использованием генератора, удвоителя и последовательного проходного стабилизатора была бы гораздо менее эффективна из-за потерь в стабилизаторе при высоком нестабилизированном напряжении. Схемы с обратным выбросом эффективны и при создании умножителей напряжений с переменным коэффициентом умножения. Такие умножители имеют максимальный коэффициент полезного действия и потому очень хороши для применений в микромощных схемах.

10 МОм

3,3 МОм

100 кОм

270 :Ь 1 пф X 2NG028

МОм

47 кОм

150 пФ

. 1110 витков

14098 r-t

27k0m

3,3 ] ком -i-

вых о+5,5В О-Ю мкА

Рис. 5.45. Микромощный импульсный стабилизатор.

На управляемом переходном транзисторе 2N6028 собран релаксационный генератор. Он не проводит ток, пока напряжение на управляющем электроде не превысит напряжения прямого смещения р - п-перехода, а тогда он переходит в проводящее состояние, пропуская большой ток от анода к катоду и разряжая конденсатор.

В этой схеме Тз является элементом обратной связи - он разряжает конденсатор С„ уменьшая скорость нарастания импульса преобразования энергии в катушке индуктивности до величины, необходимой для поддержания желаемого выходного напряжения. Обратите внимание на большие сопротивления резисторов во всей схеме. Температурная компенсация здесь не нужна, поскольку схема работает в условиях постоянной температуры: 36,6°С.

Понижающие импульсные стабилизаторы. Импульсные источники питания могут, конечно, быть использованы в качестве понижающих стабилизаторов, которые обсуждались на протяжении большей части этой главы. Преимуществами импульсных стабилизаторов в схемах такого назначения являются малая величина и малое

рассеивание мощности, а также возможность получать низкое выходное напряжение при относительно высоком входном без такого громадного рассеяния мощности, как у подобной схемы с последовательным проходным транзистором. Пример такой схемы показан на рис. 5.46. Это стабилизатор, рассчитанный на выходное напряжение 5 В и ток до 5 А при входном нестабилизированном напряжении от

Нестабилизир. вход от 24 до 28 8

0,03 Ом

пцльсации

Рис. 5.46. Импульсный стабилизатор постоянного тока на базе специализированной ИМС.

24 до 28 В. Соответствующий линейный стабилизатор рассеивает мощность 100 Вт, для его работы требуется 5 А входного тока, в то время как для импульсного стабилизатора требуется менее 2 А входного тока. Другими словами, к. п. д. линейного стабилизатора будет 20%, а импульсного - около 70%.

Схема 78S40 - это универсальная подсистема импульсной стабилизации , содержащая внутренний источник опорного напряжения на 1,25 В, компаратор, операционный усилитель, генератор, переключающий транзистор и диод. В показанной конфигурации конденсатор Cj устанавливает генератор в режим выдачи импульсов с длительностью 200 мкс и промежутками между импульсами 20 мкс, т. е. с частотой около 5 кГц. Выходной сигнал генератора корректируется по длительности выходным сигналом компаратора в соответствии с имеющимся выходным напряжением. Внешний переключающий рпр-транзистор подключен по схеме пары Шиклаи (комплементарная пара Дарлингтона) к встроенной паре Дарлингтона TiTi-И транзистор Тз, и диод Дг имеют относительно высокое быстродействие, которое нужно для повышения к. п. д. при данных скоростях

г й

1,0 ом т

г

ii KLM307,355

Нагрузи

схема рассматривалась в разд. Ig. Т L 5.18. -

Схема с измерением пока в силовой выходной цепи. Простая схема с хорошими рабочими парамет- Рис. 5.47. рами получается из последовательного стабилизатора с проходным транзистором, если поставить датчик тока на входе проходного транзистора (рис. 5.47).

12 № 804

переключения. Значения параметров дросселя, времязадающего конденсатора и конденсатора фильтра находятся из проектировочных таблиц, выпускаемых изготовителями схем 78S40. Заметьте, что внутренние ОУ и диод не используются, последний потому, что его расчетный пиковый ток 1,5 А слишком мал.

5.24. Источники стабилизированного постоянного тока

В разд. 2.06 и 2.13 были описаны некоторые методы стабилизации тока с помощью схем, содержащих управляемые напряжением источники тока с плавающими или заземленными нагрузками и некоторые виды токовых зеркал. Ниже, в разд. 6.06, будут описаны ПТ, применяемые для конструирования простых схем источников тока на стокостабилизирующих диодах , т. е. ПТ с затвором, замкнутым на исток, таких, как, например, серия 1N5283. Часто возникает надобность в управляемом источнике питания со стабилизированным током в виде отдельного законченного прибора, поэтому рассмотрим теперь некоторые успешно применяемые для этих целей схемы.

Трехвыводные стабилизаторы. Возможно, простейшим методом было бы применение трехвыводного стабилизатора с плавающим общим выводом: присоединим выход через резистор к общему выводу (земле стабилизатора), потом подсоединим нагрузку между общим выводом и землей. Стабилизатор поддерживает на резисторе постоянное напряжение, а следовательно, н постоянный ток в нем. Этот ток через нагрузку суммируется с собственным рабочим током стабилизатора (этот ток мал). Такой источник постоянного тока имеет ряд недостатков: при малом выходном токе собственный рабочий ток стабилизатора (несколько миллиампер) создает большую ошибку, а при больших выходных токах падение напряжения на резисторе (для выпускаемых стабилизаторов минимум 5 В) приводит к ненужному рассеиванию мощности. Чтобы от этих недостатков избавить- г

ся, лучше всего пользоваться стабилизатором вроде LM317, который поддерживает напряжение 1,25 В между выходом Н и общим выводом при токе общего вывода 50 мкА. Эта

Здесь - токоизмерительный резистор предпочтительно с малой температурной зависимостью. Для очень больших токов или прецизионной точности следует применять четырехпроводный резистор, предназначенный для работы в качестве датчика тока, в котором' измерительные подводы присоединены внутренне; благодаря этому напряжение сигнала не зависит от сопротивления соединений с токо-ведущим проводником, который показан на схеме жирной линией.

Для этой схемы следует применять операционный усилитель с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают схемы 301-305, а таиже ПТ ОУ 355-357. Заметим, что если входы операционного усилителя реверсированы, то вместо выходного рлр-транзистора можно использовать прп-транзистор, включенный повторителем. Однако в этом случае источник тока будет иметь малое полное выходное сопротивление на частотах, близких к частоте Д петли обратной связи с ОУ, у которого выходным каскадом, в сущности, служит эмиттерный повторитель. Так как при этом расчетные характеристики будут хороши, то подобную ошибку при проектировании источников тока допускают часто.

Поскольку в ток выхода входит неизмеряемый ток базы проходного транзистора, то для минимизации этой ошибки следует применять транзистор Дарлингтона. Полностью исключить эту ошибку можно путем применения устройств нового класса, известных под названием вертикальные МОП-транзисторы , которые недавно стали выпускаться (см. разд. 6.20). Они ведут себя как обычные МОП-транзисторы, но могут выдерживать ток до 10 А и более. Здесь важно то, что у ПТ нет тока затвора, поэтому их можно использовать как проходные транзисторы с нулевым током управляющего вывода (затвора). Они выгодны во всех областях применений, включая также усилители звуковых и высоких частот.

Схема с измерением тока в возвратной цепи земли. Хороший способ построить прецизионный источник тока - это вести регулирование тока, измеряя напряжение на прецизионном резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. Таким образом легче исключить ошибку, обязанную своим появлением току базы,- этот ток должен проходить либо через нагрузку и датчик усилителя, либо не проходить ни там, ни там. Но чтобы добиться этого, приходится сделать плавающими ( подвесить ) либо источник питания, либо нагрузку, по крайней мере на величину падения напряжения на измерительном резисторе. На рис. 5.48 показаны две схемы с плавающей нагрузкой.

Первая схема - это хороший последовательный стабилизатор, у которого сигнал ошибки выделяется в виде напряжения на малом резисторе, соединяющем нагрузку с землей. Проводники силового тока изображены жирными линиями. Схема Дарлингтона применена не для того, чтобы избежать ошибки, связанной с током базы, по-

скольку измеряется истинный ток нагрузки, а чтобы иметь уровень тока возбуждения, не превышающий нескольких миллиампер, и использовать в качестве усилителя ошибки обычный операционный усилитель. Датчиком должен быть мощный измерительный резистор

Рис. 6.48.

с низким температурным коэффициентом, желательно четырехпровод-ный резистор. Во второй схеме стабилизирующий транзистор стоит в цепи заземления источника сильного тока. Это имеет то преимущество, что коллектор заземлен, поэтому не приходится заботиться об изоляции корпуса транзистора от радиатора.

В обеих схемах /? з„ выбирается таким, чтобы падение напряжения на нем было при обычных рабочих токах.-1 В; его значение находится путем компромисса между ростом ошибки смещения входа операционного усилителя, с одной стороны, и уменьшением рабочего диапазона источника тока и возрастанием рассеиваемой мощности на резисторе - с другой. Если схема предназначена для работы в большом диапазоне токов, то R может представлять собой набор прецизионных мощных резисторов, переключаемых с помощью переключателя диапазонов.

Заземленная нагрузка. Если нагрузка должна быть соединена непосредственно с землей схемы, то можно применить схему с плавающим источником питания. Два примера таких схем показаны на рис. 5.49. В первой схеме операционный усилитель такого, как здесь показано, забавного вида является усилителем ошибки с буферным вьгходным сильноточным каскадом, работающим от отдельного расщепленного источника питания (для токов меньше 150 мА это может быть, например, схема 723). У сильноточного источника общий вывод плавает относительно земли, и важно, чтобы усилитель ошибки или -отя бы его буферный каскад был запитан от плавающего источника

таким образом, чтобы возвратный путь тока возбуждения базы лежал через i? 3 . Для остальных операционных усилителей и узлов той же схемы требуется слаботочный источник питания с заземленным общим выводом. Напряжение отрицательного по отношению к уровню земли схемы опорного источника задает выходной ток. Заметьте полярность входов усилителя ошибки.

Нагрузка

Слаботочный источник + Общ. -

.г

Сильноточный источник

оеш,. + Сильноточный

источник

И б

Рис. 5.45.

Вторая схема является примером применения дополнительного источника питания, когда в качестве усилителя ошибки используется обыкновенный операционный усилитель. Здесь Ti - внешний проходной транзистор, который должен быть составным, поскольку ток базы проходит через нагрузку, но не через токоизмерительный резистор. Усилитель ошибки питается от того же расщепленного источника питания с заземленным общим выводом, что и остальные узлы прибора. Эта схема вполне подходит для стендовых источников тока со встроенным слаботочным расщепленным источником питания и сильноточным источником питания, присоединенным извне. Напряжение и ток этого внешнего источника могут быть выбраны в зависимости от конкретного применения.

СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 5.25. Удачные схемы

На рис. 5.50 представлен ряд распространенных схем, взятых в основном из каталогов фирм-изготовителей.

удачные схемы

tN400t

МкЧ>Х

Per.

кОм

;iN4001

:10мкФ

lN4fflH

[. МКФ

вход 337 Per.

ком ц^ЮмкФ

Попожительное

Отрицательное

0,1 L мкФХ

Реп ВходЗП

ход

МКФ

1 кОм

+20-B№A 317

Per.

0,20м

240.

2,2 кОм

Установка

!/макс

500 0*1

i -i- Ш оборотов

от -10 до+10

вх от 40 ДО 50 В

7805 Земля

2,5 1(0 м

кОм

LM343

-л-от 1

J4- до 35В

Ш ком

1 мкФ

-10 В

LMiggA

Подстройка 1 МОм*

MJ2955

am 1,2 до 30 В 0-5 А

Om-G до-IS

Установ *1 ка пап- U MKl ряжЕ- - ния J J

Ж

Рис. 5.50.

а - трехвыводной стабилизатор в схеме с улучшенной фильтрацией пульсаций (диоды защищаюч от короткого замыкания выхода и входа): б - схема со следящим предварительным стабилизатором; в - зарядное устройство для аккумулятора на 12 В; г - регулируемый стабильный биполярный источник опорного напряжения; д - стабилизатор в широким диапазоном {от I до 35 В); е - прецизионный портативный источник для калибрацни измерительных приборов (дрейф 10~Ч°С), ж - стабилизатор напряжения/тока.

Негодные схемы

Вход пост, тока -\ f

4015

Выход

5,6 В

стаоили--ir трон

8 В (эфф)

20 В (Зфф)

415 В

5,1 В стабили мкФ трон -I

25В - -

II) й (эфф)

2N3055

- пост. , шока

мкФ

14- -47 мкФ стаби- 1 1 литрон - -

4.7 кОм

ж

-,56 СтабиЛИ-затЪр

Ш

5,6 Б .i 5%

100 Г

! Плавкий предохра-I нителъ на 1 А

.2N1441

Рис. 5.51.

пит стабилизированный источник питания; б - источник питании -fSB; в-источник

итйния + 5В. г - источник питания :tl5B; д - стабилизатор +I5B; е - стабилизатор +I5B; стабилизатор с ограичителем на противотоке; з - схема защиты иа КУВ.

5.26. Негодные схемы

На рис. 5.51 представлен ряд схем, которые никогда не будут работать. Если вы внимательно рассмотрите эти схемы, то в дальнейшем сможете избежать подобных ловушек.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

(1). Спроектируйте источник стабилизированного питания с напряжением точно + 10 В и током до 10 мА на основе схемы 723. У вас есть трансформатор на 15 В (среднеквадратичное значение), на 100 мА, сколько угодно диодов, различных конденсаторов, резисторов, схема 723 и подстроечнын потенциометр па 1кОм. Выберите резисторы таким образом, чтобы при их стандартных значениях 5% диапазона потенциометра хватило бы для компенсации производственного разброса источника опорного напряжения от 5,8 до 7,5 В.

(2). Спроектируйте стабилизатор напряжения на +5 В при 50 мА в предположении, что нестабилизированное входное напряжение равно +10 В, используя следующие детали- а) стабилитрон и эмиттерный повторитель, б) трехвыводный стабилизатор 7805, в) стабилизатор 723; г) стабилизатор 723 и внешний проходной прп-транзистор; используйте схему ограничения тока с обратным нак-чоном характеристики, настроенную иа ток 100 мА (граничное значение тока при полном выходном напряжении) и ток короткого замыкания 25 мА, д) трехвыводный регулируемый стабилизатор положительного напряжения 317; е) отдельные элементы, стабилитронный источник опорного напряжения и обратную связь Уверьтесь в правильном подборе параметров элементов; обеспечьте ограничение тока на уровне 100 мА в пп. а , в , и е . (3). Спроектируйте полностью источник питания+5 В, 500ыА для питания цифровых логических схем. Начните танцевать от печки (т. е. от стенной штепсельной розетки переменного тока 115 В или 220 В), оговаривая напряжение и расчетный ток трансформатора, емкость конденсатора и т. д. Для облегчения работы возьмите трехвыводный стабилизатор 7805. Не увеличивайте емкость сверх необходимости, но застрахуйтесь при проектировании на случай разброса всех параметров 10% (напряжение питания, допуски параметров трансформатора и конденсатора и т. п.). Когда закончите расчет, оцените потери в стабилизаторе для наихудшего случая. Потом модифицируйте эту схему с помощью внешнего проходного транзистора для получения тока 2 А. Встройте схему ограничения тока иа уровне 3 А.