсилювач. Інтегральні стабілізатори напруги випускаються як універсальні, тоді величина напруги встановлюється зовнішніми резисторами зворотного зв’язку, або як стабілізатори з фіксованою вихідною напругою (трьох-вивідні), які мають внутрішню схему подільника. Останні настроюються на стандартний ряд напруг живлення в процесі виробництва мікросхем.

Розглянемо типову схему інтегрального стабілізатора, рис.7.11.

Рис.7.11 – Інтегральний стабілізатор

В наведеній схемі диференційний підсилювач працює на складений транзистор VT1^/ і VT1, що дозволяє отримати значний струм в навантаженні. Резистори R₁ і R₂, які визначають коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача, а отже, і величину вихідної стабілізованої напруги, можуть бути або внутрішніми елементами мікросхеми, або зовнішніми резисторами.

Транзистор VT2 і резистор R₃ забезпечують обмеження вихідного струму на заданому рівні. Якщо вихідний струм перевищує задану величину, на резисторі R₃ створюється така напруга, яка відкриває транзистор VT2 і базовий струм регулюючого транзистора (VT1^/, VT1) зменшується. Це забезпечує зменшення колекторного струму транзистора VT1.

Але не зважаючи на обмеження вихідного струму, при короткому замиканні навантаження транзистор VT1 може вийти зі строю за рахунок великої потужності розсіювання на ньому. Справа в тому, що при КЗ навантаження вся вхідна напруга буде прикладена до регулюючого транзистора. Щоб запобігти виходу його зі строю, використовується ланцюжок VD, R₅, R₄.

Якщо різниця напруг (U₁ – U₂)залишається меншою, ніж напруга стабілізації стабілітрона VD, то через стабілітрон і, відповідно, резистор R₅ струм не тече. В цьому випадку рівень обмеження струму залишається таким, яким він визначається схемою VT2, R₃. якщо ж ця різниця напруг перебільшить величину напруги стабілізації VD, то в наслідок створення подільника напруги на резисторах R₅ і R₄ з’явиться позитивна напруга, на прикладена до переходу база - емітер VT2. при цьому транзистор VT2 буде відкриватися при відповідно менших величинах падіння напруги на резисторі R₃.

В інтегральній схемотехніці відпрацьовані елементи інтегральних стабілізаторів, які використовуються для створення опорної напруг. Вони отримали назву опорних елементів. Розглянемо деякі з них .

Найбільш просто в якості стабілітрона використати перехід база – емітер стандартного інтегрального транзистора. При зворотному зміщенні цей перехід пробивається при напрузі 6,2…6,5 В, причому температурний коефіцієнт опорної напруги ТКU_on ≈ 2мВ/ºС. на рис.7.12 наведена схема ввімкнення стабілітрона.

Рис.7.12 – Схема ввімкнення стабілітрона

Внутрішній опір інтегрального стабілітрона залежить від струму І_ст. При І_ст порядку десятків мікроампер внутрішній опір інтегрального стабілітрона R_g = 50…100Ом. Відхилення значень R_g від екземпляра до екземпляра може викликати значні зміни коефіцієнта стабілізації пристрою, якщо схема має недостатній запас коефіцієнту підсилення в петлі зворотного зв’язку. Для менших струмів (одиниці мікроампер) внутрішній опір діода значно більший. Тому прості діодні стабілітрони в багатьох випадках непридатні для дальшого підвищення точності роботи стабілізатора.

Відомі різні способи покращення параметрів пробивного стабілітрона. Як правило, вони виконуються термокомпенсованими, деякі з них мають достатньо малий опір R_g. На рис.7.13 зображенні дві схеми різних опорних елементів: термокомпенсованих пробивних стабілітронів (схеми а і б) і стабілітрона з буферним транзистором (схема в).

На рис.7.13,а наведена схема елемента, в якому використовуються два p-n переходи транзистора: перехід база – емітер в режимі зворотного пробою, перехід база– колектор в режимі прямого падіння напруги. Результуюче падіння напруги на транзисторі U_on складає приблизно 6,9…7,1В. оскільки ТКU_бкпр = -2,2мВ/ºС, то температурні коефіцієнти обох складових опорної напруги в значній мірі компенсуються і ТКU_on ≈ -2,2мВ/ºС.

В схемах компенсаційних стабілізаторів термокомпенсуючим елементом може бути перехід база – емітер підсилюючого транзистора, яким є в схемі, рис.7.13,б, транзистор VT1. Транзистор VT2 працює в режимі пробивного стабілітрона, а транзистор VT3 виконує функцію регулюючого елементу.

На рис.7.13,в зображена схема опорного елемента, в якій вдосконалені властивості інтегрального стабілітрона. Зокрема ця схема дає менший динамічний опір R_g і виконує термокомпенсацію напруги U_on.

Рис.7.13 – Схеми опорних елементів

в) захист джерела вторинного електроживлення від включення в мережу постійного струму з зворотною полярністю;

г) захист первинної живлячої мережі від струмових перевантажень і КЗ при виникненні пошкоджень у вторинному джерелі живлення або навантаження.

Розглянемо деякі приклади схемної реалізації приведених видів захисту.

А) Перевантаження стабілізаторів за струмом або КЗ в навантаженні. Одна із можливих схем, рис.7.14

Рис.7.14 – Схема перевантаження стабілізаторів за струмом або КЗ в навантаженні

Робота такої схеми основана на автоматичному під запиранні регулюючого транзистора при перевантаженні за струмом. Схема захисту складається із транзистора Т, опорів R₁ і R₂, а також датчика струму R₃. в нормальному режимі падіння напруги на R₃ менше, ніж на опорі подільника R₂, транзистор тому закритий і не впливає на роботу стабілізатора.

При збільшенні струму так, що на опорі R₃ буде напруга більше, ніж на R₂ (попередня установка), транзистор Т перейде з закритого стану в стан підсилення. Збільшення колекторного струму транзистора Т приведе до зменшення базового струму регулюючого транзистора, падіння напруги на ньому збільшиться, а струм в навантаженні зменшиться. Після зняття перевантаження схема автоматично повертається до свого звичайного робочого стану. Недоліком є відсутність спільного проводу (в ньому ввімкнений резистор R₃), а також пониження ККД.

Б) Захист споживача електроенергії від підвищення напруги на виході стабілізатора.

При деяких аварійних ситуаціях в стабілізованому джерелі вторинного електроживлення, наприклад, пробої переходів колектор - емітер регулюючого транзистора в стабілізаторі напруги послідовного типу, на виході стабілізованого джерела можливе значне зростання напруги порівняно з номінальним значенням. Деякі елементи споживача досить чутливі до таких збільшень і тому можуть вийти зі строю. Для захисту подібних споживачів електроенергії використовуються безконтактні швидкодіючі схеми, які миттєво відмикають навантаження від вторинного джерела або різко зменшуючи його вихідну напругу. Найкращі результати дають схеми з використанням тірісторів.

Проста схема зображена на рис.7.15

Рис.7.15 – Проста схема тірістора

В схему включений баластний резистор R_бл і паралельно навантаженню тиристор Д₁. цей тиристор одержує керуючий сигнал від ланцюжка, який складається із стабілітрона Д₂ і обмежуючого резистора R_обм. При підвищенні напруги вихідного кола вище максимального допустимого значення (установки) через стабілітрон Д₂ починає текти струм і тиристор Д₁ відкривається. Це приводить до різкого збільшення струму через резистор R_бл, падіння напруги на ньому збільшується, а вихідна напруга U_н зменшується.

Пристрої захисту первинного джерела живлення.

В процесі експлуатації РЕА можуть виникнути аварійні ситуації, які приведуть до різкого збільшення споживаючого від первинного джерела струму. При цьому можливий нагрів з’єднуючих приводів, при живленні від мережі постійного струму – може визвати вихід із строю первинного джерела живлення. Тому на вході вторинного джерела, як правило, включається пасивний елемент захисту від перевантаження по струмові – плавкий запобіжник або швидкодіючий автоматичний вимикач. Для того, щоб запобіжник не спрацьовував в момент ввімкнення стабілізатора (або випрямляча), коли існує скачок струму, застосовують різні методи поступового збільшення напруги, або спеціальні схеми захисту (можуть бути і з ручними переключеннями напруги).