(ШИМ) И иллюстрируется на рис. 10.2,6. Катушки индуктивности и конденсаторы используются для фильтрации выходного напряжения. Если частота ) достаточно высока, то можно использовать небольшие катушки индуктивности и конденсаторы. Большинство импульсных стабилизаторов работает на частотах в диапазоне от 5 до 100 кГц, так что элементы фильтра получаются небольшими по размерам и легкими по весу. В общем импульсные стабилизаторы меньше, легче, сложнее и дороже ( линейных стабилизаторов. Однако линейные стабилизаторы дают несколько лучшую стабилизацию и более быстро протекающий переходный процесс \

Имеется много модификаций импульсных стабилизаторов. Б этой главе будут рассмотрены лишь несколько основных типов,

10.1.2. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

[С ПЕРЕХОДНЫМ РЕГУЛИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ]

На рис. 10.3, а показана обычная схема стабилизатора напряжения последовательного действия. Это схема с замкнутой обратной связью. Здесь Ti представляет собой проходной регулирующий транзистор, 72 выполняет роль усилителя тока для Tl. Так как большинство мощных, последовательно включаемых транзисторов имеет довольно малое значение /2219 (порядка 20-30), то транзисторы Ti и Гг включены по схеме Дарлинг-(Ётона. Выход транзистора Ti на нагрузку берется с эмиттера, так что Tl и Т2 обеспечивают усиление по току, а не по напряжению. Резисторы Rl и R2 образуют делитель напряжения, с которого снимается часть выходного стабилизируемого напряжения t/вых.- Это напряжение сравнивается с опорным (t/on), получаемым от стабилитрона (Ст) с помощью ОУ. Входное напряжение ОУ представляет собой разность между опорным напряжением и напряжением t/вых:

Ulx = Uon - t/Lx = Ucr - t/вых [R2/(Rl + R2)]. (10.1)

Это напряжение Ulx усиливается усилителем и воздействует на проходной транзистор так, чтобы скорректировать любые изменения выходного напряжения, возникающие как под влиянием изменения входного напряжения, так и тока нагрузки Стабилизаторы последовательного действия работают еле- -

> Имеется в виду частота переключения регулирующего элемента. - Прим. перев.

В особо ответственных случаях идеальной является последовательная комбинация грубого импульсного и прецизионного линейного стабилнзато-ров - Прим. ред.

Весь стабилизатор - это' мощный ОУ, в котором на неинверсный вход подано и^, а - это f/ инвертирующего ОУ. - Прим. ред.

fl,!!: hi:

г

Рис. 10.3. Стабилизатор последовательного действия.

- стабилизатор с использованием ОУ; б - стабилизатор с предварительной стабилизацией в цепи базы проходного транзистора; в - стабилизатор с предварительной ста оилизацией в цепи базы проходного транзистора с помощью источника неизменного чока. У - Еычитатель и усилитель, l/;j=l/jj-опорное напряжение, t;* = f(7-доля выходного иапряжеиня, подаваемая в цепь обратной связи.

дующим образом: если Свых уменьпшется либо под влиянием уменьшения f/вх, либо увеличения тока нагрузки, то f/Lix также уменьшается, а f/on остается постоянным. Разность f/on - fвых возрастает, поскольку напряжение на инвертирующем входе ОУ становится отрицательным по отношению к Поп. Выходное напряжение ОУ становится положительным, что вызывает изменение напряжения на эмиттерах Г, и Гг в положительном направлении до тех пор, пока не восстановится приближенное равенство f/вых Uon- Последнее будет иметь место в случае, когда t/вых достигнет значения, которое было до изменения нагрузки или входного напряжения. Выходное напряжение ОУ вызывает дополнительное отпирание Т\ и Т2, что в свою очередь приводит к такому увеличению тока нагрузки, которое компенсирует падение f/Bux- При этом напряжение коллектор - эмиттер t/K3Ti уменьшается и таким образом компенсирует снижение выходного напряжения. В случае когда t/вх возрастает или / уменьшается, процесс в системе протекает в обратном HanpaB.ifeHHH.

Так как 1/кэт1 = t/вх- t/вых и весь ток нагрузки протекает через Т\, то к. п. д. схемы непосредственно зависит от величины t/кэ Т1. Например, если стабилизатор напряжения последовательного действия обеспечивает 15 В стабилизированного напряжения при нестабилизированном входном напряжении 30 В, то максимальный к. п. д. - вых /Рвх = 50 % Для получения высокого к. п. д. необходимо, чтобы разность t/вх-t/вых была по возможности меньшей, однако при этом существует предел. Для обеспечения линейности разность t/вх-t/вых должна быть больше, чем f/Бэ ti + Иъэ Т2 + t/кэ ti мин- Для большинства мощных транзисторов напряжение t/кэ 2В достаточно для обеспечения линейности. Поэтому для надежной линейной работы Г] и Гг в линейном режиме необходимо, чтобы t/вх - t/вых 3,5 В. Нестабилизированиое входное напряжение обычно имеет пульсации, и поэтому t/вх. мнн должно быть выше примерно на 3,5 В, чем t/вых.

Для этого типа стабилизаторов напряжения могут быть использованы многие типы ОУ, включая рЛ741 или его аналоги. Операционный усилитель в данном случае имеет однополюсный источник питания, причем нестабилизированиое напряжение используется как +t/, а земля как -U. Выходное напряжение ОУ должно быть достаточным для того, чтобы устанавливались

Требуемые значения стабилизированного выходного напряжения и падений напряжения между базой и эмиттером транзисторов Tl и Гг.

Если ОУ имеет вывод земля , то для того, чтобы установить на этом выводе напряжение, равное примерно {/вых/2, следует использовать делитель напряжения или стабилитрон, питаемые стабилизируемым выходным напряжением. Величина f/вых ограничена максимальным значением напряжения питания ОУ.

Если Ri на рис. 10.3, а представляет собой потенциометр, то выходное напряжение может устанавливаться в диапазоне от (f/вх - 3,5 В) до напряжения чуть выше f/cn. Очевидно, выход источника питания не может быть установлен меньшим, чем f/cT I, так как f/on должно быть всегда чуть больше f/вых- Если предположить, что коэффициент усиления по напряжению пары Дарлингтона равен единице, то коэффициент усиления разомкнутой цепи, состоящей из ОУ, Ti и Ti, равен коэффициенту усиления А операционного усилителя. При отсутствии f/вх к усилителю прикладывается только t/ст, цепь обратной связи для стабилизатора образуется делителем R\, R2. При этом выходное напряжение f/вых -t/cT. В развернутом виде

f/BHx = f/cTM/(l+P)], но P = Mi?l + /?2), а л (/?, +/?2)/i?2. Поэтому f/вых f/cT[/?2/(/?I + /?2)]. (10.2)

Таим образом, когда прикладывается f/вх, f/вых будет изменяться до тех пор, пока Ulux = f/on, как будто бы схема стабилизации в целом представляет собой неинвертирующий операционный усилитель.

Уравнение, связывающее изменение выходного напряжения стабилизатора с изменением входного напряжения, имеет вид

Af/B x/Af/BX = {RuIRv) [(/?2 + Rl)/AR2], (10.3)

где Rh - сопротивление нагрузки,/?к. - динамическое сопротивление коллектора), А - коэффициент усиления ОУ в разомкнутом состоянии по напряжению, Ri и R2 - резисторы, образующие делитель напряжения, с которого снимается f/вых.

Если в качестве последовательного регулирующего элемента используется пара Дарлингтона, то Rk. транзистора Ti увеличивается до Т1 эфф =/?к т1/г21э Т2, где feis Т2 - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером для управляющего транзистора в паре Дарлингтона.

Уравнение изменения выходного напряжения в зависимости от изменения выходного тока будет иметь вид

Af/выx/A/выx = (/?н/Л)[(?, + ?г) ?2] (10.4)

) Имеется в виду величина, обратная / 223 ~~ проводимости коллектора в схеме ОЭ. - Прим. ред.

1 = (вых - UcrVr, = 4.4 В/0,1 мА = 44 кОм.

{макс.оу ~ полный перепад напряжений питания ОУ (I/ -f - U\). JpUM. ред.

Пример 10.1. Прежде чем продолжить изложение, рассмотрим схему рис. 10.3, а. Необходимо построить источник питания со следующими данными: Свых = 10 В, /вых = 1 А, г7вх. мин = 14 В и Ubx. макс = 20 В. ИсПОЛЬ-

зуем ОУ типа цА741. Пусть Ajig т1 = 20- к т1 = Ом, t/gg . = 0,85 В;

h 21Э Т2 = К Т2 = 1 кОм, t/Бэ Т2 = В.

Решение: Стабилитрон выбирается на напряжение Uct - 5,6 В. Это связано с тем, что температурный дрейф точки пробоя (напряжения стабилизации) меньше в диапазоне напряжений от 5 до 8 В. Из каталожного листа следует, что температурный дрейф имеет минимум при токе 10 мА. Поэтому этот ток смещения следует принять при вычислении Рем. Ток, протекающий через резисторы Rl и Rs, должен быть значительно больше тока смещения ОУ jiA741, так что Jri 0,5 мкА. Значения R, и R2 должны быть достаточно малыми, чтобы они не создавали существенного напряжения шума. Если li = = 0,1 мА, то это условие удовлетворяется. Резистор R3 должен обеспечивать необходимый базовый ток дйя Тг при минимальном значении входного напряжения. Теперь все подготовлено для расчета:

БТ1 = вых/пэ Т1 = А/20 = 50 мА,

БТ2 ~ БТ2/21Э Т2 = О мА/50 = 1 мА.

Последняя величина легко мозрет быть получена от ОУ цА741:

3= [вх. мин ~ (выч + БЭ TI + БЭ Т2)]/(Б Т2 + вых. Оу)-

Значение /вых операционного усилителя выбирается меньшим максимального значения выходного тока ОУ (около 10 мА для [iA741) и больше/5 рк что f/вых операционного усилителя представляет собой источник напря-ения для Ti. Выбираем/gx ОУ = 3 А, что больше, чем /5x2! тогда Rs = [14 В - (10 В -Ь 0,85 В -ь'0,7 В)1/3 мА = 816 Ом.

Замечание. Для правильной работы необходимо, чтобы Ubx. мии - i/вых > 3,5 В. Также Ubx. макс должно быть меньше, чем t/ aKc ОУ Дсйстви- ьно,. f/ ,,. ОУ = 36 в. а и^ = 20 В К Теперь проверим, что [iA741 может отдать максимальный ток, необходи-лй для Рз:

х = {[{/вх. макс - (вых + БЭ Т1 + БЭ Т2)]}/Яз =

= 8,45 В/816 Ом - 1 мА = 10,3 мА - 1 мА = 9,3 мА.

значение /макс допустимо. Если бы это было не так, то потребовалось бы дополнительное усиление тока, чтобы управлять транзистором Тг.

/?сы обеспечивает ток смещения для стабилитрона и находится из выражения

см = {.их - Ucr)/lc. = (10 в - 5.6 В)/10 мА = 440 Ом.

Rl и R2 обеспечивают подачу па инвертирующий вход части выходного напряжения. Пусть /;}2~0,1 мА. Эта величина намного меньше тока смещения цА741

R2 = {/ст/ г = В/0,1 мА = 56 кОм,

Проверим теперь погрешность стабилизации. AUbx = Ubx. какс-Ubx.k h = = 20 В - 14 В = 6 В. Из уравнения (10.3) получаем

Af/вых = (н Д^вх/К эфф) 1(2 + Ri)IAR2] =

= Af/BxI№ + .)/ 2] [(f/вых вых. макс )/К Tl213T2],

где Ubux/Ibux. макс = Rb. мин, А = 20 ООО - минимальное значение коэффициента усиления [iA741 без обратной связи.

(10 Ом) (100 кОм) (6 В)

= (120 Ом) (50) (20 000) (56 кОм) = Р = .

Изменение выходного напряжения Л?7вых под влиянием изменения тока нагрузки Д/н находится из уравнения (10.4). При изменении тока нагрузки А/и = 1 А

Дг/вых = А/ {R,JA) [{R, + RiVRi] = 0,89 мВ.

Превосходные характеристики работы схемы в рассмотренном выше примере получены за счет очень большого значения коэффициента усиления ОУ без обратной связи. В реальных условиях работа схемы будет меняться под влиянием дрейфа напряжения сдвига и опорного напряжения с изменением температуры.

Схема на рис. 10.3,6 обеспечивает улучшенные характеристики работы по сравнению со схемой рис. 10.3, а, в которой изменения входного напряжения вызывают небольшие изменения базового тока транзистора Т2 из-за того, что R3 присоединено к нестабилизированному входному напряжению. В предыдущих расчетах погрешности стабилизации этот факт не принимался во внимание. Присоединяя Rs к источнику напряжения без пульсаций, можно добиться снижения пульсаций на выходе. Стабилизированный источник напрял<ения {U2) строится на основе стабилитрона, питаемого от вспомогательной вторичной обмотки трансформатора через выпрямитель и емкостный фильтр. Дополнительное напряжение необходимо потому, что напряжение, питающее R3, должно быть больше С/вых + /бэ ti + + С/бэ Г2. Сопротивление Ra находится следующим образом:

Ri = [С/2 -f С7 х - (С/ст2 + Unx)\l{lR. макс + /см. Ст 2), где /см. Ст2 0,51 макс

Вспомогательный источник питания С/г может быть заменен, как это показано на рис. 10.3, в, источником неизменного тока для /б т2. Источник неизменного тока обусловливает постоянство базового тока Т2 при наличии пульсаций на входе. Ду и Лг обеспечивают постоянное напряжение на базе Т3. Вместо Д1 и Дг предпочтительно иметь низковольтные стабилитроны. С помощью -Ra устанавливается ток через диоды, намного превышающий базовый ток Тз.

Следующее соотношение справедливо для 7?д:

RJX = [f/ex. м„ - (С/д, + {/д.)]/20/б тз.

Сопротивление эмиттера Гз находитея из уравнения

Э = + f/д.) - f/БЭ Тз]/(/еых/Л2[Э Tlft213 Т2),

где Л213 ti и hixs Т2 - минимальные каталожные значения.

Для того чтобы предотвратить насыщение 7з, в любой момент времени f/ктз должно быть больше, чем{/вых+/Бэт1+БэТ2, и С/кэтз оказывается больше примерно 1,5 В. Источник неизменного тока и схема получения {/г называются предста-билизаторами.

10.1.3. ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКА НА НЕИЗМЕННОМ УРОВНЕ

Если выход источника питания закорачивается, то избыточный ток может разрушить стабилизатор благодаря избыточной мощности, выделяющейся на переходах проходного транзистора. Для предотвращения этого используются два типа ограничителей тока: ограничители тока с неизменным уровнем ограничения и ограничители тока с изменяющимся уровнем ограничения (foldback current limiters>). Ограничитель тока с неизменным уровнем ограничения показан на рис. 10.4, о. Как только /вых превысит максимальное значение тока источника питания, падение напряжения на /?огр вызовет увеличение Ubs транзистора Гогр. Транзистор Гогр при этом включается, что приводит к уменьшению напряжений на и соответственно Ubii и f/вых-Коллекторный ток Гогр, протекающий через Rz, снижает ток базы эмиттерного повторителя Ти вызывая увеличение f/кэ транзистора Ти Если выход закорачивается, то падение /вых/?огр вызывает насыщение Гогр, тем самым ограничивая ток короткого замыкания. Rorp выбирается в соответствии с выражением

Rorp = иБЭ выкл. макс н. макс (10.5)

тде /н. макс - максимальный ток нагрузки по каталогу, Бэ выкл Го р - максимальное значение {/вэ, при котором Гогр €ще выключен. Обычно С/бэ выкл. макс составляет от 0,3 до 0,4 В. Выходное напряжение не будет существенно падать до тех

Дословный перевод этого термина - ограничители тока с загибающейся обратно вольт-амперной характеристикой . Однако более соответствует физике процессов термин ограничители тока с изменяющимся уровнем ограничения . Действительно, в ограничителях тока этого типа при перегрузке каждому значению сопротивления нагрузки будет соответствовать свой уровень ограничения тока. Схема может быть отрегулирована так, что при этом мощность рассеивания иа проходном транзисторе никогда (даже и при коротком замыкании выхода) не будет превышать допустимой. В такой формулировке последний термин четче выявляет различие между этой системой Ограничения тока и ограничителями тока с постоянным уровнем ограничения.- Прим. перев.

f/вых

а

вых

/вых.макс /огр/макс

Рис. 10.4. Ограничение выходного тока на постоянном уровне.

а - стабилмзатор с. постоянным уровнем ограничения тока; б - вольт-амперная характеристика системы ограничения тока на постоянном уровне. Pi -рабочая точка при нормальной нвагрузке, Pj - рабочая точка при перегрузке, /gix. макс~ максимальный ток нагрузки по каталогу.

пор, пока /и не достигнет /и. макс, а {7;? = 0,5 В. Проходной транзистор должен быть способен рассеять мощность:

Рг, = Ubx. макс {UЪЭ при вкл. TJUm при выкл. Т^ Iи. макс, (10.6)

0,35 В и С/бэ при выкл. Го,р = 0,6 в

огр

которая при С/бэ при выкл. г составляет

Рг, = С/вх. макс (0,6 в/0,35 в) /н. макс = 1,7С/вх. макс/н. макс-

Максимальное значение коллекторного тока Гогр составляет Ubx.mzkc/Rs, и поэтому нсобходимо иметь возможность рассеять мощность

огр = 1 макс] [0.5Ubx. акс ?з] = 0,25 [f/L ajНз].

Для снижения мощности рассеяния транзистора Ti используется система ограничения с изменяющимся уровнем ограничения тока.

10.1.4. ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКА

С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ УРОВНЕМ ОГРАНИЧЕНИЯ

Ограничение тока с изменяющимся уровнем ограничения, как это показано на рис. 10.5, а, снижает макримальное значение мощности, рассеиваемой Ti, путем снижения тока короткого замыкания источника питания до величины, меньшей, чем /и. макс- Когда / ВЫХ превысит /н. макС) ток через Ti снижается до величины, меньшей /н. макс- Следует отметить, что для всех источников питания ограничение тока не начинается до тех пор, пока /н не превысит /ц. макс примерно на 40%. Таким образом, максимально допустимый ток нагрузки не приведет в действие систему ограничения тока. Последняя начнет функционировать при подлинной перегрузке, когда /вых >/пор. Здесь /пор - значение выходного тока, при котором начинается ограничение.

Схема ограничителя тока с изменяющимся уровнем ограничения, состоящая из 7огр, Rorp, Ra и Rb, представлена на рис. 10.5,6. Она работает следующим образом. Напряжение С/бэ транзистора Т'огр равняется Ui-{- Ui. Сопротивление

R меньше Rs, поэтому U < С/д^. При нормальной работе С/д^-4-f/;jp меньше напряжения, требуемого для включения

Гогр. По мере того как /вых возрастает до значения тока ограничения /пор, С/;?огр становится достаточно большим для гого, чтобы осуществить смещение Тогр в прямом направлении и тем самым включить Гогр. С падением выходного напряжения U начинает расти благодаря увеличению тока, протекающего через Rb- Напряжение U имеет ту же полярность, что и f/ oj,p, и помогает удерживать Тогр во включенном состоянии.

Так как бэ г^р л 1 огр' бы удержи-

вать 7огр во включенном состоянии при возрастании С/требуется пропускать меньший ток через Rorp- По мере возрастания f/д, ток /вых уменьшается. Ток при коротком замыкании (foldback current) при этом обычно устанавливаю г равным 20 % от / . макс Причина, по которой этот ток не делают меньшим, заключается в том, что нагрузка может быть нелинейной, когда при включении ее сопротивление меньше, чем при полном токе нагрузки. Это может вызвать застревание источника питания на низком уровне напряжения (точка Рг на рис. 10 5,fi). Примером такой нагрузки могут служить осветительные лампы накаливания, которые в горячем состоянии могут потреблять

В 10 раз больше тока, чем в холодном л Другой пример - это схемы со многими конденсаторами, шунтирующими выходы источников питания в местах их подсоединения к ИС. Будучи не

Рис. 10.5. Ограничение тока с изменяющимся уровнем ограничения.

2 - загибающаяся назад характеристика зависимости f вых' ~

схема с ограничением выходного тока с меняющимся уровнем ограничения, огр. к. з~огр. мин~ минимальный ток ограничения (прн коротком замыкании), /g x. макс-мально допустимый выходной ток по ката-

логу, /,

oppijjgug -максимальное значение уровня тока ограничения.

заряжены, эти конденсаторы будут потреблять, хотя и кратковременно, большой ток, в ответ на который немедленно начнется ограничение тока. Поэтому низкое эффективное сопротивление конденсаторов может вызвать застревание источника пита-