Текст книги "Стабилизаторы напряжения и тока на ИМС (СИ)"

Автор книги: Б. Успенский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 1 страниц)

Стабилизаторы напряжения и тока на ИМС

Задача создания стабильного источника питания встает всякий раз, когда необходимо обеспечить независимость параметров электронного устройства от изменений питающего напряжения. Современная аппаратура, работающая на цифровых и аналоговых микросхемах, всегда предусматривает наличие стабилизаторов напряжения и тока, как правило, нескольких. С распространением интегральных операционных усилителей (ОУ) появилась возможность решить эту задачу просто и эффективно с точностью регулировки и стабильности в диапазоне 0,01…0,5 %, причем ОУ легко встраивать в традиционные стабилизаторы напряжения и тока.

Простейший стабилизатор напряжения представляет собой усилитель постоянного тока, на вход которого подано постоянное напряжение стабилитрона или часть его. Нагрузочная способность такого стабилизатора определяется силой максимального выходного тока ОУ.

Следящие стабилизаторы, как известно, работают на принципе сравнения опорного и выходного напряжений, усиления их разности и управления электропроводностью регулирующего транзистора.

Стабилизатор по схеме рис. 1 выдает напряжение U _выхбольшее, чем опорное напряжение стабилитрона V D1,а стабилизатор по схеме рис. 2 – меньшее.

Рис. 1. Стабилизатор с делителем выходного напряжения

Рис. 2. Стабилизатор с делителем опорного напряжения

Стабилизаторы питаются от одного источника. С помощью эмиттерного повторителя V T2увеличивают ток нагрузки, в нашем примере – до 100 мА, но можно и более с составным повторителем на мощном транзисторе. Транзистор V T1защищает выходной транзистор V T2от перегрузок по току, причем датчиком тока служит резистор R8небольшого сопротивления, включенный в цепь эмиттера транзистора V T2.Когда падение напряжения на нем превысит Uб–э=0,6 В, откроется транзистор V T1и зашунтирует эмиттерный переход транзистора V T2.При токах нагрузки до 10… 15 мА резисторы R7, R8и транзисторы V T1, VT2можно не ставить. Отметим, что в стабилизаторах по схемам рис. 1 и 2 входное напряжение не должно превышать максимально допустимой для ОУ суммы напряжений питания.

Если проектируемый источник питания имеет выходное напряжение, не меньшее чем сумма минимально допустимых напряжений питания для имеющегося ОУ, то его лучше включить в стабилизатор таким образом, чтобы усилитель питался стабилизированным напряжением. Схема подобного стабилизатора приведена на рис. 3.

Рис. 3. Улучшенный стабилизатор напряжения:

a – принципиальная схема, б – нагрузочная характеристика

Здесь дополнительно включены несколько элементов, улучшающих работу стабилизатора напряжения. Потенциал выхода О У DA1смещен в сторону положительного напряжения с помощью стабилитрона V D3и транзистора V T1.Выходной эммитерный повторитель – составной (VT2, VT3),а к базе защитного транзистора V T4подключен делитель R4R5,что позволяет создать «падающую» характеристику ограничения тока перегрузки. Ток короткого замыкания не превышает 0,3 А, хотя нормальный рабочий ток составляет 0,5 А. Термоком–пенсированный источник опорного напряжения выполнен на микросхеме К101КТ1А (DA2).Выходное напряжение стабилизатора, равное +15 В, изменяется всего на 0,0002 % при изменении входного напряжения в пределах 19…30 В; при изменении тока нагрузки от нуля до номинального выходное напряжение падает лишь на 0,001 %. В этом стабилизаторе подавление пульсаций входного напряжения частотой 100 Гц составляет 120 дБ. К достоинствам стабилизатора следует отнести также и то, что в отсутствии нагрузки потребляемый ток составляет около 10 мА. При скачкообразном изменении тока нагрузки выходное напряжение устанавливается с погрешностью 0,1 % за время не более 5 мкс.

Практически нулевые пульсации напряжения на выходе может обеспечить стабилизатор по схеме рис. 4.

Рис. 4. Источник питания с компенсированными пульсациями

Если движок переменного резистора R1находится в верхнем (по схеме) положении, амплитуда пульсаций максимальна. По мере перемещения движка вниз амплитуда будет уменьшаться, так как напряжение пульсаций, поданное на инвертирующий вход ОУ через конденсатор С2,в противофазе складывается с выходным напряжением пульсаций. Примерно в среднем положении движка резистора R1пульсации будут компенсированы.

Стабилизаторы по приведенным выше схемам рассчитаны на положительное выходное напряжение. Чтобы получить отрицательное, надо в качестве повторителя применить р–n–ртранзистор, а также заземлить положительную шину питания ОУ. Но можно поступить по–другому, если в аппаратуре требуются стабилизированные напряжения разной полярности. На рис. 5 приведены две упрощенные схемы соединения стабилизаторов для получения выходных напряжений разного знака.

Рис. 5. Схема образования двуполярного стабилизированного напряжения:

а – на разнополярных стабилизаторах, б — на одинаковых стабилизаторах

В первом случае входная и выходная цепи имеют общую шину. Пусть, например, имеются только положительные стабилизаторы. Тогда в стабилизаторе по второй схеме их можно применить, если оба канала по входным цепям гальванически развязаны, чтобы можно было заземлять положительный полюс нижнего (по схеме) стабилизатора. Источником опорного напряжения для одного из каналов служит стабилитрон, а для второго – выходное напряжение первого стабилизатора. Для этого необходимо включить делитель из двух резисторов между выводами +U _СTи – U _CT стабилизаторов и подвести напряжение средней точки делителя к неинвертирующему входу ОУ второго стабилизатора, заземлив инвертирующий вход ОУ. Тогда выходные напряжения двух стабилизаторов (несимметричные в общем случае) связаны и регулирование напряжений осуществляется одним переменным резистором.

Если для питания устройства используется одна батарея, а необходимы два питающих напряжения с заземленной средней точкой, тр можно применить активный делитель на ОУ с повторителями для увеличения нагрузочной способности (рис. 6).

Рис. 6. Преобразование однополярного напряжения в симметричное двуполярное

Если R1 = R2,то равны и выходные напряжения относительно заземленной средней точки. Через выходные транзисторы V T1и V T2протекают полные токи нагрузки, а падения напряжения на участках коллектор – эмиттер равны половине входного напряжения. Зто надо иметь в виду при выборе радиаторов охлаждения.

Ключевые стабилизаторы напряжения зарекомендовали себя наилучшим образом с точки зрения экономичности, так как КПД таких устройств всегда высокий. Несмотря на их сложность по сравнению с линейными стабилизаторами-, только за счет уменьшения размеров теплоотводящего радиатора проходного транзистора ключевой стабилизатор позволяет уменьшить габариты регулируемого мощного источника питания в два–три раза. Недостаток ключевых стабилизаторов заключается в повышенном уровне помех. Однако рациональное конструирование, когда весь блок выполнен в виде экранированного модуля с расположенной непосредственно на теплоотводе мощного транзистора платой управления, позволяет свести помехи к минимуму. Устранить «пролезание» высокочастотных помех в не–стабилизиоованный источник первичного питания и нагрузку можно путем включения последовательно радиочастотных дросселей, рассчитанных на постоянный точ 1…3 А. Имея в виду эти замечания, подготовленный радиолюбитель может браться за создание ключевых стабилизаторов напряжения, в которых с успехом работают интегральные компараторы.

Для примера приведём описание релейного стабилизатора на базе микросхемы К554СА2 (рис. 7).

Рис. 7. Релейный стабилизатор с регулированием выходного напряжения

В нем компаратор DA1работает от источников напряжением + 12 и – G В. Эта комбинация образована подключением вывода 11положительного питания DA1к эмиттеру транзистора V TI(+18 В), вывода 2 – к стабилитрону V D6(примерк +6 В), вывода 6отрицательного питания – к нулевому потенциалу общей шины. Опорное напряжение стабилизатора формируется диодами V D3– VD5,оно равно +4,5 В. Это напряжение подается ка неинвертирующий вход компаратора DA1,включенного по схеме детектора уровня с гистерезисной характеристикой из-за положительной обратной связи по цепи R5, R3.Цепь отрицательной обратной связи замыкается через усилительный транзистор V T2,ключевой элемент на транзисторах V T3, VT4и фильтр L 1C7.Глубину отрицательной обратной связи по выходному напряжению регулируют переменным резистором R4,в результате оно изменяется в пределах 4…20 В при минимальном входном нестабилизированном напряжении +23 В и максимальном – до +60 В с применением элементов, рассчитанных на такое напряжение. В то же время переменная составляющая выходного напряжения (пульсации) проходит без ослабления через конденсатор С4,поэтому регулирование выходного напряжения не приводит к пропорциональному изменению пульсаций.

Данный стабилизатор напряжения относится к числу автогенерирующих, когда в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки, разряжающего накопительный конденсатор С7,автоматически меняется как период автоколебаний, так и время включенного состояния транзисторов V T3, VT4.Усилитель управления на компараторе DA1и транзисторе V T2открывает ключевой элемент в тот момент, когда потенциал инвертирующего входа станет немного меньше, чем потенциал неин–вертирующего (опорного) входа. В этот момент напряжение на нагрузке падает несколько ниже заданного Уровня стабилизации, т. е. пульсирует. После включения транзисторов V T3, VT4ток через дроссель L 1нарастает, его индуктивность и конденсатор С7запасают энергию, так что потенциал инвертирующего входа повышается. Благодаря действию усилителя управления ключевой элемент закрывается. Затем фильтр L 1C7отдает некоторую часть запасенной энергии в нагрузку, причем полярность напряжения на дросселе L 1изменяется и цепь питания замыкается через диод V D7.Как только напряжение на конденсаторе С7станет ниже опорного на величину гистерезиса, вновь включаются транзисторы V T3, VT4.Далее циклы повторяются.

Скорость этих процессов определяется номиналами дросселя L 1,конденсатора С7и нагрузкой. Оценку частоты можно произвести по формуле

где АU – амплитуда пульсаций выходного напряжения.

Очевидно, что изменение частоты автоколебаний релейного стабилизатора можно значительно уменьшить, если увеличить разность между входным и выходным напряжениями. Частота автоколебаний, когда стабилизатор работает с лучшим КПД, составляет 10…40 кГц.

Особое внимание следует обратить на выбор материала сердечника дросселя и типа демпфирующего диода V D7.

Наилучший материал тороидального сердечника без зазора – прессованный порошкообразный пермаллой марок МП160-1, МП140-1, МП140-3. При выборе параметров дросселя следует обеспечить условие непрерывности тока, когда время полной разрядки дросселя через диод V D7на конденсатор С7и нагрузку больше, чем время закрытого состояния ключевого элемента. Необходимо выполнение следующего неравенства;

где I _нагр– минимальное значение силы тока нагрузки.

Можно также применить дроссели фильтров промышленного изготовления, например из серий Д8, Д5 – плоские и др., среди которых выбирают типономинал с требуемой индуктивностью, рассчитанной на ток под–магничивания не менее ожидаемого максимального тока нагрузки и пригодный к использованию на частотах до 50 кГц.

Диод V D7должен быть обязательно быстродействующим с большим допустимым импульсным током, не менее удвоенного значения тока нагрузки. В стабилизаторе по схеме на рис. 7, где ток нагрузки 2 А, возможна замена его на диоды КД212Б, КД217А и некоторые другие.

Кроме того, необходимо выбрать высококачественный оксидно–полупроводниковый конденсатор С7с двойным запасом по емкости относительно расчетной величины и по номинальному напряжению, желательно из ряда К53 или танталовый типов К52-7А, К52-9, К52-10. Можно применить бумажные конденсаторы, но габариты стабилизатора тогда увеличатся.

Как известно, емкость электролитических конденсаторов с ростом частоты уменьшается, а потери в них возрастают. Ориентировочно для танталовых конденсаторов типа ЭТО емкость на частоте 20 кГц уменьшается в 10 раз, а для оксидно–полупроводниковых-= на 30… 40 % по сравнению со значением емкости на частоте 50 Гц. Поэтому и приходится выбирать емкость конденсатора С7с запасом, а также ограничивать частоту автоколебаний до 20 кГц. Это – оптимальная величина. Фильтрующие конденсаторы малой емкости объединяют параллельно в батарею, которую дополнительно шунтируют керамическим конденсатором С9емкостью не менее 1,5…2,2 мкФ. Если такой возможности нет, можно увеличить ДU, а к выходу подключить дополнительный фильтр с малым омическим сопротивлением, чтобы на нем не создавать заметного падения напряжения при изменениях тока нагрузки.

Несоблюдение этих рекомендаций обычно приводит к тому, что на низкокачественных дросселе, диоде и конденсаторе фильтра выделяется чрезмерная мощность, падает КПД стабилизатора и возрастают пульсации отфильтрованного напряжения. Разумеется, что транзисторы ключевого элемента также необходимо выбирать высокочастотными и достаточной мощности.

Приведенная на рис. 7 схема релейного стабилизатора может быть дополнительно снабжена устройством защиты от превышения тока нагрузки в режиме короткого замыкания. Амплитуда пульсаций выходного напряжения при определенных условиях может быть уменьшена путем подключения ключевого элемента к части обмотки дросселя L 1,а диода V D7 —ко всей его обмотке. При этом напряжении коллектор – эмиттер транзистора V T4становится меньше, а обратное напряжение на диоде V D7– больше.

Большая потребность в стабилизаторах для питания аппаратуру привела к тому, что были разработаны и внедрены специальные линейные микросхемы – стабилизаторы напряжения. В интегральном исполнении преобладают последовательные регуляторы с непрерывным пли импульсным режимом управления. Стабилизаторы строятся как для положительных, так и для отрицательных напряжений питания. Выходное напряжение может быть регулируемым или фиксированным, например +5 В для питания блоков с цифровыми ТТЛ–микросхемами или ± 15 В для аналоговых микросхем. Микросхемам с большими токами нагрузки необходимы радиаторы охлаждения. Это не вызывает конструктивных трудностей, так как микросхемы размещены в таких же корпусах, как и мощные транзисторы.

Перечень микросхем приведен в таблице.

Из выпускаемых интегральных стабилизаторов наиболее распространены относящиеся к категории регулируемых стабилизаторов КРН2ЕН1 и КР142ЕН2. Для этих микросхем с различными буквенными индексами характерны следующие параметры:

коэффициент нестабильности по входному напряжению 0,1.. 0,5% коэффициент нестабильности по току нагрузки 0,2… 1 %

В микросхеме стабилизатора КР142ЕН1.2 нашли воплощение те принципы, которые мы рассмотрели на примере стабилизаторов по схемам на рис. 1, 2 и 3. Подключение стабилизатора КР142ЕН1 показано на рис. 8.

Рис. 8. Основная схема включения регулятора КР142ЕН1

Опорное напряжение на выводе 5 микросхемы составляет около 2 В, причем делитель напряжения, снимаемого с опорного стабилитрона, введен в состав микросхемы. Благодаря этому при построении стабилизаторов с выходными напряжениями от 3 до 30 В применяют одну и ту же схему включения с внешним делителем выходного напряжения. Дополнительно отметим, что у микросхемы КР142ЕН1.2 имеются свободные выводы не только инвертирующего (вывод 3),но и неинвертирующего (вывод 4)входов усилителя, что упрощает стабилизатор отрица тельного напряжения с этой ИМС. В этом заключается основное отличие микросхемы КРН2ЕШ,2 от микросхемы 142ЕН1.2 более раннего выпуска.

Внешний транзистор V T1– это эмиттерный повторитель для увеличения тока нагрузки до 1…2 А. Если требуется ток не более 50 мА, то транзистор следует исключить, используя вывод 8микросхемы вместо эмиттерного вывода транзистора V T1.

В составе микросхемы имеется транзистор, защищающий выходной каскад от перегрузки по току. Токо–ограничительное сопротивление резистора R4выбирают из расчета падения напряжения на нем 0,66 В при протекании аварийного тока. Без змиттерного повторителя V T1следует установить резистор R4сопротивлением 10 Ом.

Чтобы создать «падающую» характеристику ограничения тока перегрузки, подключают делитель R2R3и производят расчет по следующим зависимостям:

Пример, I _макс= 0,6 А (задано); I _К3– 0,2 А (выбираем не менее ¹/з I _макс); U _бЭ=0,66 В; U _вых=12 В (задано); а = 0,11 (по расчету); R3= 10 кОм (типичное значение); R2= 1,24 кОи; R4= 3,7 Ом.

В микросхеме дополнительно имеется вывод 14для Управления стабилизатором. Если подать на этот вход единичный ТТЛ–уровень + (2,5…5) В, то выходное напряжение стабилизатора упадет до нуля. Чтобы обратный ток при наличии емкостной нагрузки не разрушил выходной транзистор, установлен диод V D1.

Конденсатор С1емкостью 3,3…10 мк подавляет шум стабилитрона, однако установка его не является необходимой. Конденсатор С2(емкостью до 0,1 мк) – элемент частотной коррекции; допустимо вместо него соединить вывод 13с «земляным» проводом через последовательную RС–цепь 360 Ом (максимум) и 560 пФ (минимум).

На базе микросхем КР142ЕШ.2 (рис. 8) можно создавать стабилизаторы отрицательных напряжений (рис. 9).

Рис 9. Стабилизация отрицательного напряжения

При этом стабилитрон V D1смещает уровень напряжения на выводе 8относительно входного напряжения. Базовый ток транзистора V T1не должен превышать максимально допустимого тока стабилитрона, иначе следует применить составной транзистор.

Широкие возможности микросхем КР142ЕН1,2 позволяют создавать на их основе релейные стабилизаторы напряжения, пример которых дан на рис. 10.

Рис. 10. Релейный стабилизатор напряжения

В таком стабилизаторе опорное напряжение, как и в стабилизаторе по схеме рис. 8, установлено делителем R4R5,а амплитуда пульсаций выходного напряжения на нагрузке задается вспомогательным делителем R2R3и равна &U=U _B x-R4IR3.Частота автоколебаний определяется из тех же соображений, что и для стабилизатора по схеме на рис. 7. Следует лишь иметь в виду, что ток нагрузки не может изменяться в широких пределах, обычно не более чем в два раза от номинального значения. Преимуществом релейных стабилизаторов является высокий КПД.

Необходимо рассмотреть еще один класс стабилизаторов – стабилизаторов тока, преобразующих напряжение в ток независимо от изменения сопротивления нагрузки. Из таких стабилизаторов, позволяющих заземлять нагрузку, отметим стабилизатор по схеме на рис. 11.

Рис. 11. Стабилизатор тока на ОУ

Ток нагрузки стабилизатора I _u =U _B-x .lRl.Интересно, что если напряжение U _{BX подавать} на инвертирующий вход, то изменится только направление тока без изменения его значения.

Более мощные источники тока предусматривают подключение к ОУ усилительных транзисторов. На рис. 12 дана схема источника тока, а на рис. 13 – схема приемника тока.

Рис. 12. Прецизионная схема источника тока; входное напряжение – отрицательное

Рис 13. Схема прецизионного отвода тока; входное напряжение – положительное

В обоих устройствах сила тока определяется расчетом так же, как и в предыдущем варианте стабилизатора. Этот ток тем точнее зависит лишь от напряжения U _вхи номинала резистора R1,чем меньше входной ток ОУ и чем меньше ток управления первого (после ОУ) транзистора, который выбран поэтому полевым. Ток нагрузки может достигать 100 мА.

Схема простого мощного источника тока для зарядного устройства показана на рис. 14.

Рис. 14. Источник тока высокой мощности

Здесь R4– токоизмерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки I _н =ДU/R4 = 5А устанавливается. примерно при среднем положении движка резистора R1.При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение U _вх>18 В без учета пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18.

Литература

Бокуняев А. А. Релейные стабилизаторы постоянного напряжения – М : Энергия, 1978, 88 с.

Рутксвски Дж. Интегральные операционные усилители. – М.: Мир, 1978, 323 с.

Xоролац П, Хилл У. Искусство схемотехники, т. 1. – М.; Мир, – 1986, 598 с.

Спенсер Р Недорогой источник питания с нулевыми пульсациями. – Электроника, 1973, № 23, с 62.

Шило В. Л Линейные интегральные схемы. – М. Cов. Радио, 1979, 368 с.

Автор публикации – Б. Успенский, опубликовано в сборнике «В помощь радиолюбителю», выпуск 91. – М.: ДОСААФ, 1985.