Температурно-компенсированные генераторы. Для получения сверхвысокой стабильности может понадобиться кварцевый генератор, работающий в условиях постоянной температуры. Обычно для этих целей используется кристалл с практически нулевым температурным коэффициентом при несколько повышенных температурах (от 80 до 90°С), а также термостат, который эту температуру поддерживает. Генераторы, выполненные подобным образом, выпускаются в виде законченных небольших модулей, пригодных для монтажа и включае- мых в приборы, на все стандартные частоты. Типичным модулем генератора с улучшенными характеристиками служит схема 10544 фирмы Hewlett-Packard. Она обеспечивает стабильность порядка 10~ в течение времени от нескольких секунд до нескольких часов при частоте 10 МГц.

Если температурная нестабильность снижена до очень малых значений, то начинают доминировать другие эффекты: старение кристалла (тенденция частоты к уменьшению с течением времени), отклонения питания от номинала, а также внешние влияния, например удары или вибрации (последнее представляет собой наиболее серьезные проблемы в производстве кварцевых наручных часов). Вот один из способов решения проблемы старения: в паспортных данных генератора указывается скорость снижения частоты - не более 5-10~ в день. Эффект старения возникает частично из-за постепенного снятия деформаций, поэтому через несколько месяцев с момента изготовления этот эффект имеет тенденцию к устойчивому снижению, по крайней мере для хорошо сделанных кристаллов. Взятый нами за образец генератор 10544 имеет величину эффекта старения не более 10~ в день.

В тех случаях, когда стабильность термостатированных кристаллов уже недостаточна, применяются атомные стандарты частоты. В них используются микроволновые линии поглощения в рубидиевом газонаполненном элементе или частоты атомных переходов в пучках атомов цезия в качестве эталонов, по которым стабилизируется кварцевый кристалл. Таким образом, можно получить точность и стабильность порядка 10~1 Цезиевый стандарт является официальным эталоном времени в США. Эти стандарты вместе с линиями передач времени принадлежат Национальному бюро стандартов и Морской обсерватории. Как последнее средство для самых точных часов, где нужна стабильность порядка 10 можно предложить мазер на атомарном водороде.

СХЕМЫ, ПОНЯТНЫЕ БЕЗ ПОЯСНЕНИЙ 4.17. Удачные схемы

На рис. 4.32 представлен небольшой набор удачных схем, большинство из которых взяты из руководств фирм-изготовителей и из фирменной литературы по применениям.

Триггер- ный вход

Косинусоидапьный

вьтодной сигнал

Рис. 4.32. Удачные схемы.

а - моностабнльный мультивибратор Длительность входного штупъсл должва быть меньше длительности выходного; 6 - активный имитатор катушки индуктвввоетв ва 10 Гв; с- кваД ратурвыВ гевератор частоты 1 Гц; г > релаксационный генератор.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

11) Спроектируйте 6-полюсный фильтр Бесселя верхних частот с частотой среза 1 кГц 2) Спроектируйте фильтр-пробку на 60 Гц с буферными ОУ на входе и выходе. (3) Спроектируйте генератор пилообразных колебаний частотой 1 кГц, заменив резистор заряда в генераторе на основе 555 транзисторным источником тока. Проверьте, что будет обеспечен нужный рабочий дапазон источника тока. Каково Должно быть вначение Rb (рис. 4.24)?

.555

isir

-выход

(t)2/.

Рис. 4,J3.

(4) Постройте генератор треугольных импульсов на основе 555. Используйте пару источников тока /о (втекающий ток) и 21 (вытекающий ток). Используйте выходной сигнал ИМС 555 для управления включением и выключением источника вытекающего тока 2/о. Одно из возможных решений показано на рис. 4.33,

Глава 5

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Почти любая электронная схема - от простых транзисторных схем и операционных усилителей 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, вообще говоря, не годятся, поскольку их выходное напряжение зависит от тока нагрузки и напряжения в сети, кроме того, это напряжение пульсирует с частотой 120 Гц (100 Гц в СССР). К счастью, легко построить источник стабильного питания, если использовать отрицательную обратную связь и сравнивать выходное постоянное напряжение с некоторым постоянным эталонным напряжением. Такие стабилизированные источники универсальны и могут легко быть построены с помощью интегральных схем стабилизаторов напряжения, для чего 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 регулятор 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 интегральных схем стабилизаторов напряжения. Рассмотрение стабилизаторов напряжения вводит нас в круг вопросов, связанных с проблемой рассеяния больших мощностей, поэтому нам придется говорить об отводе тепла и об ограничении тепловой обратной связи для снижения рабочих температур транзистора и предотвращения повреждений схемы. Эти подходы могут быть применены в любой мощной схеме, включая усилители мощности. Разобравшись со стабилизаторами, мы вернемся обратно и обсудим некоторые детали проектирования нерегулируемых источников питания. В этой главе мы рассмотрим также источники опорного напряжения и интегральные схемы для их получения - аппаратуру, которая применяется независимо от стабилизаторов напряжения.

БАЗОВЫЕ СХЕМЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ КЛАССИЧЕСКОЙ ИМС 723

5.01. ИМС стабилизатора 723

Классический стабилизатор цА723 разработан Р. Видларом в 1967 г. Это универсальный, простой в употреблении стабилизатор с превосходными рабочими характеристиками. Хотя, может быть, вы

Темпвратдрно-компенсирован-вый стабилитрон

Частотная компенсация

йнв.о--

и Усилитель О ошибки

Неинв. 0-

усилитель

опорного

напряжения

-оУ/f

Последовательный проходной транзистор

Ограничи-6 тель шока (ОТ)

6 Датчик тока (ДТ)

Рис. 5.1. Функциональная схема стабилизатора 723 (фирма Fairchild Camera and Instrument Corp.).

Instrument Corrt * и^ °Р^ (фирма Fairchild Camera and

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. 5.1 и 5.2. Как видите, это настоящий блок питания, содержащий температурно-компенсированный источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзистор и схему защиты, обеспечивающую ог-)аничение выходного тока. В том виде, в котором его выпускают, ЛЖС 723 ничего не регулирует. Чтобы заставить его работать, вам придется подключить к нему некоторые внешние цепи. Прежде чем они будут рассмотрены, 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 Д, имеет положительный температурный коэффициент, поэтому его напряжение складывается с перепадом напряжения между базой и эмиттером транзистора (вспомните, что величина /бэ имеет отрицательный температурный коэффициент около -2 мВ/°С) для получения опорного напряжения 7,15 В с приблизительно нулевым температурным коэффициентом (обычно 0,003%/°С). Транзисторы -предназначены для смещения Дг током 1=113/Rg, стабилизированныл! отрицательной обратной связью по постоянному току, как показано иа схеме. Транзисторы Гг и образуют несимметричное токовое зеркало для смещения источника опорного напряжения; ток этих транзисторов устанавливается диодом Д] и резистором R2 (в точке их соединения фиксируется напряжение на 6,2 В ниже (7.), которые, в свою очередь, запитаны током транзистора Ti - полевого транзистора ПТ с р - tt-переходом (см. гл. 6, в этой же схеме ПТ используется как источник тока).

Транзисторы Ти и Т12 образуют дифференциальный усилитель (иногда называемый усилителем сигнала ошибки , если описывать схему в терминах отрицательной обратной связи) - это типичная дифференциальная пара с высоким подавлением синфазных сигналов 3.1 счет эмиттерного источника тока Ti,. Последний входит в схему токового зеркала на Т^, и Ti, в свою очередь управляемого токовыч зеркалом Т^, Г, и Т^,- все эти транзисторы отражают ток, определяемый падением напряжения на Д1 (см. разд. 2.13). Коллектор траг -зистора Гц имеет фиксированный положительный потенциал эмитт(-ра Т^, а выходной сигнал усилителя ошибки снимается с коллектора Ti2. Токовое зеркало Т^ служит коллекторной нагрузкой Ti2. Транзистор Ill включен вместе с транзистором Т^ по неполной схеме Ла\>-лингтона. Заметьте, что коллектор транзистора Т^ выведен отдельно, с целью обеспечить возможность подведения отдельного положительного питания. При включении транзистора происходит запирание проходного транзистора; это сделано для того, чтобы ограничить выходной ток на безопасном уровне. В отличие от многих более новых схем стабилизаторов ИМС 723 не снабжена встроенными схемами аварий-

иого отключения для защиты от чрезмерных токов нагрузки или слишком большого рассеяния мощности на ИМС. Существуют улучшенные стабилизаторы типа 723, а именно SG3532 и LAS1000, имеющие низковольтные источники опорного напряжения с малым разбросом (см, разд. 5.14), внутренние ограничители тока и схемы тепловой защиты.

5.02. Стабилизатор положительного напряжения

На рис. 5.3 показано, как построить стабилизатор положительного напряжения на базе ИМС 723. Все необходимые элементы, кроме четырех резисторов и двух конденсаторов, содержатся в самой ИМС. Делитель напряжения Ri Ri задает часть выходного напряжения, сравниваемую с опорным напряжением, а элементы ИМС 723 обеспечивают все остальные функции. Такая схема идентична неинвертирующему

Нестабилизир. вход

Стабилизиц выход

10 мкФ

Рис. 5.3.

усилителю на ОУ с эмиттерным повторителем на выходе, если напряжение f/gn рассматривать в качестве входного сигнала . Резистор 4 подбирается таким, чтобы падение напряжения на нем при максимально необходимом выходном токе было равно -0,5 В, т. е. напряжению f/gg. Тогда при слишком большом токе это напряжение, приложенное к входам ОТ -ДТ, включит токоограничивающий транзистор у16 на схеме 5.2), отключающий ток в базе проходного транзистора, онденсатор емкостью 100 пФ добавлен для обеспечения устойчивос- при включении обратной связи. Резистор R (иногда отсутствует)

Г лава .7

подбирается так, чтобы на входах дифференциального усилителя было бы одно и тоже сопротивление. Это делает выходной сигнал нечувствительным к изменениям базовых токов смещения (например, при изменении температуры), подобно тому как это делалось при включении ОУ (разд. 3.12).

С помощью этой схемы можно получить любое стабилизированное напряжение питания от (/gn до максимально допустимого уровня 37 В. Конечно, входное нестабилизированное напряжение (причем с учетом его колебаний) должен на несколько вольт превосходить выходное. Для стабилизатора 723 перепад напряжения , т. е. величина, на которую подводимое питание должно превышать стабилизированное напряжение на выходе, должен быть не менее 3 В. Это значение типично и для большинства других стабилизаторов. Резисторы Rx и /?а обычно выбираются переменными или подстраиваемыми, чтобы можно было точно установить выходное напряжение. Значение имеет производственный разброс от 6,8 до 7,5 В.

Выход +5 В 50 нЛ

±L 10 мкФ 20 Б

Рис. 5.4.

Как правило, рекомендуется шунтировать выход конденсатором емкостью в несколько микрофарад, как показано на схеме. Это сохраняет малые значения полного выходного сопротивления и на высоких частотах, при которых обратная связь становится менее эффективной. Конденсатор лучше всего выбрать в соответствии с рекомендацией изготовителя, иначе могут появиться автоколебания. И вообш^ неплохо заземлить шины питания во всей запитываемой схеме, пр менив для этого керамические конденсаторы 0,01-0,1 мкф в сочетании с танталовыми или электролитическими 1-10 мкФ.

Для получения выходных напряжений, меньших Uon, надо прос-хо поставить делитель опорного напряжения (рис. 5.4). Тогда все напряжение выхода будет сравниваться с нужной долей опорного напряжения. Параметры схемы рис. 5.4 выбраны в расчете на получе-цие +5 В, 50 мА (максимум). С помощью подобных схем можно получать напряжения от +2 В до U. Невозможно снизить выходное напряжение ниже +2 В, так как дифференциальный усилитель при уровне входного сигнала меньше 2 В работать не будет. Это задано в спецификации изготовителя (см. табл. 5.8). Напряжение питания схем не должно падать ниже -f 9,5 В - это уровень, необходимый для питания.

Третий вариант такой схемы используется, если надо построить стабилизатор с диапазоном выходного напряжения, содержащим Uo (т. е. стабилизатор, способный давать значения выходного напряжения и больше, и меньше [/ ). В таких случаях надо сравнивать часть выходного напряжения с долей опорного напряжения U , которая меньше нижней границы желательного диапазона.

Упражнение 5.1. На основе ИМС 723 спроектируйте стабилизатор, дающий ток нагрузки до 50 мА в диапазоне выходных напряжений от 4-5 до 4-10 В. Указание: сравнивать поделенное напряжение с 0,5 Uon-

5.03. Стабилизаторы с большими выходными токами

Встроенный проходной транзистор ИМС 723 рассчитан на 150 мА максимум, к тому же рассеяние мощности не должно превосходить 1 Вт при 25° С (и менее при более высокой окружающей температуре; для ИМС 723 этот параметр должен быть пересчитан с коэффициентом 8,3 мВт/°С на каждый градус превышения температуры окружающей среды 25°С, чтобы температура р - п-переходов удерживалась в безопасных пределах). Таким образом, стабилизатор на 5 В с питанием от 4-15 В не может давать ток нагрузки больше чем 80 мА. Чтобы обеспечить большие токи нагрузки, следует применять внешние проходные транзисторы. Подключим внешний проходной транзистор таким образом, чтобы он образовал со встроенным транзистором пару Дарлингтона (рис. 5.5). Транзистор - внешний проходной транзистор; он должен быть снабжен радиатором - чаще всего это ребристая металлическая пластина - для отвода тепла (можно и по-другому: поместить транзистор на одной из стенок корпуса блока питания). Вопросами теплового режима мы будем иметь дело в следующем Разделе. Настроечный потенциометр применен для точного выставления 4-5 в на выходе. Диапазон подстройки должен быть достаточным компенсации допуска на сопротивления резисторов, а также производственного разброса t/on (рассматривается наихудший случай). Диапазон настройки выходного напряжения находится в пределах ±1 В от номинала. Заметьте, что для получения тока нагрузки 2 А

и около этого необходимо иметь мощный токоограничивающий ре

истор с низким сопротивлением.

Падение напряжения на проходном транзисторе. Одной из проблем при построении этой схемы является большое рассеяние мощности на проходном транзисторе (по крайней мере 10 Вт при полном токе нагрузки). Этого не избежать, если ИМС стабилизатора питается от

Уцх (нестабилизир.) +9,5 Б (мин.)

Медленный плавкий предохранитель на ЗА

2N3055+ радиатор

Выход

Рис. 5.5.

нестабилизированного источника, так как в этом случае ему нужен запас сверху в несколько вольт (определяемый минимальны.м падением напряжения). Если использовать для ИМС 723 отдельный слаботочный источник питания (например, +12 В), то минимум нестабилизированного напряжения питания на внешнем проходном транзисторе может всего лишь на 1 В превосходить стабилизированное напряжение на выходе, но лучше все же иметь запас хоть несколько вольт, так как в жестких условиях эксплуатации требуется нормальная работа даже при 20%-ном снижении напряжения в сети переменного тока.

Защита нагрузка по напряжению. В схеме рис. 5.5 предусмотрена также защита нагрузки от слишком больших напряжений, состоящая из Дх, Тг и резистора 33 Ом. Назначение этой схемы в том, чтобы закорачивать выход, если из-за какой-либо неисправности стабилизатора выходное напряжение последнего превысит 6,2 В (это может случиться, если отключится один из выводов резисторов делителя или откажет какой-нибудь элемент схемы 723). Тз - это КУВ (кремниевый

Тиристор,- Прим. ред.