Схемотехника линейных стабилизаторов напряжения

Микросхемы источников питания относятся к так называемым интеллектуальным силовым приборам, то-есть к таким, у которых на кристалле помимо силовых транзисторов расположена более или менее сложная схема управления ими. Принципиальная трудность создания таких приборов заключается в том, что силовые транзисторы рассеивают значительную энергию, вызывая тем самым нагрев кристалла с существенным градиентом температур. Это резко ухудшает стабильность узлов схемы управления, таких как источник опорного напряжения и дифференциальный каскад усилителя ошибки.

Монолитный линейный интегральный стабилизатор напряжения был впервые разработан Р. Видларом (США) в 1967 году. Эта микросхема (А723) содержит регулирующий транзистор, включаемый последовательно между источником нестабилизированного напряжения и нагрузкой, усилитель ошибки и термокомпенсированный источник опорного напряжения. Схема оказалась настолько удачной, что в начале 70-х годов выпуск ее доходил до 2 млн. штук в месяц! По массовости применения среди аналоговых ИМС линейные интегральные стабилизаторы напряжения стоят на втором месте после операционных усилителей.

Защита в ИСН.

Защита интегральных стабилизаторов напряжения

В транзисторных стабилизаторах наиболее часто применяются три вида защиты: от повышения выходного напряжения, от понижения выходного напряжения, от перегрузки по току или короткого замыкания в нагрузке.

Защита от перегрузки по току в стабилизаторах может быть выполнена с ограничением на постоянном уровне I_К.З. превышающем значение I_НОМ или же с резким уменьшением тока потребления до I_К.З.0 в режиме короткого замыкания (См. Рис. 30). В первом случае режим перегрузки по току характеризуется большей мощностью, выделяемой на регулирующем транзисторе. Поэтому в таких случаях обычно выключают напряжение питания на входе стабилизатора. Во втором случае рассеиваемая мощность на транзисторе при коротком замыкании значительно меньше мощности при номинальном токе нагрузки. Поэтому выключение питания в такой схеме не обязательно.

Рис. 30 Характеристики схем защиты стабилизаторов: а- без ограничения мощности на РЭ; б- с ограничением мощности на РЭ.

Рассмотрим сначала схему защиты без ограничения выделяемой мощности на РЭ. Такая схема защиты представлена на Рис. 31. Как видно по этой схеме между базой и эмиттером транзистора VT6 включен резистор R1. В случае увеличения тока нагрузки на этом резисторе будет увеличиваться падение напряжения и когда оно достигнет напряжения отпирания транзистора VT6, транзистор откроется и зашунтирует регулирующие транзисторы VT4 и VT5. Ток короткого замыкания в этом случае можно определить по формуле:

При уменьшении тока нагрузки и при этом соответственно падения напряжения на резисторе R1 менее 0.6В транзистор VT6 закроется и стабилизатор войдет в нормальный режим работы. Таким образом ток короткого замыкания будет ограничен величиной по последней формуле, но при этом на регулирующем транзисторе будет выделяться значительная мощность:

При расчете такой схемы защиты надо следить, чтобы ток короткого замыкания и выделяемая мощность не вышли за максимально допустимые значения.

Рис. 31 Схема включения микросхемы К142ЕН1, К142ЕН2 с защитой без ограничения выделяемой мощности на РЭ.

Рассмотрим схему защиты с ограничением выделяемой мощности на РЭ. Такая схема защиты использована в типовой схеме включения стабилизаторов К142ЕН1 и К142ЕН2. Узел защиты стабилизатора от перегрузки по току и короткого замыкания состоит из датчика тока R1 и делителя R2, R3, определяющего режим работы транзистора защиты VT6. Резисторы R2, R3 рассчитываются таким образом, чтобы напряжение на базе транзистора VT6 равнялось напряжению на эмиттере VT5 при нулевом токе нагрузки. При достижении током нагрузки значения транзистор VT6 открывается и шунтирует регулирующие транзисторы. При этом выходное напряжение на выводе 13 стабилизатора начинает уменьшаться. Посмотрим как действует уменьшение выходного напряжения на транзистор VT6. Т.к. R1<<R_Н, то напряжение на эмиттере VT6 уменьшится на такую же величину, как и выходное напряжение:

А напряжение на базе транзистора VT6 уменьшится, но на меньшую величину чем выходное напряжение:

Таким образом напряжение между базой и эмиттером транзистора VT3 еще больше возрастет и уменьшит выходное напряжение и, следовательно, ток нагрузки до значения I_КЗ0, который значительно меньше тока срабатывания защиты I_КЗ. Рассчитаем величину тока I_КЗ0. Найдем напряжение на резисторе R1 при R_Н=0. При этом напряжение на одном выводе резистора, соединенного с эмиттером VT6 равно 0, а напряжение на другом выводе резистора (на выводе 13 микросхемы) будет определяться выражением:

И следовательно ток I_КЗ0 можно определить выражением:

Пример расчета схемы защиты: Ток через делитель выбирается равным 0.3мА, а R2 равное 2кОм. Напряжение U_БЭ транзистора защиты VT6 составляет 0.7В, поэтому сопротивление второго резистора делителя в кОм определяется по формуле:

Зависимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки при действии схемы защиты представлена на Рис. 30(б). Напряжение на датчике тока R1 открывает транзистор защиты VT6 только при токе I_Н=I_К.З.; При этом ток нагрузки выбирается из условия:

,

а сопротивление резистора R1:

Включение последовательно в выходную цепь стабилизатора резистора R1 ухудшает его внутреннее сопротивление, поэтому сопротивление R1 выбирают минимально возможным, при этом с уменьшением R1 возрастает ток I_К.З., который для микросхем К142ЕН1, К142ЕН2 не должен превышать 150мА.

При перегрузке по току или коротком замыкании в нагрузке стабилизатор под действием схемы защиты не полностью закрывается и через него протекает ток I_К.З). Поскольку к микросхеме в это время приложено полное входное напряжение U_{ВХ.МАКС.}, то на ней при коротком замыкании выделяется мощность:

Эта мощность не должна превышать максимально допустимую, определяемую условиями эксплуатации, и на отвод тепла от микросхемы, должен быть рассчитан радиатор. После устранения перегрузки по току или короткого замыкания в нагрузке стабилизатор автоматически возвращается в нормальное рабочее состояние.