БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РЭС

Реферат на тему:

«Основные параметры линейных стабилизаторов напряжения. Типовое включение стабилизаторов напряжения»

МИНСК, 2009

Точностные параметры

Основное назначение стабилизаторов - поддерживать выходное напряжение неизменным, равным номинальному значению в условиях изменяющегося входного напряжения, токов нагрузки, температуры окружающей среды и старения элементов.

К точностным параметрам относятся: точность установления выходного напряжения, коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, температурный коэффициент напряжения, временнaя стабильность, шум выходного напряжения.

Точность установления выходного напряжения обычно указывается для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением. Она зависит, в основном, от технологических факторов. Отклонения выходного напряжения от номинального значения вызваны разбросом элементов, входящих в состав стабилизатора. Точность установления повышают путем лазерной подгонки сопротивлений делителя обратной связи.

Коэффициент стабилизации определяется как отношение приращения входного напряжения к вызываемому им приращению выходного напряжения стабилизатора:

К_ст = ? U_вх /? U_вых.

Часто вместо этой величины в справочниках приводится так называемая "нестабильность по напряжению", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в% при изменении разности входного и выходного напряжений в заданных пределах. Иногда также приводится нестабильность по напряжению как абсолютное изменение выходного напряжения в мВ при изменении разности входного и выходного напряжений или просто входного напряжения в заданных пределах. Повышение коэффициента стабилизации достигается увеличением коэффициента усиления усилителя ошибки.

Выходное сопротивление характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении тока нагрузки:

R_вых = ? U_вых /? I_н.

В справочниках вместо выходного сопротивления иногда приводится так называемая "нестабильность по току", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки в заданных пределах, в процентах от номинальной величины для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением и в милливольтах - для регулируемых стабилизаторов.

Температурный коэффициент напряжения характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры окружающей среды:

ТКН = ? U_вых /? Т°.

В справочниках часто приводится так называемая "температурная стабильность", под которой понимают относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинальной величины при изменении температуры окружающей среды в допустимых для данной ИМС пределах. Используется также термин "температурный дрейф выходного напряжения", определяемый отношением ?U_вых/(U_{вых.ном}Т°) и измеряемый в мВ/(° С*В).

Долговременная стабильность определяет относительное изменение выходного напряжения в процентах от номинального значения за 1000 часов работы при температуре окружающей среды, соответствующей верхней границе рабочего диапазона.

Динамические параметры

К динамическим параметрам линейных стабилизаторов напряжения относятся коэффициент подавления пульсаций и полное выходное сопротивление.

Коэффициент подавления пульсаций определяется как отношение (в дБ) амплитуд основной гармоники пульсаций напряжений на выходе и входе стабилизатора при его питании от однофазного двухполупериодного выпрямителя. Обычно приводится для частоты 120 Гц, равной удвоенной частоте промышленной сети США.

Полное выходное сопротивление задается либо в виде графика в функции от частоты изменения тока нагрузки, либо в виде значений в омах на частотах 10 Гц и 10 кГц.

Эксплуатационные параметры

К важнейшим эксплуатационным параметрам относятся:

· диапазон допустимых входных напряжений;

· номинальное выходное напряжение для стабилизатора с фиксированным выходным

· напряжением, либо диапазон выходных напряжений для регулируемого стабилизатора;

· максимально допустимый ток нагрузки;

· максимально допустимая рассеиваемая мощность;

· минимально допустимое напряжение между входом и выходом стабилизатора при максимальном или дополнительно оговоренном токе нагрузки;

· ток, потребляемый стабилизатором в режиме холостого хода (часто называемый током утечки);

· допустимый диапазон температур окружающей среды.

Типовое включение стабилизаторов напряжения

На рис. 1 приведены типовые схемы включения стабилизаторов напряжения с фиксированным (а) и регулируемым (б) выходным напряжением. Конденсаторы С₁ и С₂ включают для повышения устойчивости стабилизаторов.

Рис. 1. Типовые схемы включения линейных стабилизаторов напряжения

Увеличение выходного напряжения

В стабилизаторах с фиксированным значением выходного напряжения имеется возможность изменения в некоторых пределах выходного напряжения. Для этого в цепь вывода массы включают стабилитрон, как показано на рис. 2. Это повышает выходное напряжение на величину U_ст.

Рис. 2. Повышение выходного напряжения интегрального стабилизатора с фиксированным напряжением стабилизации

Включение такой ИМС по схеме на рис. 1б возможно, но нежелательно, т.к. через резистор R₂ будет течь ток I_пот, потребляемый цепями управления стабилизатора, который зависит от тока нагрузки. Это приведет к увеличению выходного сопротивления стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора в этом случае определяется по формуле:

U_вых = U_{вых.ном}(1 + R₂/R₁) + I_потR₂.

Повышение максимального выходного тока

Повысить максимальный выходной ток стабилизатора можно, включив дополнительный мощный транзистор, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Повышение максимального выходного тока

Вместе с внутренним выходным транзистором интегрального стабилизатора он образует комплементарный составной транзистор. Недостаток такого способа состоит в том, что схема ограничения тока и цепь защиты выходного транзистора стабилизатора фактически не используется. Некоторые фирмы выпускают микросхемы, содержащие, по существу, только цепи управления стабилизатором напряжения и предназначенные для подключения к мощному транзистору по схеме, сходной с приведенной на рис. 3. Так, например, фирма Maxim Integrated Products производит ИМС типа МАХ687, к которой подключается pnp-транзистор с малым напряжением насыщения коллектор-эмиттер. При фиксированном выходном напряжении 3,3 В этот стабилизатор допускает при токе нагрузки 1А минимальную разность входного и выходного напряжений 0,14 В. Фирма Analog Devices выпускает в миниатюрном корпусе SO-8 микросхему регулятора ADP3310, которая совместно с мощным полевым транзистором способна отдать в нагрузку ток до 10 А. Минимальная разность напряжений вход-выход составляет в этом случае порядка 0,5 В (существенно зависит от параметров регулирующего МОП-транзистора). Для токовой защиты включается внешний резистор.

Стабилизация тока

Схема источника стабильного тока на ИМС стабилизатора напряжения приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема источника стабильного тока

Сопротивление резистора R определяется выражением:

R = U_{вых.ном} /I_вых.

На резисторе R падает напряжение, равное номинальному выходному напряжению стабилизатора. Это составляет для КР142ЕН5 около 5 В, что приводит к большим потерям энергии в резисторе. Поэтому в такой схеме целесообразно использовать ИМС регулируемого стабилизатора, например, КР142ЕН12, у которого, при указанной схеме включения, это напряжение составит 1,2 В.

Источник двухполярного напряжения

Номенклатура двухполярных стабилизаторов напряжения сравнительно бедна, поэтому для построения стабилизатора с выходным напряжением, например, +/- 5 В можно использовать схему, приведенную на рис. 5. Поскольку потенциал неинвертирующего входа ОУ1 нулевой, то и потенциал инвертирующего входа этого усилителя также 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. В простейшем случае, если ток выхода отрицательной полярности не превосходит допустимого выходного тока ОУ, транзистор VT1 может быть исключен из схемы, а выход ОУ должен быть непосредственно соединен с отрицательным выходом стабилизатора.

Рис. 5. Схема двухполярного стабилизатора

Получение искусственной общей точки

Часто при питании электронных устройств от батарей возникает необходимость получения из одного гальванически изолированного напряжения аккумуляторной батареи двух симметричных относительно общей точки (земли) напряжений. Это, в частности, нужно для питания операционных усилителей, которые часто должны усиливать входные сигналы обеих полярностей. В принципе для этих целей мог бы подойти резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с общей точкой (рис. 6а).

Рис. 6. Схема симметрирования гальванически изолированного от земли напряжения

Коэффициент деления напряжения такой схемы тем более стабилен, чем более низкоомными выбираются резисторы делителя. Это приводит к увеличению потерь в делителе.

Лучшие характеристики имеет схема с операционным усилителем, подключенным по схеме неинвертирующего повторителя к средней точке резистивного делителя напряжения (рис. 6б). В данной схеме делитель может быть высокоомным, т.к. он нагружен только входным током операционного усилителя. ОУ сравнивает потенциал на выходе схемы с потенциалом в средней точке делителя и поддерживает напряжение на своем выходе таким, чтобы разность сравниваемых потенциалов была равна нулю. Этот эффект достигается благодаря действию отрицательной обратной связи. При малых токах покоя, потребляемых этой схемой (в пределах 1 мА), такой активный делитель имеет выходное сопротивление менее 1 Ом. Фирма Texas Instruments (США) выпускает специальную ИМС типа TLE2425 для формирования искусственной средней точки. Эта ИМС изготавливается в малогабаритном трехвыводном корпусе ТО-92 и обеспечивает ток через искусственную среднюю точку до 20 мА в любом направлении при токе собственного потребления не более 0,25 мА и выходном сопротивлении не более 0,22 Ом.

Литература

Лидовский В.И. Теория информации. - М., «Высшая школа», 2002 г. - 120 с.

Метрология и радиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебник для ВУЗов. / В.И. Нефедов, В.И. Халкин, Е.В. Федоров и др. - М.: Высшая школа, 2001 г. - 383 с.

Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. -. - М.: Энергоатом издат, 2005. - 440 с.

Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. М: Радио и связь, 2001 г. -368 с.