А. ЩЕРБИНА, С. БАЛТИЙ, В. ИВАНОВ
г. Москва
В последние годы широкое распространение получили интегральные стабилизаторы напряжения. Источники питания на их основе отличаются малым числом дополнительных деталей, невысокой стоимостью и хорошими техническими характеристиками. Появилась возможность снабдить каждую плату сложного устройства собственным стабилизатором напряжения (СН), а значит, использовать для его питания общий нестабилизированный источник. Это значительно повысило надежность таких устройств (выход из строя одного СН приводит к отказу лишь того блока, который к нему подключен), во многом сняло проблему борьбы с наводками на длинные провода питания и импульсными помехами, порожденными переходными процессами в этих цепях. В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент микросхем серий 142, К142 и КР142. В их состав входят стабилизаторы с регулирующим транзистором, включенным в плюсовой провод выходной цепи, и регулируемым выходным напряжением (142ЕН1—142ЕН4, КР142ЕН1 — КР142ЕН4), то же, но с фиксированным выходным напряжением (142EHS, 142ЕН8, 142ЕН9, К142ЕН8, К142ЕН9, КР142ЕН5, КР142ЕН8, КР142ЕН9; далее в тексте — 142ЕН5, 142ЕН8, 142ЕН9), двуполярные с фиксированным выходным напряжением (142ЕН6, К142ЕН6; далее — 142ЕН6), стабилизаторы с регулирующим элементом в минусовом проводе и регулируемым выходным напряжением (142ЕН10, 142ЕН11) и устройство управления ключевым СН (142ЕП1). Предлагаемая статья знакомит с особенностями использования приборов этой серии.
Стабилизатор напряжения, защищенный от повреждения разрядным током конденсаторов. Диод VD1 защищает микросхему DA1 от разрядного тока конденсатора С2, а диод VD2 — от разрядного тока конденсатора СЗ при замыкании на входе СН.
Стабилизатор напряжения со ступенчатым включением. Функции «коммутирующего» элемента в этом устройстве выполняет транзистор VT1. В момент включения питания начинает заряжаться конденсатор СЗ, поэтому транзистор открыт и шунтирует нижнее плечо делителя R1R2. При этом напряжение на выводе 8 микросхемы DA1 близко к 0. По мере зарядки конденсатора через резистор R3 транзистор закрывается, напряжение на выводе 8 DA1, а следовательно, и на выходе устройства возрастает, и спустя некоторое время выходное напряжение достигает заданного уровня. Длительность установления выходного напря жения зависит от постоянной времени цепи R3C3. Назначение конденсаторов С1 и С2 — то же, что и в СН по схеме на рис. 1.
Стабилизатор напряжения с выходным напряжением повышенной стабильности. Как видно из схемы, отличие этого СН от устройства по схеме на рис. 1 (кроме отсутствия защитных диодов и конденсатора СЗ) заключается в замене резистора R2 стабилитроном VD1. Последний поддерживает более стабильное напряжение на выводе 8 микросхемы DA1 и тем самым дополнительно уменьшает колебания напряжения на нагрузке. Недостаток устройства — невозможность плавной регулировки выходного напряжения (его можно изменять лишь подбором стабилитрона VD1).
Стабилизатор напряжения с регулируемым выходным напряжением, выходное напряжение которого можно регулировать от 0 до 10 В. Требуемое значение устанавливают переменным резистором R2.
Стабилизатор напряжения с внешними регулирующими транзисторами. Микросхемы 142ЕН5, 142ЕН8, 142ЕН9 в зависимости от типа могут отдавать в нагрузку ток до 1.5…3 А. Но эксплуатация их с предельным током нагрузки нежелательна, потому что требует применения эффективных теплоотводов (допустимая рабочая температура кристалла ниже, чем у большинства мощных транзисторов). Облегчить режим работы микросхемы в подобных случаях можно, подключив к ней внешний регулирующий транзистор. При токе нагрузки до 180… 190 мА падение напряжения на резисторе R 1 невелико, и устройство работает так же, как и без транзистора. При большем токе это падение напряжения достигает 0,6…0,7 В, и транзистор VT1 начинает открываться, ограничивая тем самым дальнейшее увеличение тока через микросхему DA1. Она поддерживает выходное напряжение на заданном уровне, как и в типовом включении: при повышении входного напряжения снижается входной ток, а следовательно, и напряжение управляющего сигнала на эмиттерном переходе транзистора VT1, и наоборот. Необходимо позаботиться об ограничении тока через этот транзистор, потому что при замыкании в нагрузке он может достичь 20 А и даже более. Такого тока в большинстве случаев достаточно для вывода из строя не лишь регулирующего транзистора, но и нагрузки.
Схема стабилизатора напряжения с ограничением тока через регулирующий транзистор . Эта задача решается включением параллельно эмиттерному переходу транзистора VT1 2-х соединенных последовательно диодов VD1, VD2, которые открываются, если ток нагрузки превышает 7 А. СН продолжает работать и при некотором дальнейшем увеличении тока, но как лишь он достигает 8 А, срабатывает система защиты микросхемы от перегрузки. Недостаток рассмотренного варианта — сильная зависимость тока срабатывания системы защиты от параметров транзистора и диодов, (ее можно значительно ослабить, если обеспечить тепловой контакт между корпусами этих элементов).
Значительно меньше этот недостаток проявляется в СН по схеме на рис. 7. Если исходить из того, что напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT1 и прямое напряжение диода VD1 примерно одинаковы, то распределение тока между микросхемой DA1 и регулирующим транзистором зависит от отношения значений сопротивления резисторов R2 и R1. При малом выходном токе падение напряжения на резисторе R2 и диоде VD1 мало, поэтому транзистор VT1 закрыт и работает лишь микросхема. По мере увеличения выходного тока это падение напряжения возрастает, и когда оно достигает 0,6…0,7 В, транзистор начинает открываться, и все большая часть тока начинает течь через него. При этом микросхема поддерживает выходное напряжение на уровне, определяемом ее типом: при увеличении напряжения ее регулирующий элемент закрывается, снижая тем самым протекающий через нее ток, и падение напряжения на цепи R2VD2 уменьшается. В результате падение напряжения на регулирующем транзисторе VT1 возрастает и выходное напряжение понижается. Если же напряжение на выходе СН увеличивается, процесс регулирования протекает в противоположном направлении. Введение в эмиттерную цепь транзистора VT1 резистора R1, повышающего устойчивость работы СН (он предотвращает его самовозбуждение) требует увеличения входного напряжения. В то же время, чем больше сопротивление этого резистора, тем меньше ток срабатывания по перегрузке зависит от параметров транзистора VT1 и диода VD1. Но с увеличением сопротивления резистора возрастает рассеиваемая на нем мощность, в результате чего снижается КПД и ухудшается тепловой режим устройства.
В стабилизаторе напряжения по схеме на рис. 8 транзистор VT1 также выполняет функции регулирующего элемента. Сопротивление резистора R1 выбирают таким образом, чтобы он открывался при токе нагрузки около 100 мА. Транзистор VT2 реагирует на изменение (под действием тока нагрузки) падения напряжения на резисторе R2 и открывается, когда оно достигает 0,6…0,7 В, защищая тем самым регулирующий транзистор VT1. У рассматриваемого устройства два недостатка. Во-первых, довольно большая рассеиваемая мощность (при максимальном токе входное напряжение должно превосходить выходное на величину, равную сумме минимального падения напряжения на микросхеме и значений напряжения на эмиттерном переходе транзисторов VT1 и VT2). Во-вторых, очень жесткие требования к регулирующему транзистору, который должен выдерживать максимальный ток стабилизатора при большом напряжении.
Мощный стабилизатор напряжения можно выполнить по схеме на рис. 9. Представленный вариант обеспечивает выходное напряжение в районе 5…30 В при токе нагрузки до 5 А. Кроме микросхемы DA1 и регулирующего транзистора VT1, он содержит измерительный мост, образованный резисторами R2 — R5, R7, и компаратор на ОУ DA2. Особенность моста в том, что через входящий в него резистор R7 протекает большая часть тока нагрузки. Требуемое выходное напряжение устанавливают подстроенным резистором R6, значение тока (в данном случае 5 А), при превышении которого СН становится стабилизатором тока. Свечение светодиода HL1 сигнализирует о том, что устройство перешло в режим стабилизации тока.
Устройство, выполненное по схеме на рис.10, обеспечивает коэффициент нестабильности напряжения менее 0,001 % в широком интервале температуры и тока нагузки. Повышение точности поддержания выходного напряжения достигнуто введением цепи отрицательной обратной связи, состоящей из измерительного моста R1—R3VD1, ОУ DA2 и полевого транзистора VT1.
Стабилизатор напряжения с параллельно включенными микросхемами. Увеличения выходного тока можно добиться не лишь введением внешнего регулирующего транзистора, но и параллельным соединением микросхем как показано на рис. 11. Включив две 142ЕН5А, можно получить выходной ток до 6 А. Здесь ОУ ОА1 сравнивает падения напряжения на резисторах R1R2. Его выходное напряжение так воздействует на микросхему DA2, что текущий через нее ток оказывается в точности равным току через DA3. Для предотвращения нежелательного повышения выходного напряжения в отсутствие нагрузки выход устройства нагружен резистором R6.
Двуполярный стабилизатор напряжения на основе однополярной микросхемы можно выполнить по схеме, изображенной на рис. 12. Как видно, микросхема DA1 включена по типовой схеме в плюсовое плечо СН. Минусовое плечо содержит делитель напряжения из резисторов одинакового сопротивления RI, R2, инвертирующий усилитель на ОУ ОА2 и регулирующий транзистор VT1. ОУ сравнивает выходное напряжение плеч по абсолютной вели чине, усиливает сигнал ошибки и подает его в цепь базы транзистора VT1. Если напряжение минусового плеча по какой-либо причине становится меньше, чем плюсового (по абсолютной величине), напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1 становится больше О, и его выходное напряжение понижается, открывая регулирующий транзистор VT1 в большей мере и, тем самым, компенсируя снижение напряжения минусового плеча. Если же это напряжение, наоборот, возрастает, процесс протекает в противоположном направлении и равенство выходных напряжений также восстанавливается.
Стабилизатор напряжения с регулируемым выходным напряжением можно собрать по схеме на рис. 13. Здесь ОУ DA2 выполняет функции повторителя напряжения, снимаемого с движка переменного резистора R2. ОУ питается нестабилизированным напряжением, но на его выходной сигнал это практически не влияет, потому что напряжение смещения нуля не превышает нескольких милливольт. Благодаря большому входному сопротивлению ОУ становится возможным увеличить сопротивление делителя R1R2 в десятки раз (по сравнению с СН с типовым включением микросхемы DA1) и, тем самым, значительно уменьшить потребляемый им ток.
Введение в цепь обратной связи стабилизатора напряжения усилителя на ОУ DA2 (рис. 14) позволяет снизить коэффициенты нестабильности. Коэффициент усиления усилителя определяется сопротивлением резисторов делителя R3R4 и при указанных на схеме номиналах равен 10. Требуемое выходное напряжение устанавливают переменным резистором R2.
Импульсный «понижающий» стабилизатор напряжения с устройством управления на микросхемном стабилизаторе серии 142ЕН8 можно выполнить по схеме, изображенной на рис. 18. Требуемое выходное напряжение устанавливают подстроечным резистором R2.
«Понижающий» импульсный стабилизатор напряжения с узлом защиты от перегрузки, срабатывающей при выходном токе более 4 А.
Стабилизатор тока можно получить, включив микросхему, как показано на рис. 20. Выходной ток регулируют изменением сопротивления резистора R1, которое рассчитывают по формуле: R1=Uвых.ст/Iвых. Если этот резистор проволочный, его необходимо шунтировать керамическим конденсатором С2 емкостью 0,1.-0,15 мкФ.
Зарядное устройство может быть выполнено по схеме, изображенной на рис. 21. В данном случае оно предназначено для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 12 В. Делитель RIR2 ограничивает максимальное выходное напряжение устройства на уровне 14 В, резистор R3 ограничивает ток зарядки полностью разряженной батареи м задает выходное сопротивление Rвых=R3(1+R2/R1).
В устройстве, собранном по схеме на рис. 22 (оно предназначено для зарядки 6-вольтовой батареи), транзистор VT1 выполняет функции нижнего плеча делителя (совместно с резистором R3), управляющего работой микросхемы DA1 таким образом, что зарядный ток остается все время неизменным. Пиковое значение тока через батарею GB1 зависит от сопротивления резистора R3 (при указанном на схеме сопротивлении 1 Ом — 0,6А).