Пульсация за периода

Время

Рис. 5.17.

четы, и не надо возиться с постоянными времени или экспонентами (рис' 5.17).

Например, вы хотите выбрать конденсатор фильтра для неста-билизированной части источника питания +5 В, 1 А, и предположим, что уже выбран трансформатор с эффективным значением напряжения вторичной обмотки 10 В, обеспечивающий после выпрямителя 12 В постоянного тока на пике пульсации при полном токе нагрузки. При минимальном падении напряжения на проходном транзисторе стабилизатора на 2 В входное на- -пряжение стабилизатора не должно никогда падать ниже -f 7 В (знакомая вам ИМС 723 требует +9,5 В, но соответствующие трехвыводные стабилизаторы, описанные ниже, в разд. 5.15, оказываются более покладистыми). Так как надо подстраховаться от возможных отклонений напряжения в сети на 10% в любую сторону, то максимальный размах пульсаций не должен превышать 2 В запериод. Тогда: 2 В=Г( Г) = Г С=0,008 сх х1,0/С, откуда С=4000 мкФ. Электролитический конденсатор 5000 мкФ на 25 В - это выбор с подстраховкой из-за возможного 20%-ного допуска значения емкости конденсатора.

Балластный резистор, установленный параллельно выходу на схеме рис. 5.16, разряжает конденсатор за несколько секунд в условиях отсутствия нагрузки. Это полезно, так как если конденсатор источника питания остается заряженным после того, как источник выключен, то легко можно повредить какие-нибудь схемные элементы, ошибочно считая, что напряжения в схеме нет.

Выпрямители. Прежде всего следует отметить, что диоды, применяемые в источниках питания, это совсем не то, что малосигнальные диоды вроде 1N914, применяемые в схемотехнике. Сигнальные диоды рассчитаны на высокое быстродействие (несколько наносекунд), малые токи утечки (несколько наноампер) и малую емкость (несколько пикофарад); они могут выдерживать ток до 100 мА, а напряжение пробоя редко превосходит 100 В. Выпрямительные диоды и мосты, предназначенные для работы в источниках питания, выдерживают ток от 1 до 25 А, а напряжение пробоя их - от 100 до 1000 В. У них сравнительно большие токи утечки (в диапазоне от микроампер до миллиампер) и довольно большая емкость переходов. Для высоких скоростей переключения они не предназначены. Перечень ряда широко применяемых типов выпрямителей приведен в табл. 5.4.

Srtr приводимой формуле 0,008 с - полупериод сетевой частоты 120 Гц, для 1Ц - это 0,01 с и С=5000 мкФ точно,- Прим. ред.

выпрямители

Двухполупериодные мосты Motorola 3N246-252 3N253-259

50-1000 50-1000

.0,9

Пластмассовый

рядный То же

MDA980-\-6 MDA3500-10

Semtech SC2-6

SCBA2-6 SCBA2-6

Varo VMO8-108 VE27-67 VH247-647

VK048-1048 VS148X-448X

Специального назначения GEA570A-A604

Semtech SCH5000-25000 Varo VF25-5-40

Semtech SCKV100K3- 200K3

50-600 50-1000

200-600 200-600 200-600

50-1000 200-600 200-600

50-1000 100-400

100-2000 5000-25000

5000-40000 100-200 KB

1,0 1,0 1,0

1,2 макс. 1,2 макс.

1,5 макс.

1,0 макс. 7-33 макс.

12-50 макс. 150-300

12 35

5 10 15

1 1 6

30 2

1500 0,5

0,025 0,1

Пластмассовый, монтируется на шасси То же

Металлический, монтируется на шасси

Мини-DIP ТО-105

Пластмассовый, мон-

1ируе1ся на шасси То же

Вставка для быстрого ремонта

Обычный корпус

Лавинный

Быстрое восстановление (0,2 мкс)

Типа большой кнопки Ток!

Проводи.

Пластмассовый стержень

Высокое напряжение, ток, быстродействие (0,2 мкс)

Высокое напряжение

Очень высокое напряже-ние1

Типичными представителями выпрямителей являются устройст1 серии 1N4001-1N4007, рассчитанные на ток 1 А, с напряжение обратного пробоя от 50 до 1000 В. Серия 1N5625 рассчитана на 3 что является почти наивысшим возможным значением тока для элемента, заключенного в герметичный корпус с выводами под печатный монтаж (охлаждение за счет теплопроводности выводов). Серия 1N1183A - типичные сильноточные, оснащенные штыревыми выводами выпрямители, с расчетным током 40 А и напряжением пробоя до 600 В. Популярны и мостовые выпрямители в пластиковых корпусах, монтируемые на печатных платах, с расчетным током 1 и 2 А и монтируемые на шасси, рассчитанные на 25 А и более. Для тех применений, где важно высокое быстродействие (например, преобразователи постоянного тока), используются диоды с быстрым восстановлением обратного сопротивления, например одноамперные диоды серии 1N4993. В низковольтных схемах может оказаться желательным использование диодов Шоттки, например серии 1N5823 с прямым падением напряжения менее 0,4 В при токе 5 А.

ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Необходимость в хорошем источнике опорного напряжения часто возникает во многих схемах. Например, вам нужно построить прецизионный источник стабилизированного питания с лучшими характеристиками, чем у готовых стабилизаторов вроде 723 (поскольку интегральные схемы стабилизаторов рассеивают заметную мощность из-за наличия встроенных проходных транзисторов, они могут .довольно ощутимо нагреваться с соответствующим дрейфом параметров), или нужно построить прецизионный источник тока (т. е. схему со стабилизированным выходным током). Далее, есть еще одна область, в которой нужны прецизионные источники опорных напряжений (но не прецизионные источники питания),- это проектирование точных вольтметров, амперметров и омметров.

5.13. Стабилитроны

Простейшим видом источников опорного напряжения является стабилитрон - прибор, который мы рассматривали в разд. 1.06. В сущности, это диод, работающий при обратном смещении на участке, соответствующем напряжению пробоя, где ток пробоя очень быстро возрастает при дальнейшем росте напряжения. Чтобы использовать этот диод в качестве источника опорного напряжения, надо просто обеспечить прохождение через него приблизительно постоянного тока. Это обычно делается с помощью резистора, подключенного к достаточно высокому напряжению, и таким образом строится наиболее примитивный стабилизированный источник.

Стабилитроны выпускаются на целый ряд значений напряжения --от 2 до 200 В (их напряжения имеют тот же набор значений, что и

сопротивления стандартных 5%-ных резисторов), с допустимой мощностью рассеяния от долей ватта до 50 Вт и допуском на напряжение стабилизации от 1 до 20%. Привлекательные на первый взгляд в качестве опорных источников напряжения для различных целей, стабилитроны, однако, не так просты в использовании по многим

200 г

2,0 г

г,0 3,0 5,0 7,0 10 W 30 50 70 100

s Уст.В

Рис. 5.18. Зависимости дифференциального сопротивления стабилитронов (а) и Вариаций напряжения стабилизации стабилитронов (б) от номинального напряжения стабилизации (о разрешения Motorola Semiconductor Products Inc.).

причинам: они имеют конечный набор значений напряжения, у них большой допуск на напряжение стабилизации (кроме дорогих прецизионных стабилитронов), они сильно шумят и их напряжение зависит от тока и температуры. Вот пример двух последних эффектов: стабилитрон на 27 В из распространенной серии 1N5221 стаби- итронов на 500 мВт имеет температурный коэффициент порядка

+0,1%ГС, и в силу этого его напряжение меняется на 1%, когда ток изменяется от 10 до 50% от максимального.

Есть исключение из правила о плохих характеристиках стабилитронов. Оказывается, что в окрестности значения напряжения стабилизации 6 В стабилитроны мало чувствительны к изменениям тока и при этом имеют почти нулевой температурный коэффициент. Этот эффект виден на кривых рис. 5.18, полученных путем измерения

§

5,0 4,0

О

1,0 2,0

.S -3,0

2,0 3,0 4,0 5.D 6,0 7,0 8,0 9,0 10 И \г

Рис. 5.19. Зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитронов от их номинального напряжения (с разрешения Motorola Semiconductor Products Inc.).

стабилитронов с разными напряжениями. Это характерное поведение связано с тем, что в стабилитронах в действительности используются два разных механизма пробоя: зенеровский и лавинный; первый - при низком напряжении, второй - при высоком. Если стабилитрон используется только как стабильный источник напряжения и вам все равно, какое это будет напряжение, то лучше всего взять один из компенсированных опорных стабилитронов, состоящих из стабилитрона приблизительно на 5,6 В и последовательно с ним соединенного диода, смещенного в прямом направлении. Напряжение стабилитрона выбирается так, чтобы взаимно компенсировать положительный температурный коэффициент стабилитрона и отрицательный температурный коэффициент диода, соответствующий около -2,1 мВ/°С.

Как видно из рис. 5.19, температурный коэффициент зависит от рабочего тока, а также от напряжения стабилитрона. Поэтому, выбирая ток стабилитрона, можно как-то подстроить температурный коэффициент. Из таких стабилитронов со встроенными последовательно диодами получаются неплохие источники опорного напряжения. Для примера: серия дешевых стабилитронов на 6,2 В 1N821 имеет температурные коэффициенты от 10~*/°С (1N821) до 5-10 /°*- (1N829), а стабилитроны 1N940 и 1N946 на 9 В и 11,7 В имеют температурный коэффициент 210~V°C.

Задание рабочего тока стабилитрона. Описанные выше компенсированные стабилитроны могут использоваться в схемах в качестве источников стабильного напряжения, но надо обеспечить питание их постоянным током. Для серии 1N821 изготовителем указано 6,2 В ±5% при токе 7,5 мА с дифференциальным сопротивлением

G.7B

1N829

+10,0 В

3,83 КОМ 1%

6,19 кОм 1%

15 0м; таким образом, изменение -jp , 51 ом тока на 1 мА изменяет напряжение в три раза сильнее, чем изменение температуры от -55 до +100°С (для прибора 1N829). На рис. 5.20 показано, как довольно просто можно обеспечить постоянный ток смещения прецизионного стабилитрона. Операционный усилитель включен как неинвертирующий усилитель и имеет на выходе стабильное напряжение, равное -МО,О В, которое используется для получения прецизионного тока -

7,5 мА. Это самозапускающаяся Рис 5.20. схема, но она может включиться с

любой полярностью на выходе! При неправильной полярности стабилитрон работает как обычный диод с прямым смещением. Включение операционного усилителя от однополярного источника питания снимает эту странную особенность.

Существуют компенсированные специальные стабилитроны с гарантированной временной стабильностью напряжения-параметр, который, как правило, не указывается. Примеры-серия 1N3501 и 1N4890. Стабилитроны такого типа имеют гарантированную стабильность 5-10~/1000 ч или еще лучше. Они недешевы. В табл. 5.5 собраны характеристики некоторых стабилитронов и диодных источников опорного напряжения.

Стабилитронные ЯМС Для достижения свойственных стабилизатору 723 превосходных характеристик (стабильность {/п 30 10~V°C) используется компенсированный стабилитрон. Стабилизатор 723 сам по себе вполне приличный источник опорного напряжения, и совместно с необходимыми навесными элементами эта ИМС может использоваться для получения стабильного источника с любым желательным напряжением.

Стабилизатор 723, применяемый в качестве опорного источника напряжения, служит примером трехвыводного опорного источника, т. е. источника, для работы которого нужен внешний источник пита-Прецизионные температурно-компенсированные стабилитрон-

Внешний источник напряжения нужен и двух-, и трехвыводным источникам опорных напряжений, но у первых вывод подвода управляющего тока совмещен о выходом, как у простого стабилитрона, а у вторых подводится напряжение питания, как у обычных ИМС,- Прим, ред.

Стабилитроны и источники опорного напряжения

Hbie ИМС выпускаются и в виде двухвыводных устройств: с точки зрения внешних электрических соединений они выглядят просто как стабилитроны, хотя в действительности содержат еще ряд активных элементов для улучшения характеристик (наиболее существенная - постоянство стабилизированного напряжения при заданном токе). Пример - схема LM329 с напряжением около 6,9 В. В лучшем варианте ее температурный коэффициент равен 6-10-V°C (тип.), 10-ГС (макс.) при постоянном токе & 1 мА.

К несчастью, стабилитронные ИМС, как и их дискретные аналоги, сильно шумят. Шум становится сильнее для стабилизаторов, использующих лавинный пробой, т. е. с напряжением стабилитрона больше 6 В. На рис. 5.21 показан график шума стабилитронного источника 723.

Применение стабилитронной структуры с так называемым захороненным или подповерхностным слоем может улучшить стабильность стабилитрона и существенно уменьшить его шум. Этот прием используется в одном из наиболее стабильных мрнолитных опорных источников (см. разд. Температурно-стабилизированные источники опорного напряжения ).

Ток стабилитрона, мА

Рис. 5.21. Зависимость напряжения шумов ма-лошумящего стабилитрона, подобного тому, который используется в стабилизаторе 723, от рабочего тока стабилитрона.

5.14. Источник опорного напряжения, равного ширине запрещенной зоны полупроводника {[/вэ - стабилитрон)

Недавно стала получать распространение схема, известная под названием стабилитрон с напряжением запрещенной зоны . Более точное название было бы стабилитрон {/бэ*- Это легко понять, вспомнив формулу Эберса - Молла для диода. В основе схемы лежит идея генерации напряжения с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту напряжения {/бэ- При сложении этого напряжения с {/бэ получается напряжение с нулевым температурным коэффициентом.

Мы начнем с рассмотрения токового зеркала с двумя транзисторами, работающими с разной плотностью эмиттерного тока (рис. 5.22), с обычным отношением плотностей тока порядка 1 : 10. Применяя формулу Эберса - Молла, легко показать, что 1 имеет положительный температурный коэффициент, поскольку разность напряже-

в отечественной литературе принят термин скрытый слой (высоколегирован-яый слой, расположенный между подложкой и эпитаксиальиым слоем).- Прим. ред.

нии {Убэ для двух транзисторов есть просто {kT/q)\n а, где о - отношение плотностей тока (см. рис. 2.51). Здесь может возникнуть

упр т

фюстоянный), -вых . .. i (положительный.

шемператцрныи

. ЦРнь коэффичиент)

Г 1

+5,00В

Рис. 5.22.

Рис. 5.23. Классическая схема источника опорного напряжения с напряжением запрещенной зоны полупроводника.

Выход

вопрос: где взять постоянный задающий ток Несколько позже мы покажем остроумный метод его получения. Сейчас вам надо только

преобразовать этот ток в напряжение с помощью резистора и сложить его с нормальным напряжением (/бэ- Такая схема показана на рис. 5.23. Резистор R2 устанавливает величину напряжения, которое складывается с (/бэ и имеет положительный температурный коэффициент. Подбирая должным образом величину/?2, получаем нулевой

5,00!

3,78 kOm

1.22 В

1,22

Выхлд датчика температуры

Рис. 5.24,

результирующий температурный коэффициент. Оказывается, что температурный коэффициент будет нулевым, когда суммарное напряжение равно напряжению запрещенной зоны кремния (при температуре абсолютного нуля), т. е. примерно 1,22 В. Часть схемы, обведенная пунктиром, является стабилитроном. Ее выход используется (через резистор /?з) для создания постоянного тока /упр, который мы с самого начала считали существующим.

На рис. 5.24 показана другая весьма популярная схема стабилитрона запрещенной зоны (заменена обведенная часть схемы рис. 5.23). Ti и Та-согласованная пара транзисторов, вынужденная