Лабораторная работа № 5 исследование стабилизатора напряжения lm 117

Цель работы: изучение свойств микросхемы стабилизатора напряжения LM 117 и схем источников напряжения на основе LM 117.

Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.

Время выполнения 2 часа

1. Теоретическая часть

Общее описание

LM 117 - это трехвыводный стабилизатор напряжения с регулируемым выходным напряжением от 1,2 В до 37 В и с максимальным током нагрузки до 1,5 А. Ее легко использовать для построения источников напряжения. Микросхема требует минимального количества внешних элементов. Для задания выходного напряжения требуется только два внешних резистора. Микросхема LM 117 выпускается в стандартных транзисторных корпусах, что облегчает монтаж ее на платах. Схема в металлическом корпусе с радиатором может отдавать ток до 1,5А.

В дополнение к более высоким характеристикам, по сравнению с микросхемами стабилизаторов с фиксированным напряжением, LM 117 обеспечивает полную защиту от перегрузок, включая ограничение выходного тока и защиту от перегрева. Защита от перегрузок остается работоспособной, даже после отключения управляющего вывода.

Если микросхема LM 117 располагается не более чем в 15 см от конденсаторов фильтра, то для нормальной работы стабилизатора подключение дополнительных конденсаторов не требуется. В противном случае требуется подключение входного шунтирующего конденсатора. Дополнительно для улучшения переходной характеристики стабилизатора может быть подключен выходной конденсатор. Управляющий вывод также может быть зашунтирован конденсатором для обеспечения более высокого коэффициента подавления пульсаций. Поскольку эта схема не имеет непосредственного заземления, и она отслеживает разностное напряжение между входом и выходом, ее нельзя использовать для построения стабилизаторов напряжения, когда разность между входным и выходным напряжением достигает 40 В.

Для построения источников напряжения с более высокими выходными токами можно использовать микросхемы LM 150 (3A) и LM138 (5A). Для отрицательных напряжений используется микросхема LM137.

Характеристики LM117:

• дифференциальное напряжение между входом и выходом - +40В, -0,3В;

• допустимое отклонение выходного напряжения - 1%;

• нестабильность выходного напряжения - 0,01%;

• нестабильность выходного напряжения по нагрузке - 0,3%;

• подавление пульсаций - 80 дБ;

• минимальное регулируемое напряжение - 1,25В;

• защита от короткого замыкания;

• ограничение тока при перегреве.

Применение микросхемы

В LM117 поддерживается постоянным напряжение, равное 1,25 В, между выходом и регулировочным выводом. Это напряжение называется опорным. Простейшая схема применения этого стабилизатора показана на рис.1. Так как напряжение на R₁ постоянно и равно U_R1 = U_оп = 1,25 В, то через него течет постоянный ток I₁. Выходное напряжение стабилизатора определяется следующим образом

Второе слагаемое в формуле I_упрR₂ представляет собой ошибку. Поэтому схема LM117 спроектирована так, чтобы минимизировать величину тока I_упр и сделать его как можно более постоянным. Величина этого тока равна 50 - 100 мкА. Изменяя величину сопротивления R₂ можно регулировать выходное напряжение. Для тех применений, где требуется постоянное выходное напряжение, R₂ подстраивается в очень узком диапазоне. В этом случае применяется последовательное соединение постоянного и подстроечного резистора. Типовая схема включения LM117 показана на рис. 2.

Подключение внешних конденсаторов.

Рекомендуется подключать входной (между входом и землей) шунтирующий конденсатор. Использование керамических дисковых конденсаторов величиной 0,1 мкФ или танталового конденсатора 1 мкФ вполне достаточно для многих применений.

Для улучшения подавления пульсаций шунтирующий конденсатор подключают между регулировочным выводом и землей. Величина конденсатора 10 мкФ обеспечивает подавление пульсаций на 80 дБ для любого уровня выходного напряжения. Если используется шунтирующий конденсатор, то иногда необходимо в схему включать защитные диоды для предотвращения пробоя внутренних слабо точных цепей стабилизатора от разряда конденсатора.

Вообще лучше использовать танталовые конденсаторы. Танталовые конденсаторы имеют малый импеданс даже на высоких частотах. В зависимости от конструкции конденсатора на высоких частотах танталовый конденсатор величиной 1 мкФ эквивалентен

алюминиевому оксидному конденсатору 25 мкФ. Керамические конденсаторы также могут быть использованы на высоких частотах, однако надо помнить, что в некоторых типах конденсаторов происходит сильное уменьшение их величины на частотах около 0,5 МГц. В связи с этим, конденсатор 0,01 мкФ может оказаться работать лучше, чем конденсатор величиной 0,1 мкФ.

Обычно схема LM117 устойчива и без подключения выходного конденсатора. Однако, как и в любой схеме с обратной связью при определенной величине внешней емкости могут возникнуть чрезмерные колебания. Это случается когда внешняя емкость находится в пределах от 500 пФ до 5000 пФ. Подключение выходного танталового конденсатора величиной 1мкФ или оксидного 25 мкФ устраняют это явление и обеспечивают устойчивую работу схемы.

Защитные диоды

Когда используются внешние конденсаторы, иногда требуется включать защитные диоды для предотвращения пробоя слабо точных цепей стабилизатора.

Когда подключен выходной конденсатор и вход замыкается на землю, выходной конденсатор разряжается через выход стабилизатора. Ток разряда зависит от величины конденсатора, выходного напряжения, скорости уменьшения входного напряжения. Стабилизатор LM117 выдерживает выброс разрядного тока до 15А. Защитный диод подключается между выходом и входом микросхемы. Для выходных конденсаторов величиной до 25 мкФ не требуется подключать защитный диод.

Шунтирующий конденсатор, подключенный к управляющему входу стабилизатора, может разряжаться через слабо точные цепи управляющего входа. Разряд происходит, когда закорачивается вход либо выход схемы. Внутренний резистор величиной 50 Ом ограничивает выброс тока разряда. Подключение защитного диода не требуется, если выходное напряжение не превышает 25В и величина конденсатора равна 10 мкФ.

На рис.3 показано включение защитных диодов для стабилизатора с выходным напряжением, превышающим 25В и большой выходной емкостью.

Увеличение выходного тока

Для увеличения выходного тока стабилизатора может использоваться дополнительный выходной транзистор, как показано на рис.4. При токе нагрузки меньше 100 мА схема стабилизатора работает как обычно. Проходной транзистор VT₁ закрыт, так как напряжение U_бэ по модулю меньше 0,6В. При больших токах нагрузки (больших 100 мА) падение напряжения на R₃ становится больше 0,6В и отпирает транзистор VT_1, тем самым ограничивая ток, протекающий через стабилизатор примерно на уровне 100 мА.

При расчете схемы необходимо задать максимальный ток, протекающий через стабилизатор I_{ст max} и определить величину сопротивления R₃ = 0,6В/I_{ст max}.

Ограничение выходного тока

Применяя схему увеличения выходного тока, необходимо предусмотреть ограничение выходного тока для предотвращения выхода из строя проходного транзистора. Для этого может быть использована схема, показанная на рис. 5. В этой схеме ограничение выходного тока обеспечивает транзистор VT₂. Когда ток через транзистор VT₁ достигнет такой величины, при которой падение напряжения на резисторе R₄ станет равным порядка 0,6В, транзистор VT₂ откроется и ограничит ток проходного транзистора. Ограничение тока будет равно U_{бэ VT2}/R₄. При расчете величина тока ограничения выбирается равной I_огр = 1,4I_{н max}.