Стабилизаторы напряжения и источники питания

 

Перевод А.И.Коротова  

 

 

Почти любая электронная схема – от простых схем на транзисторах и операционных усилителях и до сложнейших цифровых и микропроцессорных систем – требует для своей работы одного или нескольких стабильных источников питания постоянного тока. Простые нерегулируемые источники питания типа трансформатор – мостовой выпрямитель – конденсатор, которые мы рассматривали в гл. 1, вообще говоря, не годятся, так как их выходное напряжение зависит от тока нагрузки и напряжения в сети; кроме того, это напряжение пульсирует с частотой 120 Гц. К счастью, легко построить источник стабильного питания, используя отрицательную обратную связь и сравнивая выходное постоянное напряжение с некоторым постоянным эталонным (опорным) напряжением. Такие стабилизированные источники питания универсальны и легко могут быть построены с помощью интегральных схем стабилизаторов напряжения. Для этого потребуется только нерегулируемый источник постоянного напряжения (трансформатор – выпрямитель‑конденсатор, батарея и т. п.) и еще несколько других элементов.

В этой главе мы расскажем, как построить стабилизатор напряжения, используя некоторые интегральные схемы специального назначения. Та же схемотехника применяется в стабилизаторах напряжения на дискретных элементах (транзисторы, резисторы и т. п.), хотя это и не нужно ввиду доступности превосходных и недорогих ИМС стабилизаторов напряжения. При рассмотрении стабилизаторов напряжения возникает круг вопросов, связанных с проблемой рассеяния больших мощностей, поэтому нам приходится говорить об отводе тепла и об «ограничении тепловой обратной связи» для снижения рабочих температур транзистора и предотвращения повреждений схемы. Эти подходы можно применить в любой мощной схеме, включая усилители мощности. Разобравшись со стабилизаторами, мы вновь обсудим некоторые детали проектирования нерегулируемых источников питания. В этой главе мы рассмотрим также источники опорного напряжения и интегральные схемы для их получения, т. е. аппаратуру, которая применяется независимо от стабилизаторов напряжения.

 

Базовые схемы стабилизаторов на основе классической ИМС 723

 

 

ИМС стабилизатора 723

 

Классический стабилизатор μΑ723 разработан Р. Видларом в 1967 г. Это универсальный, простой в употреблении стабилизатор с превосходными рабочими характеристиками. Хотя, быть может, вы предпочтете ему более современные схемы, все же его стоит изучить, так как и новые схемы работают на тех же принципах. Его схемы изображены на рис. 6.1 и 6.2.

 

 

 

Рис. 6.1. Функциональная схема стабилизатора 723

_{(фирма Fairchild Camera and Instrument Corp.).}

 

 

Рис. 6.2. Принципиальная схема стабилизатора 723  

_{(фирма Fairchild Camera and Instrument Corp.).}

 

Это настоящий блок питания, который содержит температурно‑компенсированный источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзистор и схему защиты, обеспечивающую ограничение выходного тока. В том виде, в котором блок выпускают, ИМС 723 ничего не регулирует. Чтобы заставить его делать то, что вам нужно, придется подключить к нему некоторые внешние цепи. Прежде чем их рассмотреть, обратимся к его собственной схеме. Она проста и легко понятна (в отличие от схем внутреннего устройства многих других ИМС).

Сердцем стабилизатора является температурно‑компенсированный стабилитронный источник опорного напряжения. Стабилитрон Д₂ имеет положительный температурный коэффициент, поэтому его напряжение складывается с перепадом напряжения между базой и эмиттером транзистора Т₆ (вспомните: величина U_БЭ имеет отрицательный температурный коэффициент около – 2 мВ/°С) для опорного напряжения 7,15 В с приблизительно нулевым температурным коэффициентом (обычно 0,003 %/°С). Транзисторы Т₄ ‑ Т₆ предназначены для смещения Д₂ током I = U_БЭ / R₈, стабилизированным отрицательной обратной связью по постоянному току, как показано на схеме. Транзисторы Т₂ и Т₃ образуют несимметричное токовое зеркало для смещения источника опорного напряжения. Ток этих транзисторов устанавливается диодом Д₁ и резистором R₂ (в точке их соединения фиксируется напряжение на 6,2 В ниже U ₊), которые, в свою очередь, запитаны током транзистора Т₁ ‑ полевого транзистора с p‑n ‑переходом, который работает как источник тока.

Транзисторы Т₁₁ и Т₁₂ образуют дифференциальный усилитель (иногда его называют «усилителем сигнала ошибки», если описывают схему в терминах отрицательной обратной связи) – это типичная дифференциальная пара с высоким подавлением синфазных сигналов за счет эмиттерного источника тока Т₁₃. Последний входит в половину токового зеркала на Т₉, Т ₁₀ и Т₁₃, в свою очередь управляемого токовым зеркалом Т₇ (Т₃, Т₇ и Т ₈ ‑ все эти транзисторы «отражают» ток, задаваемый источником опорного напряжения на Д₁; см. разд. 2.14). Коллектор транзистора Т₁₁ имеет фиксированный положительный потенциал эмиттера Т₄, а выходной сигнал усилителя ошибки снимается с коллектора Т₁₂. Токовое зеркало Т ₈  запитывает коллекторную нагрузку Т₁₂. Транзистор Т ₁₄ включен вместе с транзистором Т₁₅ по «неполной» схеме Дарлингтона. Заметьте, что коллектор транзистора Т₁₅ выведен отдельно, чтобы обеспечить возможность подведения отдельного положительного питания. При включении транзистора Т₁₆ запираются проходные транзисторы для того, чтобы ограничить выходной ток на безопасном уровне. В отличие от многих более новых схем стабилизаторов ИМС 723 не снабжена встроенными схемами аварийного отключения для защиты от чрезмерных токов нагрузки или слишком большого рассеяния мощности на ИМС.

Существуют улучшенные стабилизаторы типа 723, а именно SG3532 и LAS1000 с низковольтными источниками опорного напряжения с малым разбросом (см. разд. 6.15), внутренними ограничителями тока и схемами тепловой защиты.