Выход пост, тока

предохранитель поставлен перед стабилизатором. Здесь было бы хорошо использовать активную стабилитронную схему, рассмотренную в разд. 5,06.

Стабилизация в цепи земли. На рис. 5.35 показан другой способ стабилизации высокого напряжения с помощью низковольтных элементов. - последовательный проходной транзистор, но соединенный с низковольтным концом источника питания; его выход идет на землю. Напряжение на нем - это только доля выходного напряжения, и поэтому этот транзистор потенциально находится около земли, что упрощает схему управляющего сигнала. Как и раньше, следует обеспечить защиту во время переходных процессов включения - выключения, а также при перегрузках. Показанная на схеме простая стабилитронная защита достаточна, надо лишь помнить, что стабилитрон должен быть способен выдержать ток короткого замыкания.

Стабилизация вольтодо-бавки. ( Подъем стабилизатора над уровнем земли).

Еще один метод, который иногда

употребляется для расширения диапазона напряжения стабилизаторов, включая и простые трехвыводные стабилизаторы,- это поднятие потенциала общего вывода стабилизатора относительно потенциала

земли с помощью сгабилитро-

Стабилитрон 75 В

кот

Рис. 5.33.

Вход Выход Земля

3 на (рис. 5.36). Ml поднимает ста6 *д, потенциал общего вывода над потенциалом заземления, добавляя его напряжение к собственному выходному напряжению стабилизатора. Да через повторитель Tiустанавливает падение напряжения на стабилизаторе и совместно

Рис. 5.36.

с Дз обеспечивает защиту от короткого замыкания.

Использование оптронов. Еще один путь решения проблемы пробоя проходного транзистора в высоковольтных источниках пи-

тания с применением относительно низковольтных приборов при известном фиксированном выходном напряжении состоит в следующем. Мы видели, что в таких случаях только транзистор, выдающий управляющий сигнал, должен выдерживать высокое напряжение, но даже этого можно избежать, если применить оптронную пару. Эти приборы, о которых мы еще будем говорить в связи с цифровыми интерфейсами в гл. 9, состоят из двух электрически изолированных

Высоковольтный нестабилизир. вход

Высоковольтный выход

Рис. 5.37. Высоковольтный стабилизатор с оптрониой изоляцией.

частей: светодиода, который излучает свет, когда проводит ток, и фототранзистора (или фотопары Дарлингтона), смонтированных рядом в непрозрачном корпусе. Прохождение тока через диод приводит транзистор в проводящее состояние аналогично появлению тока базы. Как и для обычного транзистора, для выведения фототранзистора в активный режим к коллектору прикладывается напряжение. Во многих случаях даже не делают отдельного вывода базы. Оптрон-ные пары, как правило, имеют достаточно хорошую изоляцию, чтобы выдержать напряжение в несколько тысяч вольт между входом и выходом. На рис. 5.37 показано несколько способов использования оптронных пар в высоковольтных источниках питания. В первой схеме фототранзистор Га запирает проходной транзистор Гя при слишком большом подъеме выходного напряжения. Во втором варианте, для которого изображена только часть схемы с проходным транзистором, фототранзистор, будучи возбужден, увеличивает выходной ток, поэтому входы усилителя ошибки должны быть инвертированы. Обе схемы создают некоторый выходной ток в цепи проход-

Питание для

Выше LM10 У. на . Г ♦0,2В \

кОм

ного транзистора, поэтому необходима балластная нагрузка между выходом и землей, чтобы не было подъема выходного напряжения в условиях отсутствия нагрузки. Эту функцию можно возложить на резисторы выходного делителя или на включенный параллельно выходу источника отдельный вспомогательный резистор, который вообще рекомендуется включать в высоковольтных источниках питания.

Плавающие стабилизаторы. Другой способ избежать больших напряжений на управляющих элементах источника высоковольтного питания - это сделать управляющую схему плавающей около потенциала базы проходного транзистора, сравнивая падение напряжения на его собственном источнике напряжения с падением напряжения между ним и землей. Для подобного применения предназначена превосходная ИМС стабилизатора МС1466, которой требуется вспомогательный слаботочный источник напряжения (20-30 В) для работы самой ИМС. Выходное напряжение ограничено только проходными транзисторами и изоляцией вспомогательного источника. Схема МС1466 характеризуется очень хорошей стабилизацией и прецизионной токо-ограничивающей схемой, поэтому она вполне подходит для точных лабораторных источников питания. Р *-

Изящный способ построения плавающего стабилизатора может быть осуществлен на основе недавно появившейся ИМС - LM-10- комбинации ОУ и источника опорного напряжения, ознаменовавшей перелом в технологии производства ИМС. Эта ИМС может работать от одиночного источника питания 1,2 В, т. е. она может быть запитана от перепада напряжений между эмиттером и базой проходного транзистора Дарлингтона! Пример такой схемы показан на рис. 5.38. Если вы любите аналогии, то представьте себе жирафа, который измеряет собственный рост, глядя на землю с высоты, а затем стабилизирует его, вытягивая или укорачивая шею.

Последовательное соединение транзисторов. Рис. 5.39 ил-JnocTpHpyeT прием последовательного соединения транзисторов для увеличения напряжения пробоя. Транзистор Ti выдает сигнал возбуждения на последовательно соединенные транзисторы Tj- Которые делят между собой большое напряжение между коллектором.

0,ODi:±:

41мкФЛ± 15 В m

Высоковольт-> иый вход

Гг И ВЫХОДОМ. Резисторы базы выбираются достаточно малыми, чтобы можно было добиться от транзисторов полного тока выхода. Как и в предыдущей схеме, резисторы смещения дают некоторый выходной

ток даже при запертых транзисторах, поэтому должна быть включена балластная нагрузка между выходом и землей, чтобы предотвратить подъем выходного напряжения выше стабилизированного уровня. При работе с подобными схемами следите за допустимыми напряжением и мощностью резисторов.

Стабилизация входного напряжения. В высоковольтных источниках питания иногда применяется другой прием - стабилизация входного напряжения вместо выходного. Обычно это делается с помощью высокочастотных импульсных преобразователей постоянного тока, поскольку попытка стабилизировать напряжение переменного тока 50 или 60 Гц приводит к плохой стабилизации с существенными остаточными пульсациями. Общая идея метода показана на рис. 5.40. Трансформатор Tpi и связанная с ним схема выпрямителя дают некоторое промежуточное напряжение, например 40 В. От этого напряжения работает мощный высокочастотный генератор прямоугольных импульсов, а его выходной сигнал подвергается двух-полупериодному выпрямлению и фильтрации. Отфильтрованный по-

Выход

Рис. 5.39.

60 Гц

Нестабилизир. пост, напряжение

Прямоугольный импульс -20 кГц

-WpT.

Генератор

20 кГц

Выход стабилизир, пост, тока

Рис. 5.40,

стоянный ток является выходным сигналом, часть которого подается обратно на генератор для управления его рабочим циклом или ам-

Лента делается из пермаллоя или иного сплава подобного типа.- Прим. ред.-

плитудой в зависимости от выходного напряжения. Так как генератор работает на высокой частоте, то переходные процессы происходят быстро и выпрямленные колебания легко отфильтровать, особенно если выпрямление двухполупериодное. Трансформатор Тр2 должен быть рассчитан на работу с высокочастотным напряжением, поскольку обычный мощный трансформатор с наборным сердечником из пластин имеет большие потери в магнитопроводе. Подходящие трансформаторы делаются с сердечниками из железного порошка, феррита, или с тороидальными ленточными сердечникамии они гораздо меньше и легче мощных трансформаторов для тех же расчетных мощностей. Здесь не нужны высоковольтные элементы, кроме, конечно, выходных выпрямительного моста и конденсатора.

5.21. Импульсные стабилизаторы

Для большинства источников питания лучшим средством стабилизации является последовательный проходной стабилизатор, но если требуется большой ток, то из-за рассеяния большой мощности на проходном транзисторе источник питания получается большим (и горячим!). В тех случаях, когда это нежелательно, применяются импульсные стабилизаторы (иногда называемые стабилизаторами с периодической передачей энергии), в которых проходной транзистор быстро переключается (обычно с частотой 5-50 кГц) между состояниями насыщения и отсечки. Выходной сигнал (очень противный - прямоугольный импульс, колеблющийся между уровнем входного нестабилизированного напряжения и уровнем заземления) сглаживается фильтром нижних частот, состоящим из последовательно включенной катушки индуктивности (дросселя) и заземленного конденсатора (в действительности было бы правильнее считать катушку устройством, запасающим энергию, а не частью фильтра). Благодаря высокой частоте переключений фильтрация упрощается. Как и у других стабилизаторов, выходной сигнал постоянного тока сравнивается с соответствующим опорным напряжением, но здесь изменяется рабочий цикл импульса переключения (отношение времени включенного состояния к времени выключенного) вместо изменений уровня возбуждения базы проходного транзистора, и тем самым выходное напряжение подстраивается в соответствии с сигналом ошибки.

Импульсные стабилизаторы рассеивают очень небольшую мощность, поскольку проходной транзистор то заперт, то насыщен, а Дроссель мощности не рассеивает, если не считать потерь от сопротивления обмотки и потерь в сердечнике, которые могут быть сделаны очень малыми. В результате получаем источник питания на большой ток Очень высокой эффективности с интересным свойством: в импульс-Ном стабилизаторе, у которого выходное напряжение меньше входного, ток, отбираемый от источника нестабилизированного напря-

жения, меньше выходного тока, который питает нагрузку. При этом напряжение на входе стабилизатора может быть намного больше напряжения на выходе. Например, мини-ЭВМ Nova 3/4 все питание получает от импульсного источника, в том числе и питание +5 В при 20 А, а источник имеет на входе нестабилизированное напряжение +35 В. При тех же условиях такая разница между входным и выход-ным напряжением у последовательного проходного стабилизатора была бы невозможна, так как рассеиваемая на проходном транзисторе мощность достигала бы при полной нагрузке 600 Вт. С помощью импульсных стабилизаторов можно создавать выходное напряжение, превышающее входное, и даже напряжение обратной полярности - прием, который используется в только что упомянутом источнике питания для мини-ЭВМ.

Подробное рассмотрение методов проектирования импульсных стабилизаторов выходит за рамки этой книги. Их практическое конструирование может потребовать значительного хитроумия, и они обладают некоторыми серьезными недостатками, наиболее заметные из которых - генерация электрических помех во время переходных процессов включения - выключения больших токов, проблемы режима работы в отсутствие нагрузки, и, наконец, эти стабилизаторы часто во время работы издают довольно громкий, неприятный, зловещий звук. Мы советуем: если вам нужен импульсный стабилизатор - купите его, но при этом обратите особое внимание на противошумовые фильтры, защиту от короткого замыкания и защиту от неисправностей.

5.22. Преобразователи постоянного тока

В некоторых случаях удобно или даже необходимо иметь возможность преобразовать одно постоянное напряжение в другое. Например, в цифровых системах почти всюду используется +5 В при сильном токе, но вам может понадобиться использовать отдельный операционный усилитель, который потребляет лишь несколько миллиампер постоянного тока напряжением 15 В, или иногда вам может понадобиться запустить какую-нибудь мощную аппаратуру от 12-В автомобильного аккумулятора.

Генератор плюс трансформатор. Один из наиболее популярных способов преобразования постоянного напряжения, особенно если нужна значительная выходная мощность,- это сочетание мощного генератора прямоугольных импульсов и трансформатора. Они могут быть объединены в самовозбуждающийся мощный генератор, как показано на рис. 5.41. Транзисторы Ti и Га образуют пушпульный генератор, который вводит трансформатор Tpi в магнитное насыщение на каждом полупериоде. Обычно в этих трансформаторах используются тороидальные сердечники в виде квадратной петли , но можно брать и обычные пластинчатые, хотя и с меньшей эффективностью-

Резисторы и диод в цепи базы должны обеспечивать возникновение колебаний. Точки рядом с витками - это универсальный способ обозначения относительной полярности обмоток. Обычно применяется еще и последовательный прохедной стабилизатор, поскольку

Запускающее смещение

Рис. 5,41.

СО вторичной обмотки трансформатора снимается отфильтрованное^ но не стабилизированное напряжение. Фильтрацию провести легко, поскольку выходное напряжение - это прямоугольный импульс, прошедший двухполупериодное выпрямление, т. е. уже почти безупречное постоянное напряжение. Генератор, как правило, работает на частоте не менее нескольких килогерц - для уменьшения габаритов и веса сердечника трансформатора. При таких частотах для уменьшения потерь в сердечниках применяются специальные материалы и технология изготовления. Готовые преобразователи постоянного напряжения выпускаются многими фирмами, специализирующимися на источниках питания; в частности, такие преобразователи выпу-скакугся для преобразования напряжения +5 В в ±15 В.

Предупреждение: покупая преобразователь постоянного напряжения, следует предусмотреть некоторые возможные неприятности. Проверьте, что преобразователь: а) включится в случае наибольшей пагрузки; б) не сгорит при закороченном выходе; в) не дает всплесков Или еще чего-нибудь лишнего во входной или выходной линии.

Бестрансформаторное преобразование. Для применений, требующих малых значений тока, можно построить бестрансформаторный преобразователь постоянного напряжения, используя лишь генера-

тор прямоугольных импульсов и выпрямитель или умножитель напряжения. Пример такой схемы показан на рис. 5.42. Схема дает выходное напряжение +5 В и -5 В от одиночного входного напряжения + 12 В, например от аккумулятора. ИМС таймера 555 генерирует прямоугольные импульсы с частотой 1 кГц, колеблющиеся от уровня

Вход чгв

Rz 10

кОм

jOmY

Ci ±

0,1 -r

Рис. 5.42.

T 4Г~18

Ш0мкФ1М4001 rsi

дГ Х /Ф

,1ЛПП1 - / -

1N4001

75кОм

-f-+5В

ij4,7mk<t> rLr Выход

-f---SB

4.7 мкФ

0,001 мкФ

5кОм 0

Установка выхода

земли до +12 В. Эти импульсы подвергаются выпрямлению на диодах Ди Дз и двух конденсаторах для получения нестабилизированного напряжения -10 В. Пара нестабилизированных напряжений +12 В и -10 В подается на сдвоенный стабилизатор для получения стабилизированных напряжений ±5 В.

Примером готовой ИС для бестрансформаторного преобразования постоянного напряжения является Intersil ICL 7660. В ней используются МОП-транзисторные ключи (см. гл. 6) совместно с плавающими конденсаторами для получения отрицательного постоянного напряжения, равного по величине положительному напряжению питания схемы, например, выходное напряжение -5 В получается при напряжении питания +5 В. Схема работает в диапазоне от 1,5 до 10 В, имеет эффективность преобразования, близкую к 100%, и дает выходной ток до 40 мА. Эта удобная ИМС выпускается в корпусах мини-DIP и требует только двух внешних навесных элементов (конденсаторов). Объединяя несколько схем ICL 7660, можно получать выходное напряжение, кратное напряжению питания.

5.23. Энергозапасающие дроссели

Примеры схем, приводимые ниже,- это импульсные стабилизаторы в тех или иных воплощениях. Все они используют свойство катушки индуктивности накапливать энергию, а затем отдавать ее конденсатору фильтра или нагрузке (см. общие замечания в разд. 5.21)-

Повышающий стабилизатор. Необычным приемом с ограниченной областью приложения является использование дросселя

с обратным ходом , в которой энергия /PL, запасенная в магнитном поле дросселя, преобразуется в постоянный ток. Пример того, как это делается, показан на рис. 5.43. Схема генерирует стабилизированное напряжение -f 12 В от питания +5 В, сплошь и рядом встречающегося в цифровых схемах. Эта конкретная схема использует ИС

+5 Во

ыход +17R

10мк<Р

Рис. 5.43. Повышающий преобразователь постоянного напряжения на базе ИМС.

переключательного стабилизатора TL497, хотя подобные схемы могут быть построены из стандартных элементов, таких, как компараторы и генераторы. Внутренний генератор дает периодические 40 мкс-импульсы, отпирающие транзистор Ti и заземляющие один конец Li. Ток через Li в этот момент возрастает (так как U=LdI/dt), а когда транзистор Ti запирается, напряжение на катушке резко растет, стремясь удержать ток на том же уровне. У такой схемы выходное напряжение в отсутствие нагрузки будет расти непрерывно, так как индуктивность просто наращивает заряд конденсатора Cj, каково бы ни было напряжение на нем (конечно, может произойти пробой Дь Tj или d). В этой схеме выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением 1,2 В. Выходной сигнал компаратора отключает генератор импульсов, если выходное напряжение достаточно велико, и таким образом выходное напряжение регулируется без использования проходного транзистора. В этой схеме Д, блокирует обратный ток во время действия импульса, а резистор обеспечивает всегда важную функцию ограничения тока. Емкостью Ci задается ширина импульса, а Сг фильтрует выходной сигнал для снижения уровня пульсаций. Он должен иметь довольно значительную емкость, так как стабилизация осуществляется только импульсно.

Источники питания, используюш,ие обратный выброс.

Высоковольтные источники питания, использующие обратный выброс, иногда строят на базе трансформаторов. Первичная обмотка работает

так, как только что было описано, но большое отношение витков дает возможность получить высокое выпрямленное напряжение со вторичной обмотки. Эту идею иллюстрирует рис. 5.44. Транзистор Ti возбуждается импульсами, периодически заземляя один конец первичной обмотки. Схема может быть самовозбуждающейся, подобно первому из рассмотренных нами преобразователей постоянного тока.

+ 50 в

+300 В

т п л г-с

1 .Выход

T4.+15 кВ J С,

а

Рис. 5.44.

обм

г, (обм)

О

2А

+300

п

Дг - это демпфирующий диод, препятствующий слишком большому подъему напряжения коллектора Ti во время обратного выброса. Диод Д2, связанный со вторичной обмоткой высокого напряжения, является выходным выпрямителем. Подобные схемы с обратным выбросом применяются для питания кинескопов и катодно-лучевых трубок в качестве источников высокого напряжения анода, обычно 10 кВ при нескольких микроамперах. Эта схема работает на частоте около 15 кГц, а это значит, что конденсатор фильтра может иметь емкость всего несколько сотен пикофарад. Нарастающий ток в интервалах времени, когда транзистор Ti открыт, часто используется для формирования магнитного поля для сканирования луча в электронно-лучевой трубке; в этих случаях частота импульсов обратного хода определяет скорость горизонтальной развертки. Родственной схемой является так называемый блокинг-генератор, работающий в автоколебательном режиме.

Микромощные стабилизаторы. Преобразователи, использующие обратные выбросы, находят себе применение также в микромощных схемах типа электронных часов, карманных калькуляторов и других устройств, от которых требуется длительная работа от маленькой батарейки. Например, на рис. 5.45 показана микромощная схема стабилизированного питания для электростимулятора сердечной мышцы. Такая схема преобразует входное напряжение (диапазон от 4-5 до +3 В, напряжение падает по мере старения батареи) в стабилизированное питание +5,5 В. Этот источник питания имеет ток покоя около 1 мкА, обеспечивает стабильность по входу и по нагрузке около 5% и эффективность преобразования 85% при полной нагрузке и полном напряжении батареи. Соответствующая схема с