Интегральные схемы стабилизаторов напряжения

Стабилизаторы напряжения выполняются:

• на транзисторах с использованием отдельных блоков в виде микросхем (например, на рис. 138 УПТ выполнен в виде интег­рального операционного усилителя — ОУ);

• в виде микросхем с дополнительными навесными элемен­тами.

В схеме на рис. 138 делитель напряжения состоит из резисто­ров R2 и ДЗ, источник опорного напряжения — из резистора RI и диода VD, регулирующим элементом является транзистор VT, вы­полненный по схеме эмиттерного повторителя, а усилителем сиг­нала ошибки — операционный усилитель DA (усилитель постоян­ного тока).

Коэффициент передачи делителя напряжения в данной схеме определяется соотношением

Коэффициент передачи регулирующего элемента близок к еди­нице.

В соответствии с формулой (9.18) напряжение на выходе ста­билизатора напряжения

Рис. 138. Упрощенная принципиальная схема последовательного КС с операционным усилителем

т.е. оно прямо зависит от стабильности источника опорного на­пряжения, а следовательно, не может быть стабильнее последнего.

Кроме того, стабильность выходного напряжения зависит от изменения коэффициента передачи делителя напряжения, поэто­му делитель должен строиться на резисторах с одинаковым тем­пературным коэффициентом сопротивления.

Для исключения влияния изменения коэффициента УПТ этот коэффициент должен иметь достаточно большое значе­ние (более 1 000), характерное для операционных усилителей.

Главным недостатком линейного КС последовательного типа является невысокий КПД. Мощность, потребляемая им от источ­ника питания, больше мощности, отдаваемой на нагрузку, при­чем большая часть этой мощности расходуется в РЭ, так как на­пряжение на нем равно разности напряжений Uвх- Uн через него протекает весь ток нагрузки. Появляется проблема рассея­ния больших мощностей, поэтому для предотвращения повреж­дения регулирующего элемента транзистор VT часто устанавливают на радиатор в целях обеспечения теплоoтвода (на рис. 138 обозначен штриховой линией).

В конце 1960-х гг. началось производство КС в микросхемном исполнении.

В настоящее время стабилизаторы напряжения выпускаются в виде готовых к использованию модулей с характеристиками, от­вечающими самым высоким требованиям (например, с внутрен­ним сопротивлением порядка нескольких миллиом). На их осно­ве строятся удобные для работы источники питания, которым не опасны короткое замыкание и перегрев.

Интегральные линейные микросхемы стабилизаторов напря­жение подразделяются на четыре группы:

1) трехвыводные с фиксированным напряжением на выходе (положительным или отрицательным);

2) с фиксированным напряжением на выходе и малым падени­ем напряжения на регулирующем элементе;

3) с регулируемым выходным напряжением;

4) многоканальные.

В стабилизаторах первой группы имеется сравнительно боль­шое (до 3 В) падение напряжения на РЭ вследствие невозможно­сти введения этого элемента (эмиттерного повторителя) в состоя­ние глубокого насыщения.

Стабилизаторы второй группы с целью уменьшения падения напряжения выполняются на РЭ с коллекторным выходом. В них падение напряжения на РЭ составляет порядка 0,5 В.

Примером интегральных стабилизаторов первой и второй групп являются отечественные трехвыводные микросхемы серии К.Р142ЕН, получившие сокращенное название КРЕН(рис. 139). Они относительно дешевые, широко распространенные и требу­ют подключения минимального числа навесных элементов.

Микросхемы серии КРЕН выпускаются на различные напря­жения стабилизации (табл. 9.1).

Входное напряжение должно, как минимум, на 2 В превышать напряжение стабилизации, но не должно превышать 15 В для мик­росхем КРЕН5, 35 В для микросхем КРЕН8 и 45 В для микросхем КРЕН9. В противном случае вход соединится внутри микросхемы с выходом и на нагрузку поступит высокое, опасное для микро­схемы, напряжение.

а 6

Рис. 139. Микросхема типа КРЕН (а) и схема ее подключения (б)

Интегральные стабилизаторы напряжения необходимо устанав­ливать на радиаторе, в качестве которого используется корпус источника питания. Если для нагрузки требуется ток не 750 мА, а только 100 мА, то стабилизатор можно не устанавливать на ради­атор, а разместить его на монтажной плате, вдвое уменьшив мощ­ность трансформатора.

На рис. 140 приведена схема ИП на напряжение 5 В и ток 750 мА с интегральным стабилизатором, в которой для уменьше­ния пульсаций напряжения на выходе

двухполупериодного вы­прямителя со средней точкой включены параллельно два конден­сатора-фильтра общей емкостью 4000 мкФ.

В выходной цепи схемы включен конденсатор электролити­ческий СЗ, шунтированный керамическим конденсатором СА ем­костью 0,01 мкФ. Эти элементы не являются обязательными, од­нако они улучшают динамические характеристики ИП при скач­кообразных изменениях тока нагрузки.

В стабилизаторах третьей группы имеется дополнительный чет­вертый вывод для подключения делителя выходного напряжения (рис. 141, а). Основное применение четырехвыводных СН — обес­печение точной подстройки U_RU4 или нестандартного по значе­нию выходного напряжения.

КПД интегральных СН, зависящий от соотношения входного и выходного напряжений

η=UвыхIн/UвхIн= Uвых/Uвх

и может находиться в диапазоне 30…90%.

Рис. 140. Схема ИП с интегральным стабилизатором.

Рис. 141. Схемы включения четырехвыводного (о) и трехвыводного (б) интегральных регулируемых стабилизаторов напряжения

Регулируемое выходное напряжение обеспечивает и трехвыводной СН (рис. 141, б).

Выходное напряжение в схемах третьей группы определяется соотношением

где Uвых.ст — фиксированное выходное напряжение микросхемы; Iпит — ток питания микросхемы.

На рис. 142 представлена схема ИП с компенсационным ста­билизатором, позволяющая получить на выходе регулируемое на­пряжение и работающая следующим образом.

Рис. 142. Схема ИП с компенсационным стабилизатором и регулируе­мым напряжением

Переменное напряжение, выпрямленное диодным мостом VD1... VD4 и сглаженное емкостным фильтром C1, стабилизиру­ется параметрическим стабилизатором, состоящим из резистора R и диода VD5, и через потенциометр RP подается на вывод 8 интегрального стабилизатора DA1. В результате с выхода стабили­затора можно получать регулируемое по значению потенциомет­ром RP постоянное напряжениe.

Конденсатор С2 дополнительно сглаживает пульсации выход­ного напряжения стабилизатора.

Интегральные стабилизаторы напряжения, выпускаемые про­мышленностью, рассчитаны на положительное и отрицательное напряжения от 1,2 до 40 В и токи до ЗА. При большем значении тока к микросхемному стабилизатору подключаются дополнитель­но один или несколько транзисторов. Дополнительный более мощ­ный транзистор включается снаружи таким образом, чтобы обра­зовался составной транзистор с основным регулирующим транзи­стором СН.

На рис. 143 приведены варианты подключения транзистора к интегральному СН.

В схеме на рис. 143, а к выводам 11, 2, 4 подключен дополни­тельный транзистор и введена защита от короткого замыкания нагрузки. На рис. 143, 6 приведен вариант включения интеграль­ного стабилизатора серии КР142ЕН14 с дополнительным мощ­ным транзистором серии КТ864А к выводам 7, 9. Резисторы R2,

Рис. 143. Схема подключения дополнительного транзистора к инте­гральному стабилизатору серии 275ЕН1А (a) и к интегральному стаби­лизатору серии КР142ЕH4 (б)

Рис. 144. Схема параллельного стабилизатора напряжения

RЗ и R 4, R5 в этой схеме образуют делители. Сопротивление базо­вого резистора R1 определяют из условия

где h_21Э — статический коэффициент передачи тока транзистора VT1; Iвых max — максимальный выходной ток (ток нагрузки).

Так как мощный транзистор вносит дополнительный сдвиг фаз на высоких частотах, необходимо включение корректирующего конденсатора С1 с емкостью от 100 до 680 пФ. Конденсатор С2 с емкостью большей или равной 0,1 мкФ сглаживает пульсации вы­ходного напряжения.

На базе микросхемы KP142EHI4 можно также построить па­раллельный стабилизатор напряжения (рис. 144).

В этой схеме сопротивление базового резистора R4, необходи­мого для уменьшения мощности, рассеиваемой микросхемой, вы­бирают в пределах 100... 1000 Ом, а сопротивление гасящего ре­зистора RЗ — из условия

Емкость конденсатора С1 ≥ 5 000 пФ, а конденсатора С2 ≥ 0,1 мкФ. Транзистор КT серии КТ817Г или КТ805Б.