Построение и расчет стабилизаторов на интегральных микросхемах

Рис. 6.1

Типовая схема включения интегральных микросхем стабилизаторов на фиксированное напряжение приведена на рис. 6.1. Выходной конденсатор С2 (не менее 1 мкФ для танталовых и не менее 10 мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов) обеспечивает устойчивость при импульсном изменении тока нагрузки, снижает уровень пульсации. Входной конденсатор С1 (не менее 2,2 мкФ для танталовых и не менее 10 мкФ для алюминиевых оксидных конденсаторов) необходимо включить для устранения генерации при скачкообразном включении входного напряжения. Эта генерация возникает в стабилизаторе из-за влияния паразитных индуктивности и емкости соединительных проводов, образующих контур ударного возбуждения. В отсутствии С1 амплитуда паразитных колебаний может превысить максимально допустимое входное напряжение, что приведет к пробою перехода коллектор-эмиттер регулирующего транзистора. В тех случаях, когда емкость С₂>20мкФ, случайные замыкания входной цепи могут представлять опасность для микросхемы, поскольку импульсы разрядного тока выходных конденсаторов будут создавать на ней импульсы обратного напряжения значительной амплитуды. Для защиты микросхемы от подобных перегрузок необходимо включить диод VD1 (КД510А), шунтирующий ее при замыкании входной цепи.

Регулируемые стабилизаторы напряженияимеют дополнительный вывод, предназначенный для подключения делителя выходного напряжения (четырехвыводные стабилизаторы). С его помощью можно изменять или подстраивать выходное напряжение (рис. 6.2).

Рис. 6.2

Структурная схема DA такая же, как у трехвыводного стабилизатора. На практике регулируемые стабилизаторы могут иметь дополнительные выводы: для подключения умощняющих транзисторов к силовой цепи; для подачи внешнего сигнала, отключающего ИМС; для подключения конденсаторов корректирующих переходные процессы. Регулируемое выходное напряжение можно получить и с помощью трехвыводного стабилизатора (рис. 6.3).

Рис. 6.3

Выходное напряжение:

U_вых=U_выхном+(I_п+I_д)R₂ , (6.1)

где U_выхном – выходное напряжение микросхемы; I_П – ток, потребляемый стабилизатором, I_д – ток делителя R1,R2.

На рис. 6.4 приведена принципиальная схема стабилизатора с регулированием выходного напряжения на ИМС К142ЕН1, К142ЕН2.

Рис. 6.4

Микросхема выполнена на кристалле 1,7Х1,7 мм. Регулируемый элемент – составной транзистор VT6, VT7. Применение составного транзистора позволяет существенно увеличить коэффициент передачи тока и уменьшить влияние неуправляемого коллекторного тока. Источник опорного напряжения служит для формирования опорного (эталонного) напряжения, с которым сравнивается часть выходного напряжения. Выделенный в результате сравнения сигнал рассогласования обеспечивает процесс автоматического регулирования выходного напряжения стабилизатора. Источник опорного напряжения в интегральном стабилизаторе представляет собой параметрический стабилизатор. В качестве стабилитрона VD1 используется эмиттер-базовый переход транзистора, смещенный в обратном направлении и имеющий характеристику лавинного пробоя. Для улучшения качества эталонного напряжения ток стабилитрона стабилизируется. В качестве стабилизатора тока используется МОП транзистор VT1, у которого закорочены выводы истока и затвора. Для уменьшения выходного сопротивления параметрического стабилизатора на его выход включают эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT3, резисторах R1, R2 и диоде VD2. Основным фактором, влияющим на качество опорного напряжения, является нестабильность, вызванная изменением температурных условий интегральной схемы. Для температурной компенсации опорного напряжения в схему параметрического стабилизатора вводят диод VD2.Делитель напряжения (резисторы R1, R2 ) позволяет получать опорное напряжение меньшее, чем напряжение стабилизатора VD1. Усилитель постоянного тока выполнен по дифференциальной схеме и состоит из транзисторов VT4, VT5. МОП транзистор VT2 включен как стабилизатор тока и является коллекторной нагрузкой транзистора VT5. Применение стабилизатора тока в качестве коллекторной нагрузки позволяет увеличить коэффициент усиления каскада.

Для нормальной работы интегрального стабилизатора напряжения, а также для получения заданного значения выходного напряжения к микросхеме подключают дополнительные дискретные элементы: резисторы и конденсаторы. Делитель напряжения, выполненный на резисторах R8, R9, является делителем обратной связи. Необходимую величину выходного напряжения устанавливают при помощи переменного резистора R8. При помощи резисторов R5, R6, R7 обеспечивается работа схемы защиты при заданных перегрузках по току. В данной схеме источник опорного напряжения и усилитель постоянного тока питаются от входного напряжения. При изменении входного напряжения U_вх ( например, увеличении ) в первый момент возрастает выходное напряжение U_вых. Это вызывает повышение напряжений на резисторах делителя R8, R9. Напряжение на нижнем плече делителя U_R8,9 сравнивается с напряжением на резисторе R3, которое равно опорному напряжению U_on. Увеличение напряжения U_R8,9 приводит к возрастанию токов базы и коллектора транзистора VT5. Ток стока МОП транзистора VT2 I_C2 величина постоянная, равная сумме токов I_K5+I_б7. При повышении тока I_K5 ток базы транзистора I_б7 уменьшается, так как I_C2=const. Уменьшение тока I_б7 приводит к уменьшению тока базы транзистора VT6 I_б6 и к увеличению напряжения коллектор – эмиттер. В результате напряжение U_вых уменьшается до своего первоначального значения с определенной степенью точности. При изменении тока нагрузки I_н ( например, понижении ) в первый момент уменьшаются падение напряжения на регулирующем транзисторе VT6 и падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, питающего стабилизатор. Увеличивается выходное напряжение U_вых , что приводит к возрастанию напряжения на нижнем плече делителя U_R8,9. В дальнейшем схема работает так, как было показано выше. В стабилизаторе предусмотрена защита от перегрузок по току и от короткого замыкания. Эту функцию в интегральном стабилизаторе выполняет транзистор VT9, который работает совместно с дополнительными внешними резисторами R5, R6, R7.

Напряжение база-эмиттер транзистора VT9: U_бэ9=U_R6-U_бэ6-U_R5. При нормальной работе транзистора, когда ток нагрузки не превышает заданное максимальное значение, напряжение U_R5 мало и напряжение U_R6>(U_R5+U_бэ6).

В этом случае на базу транзистора VT9 относительно его эмиттера подается отрицательное смещение и он заперт. При перегрузке по току или коротком замыкании на выходе схемы напряжение U_R5 возрастает и становится больше напряжения (U_бэ6-U_R6). Транзистор VT9 открывается, и на базу составного регулирующего транзистора (VT6, VT7 ) подается отрицательный потенциал с резистора R5. Регулирующий транзистор запирается и ограничивает величину тока нагрузки. При устранении перегрузки схема возвращается в исходное состояние. Изменяя величину сопротивления резистора R5, можно регулировать величину тока, при котором срабатывает защита.

В интегральном стабилизаторе предусмотрена возможность запирать составной регулирующий транзистор внешним сигналом. Если на базу транзистора VT8 интегральной схемы ( вывод 9) от внешнего источника подать положительный сигнал, то транзистор открывается. При этом на базу составного регулирующего транзистора VT6, VT7 подается отрицательный потенциал через открытый транзистор VT8. Составной транзистор запирается. Выходное напряжение стабилизатора падает до нуля.

Качество работы ИСН оценивается следующими параметрами. Нестабильность выходного напряжения при заданном изменении входного напряжения:

, [%/B]. (6.2)

Коэффициент стабилизации – отношение относительных нестабильностей входного и выходного напряжений:

. (6.3)

Нестабильность по току при заданном сбросе тока нагрузки:

, [%/A], (6.4)

где I_выхном – номинальный ток нагрузки.

Внутреннее сопротивление:

, [Ом]. (6.5)

Коэффициент сглаживания пульсации – отношение переменой составляющей входного напряжения к переменной составляющей выходного напряжения.

, [дБ]. (6.6)

Если К_сг не приведено, можно считать К_сг= 20lg К_ст.

Относительный температурный коэффициент нестабильности напряжения:

[%/^oC] , (6.7)

где U_вых0 – значение U_вых при нормальной температуре, а U_вых1 и U_вых2 – при температурах t₁ и t₂ соответственно;

t₁ и t₂ – крайние значения температурного интервала (для большинства ИСН t₂=125^оС, t₁=-60^оС ).

Падение напряжения на ИСН – U_пд, В.

Ток, потребляемый ИСН – I_П, мА.

Температурный коэффициент напряжения:

,[B/^oC]. (6.8 )

Допустимая мощность, рассеиваемая в ИСН, определяется в основном потерями на регулирующем элементе Р_расс.. Для увеличения рассеиваемой мощности микросхему устанавливают на теплоотвод. В таблице П2.3 Приложения 2 приведены параметры интегральных микросхем стабилизаторов напряжения.

Построение и расчет стабилизатора напряжения следует начать с выбора микросхемы. Исходные данные, необходимые для расчета: номинальное значение выходного напряжения U_вых; пределы регулирования выходного напряжения U_выхmin, U_выхmax; максимальный и минимальный токи нагрузки I_нmax, I_нmin; нестабильность входного напряжения α; нестабильность выходного напряжения K_u=∆U_вых/U_вых или коэффициент пульсаций выходного напряжения К_п; коэффициент стабилизации напряжения K_CT= α /K_u; внутреннее сопротивление стабилизатора R_вн; температурный коэффициент γ. Выбор ИМС производится по заданным U_вых, I_выхmax, К_ст (6.3), γ (6.8), R_вн (6.5). При этом следует отдавать предпочтение тем ИМС, которые работают с меньшим количеством внешних элементов. При этом должны быть выполнены условия : U_{вых имс}≥U_вых; I_{вых max имс}≥ I_{н max}; К_{ст имс}>К_ст. Независимо от типа выбранной микросхемы определяют минимальное, номинальное и максимальное напряжения на входе стабилизатора:

U_{вх min}=U_{вых max}+U_пд; ; U_{вх max}=U_вх (1+ α ₍₊₎),

где α ₍₊₎ , α _(-) – наибольшие положительные и отрицательные относительные изменения входного напряжения соответственно.

Возможные пределы изменения КПД:

(предполагается, что ток, потребляемый стабилизатором, мал, т.е. I_вых≈ I_вх)

Элементы принципиальной схемы стабилизатора на ИМС К142ЕН1, К142ЕН2 (рис. 6.5) рассчитываются следующим образом: делитель выходного напряжения R4,R5 выбирается из условия, чтобы через него протекал ток I_дне менее 1,5 мА. Сопротивление резистора R5 определяется уровнем опорного напряжения и составляет обычно 1,2 кОм.

.

Емкость выходного конденсатора С2, повышающего устойчивость стабилизатора и снижающего уровень пульсации выходного напряжения, выбирается из условия С₂≥2,2 мкФ. Для повышения устойчивости включается также конденсатор С₁≈0,1 мкФ.

Ток через делитель R2,R3 выбирается равным I_д =0,3 мА, а R2=2 кОм. Напряжение U_бэ9 транзистора защиты составляет 0,7 В, поэтому сопротивление, кОм,

.

Рис. 6.5

Зависимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки при действии схемы защиты показана на рис. 6.6.

Рис. 6.6.

Напряжение на резисторе защиты R1 открывает транзистор защиты VT9 только при токе I_пор, при этом I_пор≤I_нmax, а сопротивление резистора R1=0,7/I_пор.

Включение последовательно в выходную цепь ИСН резистора R1 увеличивает его внутреннее сопротивление, поэтому R1 выбирают минимально возможным. Схема стабилизатора (рис. 6.7) может работать на повышенном токе нагрузки благодаря включению составного транзистора VT1,VT2.

Рис. 6.7

Расчет стабилизатора производится в следующем порядке. Ток через транзистор VT1

I_k1max=I_{н max}+I_п ,

где I_п - ток, потребляемый стабилизатором.

Максимальное напряжение на входе стабилизатора с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя r₀

U_вхmm=U_вхmax+(I_нmax-I_нmin)r_0.

Величину r₀ можно принять равной (0,05-0,1)U_вх/I_н.

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT1

U_кэ1max=U_вхmm-U_н.

Максимальная мощность, рассеиваемая на регулируемом транзисторе VT1

P_к1=(U_вхmax-U_н)I_к1max.

По данным U_кэ1max, I_k1max, P_k1 выбирают тип регулируемого транзистора.

При этом необходимо учесть, что расчетные величины должны быть меньше предельных величин, указанных в справочнике.

Максимальный ток базы транзистора VT1

I_б1max=I_k1max/h_21max.

Если I_б1max меньше номинального тока нагрузки I_ном ИМС, то транзистор VT2 вводить в схему не нужно. Вывод I3 ИМС следует соединить с базой VT1, а резистор R1 убрать. Транзистор VT1 является третьим в составном регулируемом транзисторе стабилизатора. Если I_б1max>I_ном, включают еще один транзистор VT2, предварительно определив следующие параметры.

Ток через резисторы R2, R3

I_R2,3=(1..1,5)I_ko2max,

где I_ko2max - наибольший обратный ток коллектора транзистора VT2. Если VT2 отсутствует, I_R2,3=1мА.

Сопротивление резисторов R2, R3

(R2+R3)=U_н/I_R2,3.

Максимальное значение тока эмиттера транзистора VT2

I_{э2 max}=(I_{б1 max} + I_R2,3)≈ I_{k2 max}.

Максимальное напряжение U_кэ2max транзистора VT2

U_кэ2max≈U_кэ1max.

Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT2,

Р_к2=I_k2max∙U_кэ2max.

По величинам I_k2max,U_кэmax, Р_к2 выбирают транзистор VT2.

Сопротивление R₁=U_н/1mA.

Наибольший ток базы транзистора VT2

I_б2=I_k2max/h_21э2max.

Необходимо проверить соблюдение условия I_б2max≤I_{выхmaxимс}.

Защита от перегрузки и короткого замыкания осуществляется напряжением, подаваемым с резистора R₄ на базу транзистора защиты по току в ИМС.

Сопротивление резистора защиты:

R4=U_R4/I_пор,

Отношение R2/R3 следует выбирать таким, чтобы при нормальном токе нагрузки напряжение между выводами 10 и11 ИМС, между базой и эмиттером транзистора защиты по току, было близким к нулю:

U_10-11=U_R4+U_бэ1-U_R2≈0.

Из этого условия определяют сопротивление:

.

Мощность, рассеиваемая на резисторах:

P_R=I_R²R.

Интегральные стабилизаторы типов К142ЕН3, К142ЕН4 выполнены на кристалле размером 2,2Х2,2 мм. Принципиальная электрическая схема значительно усложнена по сравнению со схемой стабилизаторов К142ЕН1, К142ЕН2 за счет введения двухкаскадного дифференциального УПТ с токостабилизирующими двухполюсниками, что существенно повысило стабильность по напряжению, а наличие мощного регулирующего транзистора обеспечило ток нагрузки ИМС до 1А.

Рис. 6.8

Типовая схема включения стабилизаторов К142ЕН3, К142ЕН4 приведена на рис. 6.8. Назначение элементов: R1 - ограничительный резистор выключения микросхем внешним сигналом; R2 - ограничительный резистор для регулирования порога срабатывания тепловой защиты в диапазоне температур корпуса микросхемы Тк от +65⁰ до +145⁰С; R3 - резистор защиты от перегрузки по току или короткого замыкания; Ск - корректирующий конденсатор; совместно с выходным конденсатором Сн он обеспечивает устойчивую работу стабилизатора (обычно Ск=0,01 мкФ, Сн≈2,2 мкФ).

Резистор R2, кОм, выбирают из условия:

.

Сопротивление ограничительного резистора, кОм,

,

где U_y - амплитуда управляющего импульса включения.

При управлении от микросхемы с ТТЛ- выходом U_y составляет около 5 В.

Сопротивление резистора защиты:

.

Ток, протекающий через выходной делитель R4, R5 I_д>1,5 мА.

Общее сопротивление делителя

.

Напряжение на резисторе R5 должно быть равно образцовому:

U_обр=2,5 В+10%. Тогда ; R₄=R_4,5-R₅.

Фиксированное выходное напряжение можно получить в стабилизаторах на ИМС К142ЕН5, К142ЕН8, КР142ЕН8, К142ЕН9, КР142ЕН17, КР1157, КР1162 (рис. 6.1). Номер входного, выходного и общего выводов указан в таблице П2.3. В зависимости от того, включен ли регулирующий транзистор в плюсовой или минусовой провод, в таблице приводится соответствующее обозначение (+вход) или (- вход). Эти же ИМС, а также КР142ЕН12, КР142ЕН18 могут использоваться в схемах стабилизаторов с регулированием выходного напряжения (рис. 6.3).

Ток делителя R1, R2 I_д>3I_п.

R₁=U_{вых ном}/I_д (6.9)

Используя формулу (6.1) и заменяя I_д из (6.9), получаем:

, (6.10)

Если в таблице П2.3 не указан I_п, I_д принимают равным 5 мА. Рассчитывая делитель в стабилизаторе на ИМС КР142ЕН12, КР142ЕН18, U_выхном нужно заменить на U_выхmin. Кроме того, для снижения уровня фона при выходном напряжении, близком к минимальному, рекомендуется в измерительный элемент стабилизатора на ИМС КР142ЕН12, КР142ЕН18 включать сглаживающий конденсатор С₃=(2…10) мкФ. При U_вых >25 В, если возможно замыкание входной цепи стабилизатора, следует при наличии конденсатора С3 включить диод VD2 (КД521А), защищающий вход управления микросхемы.

Микросхемы 142ЕН10 и 142ЕН11 – четырехвыводные регулируемые стабилизаторы. ИМС 142ЕН10 включается по схеме рис. 6.2 , а для ИМС 142ЕН11 выводы 3 и 4 соединяются и схема включения преобразуется в рис. 6.3. Ток делителя R1, R2 I_д>3I_п.

, (6.11)

где U_ос – напряжение обратной связи; в К142ЕН10 U_ос≈2,3 В, а в К142ЕН11 U_ос≈1,25 В. Сопротивления R1 и R2 находят из (6.11).

Микросхемы КР142ЕН14 – улучшенный аналог стабилизаторов К142ЕН1 и К142ЕН2. Типовая схема включения ИМС для выходного напряжения 2…7В показана на рис. 6.9, а для выходного напряжения 7…37 В – на рис. 6.10. Поскольку выводы 11 и 12 соединены, все узлы микросхемы питаются от общего источника нестабилизированного напряжения (совместное питание).

Рис. 6.9

Рис. 6.10

Выходное напряжение в схеме рис 6.9:

, (6.12)

а в схеме 6.10:

, (6.13)

В таблице 6.1 приведены расчетные значения сопротивления резисторов R1 и R2 для некоторых типовых значений выходного напряжения. Если необходимо плавно регулировать выходное напряжение, резистор R1 выбирают переменным.

Таблица 6.1.

Uвых	2,4
R1,кОм	4,75	4,12	3,12	2,15	1,15	1,87	4,87	7,87	16,19	19,8	22,9
R2,кОм	2,4	3,01	4,02	4,99	6,04	7,15	7,15	7,15	7,15	7,15	7,15

Если замыкание выходной цепи маловероятно, резистор системы защиты определяют по пороговому току нагрузки: R₃=0,65/I_пор.

Резистор R4 служит для уменьшения температурного коэффициента выходного напряжения и подавления паразитной генерации.

.

Этот резистор может быть исключен из схемы (R₄=0).

Если замыкания цепи нагрузки вероятны и их длительность может быть значительной, используют другую схему включения (рис.6.11).

Рис. 6.11

Резистор схемы защиты:

,

где I_з – остаточный выходной ток замыкания, I_пор – порог срабатывания системы защиты. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения измерительного элемента стабилизатора, а резисторы R4 и R 5 –базовый делитель напряжения транзистора системы защиты:

R₄=(I₃R₃/0,65-1)R₅ ; R₅=(U_вых+0,65)/I_д ,

где I_д – ток делителя R4, R5 (рекомендуется выбрать I_д ≈ 0,001А).

Стабилизатор может быть умощнен дополнительным транзистором (рис. 6.12). Сопротивление базового резистора:

R₅=U_вых/0,001 (Ом).

Рис. 6.12

Если необходимо обеспечить минимальные потери напряжения на регулирующем транзисторе, можно применить схему, показанную на рис. 6.13.

Рис. 6.13

Сопротивление базового резистора R5 выбирают в пределах 100…200 Ом.

При работе стабилизаторов с умощняющими транзисторами (рис. 6.12, 6.13) необходимо выполнение условий:

I_порU_вх≤P_расс.max; (I_пор/h_21э+I_п)U_вх≤ P_расс.max ,

где h_21Э – минимальное значение коэффициента передачи транзистора VT1.

Для стабилизаторов по рис. 6.12, 6.13 подойдут мощные транзисторы, рассчитанные на ток коллектора 5 А и более. При выборе транзисторов необходимо учитывать, что подойдут лишь те экземпляры, у которых h₂₁>50…70.

Во всех схемах стабилизаторов на КР142ЕН14 С1>1 мкФ, С2≥100 пФ, С3>0,01 мкФ (конденсаторы С1и С3 устанавливают при необходимости).

Домашнее задание к лабораторной работе №6 «Линейные стабилизаторы напряжения»

1. Приведите схемы силовых цепей компенсационных стабилизаторов. Объясните особенности их применения. Как построена силовая цепь интегрального стабилизатора KI42EH1?

2. Приведите 2-3 схемы цепей сравнения стабилизаторов, укажите преимущества и недостатки каждой схемы. Как построена цепь сравнения в микросхеме KI42EH1?

3. В чем отличие режимов работы стабилитрона в параметрическом и компенсационном стабилизаторах? Приведите схему источника опорного напряжения, используемую в микросхеме KI42EHI.

4. Приведите схему транзисторного стабилизатора с параллельным включением транзистора. Укажите недостатки и преимущества такого стабилизатора.

5. Рассчитайте стабилизатор постоянного напряжения. Данные для расчета приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Номер варианта	Uн	Iн min	Iн max	Ku	Kп
В	А	А	%	%	%
	9 – 12	0,1	0,6		0,04	+25 -20
	15 – 20		0,1		0,04	+25 -20
	6-9	0,1	0,6	0,1	0,04	-10
	5-6	0,1		0,1	0,03	-10
	6-9	0,1	0,1	0,5	0,02	-10
	15-18	0,1		0,1	0,02	25
	20-24	0,2	1,5	0,1	0,02	-15
	24-27	0,2	1,5	0,1	0,03	-20
	5-6	0,3	1,5	0,5	0,03	+20
	6-9	0,3	1,5		0,02	-10
	9-12	0,1		0,5	0,02	10
	5-6	0,5		0,5	0,02	10
	6-9	0,1	1,5		0,03	10
	9-12	0,1	1,5		0,04	10
	12-15	0,1		0,5	0,05	10
	24-27	0,5	0,5		0,04	10
	12-15	0,1	1,5	0,5	0,05	10
	21-24	0,1			0,04	10
	21-24	0,1	1,5		0,03	10
	21-24	0,1		0,5	0,02	10

Здесь U_н –выходное напряжение; – пределы изменения тока нагрузки; – нестабильность выходного напряжения; K_п–коэффициент пульсаций выходного напряжения; a – нестабильность входного напряжения.

Номер варианта узнайте у преподавателя. По исходным данным выберите микросхему ИСН в по табл. П2.3. Приведите схему включения ИСН, его параметры и рассчитайте навесные элементы. Определите КПД стабилизатора. При расчете элементов учитывайте верхний предел.

Импульсные (ключевые) стабилизаторы напряжения. Силовые цепи стабилизаторов, способы и схемы управления, работу стабилизаторов в режимах с широтно-импульсной, частотно-импульсной модуляцией, релейные следует изучать по /1,3,4/. В /4/ приведены принципиальные схемы, объяснен принцип действия. Там же рассмотрена защита стабилизаторов от превышения напряжения и тока.

Построение и расчет силовой цепи импульсных стабилизаторов изложен ниже. Проверкой готовности к выполнению лабораторной работы №7 «Импульсные стабилизаторы напряжения» являются выполненное домашнее задание и (или) результаты тестирования по этой теме.