Интегральный линейный стабилизатор напряжения

Представленная на Рис. 1 схема стабилизатора может быть выполнена в виде интегральной схемы. Такие схемы выпускаются промышленностью (например, серии рА78хх, LM310, 142Енхх, TPS77xxx и др.) на несколько фиксированных значений стандартных выходных напряжений: 1.2...27 В. В таком исполнении схема может иметь только три внешних вывода: вход, выход и общий вывод (Рис. 2). примеры использования.

Рис. 2. Типовая упрощенная схема интегрального стабилизатора напряжения

Характерной особенностью этого стабилизатора является включение регулирующего -n-p–n транзистора по схеме с общим коллектором (эмиттерным повторителем).

В зарубежной литературе такое устройство часто называют п-р-п-стабилизатором. Требования, предъявляемые к усилителю ошибки, не очень высоки и он, как правило, выполняется по простейшей схеме дифференциального усилителя. Опорное напряжение может быть получено самыми различными способами. На Рис. 2 в качестве источника опорного напряжения символически показан стабилитрон VD1 Реально в низковольтных стабилизаторах используется так называемый 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 установится равным

V_OUT = V_REF (1+ R₁ / R₂)-

Интегральный стабилизатор напряжения имеет встроенную схему ограничения выходного тока, состоящую в данном случае из резистора Л3 и транзистора VT2. Если падение напряжения на Л3 превысит величину, равную приближенно 0.6 В, транзистор УТ2 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VTU поэтому величина выходного тока стабилизатора ограничена уровнем

I_OUT__MAX = 0-6В / R₃ .

При этом максимальная мощность, рассеиваемая на выходном регулирующем транзисторе VTU будет равна

Pт = I_OUT__MAX (V _in – V_OUT) ( 1 )

В случае короткого замыкания нагрузки (режим КЗ) эта мощность может значительно превысить предельную мощность для регулирующего транзистора, т. к. при этом выходное напряжение упадет от номинальной величины до нуля. Чтобы снизить мощность, рассеиваемую транзистором в режиме КЗ, одновременно с уменьшением выходного напряжения (точнее, с увеличением разности потенциалов «вход—выход») нужно уменьшать уровень ограничения тока. При таком способе ограничения тока выходная характеристика стабилизатора имеет неустойчивый участок (Z-характеристика). Она изображена на Рис. 3.

Рис. 3. Выходная характеристика стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания нагрузки (Z-характеристика)

С увеличением напряжения на регулирующем транзисторе (например, из-за нестабильности входного напряжения) происходит быстрый рост мощности, рассеиваемой на его коллекторном переходе.

Это обусловлено тем, что соответственно возрастает разность напряжений (KIN— Коит), которая входит в выражение для мощности (1). Защита выходного транзистора от перегрева в этом случае достигается тем, что уровень ограничения тока /оит_мдх делают зависимым от разности напряжений (V _in – V_OUT)- В схеме на Рис. 2 для этой цели служат резистор R₅ и стабилитрон VD₂.

Если разность напряжений (V _in – V_OUT) остается меньшей, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD₂, через резистор R5 ток не течет. В этом случае уровень ограничения тока остается равным 0.6 В/R3. Если же эта разность превысит величину напряжения стабилизации стабилитрона, замыкается цепь делителя напряжения на резисторах R_5, R₄ и к эмиттерному переходу транзистора VT₂ прикладывается дополнительное положительное напряжение. В результате транзистор VT₂ будет открываться при меньших токах через регулирующий транзистор VT₁.

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

Конденсатор Ск осуществляет необходимую частотную коррекцию схемы. В качестве дополнительной меры по предотвращению самовозбуждения следует включать на входе и выходе стабилизаторов конденсаторы емкостью10 мкФ. В последнее время на рынке появились стабилизаторы, так назы ваемые Cap-free, которые не требуют подключения внешних конденсаторов параллельно выходу. Примером может служить REG 103 фирмы Burr-Brown.

Кроме стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением выпускаются также регулируемые стабилизаторы напряжения (например, 142ЕНЗ или 1168ЕН1). В схемах таких стабилизаторов отсутствует делитель напряжения R\R2, а база транзистора VT₄ подключена к выводу микросхемы для соединения с внешним делителем напряжения. Значительная часть ИМС регулируемых стабилизаторов ( A78G, 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. Усовершенствование 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 числом выводов больше 3 (например, ADP3331, TPS70151 и др.), которые помимо входов обратной связи имеют также дополнительные входы для управления цепями защиты от КЗ, от перегрузки по току и других подобных режимов.__