1.2.7. Типовые схемы стабилизаторов напряжения с параллельным включением регулирующего элемента

Типовые схемы стабилизаторов напряжения с параллельным включением РЭ приведены на рис. 1.31. В качестве гасящего уст­ройства в этих стабилизаторах применяются резистор (R₁ на рис. 1.31, а, б) или при высоких требованиях к стабильности вы­ходного напряжения стабилизатора применяется ТД (обведен пунктирной линией на рис. 1.31, в), имеющий большое внутреннее сопротивление r_тд.

При напряжениях U_н > 3 В и токе нагрузки I_н  3 А применя­ется регулирующий составной транзистор с объединенными кол­лекторами (см. рис. 1.22, а, б), так как включение дополнительного источника E_доп (см. рис. 1.22, в, г) для уменьшения минимального падения напряжения на переходе коллектор-эмиттер силового транзистора не повышает КПД стабилизаторов параллельного типа. Для уменьшения мощности потерь на регулирующем транзисторе иногда последовательно с ним включают резистор R₃ (рис. 1.22, в), который не влияет на общий КПД стабилизатора.

Рис. 1.31. Типовые схемы стабилизаторов напряжения с параллельным включением регулирующего транзистора

Коэффициент стабилизации КСН зависит от коэффициента передачи цепи обратной связи и коэффициента усиления _т регули­рующего элемента, его внутреннего сопротивления r_iт, сопротивле­ния гасящего резистора. Для стабилизаторов на рис. 1.31, а, б

Kст = т Kн R1 Uн / (riт Uп).

(1.2.28)

Для схемы на рис. 1.31, в

Kст = т Kн rтд Uн / [(riт + R3) Uп].

(1.2.29)

Внутреннее сопротивление стабилизаторов на рис. 1.31, а, б равно

rн = riт / (т Kн).

(1.2.30)

а для схемы рис. 1.31, в

rн = (riт + R3) / (т Kн).

(1.2.31)

Нестабильность выходного напряжения от изменения напря­жения дополнительного источника E_доп для схем на рис. 1.31, а и рис. 1.31, в соответственно равна

Uн. доп = Uст / Kп, Uн. доп = Eдоп / Kп,

(1.2.32)

а для схемы рис. 1.31, б

Uн. доп = Uст (Uн  UЭБ) / (Uн + UЭБ),

(1.2.33)

где U_ст = E_доп r_ст / (K_н R₃).

Факторы, влияющие на температурную нестабильность вы­ходного напряжения КСН параллельного типа и пути уменьшения U_н. т те же, что и в КСН последовательного типа.

1.2.8. Интегральные стабилизаторы напряжения

В источниках электропитания находят применение два вида интегральных стабилизаторов: гибридные интегральные стабили­заторы напряжения (ГИСН) и интегральные стабилизаторы напря­жения (ИСН)

ГИСН выполняются в виде законченных устройств на фик­сированные уровни выходных напряжений. Электрические схемы ГИСН не отличаются от схем стабилизаторов на дискретных полу­проводниковых приборах, а методы гибридно-пленочной техноло­гии и идентичность процессов позволяют получать стабилизаторы с лучшими параметрами, чем полупроводниковые интегральные стабилизаторы на одном кристалле. Номинальные выходные на­пряжения и стабильность ГИСН можно подогнать с точностью (0,050,5) %, а ТКН меньше 0,001 %/°С. Однако надежность ГИСН значительно ниже, а стоимость значительно выше, чем ИСН. Поэтому гибридные стабилизаторы находят ограниченное приме­нение, в основном, в устройствах, которые изготовляются малыми сериями.

Выпускается два вида ИСН: с регулируемым выходным напряжением и с фиксированным выходным напряжением. В мик­росхемах ИСН с регулируемым выходом отсутствует делитель на­пряжения в элементы частотной коррекции, которые необходимо подключать с внешней стороны микросхемы на печатной плате в составе ИВЭП.

Типовая схема включения ИСН с регулируемым выходным напряжением типов К142ЕН1, К142ЕН2 при малых токах нагрузки приведена на рис. 1.32. Делитель выходного напряжения R₄, R₅ вы­бирается из условия, чтобы ток через него протекал не менее 1,5 мА. Сопротивление резистора R₅ нижнего плеча делителя, кроме того, определяется уровнем опорного напряжения и составляет обычно 1,2 кОм. Регулировка выходного напряжения осуществляется потенциометром R₄.

Рис.1.32. Типовая схема включения ИСН с регулируемым выходным напряжением

Для исключения влияния соединительных проводов на дина­мические параметры стабилизатора при импульсном изменении тока нагрузки резисторы делителя должны подключаться непо­средственно к нагрузке. Туда же подключается выходной конден­сатор С_к, повышающий устойчивость стабилизатора и снижающий уровень пульсации выходного напряжения. На рис. 1.32 условно показано такое подключение указанных элементов к нагрузке R_н. Для повышения устойчивости включается также конденсатор C_н = 0,1 мкф. Конденсатор С_оп шунтирует выход опорного напряжения от наводок и помех со стороны других элементов ИВЭП в условиях печатного монтажа.

Входной конденсатор С_вх может принадлежать сглаживаю­щему фильтру выпрямителя, если выпрямитель размещается непо­средственно около стабилизатора. Однако если микросхемы стаби­лизаторов разнесены на значительное расстояние от выпрямителей, то на входных зажимах микросхем должны быть установлены до­полнительные конденсаторы С_вх, которые исключают влияние по­мех со стороны входа стабилизатора.

Узел защиты ИСН от перегрузки по току и короткого замы­кания состоит из датчика тока R₁ и делителя R₂, R₃, определяющего режим работы транзистора защиты VT₉, входящего в состав ИСН. При этом ток через делитель выбирается равным I_д = 0,3 мА, a R₂ = 2 кОм. Напряжение U_БЭ транзистора защиты VT₉ составляет 0,7 В, поэтому сопротивление второго резистора в килоомах опре­деляется по формуле

R3 = (Uн + UБЭ) / Iд = (Uн + 0,7) / 0,3 [B/мА].

(1.2.34)

Зависимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки при действии схемы защиты показана на рис. 1.33.

а б

Рис. 1.33. Характеристики схем защиты стабилизаторов: а  без ограничения мощности, б  с ограничением мощности на регулирующем элементе

Напряжение на датчике тока R₁ открывает транзистор за­щиты VT₉ только при токе I_н = I_к. з; при этом ток I_к.з выбирается из условия

Iк. з  2,2 Iном  Iн max,

(1.2.35)

а сопротивление резистора

R1 = UБЭ / Iк. з = 0,7 B / Iк.з.

(1.2.36)

Включение последовательно в выходную цепь ИСН 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, K142EH2 не должен превышать 150 мА.

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 0 (рис. 1.33, б). Поскольку к мик­росхеме в это время приложено полное входное напряжение U_вх max, то на ней при коротком замыкании выделяется мощность Р = I_к.з 0 U_вх max. Эта мощность не должна превышать максимально допустимую, определяемую условиями эксплуатации, и на отвод ее от микросхемы должен быть рассчитан радиатор. После устране­ния перегрузки по току или короткого замыкания в нагрузке ИСН автоматически возвращается в нормальное рабочее состояние.

Схема стабилизатора с повышенным током нагрузки и раз­дельным питанием составного регулирующего транзистора показана на рис. 1.34. Здесь интегральный стабилизатор К142ЕН2Б исполь­зуется только для управления мощным регулирующим элементом РЭ, который выполнен на составных транзисторах VT₁, VT₂, VT₃. Через внешний регулирующий элемент проходит полный ток на­грузки I_н, значительно превышающий предельно допустимый ток микросхемы. Минимальное значение основного входного напря­жения U_вх1 min, определяющее основные потери мощности в стаби­лизаторе, выбирается из условия обеспечения минимального паде­ния напряжения U_КЭ на регулирующем транзисторе VT₁ с учетом амплитуды пульсации входного напряжения и уровня выходного напряжения

Uвх1 min = Uн + U0 + UКЭ min.

(1.2.37)

Рис. 1.34. Схема стабилизатора с повышенным током нагрузки на основе ИСН

В схеме стабилизатора на рис. 1.34 введена также защита от перегрузки по току и короткого замыкания в нагрузке с ограниче­нием рассеиваемой мощности на регулирующем элементе в широ­ком диапазоне изменения выходного стабильного напряжения U_н. Достигается это введением резисторов R₄, R₅ и стабилизацией ра­бочей точки срабатывания защиты с помощью прямосмещенных диодов VD₁VD₃. Сигнал перегрузки по току снимается с резистора R₁₀ и поступает на вход защиты микросхемы, которая запирает РЭ, снижая ток в выходной цепи до I_к.з.0<<I_н. Поскольку напряжение эмиттер-база РЭ определяется падением напряжения на дио­дах VD₁VD₃ и делителем R₄R₈, оно не зависит от номинала вы­ходного напряжения U_н и срабатывание защиты стабилизатора определяется только падением напряжения на резисторе R₁₀. При устранении короткого замыкания в нагрузке или перегрузки по току стабилизатор автоматически возвращается в рабочий режим.

Существенным недостатком интегральных стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением является то, что при их использовании в ИВЭП необходимо установить ряд внешних эле­ментов, масса и объем которых превышают саму микросхему.

Типовая схема ИСН с фиксированным выходом включает в себя только входной и выходной конденсаторы. Выходной конденсатор (С_н  2,2 мкф), как и в любом стабилизаторе напряже­ния, обеспечивает устойчивость при импульсном изменении тока нагрузки, снижает уровень пульсации. Входной конденсатор (С_вх  0,33 мкФ) необходимо включить для устранения генерации при скачкообразном включении входного напряжения.