ния на низком уровне напряжения. Уетанавливая /огр. к. з. = = 20%/н. макс, можно предотвратить возможноеть заетревания на низком уровне напряжения при нормальной нагрузке.

Для того чтобы раеечитать /?огр, Ra и Rb, сначала рассчитаем /?огр по уравнению (10.5), исходя из того, чтобы ограничение

Рис. Ю.С. Схема источника питания с системой ограничения тока с изменяющимся уровнем ограничения, рассматриваемая в примере 10.1.

и^=Н-¥2йй, 1/вых=° - 1=кОм, ;?2 = 56 кОм, ;?з=816 Ом, в=4,4 кОм, =63.2 Ом, огр=. Ом, Уст 1=5- В, Лсм = 1.36 кОм.

тока начиналось при /н. макс Сопротивления Ra и Rb выбираются из условия короткого замыкания. При f/вых = О и полностью Гогр имеем С/бэ г„,р = + ого == 0,65 В. При

включенном

огр

/? = о желательно, чтобы Un=Q,2U макс/?огр- Таким образом, С/;? = С/бэГор - 0,2/н. макс/?огр. Ток/д^ должен быть установлен таким, чтобы создать для Тогр напряжение С/бэ, которое в условиях короткого замыкания не обеспечивается с помощью Rorp- Положим /д^ 20/бг , где

IБ Т = [С/вх. макс ?з] г21Э Г,

огр. мин

Ra = С/, , = (С/бэ - 0.2/н. макс/?огр) . (10.7) И так как /jj IRa

= (С/вх. мин - С/бэ вкл. р) в- (10-8)

Мощность рассеяния транзистора Г] при коротком замыкании Нагрузки теперь снижается до

Pti - 0,2/н. максС/вх. макс

10.2. ИС ЛИНЕЙНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Все ИС линейных стабилизаторов напряжения, которые бу-лут рассмотрены, работают так же, как стабилизаторы на ОУ, рассмотренные в предыдущем разделе. В деталях схемы меняются от одного изготовителя к другому и от одной ИС к другой, но все они имеют одни и те же элементы. Эти общие элементь: суть: 1) опорное напряжение, стабильное при изменении входного напряжения, температуры и времени (стабильность опорного напряжения определяет характеристики работы стабилизатора); 2) усилитель ошибки, сравнивающий часть выходного напряжения с опорным напряжением (в качестве уси-

Если транзистор Ту заменен парой Дарлингтона, то коллектор транзистора ограничения тока присоединяется к базе Гг- Часто Ra выполняется в виде потенциометра, что дает возможность установить желаемое значение тока /огр. к. з. при коротком замыкании.

Пример 10.2. Требуется рассчитать Row, Ra и Rb для схемы ограничения тока с изменяющимися пределами ограничения для источника питания, рассматриваемого в примере 10.1 (показан на рис. 10.6).

Решение: Положим г^р = 50, {/53 вьжл = 0.4 в, {бэ вкл = OJ в.. огр прн к.

3 = 0,2/ g,j,. Значения f/Бзвкл и бзвыкл должны быть известны для используемого типа транзисторов. Из примера 10.1 имеем f/вх от 14 до 20 В, f/вых = 10 В, /н. макс= 1 А, 3 = 816 Ом. Вначале рассчитаем

Rorp = f/БЗ Г„,р выкл н. макс = 0.4 В/1 А = 0,4 Ом

Замечание: Если бы рассматривалась схема ограничения тока с постоянным пределом ограничения, то на этом расчет был бы закончен. Продолжая расчет,получим/бг =[Ubx. мaкc/Rз]f2lэт =(20 В/816 Ом)/50 = 0,49 мА. Положим/J = 20/57- =20(0,49 мА)==9,8 мА. Из уравнения (10.7) получаем JA = (f/БЭ Г„,.р - 0.2/Гмакс огр) л = в - 0,2 (1 А) (0,4 Ом)]/9,8 мА = = 0,62 В/9,8 мА = 63,2 Ом. Из уравнения (10.8) следует

iB = (fBx. мин - f/БЗ TJ/rs = (14 в - 0,7 в)/9,8 мА = 1,36 кОм.

Теперь проверим, что Uj пренебрежимо мало при /н. макс и f/вх. макс

Л вх. макс = f макс вых] М^а + Rb)] Ur =

= (10 В) [63,2 Ом/(1,36 кОм + 63,2 Ом] - 1 А (0,4 Ом) = 0,44 В - 0.4 В = 0,С4 В.

Таким образом, f7yj пренебрежимо мало при f/вх. макс.

лителя ошибки обычно используется дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления по напряжению); 3) проходной транзистор или пара Дарлингтона.

Делитель напряжения, используемый для отбора части выходного напряжения, устанавливается потребителем ИС, за исключением случаев стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением.

Новые более универсальные стабилизаторы напряжения, способные выдавать более высокие напряжение (от 2 до 50 В) и ток (более 10 А в некоторых устройствах в гибридном исполнении и до 5 Д в полупроводниковом исполнении), в настоящее время появляются быстрыми темпами. Большинство настраиваемых ИС линейных стабилизаторов могут обеспечить 100 мА вплоть до 50 В, если f/вх -f/вых сохраняется на минимальном уровне. При этом мощность, рассеиваемая стабилизатором, меньше типичных значений 500-800 мВт, указанных в каталоге. Ниже будут рассмотрены три ИС линейных стабилизаторов напряжения, характеристики которых типичны: LM105 и LM309 фирмы National Semiconductor и рА723 фирмы Fairchild.

10.2.1. LM105/LM205/LM305

LM105 фирмы National Semiconductor изготовляются для работы в трех температурных диапазонах; каждому диапазону соответствуют свои числа в условном обозначении прибора. LM105 работает в диапазоне от -55 до 125 °С, LM205 от -25 до 85 °С и LM305 от О до 70 °С. Характеристики LM105 и LM205 идентичны в пределах их температурных диапазонов работы, однако у LM305 некоторые характеристики снижены. Ниже будут в основном рассматриваться LM105, а отклонения в паспортных данных у LM305 указываются в случае их применения.

LM105 представляет собой линейный стабилизатор последовательного действия с регулируемым выходным напряжением. Напряжение f/вых устанавливается в пределах от 4,5 до 40 В (LM305 -от 4,5 до 30 В). Максимальное входное напряжение составляет 50 В (40 В для LM305), а минимальное 8,5 В. Хотя схема может работать с таким низким значением разности f/вх-f/вых, как 1,8 В, все же для хорошей работы желательно, чтобы она составляла 3 В. Максимальное значение разности f/sx -f/вых составляет 30 В. Максимальный выходной ток прибора должен снижаться в случае, когда f/вх - f/вых увеличивается, для того, чтобы удержать мощность, рассеиваемую прибором, в пределах 800 мВт. Обычно LM105 поставляется в низкопрофильном металлическом корпусе ТО-5, хотя имеются схемы и в плоских корпусах.

LM105 имеют погрешность стабилизации 0,1 % при изменении нагрузки (/н < 12 мА), 1% при максимальном изменении температуры и 0,06 %/В от изменения входного напряжения. Используя внешний проходной транзистор, можно получить выходной ток вплоть до 10 А. При этом улучшается стабилизация при изменении нагрузки в h%\ раз, где Ы.\ъ - коэффициент усиления по току проходного транзистора. Каталожные данные приведены в приложении В.

Работа схемы. Собственная схема LM105 показана на рис. 10.7, а, а основная схема подключения стабилизатора - н рис. 10.7,6. Большая часть элементов самой ИС представляет собой источник стабильного опорного напряжения. Начиная с выхода, укажем, что Т\ь представляет собой проходной выходной транзистор, а Ju - усилитель тока для Т\%. Схема Дарлингтона и Т\% может работать и без внешнего бустерного транзистора; в этом случае сопротивление /?io закорочено, как это показано на рис. 10.7,6. Здесь Т\% - токоограничиваюший транзистор. Он может быть включен как по схеме ограничения тока с постоянным уровнем ограничения, так и по схеме с меняющимся уровнем ограничения. Т\2, - многоколлекторный источник неизменного тока. Один коллектор образует коллекторную нагрузку с высоким полным сопротивлением для транзистора 75 через транзистор Тъ, включенный диодом для сдвига уровня по постоянному току. Высокое эффективное сопротивление нагрузки обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению. Транзистор Т% возбуждается дифференциальным усилителем на Тч. и 7з. На базу Т^ подано опорное напряжение, а на базу Уз - часть выходного напряжения источника питания. Нижний коллектор Т\2 служит источником неизменного тока для опорного стабилитрона Ст. Средний коллектор Т\ч, обеспечивает неизменный ток в цепи делителя опорного напряжеия T\q, Т^, Т\, Ri, Rs и Ri. Транзисторы Tis, Тц и генератор неизменного тока Tis (полевой транзистор, работающий при/си нас) осуществляют температурную компенсацию Т12. База Тю находится под напряжением 6,3 В, получаемым от опорного стабилитрона Ст. Транзистор Ts обеспечивает температурную компенсацию двухэмит-терного транзистора Ту. Ту создает ток смещения для Ti, который обеспечивает температурно-стабилизированное эмиттерное напряжение постоянного тока для усилительного транзистора Т5. Транзистор Ти включенный диодом, обеспечивает температурную компенсацию для Тг. При этом падение напряжения на Rs постоянно, даже если напряжения С/вз транзисторов Т2 и Тз меняются при изменении температуры. Резисторы R2, R3 и Ra создают необходимые напряжения на базе Т2 и Ti. Транзистор Тп откроется и отключит схему, если напряжение на выводе обратной связи превысит на 0,7 В напряжение на выводе ем-

Рис. 10.7. ИС LM105/205/305 фирмы National Semiconductor, о -схема (воспроизведена с разрешения фирмы National Semiconductor); б-< основная схема включения. Обозначения выводов: / - ограничение тока, 2 - бу стерный выход, 3 - нестабилизированный вход, 4 -земля, 5 - шунт, опорн., 6 - обратная связь, 7-подключение коррекции, в - стабилизированный выход. Соц-- применять не обязательно.

> Выше употреблялось обозначение Rorp, здесь и ниже будет наравне с ним употребляться Rp.. т (датчика тока). В этом мы следуем автору, который использует оба обозначения. - Прим. ред.

КОСТНОГО шунта опорного напряжения. Это может случиться, если внешний проходной транзистор закорочен. Резисторы и /?9 отбирают избыточный ток от базы Tis- Резистор ограничителя тока /?д т включается между, выводами / и S \ Когда /вых превышает макс, Tie включает схему ограничения тока. Ограничивающее ток напряжение изменяется в пределах между 0,23 В при 125 С и 0,48 В при -55°С. При комнатной температуре оно составляет примерно 0,3 В.

Базовая схема включения стабилизатора LM105. Схема включения стабилизатора LM105 показана на рис. 10.7. Она рабо тает так же, как и схема с ОУ, описанная в первом параграфе настоящей главы. Резисторы Ry и R2 обеспечивают подачу на инвертирующий вход дифференциального усилителя части стабилизированного выходного напряжения. Дифференциальный усилитель будет открывать проходные транзисторы Тм и Tis до тех пор, пока напряжение на базе Гз не станет равно опорному напряжению, прикладываемому к базе Т^. Напряжение С/вых при этом равняется Uon{Ri -\- R2)/R2- Опорное напряжение меняется от образца к образцу стабилизатора в пределах между 1,63 и 1,81 В при типичном значении 1,7 В. Потенциометр в делителе выходного напряжения служит для точной установки желаемого значения б'вых- Для получения высокой стабильности дифференциального усилителя значение эквивалентного сопротивления параллельного соединения Ry и R2 должно составлять 2 кОм. Кривая зависимости Ri и R2 от СУвых приводится в технических описаниях.

Обычный способ расчета делителя напряжения с заданным эквивалентным сопротивлением параллельного соединения резисторов состоит в совместном решении уравнения делителя напряжения и уравнения, определяющего сопротивление параллельного соединения резисторов делителя.

Это делается так. Положим

= f/дeл/f/п. (10.10)

где С/д2л - напряжение, которое желательно снять с делителя, Un - напряжение, приложенное к делителю. Тогда

/?1==/?э.делЯ /?2 = /?э.дел/(1-). (Ю.И). (10.12)

Здесь /?э. дел - желаемое эквивалентное сопротивление параллельного соединения резисторов делителя. Для схемы ограничения тока с неизменным уровнем ограничения значение резистора /?д. т находится из соотношения /?д. т= 0,3 В вых. макс-

Конденсатор С, служит для предотвращения самовозбуждения; его рекомендуемое значение составляет 47 пФ. Соп предназначен для устранения шума источника опорного напряжения и соответственно стабилизированного выхода. Выводы 2 и 3 закорачиваются при использовании внутренних проходных транзисторов в схеме Дарлингтона.

Пример 10.3. Необходимо включить схему LM105 в режим источника питания с неизменным уровнем ограничения тока 10 мА и lUux = 10 В; f/цх. мин = = 15 В, f/вх. макс = 20 В; схема включения показана на рис. 10.7,6. Решение: Сперва рассчитаем Ri и /?2. Из описания находим Ri /?2 = 2 кОм и fo. с=1,7 В (прикладывается к выводу прибора б). Из. уравнений (10.10) -(10.12) получаем ii = UIVn = 1,7/10 = 0,17; /?, = /?э дел il = 2 кОм/0,17 = И,76 кОм; /?2 = /?,. дс /(1 - т]) = 2 кОм/0,83 = 2,41 кОм. Напряжение обратной связи изменяется от 1,63 до 1,81 В, создавая приращение Af/o. с = 0,18 В. Для того чтобы установить f/вых = 10 В, требуется потенциометр/? = (/?j + /г)о. с/вы.ч^- Ом (0,18 В/10 В) = 255 Ом. Используем стандартный потенциометр с сопротивлением 500 Ом. - Такой потенциометр позволит устанавливать приращения напряжения Af/;

U = f/n [/?n/(/?i + R2)] = 10 В (500 О.м/14,17 кОм) = 0,36 В,

что превышает 0,18 В, требуемые для установки f/o. с в пределах от 1,63 до 1,81 В. Поэтому целесообразно уменьшить /?, и R2 каждое на половину общего сопротивлегия потенциометра. В результате получаем окончательные значения: Т?, = 11,76 кОм - 250 Ом =11,51 кОм; R = 2,41 кОм -250 Ом = = 2,16 кОм; /?п^ = 500 Ом.

Ток через /? Л, и R2 составит /}, = f/ /(/?! + /?п,Ч-/?2)=10 В/14,17 кОм = = 0,7 мА :

Так как /вых составляет только 10 мА, то к нему прн расчете величины Ra.t необходимо добавить найденное значение /; тогда /?д. т~0,3 В/(/цц;--+ /Jl) = 0,3 В/10,7 мА=28 Ом. Максимальная мощность рассеяния для LM105 при короткозамкнутом выходе составляет

расс ~ -вх. макс (вых ~ Ri потр)

где /потр - ТОК, потребляемый собственно ИС, составляет 3 мА.

Ррасс = 20 в (10 мА Ч- 0,7 мА -f 3 мА) = 274 мВт.

Включение схемы LM105 с токовым бустером. На рис. 10.8 показан источник питания на 28 В, 2 А, выполненный с использованием схемы LM105 с ограничением тока по схеме с меняю-шмся уровнем ограничения. Использование р - п - р-транзи-стора Тб для управления п - р - п проходным транзистором Та называется комплементарным возбуждением. Преимущество комплементарной схемы возбуждения по сравнению со схемой Дарлингтона состоит в том, что для эффективной работы требуется меньшее значение f/кэ транзистора Та и поэтому вх. мин-С/вых может быть мсньшим.

Схема ограничения тока с меняющимся уровнем ограничения работает следующим образом. Когда СУвых равно своему стабилизируемому значению, то ток через Re довольно велик, а Re

Рис. 10.8. ИС LM105 с токовым бустером и системой ограничения тока с изменяющимся уровнем ограничения. а - схема подключения для построения источника питания 28 В, 2 а; б -система ограничения тока с изменяющимся уровнем ограничения.

намного больше, чем 4 и 1ц,. Поэтому напряжение на ki, равное Ur, = IrR4, как показано на рис. 10.8,6, противоположно по знаку падению напряжения на Ra.r- Вместе с тем, прежде чем начнется ограничение, /вых/?д. т должно стать больше Оъэ на величину С/бэ транзистора Tie. Поэтому в мо.мент наступления ограничения тока

/н. макс/?д. т = i?4 ~Ь fB9 при вкл. Гю-

. Когда выходное напряжение падает под влиянием перегрузок, ток через Re уменьшается. Уменьшается также падение напряжения на Ri и падает ток через /?д. т, требующийся для сохра-

. нения равенства д^ ., = иъэт. Когда С/вых = 0 и если / д>

> /бг . то Ur = 1кЯ4 = [Ub3 tJRb] Ri.

Так как желательно, чтобы ток при коротком замыкании выхода (f/вых = 0) был равен примерно 20% от / . макс, то положим

f/ = 0,2/ . акс/?д. т + [Ub3 rjRe] Ri.

Если Ur 5Ue3t, и J/r ~ 41/бэг,5 при вых и /н. макс, указанных в описании, то схема должна обеспечить ограничение тока, начиная с / .макс, а затем по мере уменьшения сопротивления нагрузки снизить ток выхода до 0,2/н. макс при f/вых = 0.

Положим

Rr. т = Wh9 tJIh. макс. Re = (f/вых - 4Ue9 tJ/Ir,

(10.13), (10.14)

где / е>/Бг,е = 20 мА для LM105. Так как Ir.Ir

RiWbarJlR,. (10.15)

Выбор транзисторов Тд и Тв лучше показать на примере.

Пример 10.4. Определить параметры элементов стабилизатора напряжения на 28 В, 2 А (см. рис. 10.8,а), снабженного схемой ограничения тока с изменяющимся уровнем ограничения. Положим Ubx = 35 В.

Решение. Проходной п - р - п-транзистор выбирается со следующими яап-ными:/к„аке = 3 А, С/кэО=45 В'); /г21э=20 при /к = 2 А, Uj0,8 В при /j = 2 А, jPpacc~0 Вт. Это значение мощности рассеяния больше, чем значения мощности рассеяния при коротком замыкании и при полной нагрузке, которые составляют:

t(pacc)yg =0 = 0.2/ . акс^вх(0.4 А) (35 В) = 14 Вт; (расс)у^ =28 в = (С'вх вых) и. макс = (7 В) (2 А) = 14 Вт. Максимально допустимое напряжение коллектор - эмиттер. - Прим.

Теперь должен быть выбран транзистор Тд. Ток lyfjg должен быть больше, чем /бг:

- /б = макс г21Э = 2 А/20 = 0,1 А.

Транзисторов выбирается со следующими параметрами- /кмакс = 0 ЗА, £/jj(.3Q = 45 В, /г21э = 35 при / = 0,15 А, f/gg = 0,7 В при / = 0,15 А, Ррасс = 3 Вт Ток, требуемый для управления Тв, есть/Kirg/Agigrg и составляет 4,2 мА. Схема LM105 может легко отдать этот ток. /?5= бэ Т^{/кТд ~ - /g = 0,8 В/0,05 А = 16 Ом.

Замечание. fy(jg выбран равным 0,15 А. Допустимо любое значение тока /бг> большее, чем 1вТд~ н. ыакс/2\э Tjy которое будет соответствовать разбросу f/Бэ транзистора Г^. Если 0,12 А > [f/ggr макс ?5 + aKc 2i3 r], то для /jj. допустимо значение 0,12 А.

Теперь выберем значения Ri и Rz для типичного значения Uo. с = 1,7 В; Г1==/яел п= 1.7 В/28 В = 0,0607; /?2 =/?э. дел = 2 кОм; /?, ==/?э.яел/т1 = = 2 кОм/0,0607 = 32,9 кОм; R = R3. дел/(1 - т)) =

= 2 кОм/(1 - 0,0607) = 2,13 кОм.

Резисторы схемы ограничения тока с меняющимся уровнем ограничения выбираются с использованием уравнений (10.13)-(10.15). При комнатной температуре £/бэГ16 обычно составляет 0,3 В. Ток 1/ устанавливается равным 20 мА. /?д. т = 5/бэ Г,сЛн. макс = 5 (0,3 В/2А) = 0,75 Ом; R = (U, --4г/Бэг,е)Л/ге=(28 В-1,2 В)/20 мА=1,34кОм; 7? = 4/53г.Л, = Ь2 В/20 мА = 60 Ом. С] выбирается равным 47 пФ - величине, рекомендованной изготовителем.

10.2.2. СХЕМА LM309

LM309 фирмы National Semiconductor представляет собой стабилизатор с фиксированным выходным напряжением, равным 5 В, предназначенный для питания логических схем. LM309 изготовляется в двух корпусах - ТО-5 и ТО-3. Схема LM309 в корпусе ТО-5 может отдавать ток до 200 мА и рассеивать при надлежащем отводе тепла мощность до 2 Вт. В корпусе ТО-3 эта же схема может обеспечить ток до 2 .А и рассеивать при надлежащем отводе тепла мощность до 10 Вт. Она снабжена системой ограничения тока с постоянным уровнем ограничения, которая с увеличением О'вх -f/вых автоматически снижает значение /п. макс для того, чтобы предотвратить рассеяние стабилизатором избыточной мощности. Характерной особенностью стабилизатора также является защита от тепловой перегрузки, т. е. превышения предельно допустимой мощности рассеяния на корпусе.

Схема LM309 работает в пределах изменения температуры переходов от О до 125 °С (ее аналог LM109 работает в пределах