Интегральные схемы компенсационных стабилизаторов. Импульсные стабилизаторы напряжения

Лекция 18

4.4. Интегральные схемы компенсационных

стабилизаторов

Применение операционных усилителей в схемах стабилизаторов не совсем оправданно, поскольку большинство уникальных свойств ОУ оказываются невостребованными. Поэтому промышленно выпускаются специальные микросхемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения, например серий 275, 142, 1183, 1195, 5006 – 5010. Параметры некоторых из этих микросхем приведены в табл. 4.1 ( – максимальный ток нагрузки, который может обеспечить стабилизатор; ТКН – температурный коэффициент выходного напряжения стабилизатора).

Таблица 4.1

                В качестве примера на рис. 4.9 и 4.10 приведены упрощенные схемы интегральных стабилизаторов типа 275ЕН1…275ЕН6 (рис. 4.9) и 142ЕН1, 142ЕН2 (рис. 4.10). В схеме на рис. 4.9 регулирующий элемент состоит из транзисторов , образующих сдвоенный эмиттерный повторитель, который отличается большим коэффициентом усиления по току и большим входным сопротивлением, что повышает коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторе . Повышению усиления этого каскада способствует также применение в качестве его динамической нагрузки генератора тока, выполненного на элементах  (схема такого генератора тока описана в подразд. 4.2). Поскольку указанный генератор тока обладает большим дифференциальным сопротивлением не только со стороны коллектора транзистора , но и со стороны объединенного узла выводов элементов , непосредственная передача  на выход стабилизатора небольшая, т.е. обеспечивается низкое значение  в формуле  (4.4). Усилительный каскад на транзисторе  является вторым каскадом усилителя рассогласования, входным каскадом которого служит дифференциальный балансный каскад, выполненный на элементах , . Резистивный делитель  обеспечивает, как обычно, при заданном  равенство напряжений  на входах балансного каскада, но не только – он обеспечивает также примерное равенство температурных коэффициентов напряжений , что необходимо, поскольку используется простейший параметрический стабилизатор () без термокомпенсации. В вязи с этим, в отличие от упрощенной схемы резистивного делителя, показанной на рис. 4.9, реальная схема этого делителя состоит из четырех резисторов и двух диодов, соединенных таким образом, чтобы при соответствующих сопротивлениях резисторов и токах диодов получить достаточно низкий температурный коэффициент напряжения . Схемы стабилизаторов ЕН1…ЕН6 серии 275 различаются меду собой значениями сопротивлений указанного резистивного делителя и исполнением параметрического стабилизатора.

Схема защиты от перегрузки выполнена на транзисторе  и резисторе : при увеличении тока нагрузки сверх допустимого предела падение напряжения на резисторе  (примерно ) открывает транзистор , в результате чего база транзистора  оказывается зашунтированной открытым транзистором , что исключает рост базовых и эмиттерных токов транзисторов  и , фиксируя их на безопасном (для транзистора ) уровне. Работу схемы стабилизатора в режиме стабилизации выходного напряжения можно описать следующим образом: при увеличении напряжения  увеличится и напряжение , а  практически не изменится, это приведет к увеличении тока коллектора транзистора  и соответствующему росту падения напряжения на резисторе  (), в результате ток коллектора транзистора  увеличится, а напряжение на его коллекторе  уменьшится, уменьшится также ток эмиттера транзистора , что будет противоречить исходной посылке об увеличении . Схемы стабилизаторов серии 275 с другими номерами разработок (ЕН7…ЕН16) могут отличаться от рассмотренных как типом используемых транзисторов (в стабилизаторах отрицательного сопротивления), так и схемой входного дифференциального каскада усилителя рассогласования.

                В схеме рис. 4.10, как и в схеме рис. 4.9, регулирующий элемент выполнен в виде сдвоенного эмиттерного повторителя на транзисторах  и , причем роль эмиттерной нагрузки транзистора  (кроме входного сопротивления следующего каскада на ) играет коллекторный переход транзистора  (в отличие от резистора  в схеме рис. 4.9); аналогичны у этих стабилизаторов и схемы защиты от перегрузки ( и ). Усилитель рассогласования в схеме рис. 4.10 – однокаскадный и представляет собой балансный каскад () с динамической нагрузкой в виде генератора тока на МДП-транзисторе , что не только увеличивает коэффициент усиления усилителя, но и ослабляет непосредственную передачу  на выход стабилизатора. Основное отличие схемы рис. 4.10 от схемы рис. 4.9 заключается в том, что источник опорного напряжения питается от нестабилизированного входного напряжения , поэтому применен параметрический стабилизатор с малым значением коэффициента нестабильности по напряжению, так как в такой схеме  компенсационного стабилизатора не может быть меньше  источника опорного напряжения. Собственно сам параметрический стабилизатор состоит из интегрального стабилитрона  на напряжение В (см. рис. 4.5,б) и генератора тока на основе транзистора , а эмиттерный повторитель на основе транзистора  (для напряжения ) и резистивный делитель напряжения ,  служат для понижения опорного напряжения:

.                                                       (4.5)

В выражении (4.5)  – это напряжение между базой и эмиттером транзистора , а  – напряжение на транзисторе  (в диодном включении), предназначенном для термостабилизации напряжения . При изменении температуры изменяются все напряжения в выражении (4.5), а оно само для приращений напряжений принимает вид

, откуда можно получить соотношение для расчета резистивного делителя:

.                                                            (4.6)

Полагая, что повышение температуры произошло на один градус ( ), и потребовав , из соотношения (4.6) получим , на основании чего из (4.5) определим величину опорного напряжения: В.

Питание источника опорного напряжения от входного, а не выходного напряжения позволяет расширить диапазон регулировки выходного напряжения  в сторону его малых значений за счет только соответствующего выбора сопротивлений резисторов  и , которые являются внешними элементами по отношению к микросхеме стабилизатора.

Интегральные стабилизаторы серии 142 с другими номерами разработок могут значительно отличаться от 142ЕН1 (142ЕН2) не только схемотехникой усилителя рассогласования и источника опорного напряжения, но и функциональными возможностями, в частности количеством коммутируемых внешних выводов, наличием тепловой защиты или защиты регулирующего элемента от большого падения на нем напряжения.

4.5. Импульсные стабилизаторы напряжения

Рассмотренные ранее стабилизаторы являются стабилизаторами непрерывного действия, у которых транзисторы регулирующего элемента работают в активном режиме, в связи с чем коэффициент полезного действия таких стабилизаторов  невысок, так как на регулирующем элементе теряется значительная мощность, особенно при большом перепаде между входным  и выходным  напряжениями стабилизатора. Чтобы уменьшить потери мощности на регулирующем элементе, его транзисторы переводят в ключевой режим работы, характеризующийся двумя состояниями: включено (режим насыщения транзистора) и выключено (режим отсечки). В режиме насыщения падение напряжения на регулирующем элементе