лекции / электронные лекции / 1.4.1.1

1. Интегральные стабилизаторы напряжения

В источниках электропитания находят применение два вида интегральных стабилизаторов: гибридные интегральные стабилизаторы и полупроводниковые микросхемы стабилизаторов, которые принято называть просто интегральные стабилизаторы напряжения.

Гибридные интегральные стабилизаторы выполняются на бескорпусных интегральных микросхемах и полупроводниковых приборах, которые размещаются на диэлектрической подложке, на которой методом тонкопленочной или толстопленочной технологии наносятся резисторы, соединительные проводники. На диэлектрической подложке размещаются также входящие в стабилизатор дискретные компоненты - бескорпусные конденсаторы, переменные резисторы и др. Гибридные интегральные схемы выполняются в виде законченных устройств на фиксированные уровни выходных напряжений, например, 5, 6, 9, 12, 15В. Используя мощные бескорпусные транзистору и маломощную схему управления, выполненную по гибридно-пленочной технологии выполняются стабилизаторы на большие токи, например до 5А.

Электрические схемы гибридных стабилизаторов напряжения не отличаются от схем стабилизаторов на дискретных полупроводниковых приборах, а методы гибридно-пленочной технологии и идентичность процессов позволяют получать стабилизаторы с лучшими параметрами, чем полупроводниковые интегральные стабилизаторы на одном кристалле. Однако надежность гибридных стабилизаторов значительно ниже, а стоимость значительно выше, чем полупроводниковых интегральных стабилизаторов. Поэтому гибридные интегральные стабилизаторы находят ограниченное применение, в основном, в устройствах, которые изготавливаются малыми сериями или где требуются большие токи нагрузки.

Микросхемы полупроводниковых интегральных стабилизаторов напряжения имеют малую массу и габариты, высокую надежность, низкую цену, что обеспечивает им широкое применение. Промышленность выпускает два вида стабилизаторов: с регулируемым выходным сопротивлением и с фиксированным выходным напряжением. В микросхемах стабилизаторов с регулируемым выходом отсутствует делитель напряжения и элементы частотной коррекции, которые необходимо подключать с внешней стороны микросхемы на печатной плате. Среди таких микросхем наибольшее распространение получили маломощные микросхемы типа К142ЕН1, К142ЕН2 и стабилизаторы средней мощности типа К142ЕН3, К142ЕН4.

Рис. 1 Упрощенная принципиальная схема стабилизаторов К142ЕН1, К142ЕН2

Микросхемы К142ЕН1 отличаются от микросхем типа К142ЕН2 только уровнем допустимого входного напряжения и, как следствие, пределами установки выходного напряжения. Микросхема типа К142ЕН3 отличается от К142ЕН4 только минимальным падением напряжения на регулирующем транзисторе. Это различие является следствием разброса параметров, возникающего при изготовлении микросхем.

Интегральные стабилизаторы типа К142ЕН1, К142ЕН2 выполнены на кристалле 1.71.7 мм по одной принципиальной схеме (См. Рис. 1), а их классификационные параметры (буква в конце условного обозначения микросхемы А, Б, В или Г) устанавливаются при технологической разбраковке в процессе производства.

На принципиальной схеме стабилизатора можно выделить несколько основных блоков: транзисторы VT2,VT3 образуют сравнивающее устройство, которое сравнивает сигнал поступающий на вход 12 микросхемы с сигналом источника опорного напряжения, который собран на элементах VT1, R1, R2, R3, VD1, VD2. (Прим. Сопротивление R1 на самом деле это источник тока на полевом транзисторе, также как и сопротивление R4). Сравнивающее устройство в зависимости от результата сравнения управляет током регулирующего элемента, собранного на транзисторах VT4, VT5. VT6- транзистор защиты, его работа будет описана позже. Элементы VD3, R6 и VT7 -образуют блок выключения стабилизатора. При подаче на 9 вход микросхемы напряжения высокого уровня открывается транзистор VT7 и шунтирует регулирующие транзисторы VT4 и VT5. Выводы 2 и 6 микросхемы служат для подключения фильтрующих конденсаторов. «Выход1» (13 вывод) служит для подключения нагрузки. «Выход2» (14 вывод) используется при построении защиты стабилизатора по току. Микросхема имеет два входа (вывод 4 и 16). Вывод 16 можно назвать «силовым» входом, а вывод 4 «сигнальным». Как правило эти выводы объединяются. Но если необходимо, чтобы большие токи нагрузки не создавали помех для источника опорного напряжения в микросхеме, можно использовать раздельное включение входов (вывод 4 подключить к другому источнику питания).

Типовая схема включения микросхем К142ЕН1, К142ЕН2 при малых токах нагрузки представлена на Рис. 2.

Рис. 2 Типовая схема включения микросхемы К142ЕН1, К142ЕН2

Делитель выходного напряжения R4,R5 выбирается из условия, чтобы ток через него протекал не менее 1.5мА. Сопротивление резистора R5 нижнего плеча делителя, кроме того, определяется уровнем опорного напряжения и составляет обычно 1.2кОм. Регулировка выходного напряжения осуществляется потенциометром R4.

Для исключения влияния соединительных проводов на динамические параметры стабилизатора при импульсном изменении тока нагрузки резисторы делителя должны подключаться непосредственно к нагрузке. Туда же подключается выходной конденсатор С_Н, повышающий устойчивость стабилизатора и снижающий уровень пульсаций выходного напряжения. На Рис. 2 условно показано такое подключение указанных элементов к нагрузке R_Н. Для повышения устойчивости включается также конденсатор С_К приблизительно равный 0.1мкФ. Конденсатор С_ОП шунтирует выход опорного напряжения от наводок и помех со стороны других элементов источника питания в условиях печатного монтажа.

Входной конденсатор С_ВХ может принадлежать сглаживающему фильтру выпрямителя, если выпрямитель располагается непосредственно около стабилизатора. Однако если микросхема стабилизатора отнесена на значительное расстояние от выпрямителя, то на входных зажимах микросхемы должен быть установлен дополнительный конденсатор С_ВХ, который исключает влияние помех со стороны входа стабилизатора.

Существенным недостатком интегральных стабилизаторов с регулируемым выходом является то, что при их использовании необходимо установить ряд внешних элементов, масса и объем которых превышают саму микросхему. Дальнейшим усовершенствованием интегральных стабилизаторов является разработка микросхем с фиксированным выходным напряжением.

Интегральные стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением выполнены на кристалле размером 22 мм по одинаковой топологии и по одинаковой принципиальной схеме.

Микросхемы стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением содержат встроенную защиту от перегрузки по току и тепловую защиту до максимально допустимой температуры кристалл (175С), что существенно повышает надежность микросхем.

Типовая схема включения интегрального стабилизатора с фиксированным выходным напряжением приведена на Рис. 3.

Рис. 3 Типовая схема включения стабилизатора с фиксированным выходным напряжением

Выходной конденсатор (C_Н 2.2мкФ), как и в любом стабилизаторе напряжения, обеспечивает устойчивость при импульсном изменении тока нагрузки, снижает уровень пульсации. Входной конденсатор (C_Н 0.33мкФ) необходимо включить для устранения генерации при скачкообразном включении входного напряжения. Эта генерация возникает в стабилизаторе из-за влияния паразитной индуктивности и емкости соединительных проводов. При отсутствии входного конденсатора возникает высокочастотная генерация на входе стабилизатора, которая прекращается при достижении выходным напряжением определенного уровня. Амплитуда высокочастотных колебаний может превышать максимально допустимое входное напряжение, что приводит к пробою перехода коллектор-эмиттер регулирующего транзистора. При включенном входном конденсаторе напряжение на входе стабилизатора устанавливается по апериодическому закону.

При выборе типа стабилизатора (при прочих равных условиях) преимущество остается за микросхемами интегральных стабилизаторов напряжения. Поэтому при проектировании источников питания в первую очередь необходимо оценить возможность применения микросхем -стабилизаторов, серийно выпускаемых промышленностью. При выходных напряжениях от 3 до 30В и малых токах нагрузки (0.05-0.1А) целесообразно использовать микросхемы К142ЕН1, К142ЕН2, а при токах до 1А - К142ЕН3, К142ЕН4. Дополнительное подключение мощного регулирующего транзистора при использовании в качестве схемы управления интегрального стабилизатора напряжения позволяет получить значительно большие токи нагрузки. Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением имеют минимальную массу и габариты по сравнению с другими типами стабилизаторов, так как кроме подключения входного и выходного конденсаторов небольшой емкости не требуется подключения других внешних элементов.

Разработка стабилизаторов на дискретных элементах целесообразна только тогда, когда основные параметры интегральных микросхем стабилизаторов не удовлетворяет требованиям проекта.

Основные параметры некоторых интегральных стабилизаторов напряжения приведены в Табл. 1:

Табл. 1

Параметры	К142ЕН1А	К142ЕН2А	К142ЕН8В
Выходное напряжение, В	3-12	12-30	150.45
Максимальное входное напряжение, В	20	40	35
Минимальное входное напряжение, В	9	20	18
Максимальный ток нагрузки, А	0.15	0.15	1.5
Минимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе, В	4	4	2.5
Нестабильность по напряжению, %/В	0.2	0.2	0.05
Нестабильность по току, %/В	4.4	4.4	0.67
Относительный температурный коэффициент напряжения, %/С	0.05	0.05	0.02