Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике

ПОИСК ПО САЙТУ:

 
  
  

 

Основы электроники

Линейные стабилизаторы напряжения - назначение, основные параметры и схемы включения

 

Пожалуй ни одна электронная плата не обходится сегодня хотя бы без одного источника стабильного постоянного напряжения. И очень часто именно линейные стабилизаторы напряжения в виде микросхем служат в качестве таких источников. В отличие от выпрямителя с трансформатором, у которого напряжение так или иначе зависит от тока нагрузки и может немного колебаться по разным причинам, интегральная микросхема - стабилизатор (регулятор) способна дать постоянное напряжение в точно определенном диапазоне токов нагрузки.

Линейные стабилизаторы напряжения - назначение, основные параметры и схемы включения

Данные микросхемы строятся на основе полевых или биполярных транзисторов, непрерывно работающих в активном режиме. Кроме регулирующего транзистора, на кристалле микросхемы линейного стабилизатора установлена еще и схема управления им.

Исторически, прежде чем появилась возможность изготавливать такие стабилизаторы в виде микросхем, стоял вопрос о решении проблемы температурной стабильности параметров, ведь с нагревом в процессе работы, параметры узлов микросхемы изменялись бы.

Решение пришло в 1967 году, когда американский инженер-электронщик Роберт Видлар предложил такую схему стабилизатора, в которой регулировочный транзистор включался бы между источником нестабилизированного входного напряжения и нагрузкой, а в схеме управления присутствовал бы усилитель ошибки с термокомпенсированным источником опорного напряжения. В итоге популярность линейных интегральных стабилизаторов на рынке электронных компонентов взлетела до небес.

Линейный интегральный стабилизатор

Взгляните на рисунок ниже. Здесь изображена упрощенная схема линейного стабилизатора напряжения (такого как например LM310 или 142ЕНхх). В данной схеме неинвертирующий операционный усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению, с помощью своего выходного тока управляет степенью отпирания регулирующего транзистора VT1, включенного по схеме с общим коллектором — эмиттерный повторитель.

Схема линейного стабилизатора напряжения

Сам операционный усилитель получает питание от входного источника в форме однополярного положительного напряжения. И хотя отрицательное напряжение здесь для питания не подойдет, напряжение питания ОУ можно без проблем удвоить, не опасаясь перегрузки или пробоя.

Суть в том, что глубокая отрицательная обратная связь нивелирует нестабильность входного напряжения, величина которого в данной схеме может достигать 30 вольт. Так, фиксированные выходные напряжения варьируются от 1,2 до 27 вольт, в зависимости от модели микросхемы.

Микросхема стабилизатора традиционно имеет три вывода: вход, общий и выход. На рисунке приведена типичная схема дифференциального усилителя в составе микросхемы, где для получения опорного напряжения применен стабилитрон.

Схема дифференциального усилителя в составе микросхемы

В низковольтных стабилизаторах опорное напряжение получают на ширине запрещенной зоны, как это и предложил впервые Видлар в своем первом линейном интегральном стабилизаторе LM109. В цепи отрицательной обратной связи установлен делитель на резисторах R1 и R2, посредством действия которого выходное напряжение оказывается как раз пропорциональным опорному в соответствии с формулой Uвых= Uvd(1 + R2/R1).

Встроенные в стабилизатор резистор R3 и транзистор VT2 служат для ограничения выходного тока, так что если напряжение на токоограничительном резисторе превысит 0,6 вольт, то транзистор VT2 мгновенно откроется, чем вызовет ограничение тока базы главного регулировочного транзистора VT1. Получается, что выходной ток в нормальном рабочем режиме стабилизатора ограничен величиной 0,6/R3. А рассеиваемая регулировочным транзистором мощность будет зависеть от входного напряжения, и окажется равна 0,6(Uвх — Uвых)/R3.

Вольт-амперная характеристика

Если по какой-то причине на выходе интегрального стабилизатора случится короткое замыкание, то нельзя допустить, чтобы рассеиваемая на кристалле мощность оставалась бы как прежде пропорциональной разности напряжений и обратно пропорциональной сопротивлению резистора R3. Поэтому в схеме присутствуют защитные элементы - стабилитрон VD2 и резистор R5, работа которых ставит уровень защиты по току в зависимость от разности напряжений Uвх-Uвых.

На приведенном графике можно видеть, что максимальный выходной ток зависит от напряжения выхода, таким образом микросхема линейного стабилизатора надежно защищена от перегрузки. Когда разность напряжений Uвх-Uвых превысит напряжение стабилизации стабилитрона VD2, делитель на резисторах R4 и R5 создаст в базе транзистора VT2 достаточный ток для его отпирания, что в свою очередь приведет к усилению ограничения тока базы регулировочного транзистора VT1.

Самые новые модели линейных стабилизаторов, такие как ADP3303, оснащены тепловой защитой от перегрузок, когда при нагреве кристалла до 165°С выходной ток резко снижается. Конденсатор на приведенной выше схеме необходим для частотной коррекции.

Кстати, о конденсаторах. Ко входу и выходу интегральных стабилизаторов принято подключать конденсаторы минимальной емкости 100нф, чтобы избежать ложного срабатывания внутренних цепей микросхемы. Между тем, существуют так называемые бесконденсаторные стабилизаторы (cap-free), наподобие REG103, для которых нет необходимости в установке стабилизирующих конденсаторов на входе и выходе.


Помимо линейных стабилизаторов с фиксированным напряжением выхода, встречаются и стабилизаторы с регулируемым выходным напряжением стабилизации. В них делитель на резисторах R1 и R2 отсутствует, а база транзистора VT4 выведена на отдельную ножку микросхемы для присоединения внешнего делителя, как например у микросхемы 142ЕН4.

Более совершенные стабилизаторы, у которых ток потребления схемы управления снижен до нескольких десятков микроампер, такие как LM317, имеют всего три вывода. Справедливости ради отметим, что встречаются сегодня и высокоточные регуляторы напряжения вроде TPS70151, которые благодаря наличию нескольких дополнительных выводов позволяют реализовать защиту от падения напряжения на соединительных проводах, управление отключением нагрузки и т. д.

Выше мы поговорили о стабилизаторах положительного, относительно общего провода, напряжения. Подобные схемы используются и для стабилизации отрицательных напряжений, достаточно лишь изолировать гальванически вывод входного напряжения от общей точки. Вывод выхода соединяется тогда с общей точкой выхода, а точка отрицательного выхода будет точкой минуса входа, соединенной с общей точкой микросхемы стабилизатора. Весьма удобны стабилизаторы напряжения отрицательной полярности наподобие 1168ЕНхх.

Схема стабилизатора КР142ЕН6

Если необходимо получить сразу два напряжения (положительной и отрицательной полярности), то и для этой цели существуют специальные стабилизаторы, дающие симметричные стабилизированные положительное и отрицательное напряжения одновременно, достаточно лишь подать на входы положительное и отрицательное входные напряжения. Примером такого двухполярного стабилизатора может служить КР142ЕН6.

На рисунке выше приведена его упрощенная схема. Здесь дифференциальный усилитель №2 управляет транзистором VT2 так, чтобы соблюдалось равенство -UвыхR1/(R1 + R3)=-Uоп. А усилитель №1 управляет транзистором VT1 так, чтобы потенциал в точке соединения резисторов R2 и R4 оставался нулевым. Если при этом резисторы R2 и R4 равны, то и выходные напряжения (положительное и отрицательное) останутся симметричными.

Для независимой регулировки баланса между двумя (положительным и отрицательным) выходными напряжениями, можно подключить к специальным выводам микросхемы дополнительные подстроечные резисторы.

Схема линейного стабилизатора напряжения

Наименьшее падение напряжения, характерное для приведенных выше схем линейных стабилизаторов, составляет 3 вольта. Это достаточно много для устройств, питаемых от аккумуляторов или батареек, и желательно вообще падение напряжения минимизировать. Для данной цели выходной транзистор делается pnp-типа, чтобы ток коллектора дифференциального каскада был бы одновременно базовым током регулирующего транзистора VT1. Минимальное падение напряжения теперь составит порядка 1 вольта.

Аналогичным образом работают стабилизаторы отрицательного напряжения с минимальным падением. К примеру, стабилизаторы серии 1170ЕНхх имеют на себе падение напряжения около 0,6 вольт, и не перегреваются будучи выполнены в корпусе ТО-92 при токах нагрузки до 100 мА. Сам стабилизатор расходует при этом не более 1,2 мА.

Подобные стабилизаторы относятся к категории low-drop. Еще меньшее падение напряжения достигнуто на стабилизаторах на базе МОП-транзисторов (порядка 55 мВ при токе потребления микросхемы 1 мА) вроде микросхемы MAX8865.

Некоторые модели стабилизаторов с целью снижения энергопотребления устройств в режиме ожидания оснащены выводами Shutdown – при подаче на этот вывод логического уровня — потребление стабилизатора снижается практически до нуля (линейка LT176x).

Говоря об интегральных линейных стабилизаторах, отмечают их эксплуатационные характеристики, а также динамические и точностные параметры.

Параметры точности — это коэффициент стабилизации, точность установления выходного напряжения, выходное сопротивление и температурный коэффициент напряжения. Каждый из этих параметров указан в документации, с ними связана точность выходного напряжения в зависимости от входного напряжения и от текущей температуры кристалла.

Динамические параметры, такие как коэффициент подавления пульсаций и полное выходное сопротивление задаются для различных частот изменения тока нагрузки и входного напряжения.

Эксплуатационные характеристики, такие как диапазон входных напряжений, номинальное выходное напряжение, максимальный ток нагрузки, максимальная мощность рассеяния, максимальная разность напряжений входа и выхода при максимальном токе нагрузки, ток холостого хода, диапазон рабочих температур, - все эти параметры влияют на выбор того или иного стабилизатора для той или иной схемы.

Характеристики линейных стабилизаторов напряжения

Вот типовые и наиболее популярные схемы включения линейных стабилизаторов:

Наиболее популярные схемы включения линейных стабилизаторов

Если необходимо повысить выходное напряжение линейного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением, к общему выводу добавляют последовательно стабилитрон:

Схема вкючения с использованием стабилитрона

Для повышения максимально допустимого выходного тока, параллельно стабилизатору включают более мощный транзистор, превращая регулировочный транзистор внутри микросхемы в часть составного транзистора:

Схема включения с регулировочным транзистором

При необходимости стабилизировать ток, стабилизатор напряжения включают по следующей схеме.

Стабилизация тока

В этом случае падение напряжения на резисторе окажется равным напряжению стабилизации, что приведет к значительным потерям если напряжение стабилизации велико. В связи с этим более целесообразным станет выбор в пользу стабилизатора на возможно меньшее выходное напряжение, как КР142ЕН12 на 1,2 вольта.

Поделитесь с друзьями:

Статьи близкие по теме:

  • Сглаживающие фильтры и стабилизаторы напряжения
  • Феррорезонансные стабилизаторы напряжения - принцип работы
  • Стабилизаторы фаз как средство улучшения качества электроэнергии
  • Принцип работы электронного стабилизатора напряжения
  • Регуляция электроэнергии
  • Трёхфазная стабилизация
  • Стабилизаторы напряжения для производства
  • Школа для электрика в Facebook и ВКонтакте:


    Оставьте комментарий:


    Основы электротехники | Основы электроники | Электричество для чайников
    Электрические аппараты | Электрические машины | Справочник электрика
     Электроснабжение | Электрические измерения | Электрические схемы
     Электричсекое освещение | Электромонтажные работы | Эксплуатация электрооборудования
    Алфавитный указатель: