Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Конспект лекций Комп схем и АК 2011.doc
Скачиваний:
696
Добавлен:
10.02.2016
Размер:
13.66 Mб
Скачать

12.1. Схемотехника линейных стабилизаторов напряжения

Линейные стабилизаторы напряжения включают в себя силовые регуляторы и более-менее сложную маломощную схему управления.

Принципиальная трудность создания интегральных стабилизаторов заключается в том, что силовые транзисторы рассеивают значительную мощность, вызывая локальный нагрев кристалла. Это резко ухудшает стабильность параметров схемы управления, в состав которой входит источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель ошибки, цепи защиты от перегрузок по току и короткого замыкания нагрузки, от перегрева кристалла и других аварийных или нештатных режимов.

В упрощённом виде схема линейного стабилизатора напряжения приведена на рис.12.1. Схема состоит из операционного усилителя в неинвертирующем включении с отрицательной обратной связью по напряжению, источника опорного напряжения VREF и регулирующего транзистора VT1 , включённого последовательно с нагрузкой.

Рис.12.1. Базовая схема линейного стабилизатора напряжения

Выходное напряжение VOUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной святи, выполненной на резистивном делителе R1R2. ОУ играет роль усилителя ошибки, в качестве которой здесь выступает разность между опорным напряжением VREF , задаваемым источником опорного напряжения (ИОН), и выходным напряжением делителя R1R2.

ΔV = VREF – VOUT ( R1/( R1 + R2))

Схема работает следующим образом. Пусть по тем или иным причинам ( например, из-за уменьшения сопротивления нагрузки или входного нерегулируемого напряжения) выходное напряжение стабилизатора VOUT уменьшилось. При этом на входе ОУ появилась ошибка ΔV > 0. Выходное напряжение усилителя возрастёт, что приведёт к увеличению тока базы, а, следовательно, и токаэмиттера регулирующего транзистора до значения, при котором выходное напряжение возрастёт практически до первоначального уровня.

В случае идеального операционного усилителя установившееся значение ошибки, совпадающее с дифференциальным входным напряжением ОУ, близко к нулю. Отсюда следует, что

VOUT = VREF ( 1 + R2/ R1)

Питание операционного усилителя осуществляется от входного нерегулируемого однополярного напряжения, в данном случае положительного. Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые в этих условиях должны быть только положительными. Однако для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования напряжения другой полярности для питания ОУ можно отказаться. Хотя операционный усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения VIN , благодаря глубокой отрицательной обратной связи влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.

Описанная схема предназначена, в основном, для стабилизации положительных напряжений относительно общей точки схемы. Для стабилизации отрицательных напряжений может быть использована эта же схема, если использовать гальванически изолированное от общей точки входное напряжение. В этом случае выходной вывод стабилизатора соединяется с общей точкой, а минусовым выводом схемы является точка соединения минусового вывода источника входного напряжения и общей точки стабилизатора.

Для случаев, когда требуется два симметричных относительно общей точки стабилизированных напряжения ( например, ±15 В для питания операционных усилителей) выпускаются интегральные микросхемы, содержащие два стабилизатора – на положительное и отрицательное напряжение, например, NE5554. Упрощённая схема внутренней структуры такого стабилизатора приведена на рис.12.2а, а типовая схема его включения – на рис.12.2б.

Рис.12.2. Стабилизатор двух разнополярных напряжений : а) принципиальная схема, б) типовая схема включения

В схемах, питающихся от батареек и аккумуляторов, желательно иметь минимальное падение напряжения на стабилизаторе. При использовании биполярных транзисторов в качестве регулирующих элементоа минимальное падение напрчжения, необходимое для нормальной работы составляет около 3 В.

Существенного уменьшения минимально допустимого падения напряжения на стабилизаторе можно достич за счёт применения в качестве силового регулятора МОП-транзистора, включённого по схеме с общим истоком. Упрощённая схема такого стабилизатора приведена на рис.12.3. Для стабилизации положительных напряжений используется транзистор с p-каналом, работающий в режиме обогащения.

Рис.12.3. Стабилизатор напряжения с регулирующим МОП-транзистором

Схема работает следующим образом. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение также уменьшается, и на выходе усилителя появится ошибка ΔV<0. Выходное напряжение усилителя будет снижаться, уменьшая напряжение на затворе регулирующего МОП-транзистора. Поскольку это p-канальный транзистор, то уменьшение напряжения на его затворе вызовет увеличение тока стока и выходное напряжение увеличится до прежнего значения.

Большое достоинство стабилизаторов с регулирующим МОП-транзистором – независимость тока потребления ( тока общего вывода) от тока нагрузки. Это связано с тем, что МОП-транзистор управляется напряжением, а ток его затвора ( а следовательно и выходной ток чсилителя) совершенно ничтожен по сравнению с током нагрузки.

Другое достоинство – падение напряжения на регулирующем элементе может быть снижено до очень малых величин, недостижимых для биполярных транзисторов. Например, двухканальный стабилизатор напряжения MAX8865 имеет минимально допустимое падение напряжения 55 мВ при токе нагрузки 50 мА и всего 1 мВ при токе нагрузки 1 мА.

Далее рассмотрим возможные схемы включения линейных стабилизаторов на примере трёхвыводного стабилизатора напряжения КР142ЕН5А. Он рассчитан на фиксированное напряжение 5 В, допустимый выходной ток 1А, есть внутренняя термозащита, защита выходного транзистора и внутреннее ограничение тока короткого замыкания.

На рис.12.4 Приведена типовая схема включения. Конденсаторы С1 и С2 включены для повышения устойчивости.

Рис.12.4. Типовая схема включения

При необходимости увеличения фиксированного значения стабилизации можно включить в цепь общего вывода стабилизатора стабилитрон и увеличить напряжение стабилизации на величину VCF (рис.12.5).

Рис.12.5. Увеличение фиксированного напряжения стабилизации

Увеличить напряжение стабилизации и сделать его регулируемым можно, если на общий вывод подать напряжение с делителя через неинвертирующий повторитель на ОУ (рис.12.6).

Рис.12.6. Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

Повысить максимальный выходной ток стабилизатора можно, включив дополнительный мощный транзистор, как показано на рис.12.7.

Рис.12.7. Схемы повышения максимального выходного тока с включением дополнительного мощного транзистора: а) с общим эммитером, б) с общим коллектором

Недостаток такой схемы состоит в том, что встроенные схемы ограничения тока и защиты выходного транзистора самого стабилизатора не зависят от тока нагрузки и фактически не используются по прямому назначению. Но за счёт небольшого усложнения можно обеспечить защиту от короткого замыкания на выходе (рис.12.8).

Рис.12.8. Стабилизатор с повышенным выходным током и защитой от короткого замыкания

Схема источника стабильного тока, построенного на базе стабилизатора напряжения, приведена на рис.12.9.

Рис.12.9. Схема источника стабильного тока

Сопротивление резистора R определяется выражением

R = ( VOUT NOM/ IOUT )

На резисторе R падает напряжение, равное номинальному выходному напряжению стабилизатора. Поэтому в такой схеме желательно использование стабилизатора, рассчитанного на малое напряжение стабилизации.

При отсутствии в наличии готового двухполярного стабилизатора можно его построить на основе однополярного (рис.12.10).

Рис.12.10. Схема двухполярного стабилизатора

Поскольку потенциал неинвертирующего входа ОУ1 нулевой, то и потенциал инвертирующего входа этого усилителя должен быть равен нулю. При работе ОУ в линейном режиме и равенстве сопротивлений резисторов в делителе это может быть только в случае равенства по абсолютной величине разнополярных напряжений на выходе схемы.