БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РЭС

Реферат на тему:

«Упрощенная схема стабилизатора. Интегральный линейный стабилизатор напряжения. Стабилизация отрицательных напряжений»

МИНСК, 2009

Упрощенная схема стабилизатора

В упрощенном виде схема линейного стабилизатора напряжения приведена на рис. 1. Схема состоит из операционного усилителя, включенного по схеме неинвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению и выполняющего роль усилителя ошибки.

Выходной ток ОУ управляет регулирующим транзистором VТ1, включенным по схеме эмиттерного повторителя. Питание операционного усилителя осуществляется однополярным положительным напряжением. Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые должны быть только положительными.

Рис. 1. Схема линейного стабилизатора напряжения

Для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования отрицательного напряжения питания можно отказаться. Еще одно преимущество подобной схемы состоит в том, что положительное напряжение питания операционного усилителя можно удвоить, не опасаясь превысить его предельно допустимые параметры.

Таким образом, стандартные операционные усилители можно использовать в схемах стабилизаторов со входным напряжением до 30 В. Хотя операционный усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения U_вх, благодаря глубокой отрицательной обратной связи, влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.

Интегральный линейный стабилизатор напряжения

Представленная на рис. 1 схема стабилизатора может быть выполнена в виде интегральной схемы. Такие схемы выпускаются промышленностью (например, серии ?А78хх, LM310, 142ЕНхх, TPS77xxx и др.) на несколько значений стандартных выходных напряжений: от 1,2 до 27 В. В этом исполнении схема имеет только три внешних вывода: вход, выход и массу (общий вывод).

Требования, предъявляемые к регулирующему усилителю, не очень высоки, поэтому, как правило, достаточно простейшей схемы дифференциального усилителя, показанной на рис. 2.

Для получения опорного напряжения могут быть использованы различные способы. На рис. 2 в качестве источника опорного напряжения (ИОН) показан символический стабилитрон VD₁. Реально в низковольтных стабилизаторах используется ИОН на ширине запрещенной зоны.

Впервые его применил Р. Видлар в одном из первых трехвыводных стабилизаторов LM109. За счет отрицательной обратной связи, образуемой делителем напряжения R₁, R₂, выходное напряжение стабилизатора устанавливается равным

U_вых = U_оп(1 + R₂/R₁).

Рис. 2. Типовая упрощенная схема интегрального стабилизатора напряжения

Интегральный стабилизатор напряжения имеет встроенную систему ограничения выходного тока. Для этого в схему включены резистор R₃ и транзистор VT₂. Если падение напряжения на R₃ превысит величину, равную приближенно 0,6 В, транзистор VT₂ откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VТ₁, поэтому величина выходного тока стабилизатора ограничена уровнем

I_{вых.макс} = 0,6В/R₃.

При этом мощность, рассеиваемая на выходном регулирующем транзисторе VT₁, равна

P_т = I_{вых.макс}(U_вх - U_вых). (1)

В случае короткого замыкания эта мощность значительно превысит предельную мощность для регулирующего транзистора, т.к. при этом выходное напряжение упадет от номинальной величины до нуля. Чтобы снизить мощность, рассеиваемую в этом случае транзистором, одновременно с уменьшением выходного напряжения нужно уменьшать уровень ограничения тока. При таком способе ограничения тока внешняя характеристика стабилизатора имеет неустойчивый участок. Она изображена на рис. 3. В случае значительного увеличения напряжения на регулирующем транзисторе происходит быстрый рост мощности, рассеиваемой на его коллекторном переходе. Это обусловлено тем, что соответственно возрастает разность напряжений (U_вх - U_вых), которая входит в выражение для мощности (1). Защита выходного транзистора от перегрева в этом случае достигается тем, что уровень ограничения тока I_{вых.макс} делают зависимым от разности напряжений (U_вх - U_вых). В схеме на рис. 8.3.2 для этой цели служат резистор R₅ и стабилитрон VD₂.

Рис. 3. Внешняя характеристика стабилизатора напряжения с защитой от перегрузки по току

Если разность напряжений (U_вх - U_вых) остается меньшей, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD₂, через резистор R₅ ток не течет. В этом случае уровень ограничения тока остается равным 0,6В/R₃. Если же эта разность превысит величину напряжения стабилизации стабилитрона, то вследствие образования делителя напряжения на резисторах R₅, R₄ появляется положительное напряжение, приложенное к эмиттерному переходу транзистора VT₂. При этом транзистор VT₂ будет открываться при соответственно меньших токах через регулирующий транзистор VT₁.

В последних моделях ИМС стабилизаторов напряжения все шире применяется тепловая защита от перегрузок. Так например, ADP3303 снабжен схемой, которая резко снижает выходной ток при нагреве кристалла до температуры 165°С.

Конденсатор С_к осуществляет необходимую частотную коррекцию схемы. В качестве дополнительной меры по предотвращению самовозбуждения следует включать на входе и выходе стабилизаторов конденсаторы емкостью 0,1...10 мкФ. В последнее время на рынке появились стабилизаторы, так называемые, "Cap-free", которые не требуют подключения конденсаторов параллельно выходу. Примером может служить REG103 фирмы Burr-Brown.

Кроме стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением выпускаются также регулируемые стабилизаторы напряжения (например, 142ЕН3 или 1168ЕН1). В схемах таких стабилизаторов отсутствует делитель напряжения R₁, R₂, а база транзистора VT₄ подключена к выводу микросхемы для соединения с внешним делителем напряжения. Значительная часть ИМС регулируемых стабилизаторов (?А78G, 142ЕН4 и др.) имеет как минимум 4 вывода, поскольку ток собственного потребления микросхемы составляет единицы миллиампер и зависит от нагрузки. Поэтому его нельзя замкнуть через цепь внешнего делителя напряжения, поскольку это вызовет изменение напряжения на делителе при изменении тока нагрузки. Совершенствование схемотехники ИМС стабилизаторов позволило снизить этот ток до десятков микроампер и избавиться от четвертого вывода (LM317, LT1085 и др.).

В то же время, наличие специального вывода для подключения цепи обратной связи по напряжению позволяет обеспечить высокую стабильность напряжения на удаленной нагрузке (сделать его независимым от падения напряжения на соединительных проводах). Поэтому наряду с трехвыводными, выпускаются ИМС стабилизаторов с большим числом выводов (например, ADР3331, TPS70151 и др.) которые наряду со входом обратной связи имеют также управляющие входы для отключения нагрузки от стабилизатора и некоторые другие.

Стабилизация отрицательных напряжений

Вышеописанные стабилизаторы предназначены в основном для стабилизации положительных напряжений относительно общей точки (земли) схемы. Однако те же самые схемы можно применять и для стабилизации отрицательных напряжений, 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 (вывод 3 на схеме рис. 2).

Значительно более удобным оказывается применение специальных схем стабилизаторов для отрицательной полярности напряжения, например, ?А79xx или 1168ЕНхх. Для случаев, когда требуется два симметричных относительно общей точки стабилизированных напряжения (например, +/-15 В для питания операционных усилителей) выпускаются ИМС, содержащие два стабилизатора - на положительное и отрицательное напряжение, например, NE5554 (отечественный аналог - КР142ЕН6). Упрощенная схема внутренней структуры такого стабилизатора приведена на рис. 4а, а схема включения - на рис. 4б.

Рис. 4. Стабилизация двух напряжений, симметричных относительно общей точки

Канал стабилизации отрицательного напряжения является независимым. Дифференциальный усилитель ДУ2 управляет регулирующим транзистором VT2 так, чтобы выполнялось соотношение:

-U_выхR₁/(R₁ + R₃)= -U_оп.

Усилитель ДУ1 с помощью транзистора VT₁ стремится поддержать потенциал точки соединения резисторов R₂ и R₄ нулевым, что при выполнении условия R₂ = R₄ обеспечивает равенство положительного и отрицательного выходных напряжений. Подключая дополнительные резисторы между соответствующими выходами микросхемы, можно независимо подстроить баланс выходных напряжений и их величину.

Уменьшение потерь в стабилизаторах

Требуемое для нормальной работы интегрального стабилизатора на рис. 2 минимальное падение напряжения на нем составляет около 3 вольт. Для схем, питающихся от химических источников тока, это очень много. При использовании такого схемного решения, как на рис. 2, эта величина принципиально не может быть снижена. Как следует из этой схемы, источник тока I₁ должен обеспечивать ток коллектора транзистора дифференциального каскада VT4 и базовый ток выходного составного транзистора VT₁, VT^'₁. Для нормальной работы схемы источника тока необходимо падение напряжения на нем не менее 1,5 В. Остальная часть общего падения напряжения приходится на выходной составной транзистор; эта величина также составляет около 1,5 В.

Существенного снижения падения напряжения на стабилизаторе можно достичь применением pnp-транзистора в качестве выходного. В этом случае коллекторный ток транзистора дифференциального каскада может непосредственно использоваться в качестве базового тока выходного транзистора; при этом отпадает необходимость в источнике тока I₁, рис. 2. Схема такого стабилизатора приведена на рис. 5.

Рис. 5. Стабилизатор напряжения с малым напряжением потерь

Очевидно, что составной транзистор выходного каскада включен здесь по схеме с общим эмиттером. Вследствие возникающего в такой схеме дополнительного инвертирования фазы сигнала, для управления выходным каскадом используется не транзистор VT₄, как в предыдущей схеме, а транзистор VT₃. Минимальное падение напряжения на стабилизаторе равно напряжению насыщения коллектор-эмиттер транзистора VT1 и не превышает 1 В. Для стабилизации отрицательных напряжений все транзисторы этой схемы должны быть заменены на транзисторы с противоположным типом проводимости. По подобной схеме построены, например, трехвыводные стабилизаторы напряжения малой мощности типа 1170ЕНхх, работающие при минимальном падении напряжения вход-выход 0,6 В. Они выпускаются в корпусах ТО-92 на фиксированные выходные напряжения 5, 6, 8, 9, 12 В при токе нагрузки до 100 мА и собственном потреблении не более 1,2 мА. Стабилизаторы такого типа условно называют "low drop" (низкое падение)-стабилизаторы.

Дальнейшее уменьшение минимально допустимого падения напряжения на стабилизаторе может быть достигнуто применением МОП-транзистора в качестве выходного. Например, двухканальный стабилизатор напряжения МАХ8865 имеет минимальное прямое напряжение 55 мВ при токе нагрузки 50 мА и всего 1 мВ при токе нагрузки 1 мА.

Расширение номенклатуры устройств с батарейным питанием требует дальнейшего повышения их экономичности. Многие узлы измерительных приборов, устройств связи и др. должны обеспечиваться питанием лишь время от времени. В этом случае на нерабочих интервалах напряжение их питания следует снижать до нуля. Для этого некоторые модели ИМС стабилизаторов снабжены выводами "Shutdown", подача активных логических уровней на которые вызывает принудительное запирание регулирующего транзистора. Это, например, семейство LT176x фирмы Linear technology с номинальными токами от 0,1 до 3 А и минимальным прямым напряжением "вход-выход" 0,3 В, а также семейство ADP333х фирмы Analog devices c минимальным прямым напряжением "вход-выход" 0,17 В при токе 0,2 А.

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.