Раздел пятый

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

5-1, ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении обладают лучшими электрическими параметрами и характеристиками по сравнению с аналогичными стабилизаторами напряжения, вЬшолненными на полупроводниковых приборах. К тому же ряд общих достоинств интегральных микросхем - высокая надежность, малые габариты и масса, низкая цена - обеспечивают широкое внедрение интегральных стабилизаторов напряжения в радиоэлектронную аппаратуру.

При проектировании маломощной и малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры интегральный стабилизатор напряжения размещается на своем традиционном месте - после выпрямителя. При проектировании крупных разветвленных систем может оказаться более предпочтительным устанавливать общий нестабилизированный щеточник питания и индивидуальные стабилизаторы там, где это необходимо, например на некоторых схемных платах. Опыт показывает, что это способствует уменьшению помех и перекрестных искажений по цепям питании.

В радиолюбительской практике наибольшее лримеиение найдут интегральные стабилизаторы напряжения непрерывного действия с обратной связью, в которых не используются ключевые элементы.

Интегральная технология (позволяет создавать различные стабилизирующие устройства - от простейших параметрических стабилизаторов, в качестве которых используется один нз переходов интегрального транзистора, до сложных стаби.тизаторов компенсационного типа. На рис. 5-1 представлены функциональные схемы стабилизаторов напряжения компенсационного типа.

.J , I------...-

Рис. 5-1. Функциональные схемы стабилизаторов напряжения.

а - последовательный стабилизатор напряжения; б - параллельный стабилизатор напряжения; / - источник стабилизируемого напряжения: 2 - регулирующий элемент; 3 - усилитель оишбки; 4 - источник опорного напряжения; 5 - элемент измерения выходного напряжения: 6 - нагрузка стабилизатора.

Регулирующий элемент 2 играет роль переменного резистора, включенного последовательно или параллельно с нагрузкой стабилизатора 6. При изменении напряжения на сопротивлении нагрузки 6 меняется сопротивление регулирующего элемента таким образом, чтобы скомпенсировать эти изменения. Воздействие на регулирующий элемент осуществляется через цепь обратной связи, содержащую управляющий элемент 3 (обычно один из видов дифференциального или опбрацноиного усилителя), источник опорного напряжения 4 и элемент для измерения стабилизируемого напряжения 5.

Стабилизатор напряжения называют последовательным (рис. 5-1, а), если Пагрузка включена последовательно с регулирующим элементом. В некоторых случаях возникает необходимость нагрузку включать параллельно регулирующему элементу схемы (рис. 5-1, б), такой стабилизатор напряжения называется параллельным.

Следует ли применять последовательный или параллельный стабилизатор, зависит от таких факторов, как вид источника питання, поведение его в режиме короткого замыкания и холостого хода, нестабильность нагрузки, к.п.д. н т. д.

Последовательный стабилизатор напряжения имеет более высокий к. п. д. при частичной загрузке. Параллельный стабилизатор потребляет постояннуго мощность от источника и рашределяет ее между нагрузкой и регулирующим э.чемеитом. Параллельные стабилизаторы наиболее целесообразно применять при сугубо постоянных нагрузках в режиме, близком к полной загрузке. Параллельный стабилизатор безопасен при коротком замыкании, а последовательный стабилизатор - при холостом ходе.

При коротком замыкании в случае использования параллельного стабилизатора обязательный последовательный резистор Ядоп должен быть способен рассеять всю .мощность источника питания, а в случае использования последовательного стабилизатора эту мощность должен ратееять сам регулирующий элемент.

В режиме холосгого хода параллельный элемент должен рассеять всю мощность, которую по расчетам должен отдать источник питания, а последовательный элемент должен выдержать повын1еииое напряжение, которое возникает вследствие отсутствая нагрузки. При постоянных нагрузках как параллельный, так н последовательный стабилизаторы одинаково пригодны для пркмене-ння и обеспечивают высокие к. п. д. При изменяющихся нагрузках последовательный стабилизатор обеспечивает более высокий к. п. д.-

Элемент измерения напряжения 5 нредставляет собой потенциометр (делитель), с .которого сии.мается часть выходного напряжения. Отрицательная обрат-нйя связь регулирует выходное иапряжение, используемое для питания нагрузки, таким образом, чтобы выходное напряжение потенциометра равнялось опор-кому напряжению. Отклонение этого напряжения от опорного вызывает боль-1нее или меньшее падение напряжения иа регулирующем элементе, следовательно, элементом измерения напряжешш .можно в иекоторых пределах регулировать выходное напряжение. Если стабилизатор выполняется иа фиксированное ныход1юе иапряжение, то элемент измереиия напряжения выполняется внутри ИЛгС с температурной компенсацией. Если выходное напряженке .имеет широкий диапазон, то элемент измерения напряження выполняется вне ИМС. Для обеспечения длителыюй стабильности выходного напряжения необходимо не только строго соблюдать номинальные мощности резисторов, используемых в качестве элемента измерения выходного напряжения, но и использовать в качестве таких резисторов резисторы с низким те.мпературны.м коэффициентом сопротивления.

Нижний предел тока делителя определяется входным током управляющего элемента, ток делителя должен быть всегда больше входного тока управляющего элемента при минимальном выходном напряжении в интервале рабочих температур. .

Источник опорного напряжения 4, как правило, всегда находится в составе микросхемы и представляет собой стабилизатор с температурной компенсацией.

. В качестве регулирующего элемента 2 чаще всего используется транзистор или каскады транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором (рис. 5-2). Но.ми-нальная мощность транзисторов Т1-ТЗ определяется номинальным током нагрузки и падением напряження иа этих транзисторах.

Ток через регулирующий элемент в нагрузки /«и падение напряжения на нем Ubx-Ukmx определяют мощность, которую потребляет регулирующий элемент. С учетом мощности, потребляемой параметрическим стабилизатором и усилителем ошибки, это будет мощность, которую потребляет микросхема:

Рис. 5-2. Функциональная схема стабилизатора напряжения с регулирующим элементом иа эмиттерных повторителях.

10-52

Лтот = /» (UbK - t/вых) + In Ubs.

где In - ток потерь (ток, потребляемый параметрическим стабилизатором в усилителем ошибки). Потребляемая мощность ие должна превышать мощность, которую может рассеять ИМС через свой корпус в окружающее пространство

Ррас, т. е. PnOT<jPpac.

Кроме ограничения по мощности, которую может рассеять микросхема, существуют ограничения по макснмальяому 1/вх.макс и минимальному вх.мип входным напряжениям. В .первом случае - из-за пробоя микросхемы и тех же соображений непревышения Ррас, а во втором случае - из-за потери работоспособности -Туход параметров .стабилизатора за пределы гарантируемых норм) стабилизатора.

Кроме упомянутых параметров режима стабилизаторы напряжения характеризуются следующими основными параметрами.

Нестабильность по напряжению, %, определяется по формулам:

при А 1/вх = 1 В

при А 1/вх f В

Ки = «00:

г I MI •

где t/вых - выходное напряжение; At/вх - изменение входного напряжения; АОвых - изменение выходного напряжения, вызванное изменением входного напряжения. •

Нестабильнрсть по току, %,

А£/вых ,„„ Kf - ---100,

/-вых

где At/вых - изменение выходного напряжения, вызванное изменением выходного тока в заданных пределах.

Относительный температурный коэффициент напряжения, % / °С,

KWantW Ы ,00,

вых А/1/рь,х(о

где вых«о - значение выходного напряжения при нормальной температуре окружающей средь1; t/выхм. {вых<2 - значения выходного напряжения при температуре окружающей среды и <2 соответственно; is - крайние значения температурного диапазона эксплуатации ИМС; Kt - t2-i. Ток потерь, мА,

/х[ = 2/вх - 2/вых.

где S/bx, 2/вых - сумма токов на входных и выходных клеммах микросхемы соответственно, мА.

Коэффициент сглаживания пульсаций) дБ,

л:сг = 201е--

г/вых~

/Ссг-

t/BblX-

где вх~ ~ переменная составляющая входного напряжения; вых ~ - выходного напряжения.