книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

Двухкаскадные и мостовые ПСН при высокой стабильности выход­ ного напряжения имеют существенно меньший к.п.д. по сравнению с однокаскадной схемой рис. 6.23, а. От этого недостатка свободны схемы ПСН с транзисторами. ПСН (рис. 6.24, а) содержит источник тока на транзисторе VT, стабилитроне VD1, резисторах R3 и R6. Это позволяет стабилизировать ток, протекающий через стабилитрон VD2, и тем самым резко уменьшить отклонения напряжения на на­ грузке при больших изменениях входного напряжения. ТКН и вы­ ходное сопротивление этой схемы ПСН практически такие же, как и в схеме на рис. 6.23, а.

ме с ОЭ.

Недостатком рассмотренной схемы является ухудшение темпера­ турной стабильности при относительно больших (более 5 В) напря­

жениях.

На рис. 6.24, в приведена схема ПСН с дополнительными транзис­ торами разной проводимости. Она отличается высокой стабильностью и позволяет подключить две нагрузки Rni и RH2. По ТКН и Кст эта схема несколько превосходит схему 6.24, а. Ее выходные сопротивле­ ния определяются стабилитронами VD1 и VD2 соответственно.

Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия. Компен­ сационные стабилизаторы непрерывного действия по сравнению с

251

параметрическими повышают качество ста­ билизации напряжения, увеличивают выход­ ную мощность и расширяют диапазон ста­ билизации напряжения. В настоящее вре­ мя они составляют основу большинства си­ стем стабилизированного электропитания РЭА. По способу включения регулирую­ щего элемента (РЭ) различают последова­ тельную и параллельную схемы стабилиза­ ции. В первом случае РЭ включается

последовательно с нагрузкой и стабилизаторы называются стабили­ заторами последовательного типа, во втором — РЭ включается па­ раллельно с нагрузкой и стабилизаторы называются стабилизаторами параллельного типа.

Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах на­ пряжения (КСН) выполняется, как правило, на составных транзис­ торах. Число включаемых транзисторов зависит от их коэффициентов передачи тока и заданного тока нагрузки стабилизатора.

Структурная схема стабилизатора напряжения последовательного типа приведена на рис. 6.25. Стабилизатор представляет собой управ­ ляемый делитель напряжения, в верхнем плече которого включен регулирующий элемент, а в нижнем — нагрузка. Рассмотрим его работу.

Предположим, что в результате воздействия дестабилизирующего фактора (увеличение входного напряжения, уменьшение тока нагруз­ ки) напряжение на выходе стабилизатора Un увеличилось. Это приво­ дит к увеличению напряжения на выходе измерительного элемента И

ния измерительным элементом) усиливается усилителем постоянного тока УПТ и поступает на управление регулирующим элементом. Под действием управляющего напряжения Uy падение напряжения - на РЭ увеличивается, а следовательно, напряжение на выходе стаби­ лизатора уменьшается.

В установившемся режиме выходное напряжение стабилизатора сохраняется практически постоянным.. Его нестабильность будет тем меньше, чем больше коэффициент усиления УПТ. Для такого стабили­

затора, на много меньше тока нагрузки. В связи с этим последователь­ ные схемы отличаются большим к. п. д. и малым потреблением в режи­ ме холостого хода.

Простейшая схема КСН последовательного типа (рис. 6.26, а) пред­ ставляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с фикси­

2 5 2

= /„/(Р + 1).

Допустим, что вследствие изменения значения нагрузочного со­ противления R„ или напряжения Un напряжение UH возросло. Это сопровождается уменьшением напряжения между эмиттером и базой и падением базового тока, так как Uon = const. При падении базово­ го тока увеличиваются сопротивление транзистора постоянному току и напряжение на участке коллектор — эмиттер, что способствует умень­ шению UHпрактически до номинального значения.

Коэффициент стабилизации и выходное сопротивление стабилиза­ тора последовательного типа определяются по формулам:

/Сет№н .

гст + АИЭ Л21Э

где киэ, кнэ — параметры транзистора.

Как видно, в данном случае коэффициент стабилизации определя­ ется значением /Сст параметрического стабилизатора, образованного резистором R и диодом VD. Коэффициент полезного действия этого

Рассмотренная схема работает без усилителя в цепи обратной связи. Применив каскад усиления, можно значительно увеличить коэффициент стабилизации и уменьшить выходное сопротивление КСН (рис. 6.26, б). В этой схеме однокаскадный УПТ выполнен на тран­ зисторе VT2.

Делитель выходного напряжения на резисторах RJ, R2 и резистор R3 со стабилитроном VD образуют измерительный мост, на одну диа­ гональ которого поступает выходное напряжение стабилизатора U„. Ко второй диагонали моста подключен переход эмиттер — база тран­ зистора VT2. Мост работает как схема сравнения.

Применение выходного делителя позволяет изменять соотношение выходного и опорного напряжения в kA = R2/(R1 + R2) раз, что очень удобно, когда напряжение на нагрузке превышает опорное или

253

дит к снижению к. п. д. стабилизатора, поэтому практически сопро­

Повысить /Сет можно и за счет увеличения сопротивления резистора . R4, что способствует также уменьшению Япых. Однако это сопротив­ ление нельзя выбирать очень большим, так как оно ограничивает базовый ток регулирующего транзистора, а это может привести к то­

Для исключения такой ситуации необходимо до минимума умень­ шить долю базового тока регулирующего транзистора в общем токе, протекающем через резистор R4. Наиболее целесообразно это осущест­ влять за счет использования в качестве регулирующего элемента со­ ставных транзисторов. Составные транзисторы позволяют уменьшить ток базы / BI, в результате чего можно увеличить сопротивление ре­ зистора R4, а следовательно, увеличить коэффициент стабилиза­ ции /Сст.

В качестве схем сравнения и УПТ таких стабилизаторов могут ис­ пользоваться схемы на одном транзисторе, дифференциальные схемы и схемы на операционных усилителях [5].

Стабилизаторы напряжения параллельного типа: Структурная схема такого стабилизатора показана на рис. 6.27. Как и стабилизатор последовательного типа, данный стабилизатор также представляет собой делитель напряжения, одно плечо которого образует балласт­ ный резистор R6t а другое — регулирующий элемент. Входное на­ пряжение U„ подается на делитель напряжения, а нагрузка включа­ ется параллельно РЭ. Особенностью параллельной схемы является неизменный входной ток при постоянном входном напряжении

/в х = /рЭ + / н + /у .

254

Это связано с тем, что в режиме, близком к холостому ходу, для сохранения неизменного напряжения Уа через РЭ должен протекать ток, равный току нагрузки. Поэтому стабилизаторы параллельного типа имеют довольно низкий к. п. д. 0,3...0,4.

Работа стабилизатора напряжения параллельного типа по сути аналогична рассмотренной выше схеме последовательного типа. На­ пример, при повышении Уп растет напряжение Ua, что фиксируется измерительным элементом И и. передается на вход элемента сравнения

знаком, чтобы скомпенсировать вызвавшее его изменение входного напряжения. Под действием управляющего напряжения Уу увеличи­ вается ток через РЭ / р э , в результате чего возрастает падение напря­ жения на балластном резисторе R6, а выходное напряжение умень­ шается. Процесс окончательно установится при достижении (с неко­ торой точностью) напряжением U„ своего номинального значения.

Простейший стабилизатор параллельного типа показан на рис. 6.28, а. Он работает следующим образом. Нестабилизированное

Выходное напряжение в рассматриваемом стабилизаторе равно сумме напряжений Уоп и Уэб- Поскольку Уэб у транзисторов всегда мало (0,3...0,5 В), выходное напряжение Уи практически равно опорному и не зависит от напряжения питания Уп, т. е. Уи = У0п + Уэб

»t/on.

Приращение тока нагрузки /,, вызывает такое же уменьшение эмит­ терного тока / э , т. е. | Д /н | = | Д/э | = h2islв- Изменяющийся базовый ток / б протекает через стабилитрон VD, поэтому минимальные и мак­ симальные токи / б не должны выходить за паспортные значения ми­ нимально и максимально допустимых токов стабилизации стабили­ трона VD. Так как при максимальной нагрузке базовый ток может быть близким к нулю, то режим стабилитрона задается обычно с помощью

255

резистора R, который создает дополнительную цепь для протекания тока стабилитрона.

Минимальный базовый ток будет при минимальной нагрузке, так как в этом случае через транзистор проходит ток /э, равный номиналь­ ному значению / н. Если при этом ток слишком велик и недопустим для стабилитрона, следует применить составной транзистор.

Коэффициент стабилизации схемы и ее выходное сопротивление равны:

Коэффициент полезного действия равен:

Из этих формул следует, что Кет и Явых параллельного эмиттерного повторителя соответственно уменьшаются и увеличиваются с умень­ шением тока РЭ, т. е. с ростом тока нагрузки.

Как и в схеме последовательного КСН, в схеме параллельного ста­ билизатора улучшения характеристик можно добиться применением усилителя в цепи обратной связи (рис. 6.28, б). Пусть в этой схеме появился скачок входного напряжения AUu. Это в первый момент приведет к увеличению выходного напряжения на AUn и нагрузоч­ ного тока на А/и. При этом напряжение на базе транзистора VT2 изменится по отношению к опорному напряжению на эмиттере этого же транзистора на величину &дД£/„. Если коэффициент усиления УПТ на транзисторе VT2 равен 1(у, то на базу регулирующего тран­ зистора поступит сигнал йдДUHKy. Этот сигнал вызовет увеличение тока эмиттера на величину А/э , в результате чего создается дополни­ тельное падение напряжения на балластном резисторе R6t а напряже­ ние Uа уменьшится почти до номинального значения. Очевидно, что чем больше Ку, тем меньше в установившемся режиме отклонение Ua от номинального значения. Следовательно, повышение /Су УПТ приведет к увеличению коэффициента стабилизации и уменьшению выходного сопротивления стабилизатора.

Коэффициент стабилизации и выходное сопротивление параллель­ ных КСН с УПТ в цепи ОС равны:

256

Как и в последовательных, в параллельных КСН в качестве схем сравнения и УПТ применяют дифференциальные и операционные уси­ лители.

Сравним основные характеристики стабилизаторов непрерывного действия последовательного и параллельного типов.

КСН последовательного типа имеют большие к. п. д., коэффициент стабилизации и экономичны в режиме холостого хода, что и определяет их широкое распространение. Существенным их недостатком является низкая надежность при перегрузках и в режиме короткого замыкания, что объясняется тем, что РЭ последовательно соединен с нагрузкой и при коротком замыкании выходит из строя в течение нескольких миллисекунд из-за теплового или электрического пробоя. Такие ста­ билизаторы, как правило, снабжаются схемами защиты от перегру­ зок, что приводит к их усложнению и удорожанию.

Важнейшим преимуществом стабилизаторов параллельного типа является высокая надежность при перегрузках и коротких замыка­ ниях на выходе. В таких стабилизаторах при перегрузке или корот­ ком замыкании напряжение на РЭ и ток через него резко уменьшаются, поэтому нет необходимости в защитных элементах. Стабилизирующие же качества у стабилизаторов последовательного и параллельного типов примерно одинаковы.

Основным недостатком КСН параллельного типа является относи­ тельно низкий к.п.д., особенно при работе с малыми токами нагрузки, что ограничивает их область применения.

Схемы защиты стабилизаторов от перегрузок. Перегрузки стаби­ лизаторов имеют место при переходных процессах и в аварийных ре­ жимах и могут привести к выходу из строя транзисторов, в первую очередь регулирующих. Транзисторы при этом могут быть перегру­ жены по току, напряжению и мощности.

Перегрузки могут быть кратковременными и длительными. Кратко­ временные перегрузки наступают при подключении и отключении ста­ билизатора от питающей сети или нагрузки, а также при случайном, быстро прекращающемся коротком замыкании на выходе стабилиза­ тора. Длительные перегрузки чаще всего являются следствием коротко­ го замыкания на выходе стабилизатора и реже при его холостом ходе.

Токовые перегрузки, возникающие во время переходных процес­ сов, как правило, не опасны для силовых транзисторов, так как они имеют большую перегрузочную способность к кратковременным пе­ регрузкам.

Значительно опаснее могут быть перегрузки по напряжению, если и я > доп- Поскольку обычно на выходе стабилизатора для улучше­ ния, его динамических качеств установлен емкостной фильтр, то в мо­

напряжению, то они могут выйти из строя за доли микросекунды. При коротком замыкании через транзистор РЭ протекает большой

ток, что приводит к перегреву транзистора.

В то же время для потребителя опасным может быть повысившееся выходное напряжение стабилизатора, например, из-за короткого

257

замыкания РЭ, скачкообразного увеличения входного напряжения или уменьшения тока нагрузки. Поэтому в стабилизаторах необходимо защищать транзисторы'РЭ от перегрузок по току, напряжению и мощ­ ности, а потребитель — от превышения выходного напряжения.

Несмотря на большое количество разнообразных схем защиты, основные принципы их построения можно проиллюстрировать схема­ ми, представленными на рис. 6.29 [2, 5].

Схемы рис. 6.29, а и б используются для защиты транзистора от перегрузки по напряжению. Напряжение на участке коллектор — эмиттер в схеме рис. 6.29, а не может быть больше рабочего напряже­ ния стабилитрона VD, которое выбирается с запасом по отношению к Uк доп• Во время включения стабилизатора при всплеске напряже­ ния на транзисторе VT стабилитрон VD откроется и через него кратко­ временно пройдет большой ток заряда конденсатора фильтра, который в силу его малой длительности не выводит из строя стабилитрон. Иногда последовательно со стабилитроном включают небольшое со­ противление для уменьшения тока через стабилитрон. Так как при ко­ ротком замыкании нагрузки большой ток протекает и через транзис­ тор, и через стабилитрон, то следует применять мощные стабилитроны, например типа Д815—Д817.

6 схеме рис. 6.29, б стабилитрон включен в базовую цепь РЭ. Это позволяет применять маломощные стабилитроны. При повышении напряжения на участке коллектор — база стабилитрон пробивается и ограничивает величину £/кб (напомним, что напряжение £/цэ отли­ чается от £/Кб примерно на 1 В).

258

Д ля ограничения коллекторного тока транзистора применяется схема рис. 6.29, в. В обычную схему стабилизатора напряжения добав­

полностью выключает управление VT1 от делителя R6 и транзистора VT3 и транзистор VT1 управляется сигналом, снимаемым с R4. Если перегрузка снимается, то исчезает причина, отпирающая транзистор VT2, и схема автоматически возвращается в режим стабилизации напряжения.

Д ля защиты транзистора от перегрузок по мощности используют либо быстродействующие плавкие предохранители, либо схемы элек­ тронной защиты, которые в аварийном режиме переводят транзистор в режим отсечки, если Un < £/к Доп> или в режим насыщения, если транзистор может выдержать ток короткого замыкания / кз. Схема перевода VT1 в режим отсечки приведена на рис. 6.29, г. Она отлича­ ется от схемы на рис. 6.24, в дополнительным отпирающим напряже­ нием смещения UChU образованным делителем R5, R6, питающимся от входного напряжения или от отдельного источника. Значение

схема, приведенная на рис. 6.29, в, но здесь можно получить полное запирание VT1. В схеме же на рис. 6.29, в ток / н не может упасть до

в режиме отсечки (7К = 0, 7/к = Un и Рк = УкЫ = 0).

Если снять перегрузку, то VT1 не откроется, так как остался от­ крытым транзистор VT2. Поэтому в этой схеме необходимо на корот­ кое время отключить стабилизатор от входного напряжения, а затем снова подключить. При этом конденсатор С1 обеспечит появление на­ пряжения Uсм после того, как включится стабилизатор и появится

ток /„.

Схема стабилизатора, в которой с ростом /„ транзистор VT1 пере­ ходит в режим насыщения, приведена на рис. 6.29, д. В нормальном режиме в этой схеме транзистор VT1 заперт, так как падение напря­ жения UR2 на резисторе R2 меньше напряжения стабилизации стаби­ литрона и не влияет на работу VT2. В режиме перегрузки UR2увеличи­ вается и транзистор VT1 открывается, формируя цепь для базового тока VT2, транзистор VT2 входит в насыщение, напряжение на нем,

а значит, и рассеиваемая мощность, становятся малы. Возврат схемы

висходное состояние происходит автоматически при уменьшении тока /„. Эту схему целесообразно применять в сочетании с релейными схе­ мами защиты [5], так как при длительных больших токовых перегруз-

259

ках транзистор перегревается из-за конечной величины падения напря­

жения на открытом транзисторе.

Интегральные стабилизаторы напряжения. Большая потребность в стабилизаторах постоянного напряжения, значительное место, за­ нимаемое ими в объеме современной радиоэлектронной аппаратуры, а также возможность типизации их основных узлов привели к разра­ ботке и широкому внедрению интегральных микросхем стабилизато­ ров напряжения с непрерывным регулированием, выполненных на ос­ нове полупроводниковой планарной технологии с использованием ди­ электрической изоляции в кристалле кремния n-проводимости (серия К142ЕН). В эту серию вошли стабилизаторы следующих типов: с ре­ гулируемым выходным напряжением (К142ЕН1— К142ЕН4); с фик­ сированным выходным напряжением (К 142ЕН5); с двухполярным вход­ ным и выходным напряжениями (К142ЕН6), применяемые для пита­ ния ОУ.

Интегральные стабилизаторы серии К142 изготовляются на токи 0,15...ЗА и напряжения 3...30 В при мощности до 30 Вт (с внешним ра­ диатором, позволяющим рассеивать мощность до 10 Вт). Схемы К142ЕН1,2 предназначены для работы без радиатора и позволяют рассеивать не более 0,8 Вт. Они имеют следующие основные показа­ тели: -коэффициент стабилизации по напряжению /Сст = 40...200; выходное сопротивление Явых = 0,1...0,2 Ом; входное напряжение 9...40 В в зависимости от выходного; фиксированное выходное напря­ жение 5 В ± 1 % и 6 В ± 1 % .

В интегральных стабилизаторах напряжения (ИСН) непрерывно­ го действия регулирующий элемент встроен в микросхему. Схема К142ЕН1.2 допускает подключение внешних (навесных) повышаю­ щих мощность проходных транзисторов, а также раздельное питание этих транзисторов и собственно микросхемы.

Кроме основного назначения (стабилизации напряжения) ИСН могут выполнять также другие функции: сглаживающего фильтра, защиту от электрических и тепловых перегрузок, стабилизацию тока, пороговых устройств и т. п.

ИСН с регулируемым выходным напряжением. В этих микросхе­ мах отсутствуют делитель напряжения и элементы частотной коррек­ ции, которые необходимо подключать с внешней стороны на печатной плате. В этот класс ИСН входят маломощные микросхемы К142ЕН1.2 и стабилизаторы средней мощности К142ЕН3.4. Микросхемы К142ЕН1 ■ отличаются от К142ЕН2 только уровнем максимально допустимого входного напряжения и, как следствие, пределами установки выход­ ного напряжения. Микросхемы типа К142ЕНЗ отличаются от К142ЕН4 только минимальным падением напряжения на регулирующем тран­ зисторе.

Типовая схема включения ИСН типов К142ЕН1,2 при малых то­ ках нагрузки приведена на рис. 6.30, а.

Делитель выходного напряжения R4, R5 выбирается из условия, чтобы через него протекал ток не менее 1,5 мА. Регулировка выходно­ го напряжения осуществляется потенциометром R4. Д ля исключения влияния соединительных проводов на динамические параметры ста-

260