Почти любая электронная схема — от простых схем на транзисторах и операционных усилителях и до сложнейших цифровых и микропроцессорных систем — требует для своей работы одного или нескольких стабильных источников питания постоянного тока. Простые нерегулируемые источники питания типа трансформатор — мостовой выпрямитель — конденсатор, которые мы рассматривали в гл. 1, вообще говоря, не годятся, так как их выходное напряжение зависит от тока нагрузки и напряжения в сети; кроме того, это напряжение пульсирует с частотой 120 Гц. К счастью, легко построить источник стабильного питания, используя отрицательную обратную связь и сравнивая выходное постоянное напряжение с некоторым постоянным эталонным (опорным) напряжением. Такие стабилизированные источники питания универсальны и легко могут быть построены с помощью интегральных схем стабилизаторов напряжения. Для этого потребуется только нерегулируемый источник постоянного напряжения (трансформатор — выпрямитель-конденсатор, батарея и т. п.) и еще несколько других элементов.

В этой главе мы расскажем, как построить стабилизатор напряжения, используя некоторые интегральные схемы специального назначения. Та же схемотехника применяется в стабилизаторах напряжения на дискретных элементах (транзисторы, резисторы и т. п.), хотя это и не нужно ввиду доступности превосходных и недорогих ИМС стабилизаторов напряжения. При рассмотрении стабилизаторов напряжения возникает круг вопросов, связанных с проблемой рассеяния больших мощностей, поэтому нам приходится говорить об отводе тепла и об «ограничении тепловой обратной связи» для снижения рабочих температур транзистора и предотвращения повреждений схемы. Эти подходы можно применить в любой мощной схеме, включая усилители мощности. Разобравшись со стабилизаторами, мы вновь обсудим некоторые детали проектирования нерегулируемых источников питания. В этой главе мы рассмотрим также источники опорного напряжения и интегральные схемы для их получения, т. е. аппаратуру, которая применяется независимо от стабилизаторов напряжения.

 

Базовые схемы стабилизаторов на основе классической

ИМС 723

6.01. ИМС стабилизатора 723

Классический стабилизатор μΑ723 разработан Р. Видларом в 1967 г. Это универсальный, простой в употреблении стабилизатор с превосходными рабочими характеристиками. Хотя, быть может, вы предпочтете ему более современные схемы, все же его стоит изучить, так как и новые схемы работают на тех же принципах. Его схемы изображены на рис. 6.1 и 6.2.

Рис. 6.1. Функциональная схема стабилизатора 723

(фирма Fairchild Camera and Instrument Corp .).

Рис. 6.2. Принципиальная схема стабилизатора 723

(фирма Fairchild Camera and Instrument Corp .).

Это настоящий блок питания, который содержит температурно-компенсированный источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзистор и схему защиты, обеспечивающую ограничение выходного тока. В том виде, в котором блок выпускают, ИМС 723 ничего не регулирует. Чтобы заставить его делать то, что вам нужно, придется подключить к нему некоторые внешние цепи. Прежде чем их рассмотреть, обратимся к его собственной схеме. Она проста и легко понятна (в отличие от схем внутреннего устройства многих других ИМС).

Сердцем стабилизатора является температурно-компенсированный стабилитронный источник опорного напряжения. Стабилитрон Д 2 имеет положительный температурный коэффициент, поэтому его напряжение складывается с перепадом напряжения между базой и эмиттером транзистора Т 6 (вспомните: величина U БЭ имеет отрицательный температурный коэффициент около — 2 мВ/°С) для опорного напряжения 7,15 В с приблизительно нулевым температурным коэффициентом (обычно 0,003 %/°С). Транзисторы Т 4 -Т 6 предназначены для смещения Д 2 током I = U БЭ /R 8 , стабилизированным отрицательной обратной связью по постоянному току, как показано на схеме. Транзисторы Т 2 и Т 3 образуют несимметричное токовое зеркало для смещения источника опорного напряжения. Ток этих транзисторов устанавливается диодом Д 1 и резистором R 2 (в точке их соединения фиксируется напряжение на 6,2 В ниже U+ ), которые, в свою очередь, запитаны током транзистора Т 1 - полевого транзистора с p-n-переходом, который работает как источник тока.

Транзисторы Т 11 и Т 12 образуют дифференциальный усилитель (иногда его называют «усилителем сигнала ошибки», если описывают схему в терминах отрицательной обратной связи) — это типичная дифференциальная пара с высоким подавлением синфазных сигналов за счет эмиттерного источника тока Т 13 . Последний входит в половину токового зеркала на Т 9 , Т 10 и Т 13 , в свою очередь управляемого токовым зеркалом Т 7 (Т 3 , Т 7 и Т8 - все эти транзисторы «отражают» ток, задаваемый источником опорного напряжения на Д 1 ; см. разд. 2.14). Коллектор транзистора Т 11 имеет фиксированный положительный потенциал эмиттера Т 4 , а выходной сигнал усилителя ошибки снимается с коллектора Т 12 . Токовое зеркало Т8   запитывает коллекторную нагрузку Т 12 . Транзистор Т14 включен вместе с транзистором Т 15 по «неполной» схеме Дарлингтона. Заметьте, что коллектор транзистора Т 15 выведен отдельно, чтобы обеспечить возможность подведения отдельного положительного питания. При включении транзистора Т 16 запираются проходные транзисторы для того, чтобы ограничить выходной ток на безопасном уровне. В отличие от многих более новых схем стабилизаторов ИМС 723 не снабжена встроенными схемами аварийного отключения для защиты от чрезмерных токов нагрузки или слишком большого рассеяния мощности на ИМС.

Существуют улучшенные стабилизаторы типа 723, а именно SG3532 и LAS1000 с низковольтными источниками опорного напряжения с малым разбросом (см. разд. 6.15), внутренними ограничителями тока и схемами тепловой защиты.

6.02. Стабилизатор положительного напряжения

На рис. 6.3 показано, как на базе ИМС 723 построить стабилизатор положительного напряжения. Все необходимые элементы, кроме четырех резисторов и двух конденсаторов, содержатся в самой ИМС. Делитель напряжения R 1 R 2 задает часть выходного напряжения, сравниваемую с опорным, а элементы ИМС 723 обеспечивают все остальные функции.

Рис. 6.3. Стабилизатор на ИМС 723 ( U вых > U oп ).

Такая схема подобна неинвертирующему усилителю на ОУ с эмиттерным повторителем на выходе, если напряжение U oп рассматривать в качестве «входного сигнала». Резистор R 4 подбирают так, чтобы падение напряжения на нем при максимально необходимом выходном токе было равно ~ 0,5 В, т. е. напряжению U БЭ . Тогда при слишком большом токе это напряжение, приложенное к входам ОТ-ДТ, включит токоограничивающий транзистор (Т 16 на схеме 6.2), запирающий проходной транзистор. Конденсатор емкостью 100 пФ добавлен для обеспечения устойчивости при включении обратной связи. Резистор R 3 (иногда отсутствует) подбирают так, чтобы на входах дифференциального усилителя было бы одно и то же сопротивление. Это делает выходной сигнал нечувствительным к изменениям базовых токов смещения (например, при изменении температуры), подобно тому как это делалось при включении ОУ (см. разд. 4.12).

С помощью этой схемы можно получить любое стабилизированное напряжение питания от U oп до максимально допустимого уровня 37 В. Входное нестабилизированное напряжение (причем с учетом его колебаний) должно на несколько вольт превышать выходное. Для стабилизатора 723 «перепад напряжения», т. е. величина, на которую подводимое напряжение питания должно превышать стабилизированное напряжение на выходе, должен быть не менее 3 В. Это значение типично и для большинства других стабилизаторов. Резисторы R 1 и R 2 обычно переменные или подстраиваемые, чтобы можно было точно установить выходное напряжение. Значение U oп имеет производственный разброс от 6,8 до 7,5 В.

Как правило, выход рекомендуется шунтировать конденсатором емкостью в несколько микрофарад, как показано на схеме. Это сохраняет малые значения полного выходного сопротивления и на высоких частотах, при которых обратная связь становится менее эффективной. Лучше всего конденсатор выбрать в соответствии с рекомендацией изготовителя, иначе могут появиться автоколебания. И вообще, неплохо заземлить по переменному току шины питания во всей запитываемой схеме, применяя для этого керамические конденсаторы 0,01-0,1 мкФ в сочетании с танталовыми или электролитическими 1-10 мкФ.

Для выходных напряжений, меньших U oп , надо просто поставить делитель опорного напряжения (рис. 6.4). Тогда напряжение выхода будет сравниваться с нужной долей опорного напряжения.

Рис. 6.4. Стабилизатор на ИМС 723 ( U вых  < U oп ).

Параметры схемы рис. 6.4 выбраны с расчетом на получение +5 В, 50 мА (максимум). С помощью подобных схем можно получать напряжения от +2 В до U oп . Невозможно снизить выходное напряжение ниже +2 В, так как дифференциальный усилитель при уровне входного сигнала меньше 2 В работать не будет. Это задано в спецификации изготовителя (см. табл. 6.9). Напряжение питания схем не должно падать ниже +9,5 В, т. е. уровня, необходимого для питания.

Третий вариант такой схемы используется, когда надо построить стабилизатор с диапазоном выходного напряжения, содержащим U oп (т. е. стабилизатор, способный давать значения выходного напряжения и больше, и меньше U oп ). В таких случаях нужно сравнивать часть выходного напряжения с долей опорного напряжения U oп , которая меньше нижней границы желательного диапазона.

Упражнение 6.1. На основе ИМС 723 спроектируйте стабилизатор, дающий ток нагрузки до 50 мА в диапазоне выходных напряжений от +5 до +10 В. Указание: сравните часть выходного напряжения с 0,5 U oп .

6.03. Стабилизаторы с большими выходными токами

Встроенный проходной транзистор ИМС 723 рассчитан на 150 мА максимум, рассеяние мощности не должно превосходить 1 Вт при 25 °C (и менее при более высокой окружающей температуре; этот параметр для ИМС 723 должен быть пересчитан с коэффициентом 8,3 мВт/°С на каждый градус превышения температуры окружающей среды 25 °C, чтобы температура p-n-переходов удерживалась в безопасных пределах). Таким образом, стабилизатор на 5 В с напряжением на входе +15 В не может давать ток нагрузки больше 80 мА. Чтобы обеспечить большие токи нагрузки, нужно применять внешние проходные транзисторы. Подключим внешний проходной транзистор так, чтобы он образовал со встроенным транзистором пару Дарлингтона (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Стабилизатор на +5 В с внешними проходным транзистором и защитой.

Транзистор T 1 - внешний проходной транзистор; он должен быть снабжен радиатором — чаще всего это ребристая металлическая пластина — для отвода тепла (можно и по-другому: поместить транзистор на одной из стенок металлического корпуса блока питания). С вопросами теплового режима мы будем иметь дело в следующем разделе. Подстроенный потенциометр применен для точного выставления +5 В на выходе; диапазон подстройки должен быть достаточным для компенсации допуска на сопротивления резисторов, а также призводственного разброса U oп (рассматривается наихудший случай). В данном случае диапазон настройки выходного напряжения находится в пределах ±1 В от номинала. Заметьте, что для получения тока нагрузки 2 А или около этого необходим мощный токоограничивающий резистор с низким сопротивлением.

Падение напряжения на проходном транзисторе. Одна из проблем при построении этой схемы — большое рассеяние мощности на проходном транзисторе (по крайней мере 10 Вт при полном токе нагрузки). Этого не избежать, если ИМС стабилизатора питается от нестабилизированного источника, поскольку в этом случае ему нужен «запас сверху» в несколько вольт (определяемый минимальным падением напряжения). Если использовать для ИМС 723 отдельный слаботочный источник питания (например, +12 В), то минимум нестабилизированного напряжения питания на внешнем проходном транзисторе может всего лишь на 1 В превышать стабилизированное напряжение на выходе, но лучше все же иметь запас хоть несколько вольт, так как в жестких условиях эксплуатации требуется нормальная работа даже при 20 %-ном снижении напряжения в сети переменного тока.

Защита нагрузки по напряжению. В схеме рис. 6.5 предусмотрена также защита нагрузки от слишком больших напряжений, состоящая из Д 1 , Т 2 и резистора 33 Ом. Назначение этой схемы — закорачивать выход, если из-за какой-либо неисправности стабилизатора выходное напряжение последнего выше 6,2 В (это может случиться, если отключится один из выводов резисторов делителя или откажет какой-нибудь элемент схемы 723). Т 2 - это КУВ (кремниевый управляемый выпрямитель, тиристор) — прибор, ток в котором нормально отсутствует до тех пор, пока переход управляющий электрод-катод не получит прямое смещение. После этого прибор включается (входит в насыщение), и, однажды включившись, не выключится, пока анодный ток не будет прерван извне. В нашем случае через управляющий электрод пройдет ток, если выходное напряжение окажется больше напряжения стабилитрона Д 1 плюс перепад на p-n-переходе. Когда это произойдет, в стабилизаторе включится схема ограничения тока и КУВ будет удерживать выходное напряжение около уровня земли. Если неисправность, приведшая к ненормальному повышению выходного напряжения, к тому же вывела из строя токоограничивающую схему (например, у транзистора T 1 замкнулся коллектор на эмиттер), то схема защиты будет отбирать очень большой ток. Поэтому где-нибудь в цепи питания надо поставить плавкий предохранитель, как показано на схеме. Подробнее схемы защиты от превышения напряжений рассмотрены в разд. 6.06.

 

Проектирование теплоотвода мощных схем

6.04. Мощные транзисторы и отвод тепла

Часто необходимо, как мы видели в приведенных выше схемах, использовать мощные транзисторы или другие сильноточные устройства, такие, как КУВ или силовые выпрямители, рассеивающие мощности во много ватт. Недорогой и очень распространенный мощный транзистор 2Ν3055, правильно смонтированный, рассеивает мощность до 115 Вт. Все мощные устройства выпускаются в корпусах, обеспечивающих тепловой контакт между их металлической поверхностью и внешним радиатором. Во многих случаях металлическая поверхность устройства связана электрически с одним из выводов (например, у мощного транзистора она всегда связана с коллектором).

В принципе задача теплоотвода — удержать переходы транзисторов или других устройств при температуре, не превышающей указанной для них максимальной рабочей температуры. Для кремниевых транзисторов в металлических корпусах максимальная температура переходов обычно равна 200 °C, а для транзисторов в пластмассовых корпусах равна 150 °C. В табл. 6.1 приведены некоторые часто применяемые типы мощных транзисторов и указаны их температурные параметры. Зная эти параметры, проектировать теплоотвод просто: зная мощность, которую прибор будет рассеивать в данной схеме, подсчитываем температуру переходов с учетом теплопроводности транзистора, радиатора и максимальной рабочей температуры окружающей транзистор среды. Затем выбираем такой радиатор, чтобы температура переходов была намного ниже указанной изготовителем максимальной. Здесь разумно перестраховаться, так как при температурах, близких к максимальной, транзистор быстро выходит из строя.

Тепловое сопротивление. При расчете радиатора используют тепловое сопротивление Θ, которое равняется отношению величины перепада температур в градусах к передаваемой мощности. Если теплопередача происходит только путем теплопроводности, то тепловое сопротивление - величина постоянная, не зависящая от температуры, а зависящая только от устройства теплового контакта. Для последовательного ряда тепловых контактов общее температурное сопротивление равно сумме тепловых сопротивлений отдельных соединений. Таким образом, для транзистора, смонтированного на радиаторе, общее тепловое сопротивление передаче тепла от p-n-перехода на внешнюю среду равно сумме тепловых сопротивлений переход-корпус θ пк , соединения корпус-радиатор θ кр и перехода радиатор-среда θ рс . Таким образом, температура p-n-перехода будет равна

Τп = Τ с + (θ пк + θ кр + θ рс )P

где Ρ — рассеиваемая мощность.

Рассмотрим пример. Приведенная ранее схема источника питания с внешним проходным транзистором имеет максимум рассеиваемой на транзисторе мощности 20 Вт при нестабилизированном входном напряжении +15 В (10 В падения напряжения, 2 А). Предположим, что эта схема должна работать при окружающей температуре 50 °C — не так уж невероятно для компактно расположенного электронного оборудования, — и постараемся удержать температуру переходов ниже 150 °C, т. е. намного ниже, чем указанные изготовителем 200 °C. Тепловое сопротивление от перехода к корпусу равно 1,5 °C/Вт. Мощный транзистор в корпусе ТО-3, смонтированный со специальной прокладкой, обеспечивающей электрическую изоляцию и тепловой контакт, имеет тепловое сопротивление от корпуса к радиатору порядка 0,3 °C/Вт. И наконец, радиатор фирмы Wakefield, модель 641 (рис. 6.6), имеет тепловое сопротивление на границе с внешней средой порядка 2,3 °C/Вт. Поэтому общее тепловое сопротивление между p-n-переходом и внешней средой будет равно 4,1 °C/Вт. При рассеиваемой мощности 20 Вт температура перехода будет на 84 °C выше температуры окружающей среды, т. е. будет равна 134 °C (при максимальной внешней температуре для данного случая). Итак, выбранный радиатор пригоден, а если необходимо сэкономить пространство, то можно выбрать и несколько меньший.

Рис. 6.6. Радиаторы для мощных транзисторов.

Фирмы-изготовители: I — IERC, T - Thermalloy, W — Wakefield , (размеры даны в дюймах, l'' = 25,4 мм).

Замечания о радиаторах. 1. В схемах, где рассеиваются большие мощности, например несколько сотен ватт, может понадобиться принудительное воздушное охлаждение. Для этого выпускаются большие радиаторы, предназначенные для работы с вентиляторами и имеющие очень низкое тепловое сопротивление от радиатора к внешней среде - от 0,05 до 0,2 °C/Вт.

2. Если транзистор должен быть электрически изолирован от радиатора, как это обычно и необходимо, особенно если несколько транзисторов установлено на одном радиаторе, то используют тонкие изолирующие прокладки между транзисторами и радиаторами, а также изолирующие вкладыши для монтажных винтов. Прокладки выпускаются под стандартные транзисторные корпусы и делаются из слюды, изолированного алюминия и двуокиси бериллия ВеO2. При использовании теплопроводящей смазки они создают дополнительное тепловое сопротивление от 0,14 °C/Вт (бериллиевые) до 0,5 °C/В.т. Хорошей альтернативой классическому сочетанию прокладка из слюды плюс смазка могут служить изоляторы на основе кремнийорганических соединений без использования смазки с дисперсионным покрытием теплопроводным компаундом; обычно это нитрид бора или окись алюминия. Эти изоляторы чисты и сухи, удобны в употреблении, вам не грозит испачкать руки, одежду и электронику белым липким веществом, к тому же вы экономите уйму времени. Тепловое сопротивление этих изоляторов составляет 0,2–0,4 °C/Вт, т. е. вполне сравнимое с величинами «грязного» метода. Фирма Bergquist называет свою продукцию "Sil-Pad", Chomerics-"Cho-Therm", продукция SPC известна под названием "Koolex", a Thermalloy называет свою "Thermasil". Мы в своей работе с успехом используем все эти изоляторы.

3. Малые радиаторы выпускаются в виде простых насадок на малогабаритные корпусы транзисторов (подобные стандартному ТО-5). В случае малой рассеиваемой мощности (1–2 Вт) этого вполне достаточно и не надо мучиться, монтируя транзистор куда-то на радиатор, а потом тащить от него провода обратно к схеме (пример см. на рис. 6.6). Кроме того, существуют различные типы малых радиаторов для работы с мощными ИМС в пластмассовых корпусах (многие стабилизаторы, а также мощные транзисторы имеют такие корпуса), которые монтируются прямо на плату под корпус ИМС. Это очень удобно в схемах, где рассеивается мощность не больше нескольких ватт (пример см. также на рис. 6.6).

4. Иногда удобно монтировать мощный транзистор прямо на шасси или корпус прибора. В этом случае лучше использовать консервативный метод проектирования (корпус должен оставаться холодным), так как нагретый корпус нагреет и другие элементы схемы и сократит их сроки службы.

5. Если транзистор смонтирован на радиаторе без изоляции, то надо изолировать радиатор от шасси. Применение изолирующих прокладок рекомендуется всегда (например, модель Wakefield 103), если, конечно, корпус транзистора не заземлен по идее. Если транзистор изолирован от радиатора, то радиатор можно закрепить прямо на шасси. Но если транзистор выступает наружу из прибора (скажем, радиатор его смонтирован на внешней стороне задней стенки), то имеет смысл изолировать этот транзистор, чтобы никто до него случайно не дотронулся и не замкнул на землю (изолировать можно, например, прокладкой Thermalloy 8903N).

6. Тепловое сопротивление радиатор — внешняя среда обычно указывается, когда ребра радиатора установлены вертикально и обдуваются воздухом без помех. Если же радиатор установлен как-нибудь по-другому или есть препятствия на пути потока воздуха, то эффективность радиатора снижается (повышается тепловое сопротивление); лучше всего монтировать радиатор на задней стенке прибора, ставя ребро вертикально.

Упражнение 6.2. Транзистор 2N5320, имеющий тепловое сопротивление переход-корпус 17,5 °C/Вт, снабжен съемным радиатором типа IERC TXBF (см. рис. 6.6). Максимальная допустимая температура перехода 200 °C. Какая мощность может рассеиваться такой конструкцией при внешней температуре 25 °C? Как эта мощность уменьшается с каждым градусом увеличения температуры окружающей среды?

6.05. Ограничители тока с обратным наклоном характеристики

Для стабилизатора с простым ограничением тока рассеяние мощности на транзисторе будет максимальным, если выход закорочен на землю (случайно или из-за нарушения нормального функционирования схемы), и эта мощность рассеяния обычно превосходит мощность при номинальной нагрузке. Например, проходной транзистор в рассмотренном нами стабилизаторе, дающем +5 В при токе 2 А, будет при закороченном выходе рассеивать мощность 30 Вт (на входе +15 В, ток 2 А), а при номинальной нагрузке — 20 Вт в худшем случае (перепад напряжений 10 В при токе 2 А). Еще хуже обстоит дело для схем, в которых напряжение, падающее на проходном транзисторе, представляет собой небольшую часть выходного напряжения. Например, в стабилизаторе, дающем +15 В при 2 А от нестабилизированного питания +25 В, рассеиваемая мощность изменяется от 20 Вт (на полной нагрузке) до 50 Вт (при коротком замыкании).

С аналогичной проблемой мы сталкиваемся при работе с пушпульными усилителями мощности. При нормальных условиях мы имеем максимальный ток нагрузки при минимальном напряжении на транзисторе (амплитуда выходного сигнала около максимальной), и, наоборот, при значении тока нагрузки, близком к нулю (нулевое напряжение на выходе), напряжение на транзисторе будет максимальным. В случае короткого замыкания мы имеем максимальный ток нагрузки в самый неподходящий момент, а именно при напряжении на транзисторе, равном полному напряжению питания. В результате мощность рассеяния на транзисторе намного превышает нормальную.

Лобовое решение этой проблемы — применение массивных радиаторов и транзисторов с большой расчетной мощностью, работающих в далекой от опасной области характеристик (см. разд. 6.07). Но даже и в этом случае нехорошо, что в аварийных условиях в схеме будет протекать слишком большой ток, поскольку могут выйти из строя другие элементы. Лучше применить метод ограничения с обратным наклоном токовой нагрузочной характеристики, при которой выходной ток уменьшается в условиях короткого замыкания или перегрузки. Идея метода видна из схемы рис. 6.7 — опять же на примере стабилизатора 723 с внешним проходным транзистором.

Рис. 6.7. Мощный стабилизатор, снабженный схемой ограничения тока с обратным наклоном характеристики, а — схема; б — зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. I макс . / I к.з. = 1 + [ R 2 /( R 1 + R 2 ) U ст / U БЭ .

Делитель в цепи базы транзистора Т 0 обеспечивает обратный наклон характеристики при коротком замыкании. При нормальном значении напряжения выхода +15 В ток в схеме ограничен величиной порядка 2 А, так как напряжение на базе транзистора Т 0 равно +15,5 В, а на эмиттере +15 В (при повышенной температуре, при которой чип стабилизатора обычно работает, U БЭ равно ~ 0,5 В). Ток короткого замыкания будет меньше; при выходе, замкнутом на землю, выходной ток будет ~ 0,5 А, а рассеиваемая на транзисторе Т 1 мощность будет меньше, чем при полной нагрузке. Это очень хорошо, так как нет необходимости проектировать теплоотвод с запасом, достаточно его рассчитать только для случая полной нагрузки. Величина тока короткого замыкания при заданном токе полной нагрузки определяется выбором номиналов резисторов токоограничивающей схемы.

Предупреждение: будьте осторожны при выборе значения тока короткого замыкания! Если переусердствовать, то можно построить источник питания, который «не запустится» на номинальную нагрузку. Ток короткого замыкания не должен быть слишком малым: приблизительно одна треть тока максимальной нагрузки при полном выходном напряжении.

Упражнение 6.3. Спроектируйте стабилизатор с внешним проходным транзистором и обратным наклоном характеристики при коротком замыкании, который даст ток 1 А при стабилизированном напряжении на выходе +5 В и всего лишь 0,4 А при коротком замыкании выхода.

6.06. Защита от больших напряжений

Как было отмечено в разд. 6.03, полезно на выходе стабилизированного источника питания иметь какую-нибудь защиту от превышения номинального напряжения.

Рассмотрим, например, источник питания +5 В, питающий большую цифровую систему (мы встретим много таких примеров после гл. 7). Входное напряжение стабилизатора может быть от +10 до +15 В. Если проходной транзистор выйдет из строя и коллектор замкнется на эмиттер (обычная неисправность), то все нестабилизированное напряжение будет приложено к питаемой схеме и результаты будут разрушительны. Хотя предохранитель, возможно, и расплавится, но вообще-то предохранитель и кремниевые элементы в схеме будут соревноваться — кто быстрее выйдет из строя, — и скорее всего предохранитель расплавится позже.

Эта проблема особенно серьезна для логических схем ТТЛ, которым требуется питание +5 В и которые не могут выдерживать больше 7 В. Другая опасная ситуация создается при работе от «стендового» источника питания с широким диапазоном выходных напряжений, имеющего нестабилизированное входное напряжение 40 В или выше, независимо от значения выходного напряжения.

Датчик перенапряжений на стабилитроне. На рис. 6.8 показана известная схема защиты, которая выпускается также в виде модуля фирмами Lambda (тип L-6-OV-5) и Motorola (МРС2004). Ее вставляют между выходом стабилизатора и землей.

Рис. 6.8. Защита от перенапряжения.

Если напряжение на выходе стабилизатора превзойдет пробивное напряжение стабилитрона и прямое напряжение на диоде (для изображенной схемы - порядка 6,2 В), КУВ включится и останется в этом состоянии до тех пор, пока его анодный ток не упадет до нескольких миллиампер. Недорогой КУВ типа 2N4441 может отводить ток 5 А постоянно и выдерживать всплески тока до 80 А, перепад напряжения на нем в проводящем состоянии обычно равен 1 В при 5 А. Резистор 68 Ом должен обеспечить нормальный ток стабилитрона (10 мА) при включении КУВ, а конденсатор добавлен, чтобы схема защиты не срабатывала от безвредных коротких всплесков напряжения.

Описанная схема, как и все схемы защиты подобного типа, жестко устанавливает при срабатывании по напряжению на выводах источника питания напряжение, «короткого замыкания» 1 В, и может быть выключена только при отключении питания. Так как на КУВ в проводящем состоянии падает небольшое напряжение, нет проблем с перегревом самой схемы защиты, поэтому такая схема защиты надежна. Важно только, чтобы источник стабилизированного питания имел какую-нибудь токоограничивающую схему или хотя бы плавкий предохранитель на случай короткого замыкания. Могут появиться проблемы с перегревом самого стабилизатора при срабатывании схемы защиты. Если он содержит внутреннюю токоограничивающую схему, то плавкий предохранитель не сработает и источник питания так и будет сидеть на схеме защиты с низким напряжением на выходе, пока кто-нибудь этого не заметит. Здесь хорошо применить схему защиты от короткого замыкания с обратным наклоном характеристики.

С этой простой схемой защиты связано несколько вопросов, в основном по поводу выбора напряжения стабилитрона. Последние выпускаются только на определенные значения пробивного напряжения, задаваемого, вообще говоря, с большим допуском, и часто не имеют резкого излома на вольт-амперной характеристике. Вместе с тем желаемое напряжение срабатывания схемы защиты может быть задано с довольно жестким допуском.

Рассмотрим источник питания 5 В, питающий цифровую логическую схему. Обычный допуск напряжения питания составляет 5-10 % от номинала, таким образом напряжение срабатывания схемы защиты не может быть ниже 5,5 В. Эту цифру еще нужно увеличить из-за переходных процессов в источнике питания: при резком изменении тока нагрузки может произойти скачок напряжения - всплеск и вслед за ним затухающие пульсации. Эта проблема усугубляется, если измерительные элементы отдалены и подсоединены длинными проводами (индуктивность). Получающиеся колебания накладывают динамические помехи на уровень выходного напряжения, и схема защиты не должна срабатывать. Поэтому ее напряжение срабатывания не должно быть меньше 6 В, с другой стороны, оно не должно превосходить 7 В во избежание повреждений логических схем. И вот когда вы начнете обдумывать схему с учетом допусков стабилитронов, конкретных значений их номинальных напряжений и допусков напряжения срабатывания КУВ, то вам приходится решать хитрую задачу. В схеме рис. 6.8 напряжение срабатывания может оказаться от 5,9 до 6,6 В даже при использовании обозначенного на схеме сравнительно дорогого 5 %-ного стабилитрона.

ИС-датчик перенапряжений. Проблемы, возникающие при построении простой схемы защиты на стабилитроне и КУВ (плохая предсказуемость и отсутствие подстройки), превосходно решаются при использовании специальной триггерной ИМС защиты, такой, например, как МС3423-5, TL431 или МС34061-2. Это недорогие ИМС в удобных корпусах (8-штырьковом мини-DIP или 3-выводном ТО-92), напрямую управляющие КУВ и очень простые в использовании. Например, ИМС МС3425 имеет регулируемые порог и время срабатывания, а также имеет вывод для сигнализации о недопустимом уменьшении напряжения питания (очень удобно для схем с микропроцессорами). ИМС содержит встроенный источник опорного напряжения, несколько компараторов и драйверов, и для построения всей схемы защиты требуется еще только два внешних резистора, КУВ и конденсатор (необязательно). Эти ИМС защиты относятся к классу схем «слежения за источником питания», куда входят такие сложные ИМС, как МАХ691, которые не только воспринимают падение напряжения, но и переключаются на батарейное питание в случае отключения питания в сети переменного тока, генерируют сигнал обратного переключения при восстановлении нормального питания и непрерывно контролируют отсутствие замыкания в схеме микропроцессора.

Модули защиты. Зачем что-то строить, если можно это купить?! С точки зрения разработчика самой простой схемой защиты является приспособление с двумя выводами, у которого на крышке написано «защита». Вы можете купить такие устройства у фирм Lambda или Motorola, которые предлагают серию модулей защиты от перенапряжения в нескольких диапазонах по току. Вы только выбираете необходимые вам номинальные напряжения и ток и подсоединяете защиту на выход стабилизированного источника питания постоянного тока. Например, самые маленькие устройства такого типа, выпускаемые фирмой Lambda, рассчитаны максимум на 2 А при следующем наборе фиксированных значений напряжения: 5, 6, 12, 15, 18, 20 и 24 В. Они выпускаются в монолитном исполнении в корпусе ТО-66 (малый металлический корпус для мощных транзисторов) и стоит 2,5 долл. за шт. Монолитные ИМС фирмы Lambda на 6 А выпускаются в корпусе ТО-3 (большой металлический корпус для мощных транзисторов) по цене 5 долл. за штуку. Выпускаются также гибридные ИМС защиты на 12, 20 и 35 А. Вся серия МРС2000 (Motorola) выпускается в монолитном исполнении (только 5, 12 и 15 В, рассчитанные на номинальный ток 7,5, 15 или 35 А). Первые два номинала выпускаются в корпусе ТО-220 (мощный пластмассовый), последний (только на 5 В) — в корпусе ТО-3 (мощный металлический). Цены неправдоподобно низкие — при покупке небольшими партиями ИМС этих трех номиналов по току стоят всего лишь по 1,96, 2,36 и 6,08 долл. соответственно. Эти схемы защиты имеют одну приятную особенность — у них высокая точность; например, 5-вольтовое устройство фирмы Lambda имеет точку срабатывания 6,6 ± 0,2 В.

Ограничители. Другое возможное решение вопроса защиты от перенапряжения — установка мощного стабилитрона или его аналога параллельно выходу источника питания. Это снимает вопрос о срабатывании на всплесках, так как стабилитрон немедленно перестает проводить, как только исчезает «лишнее» напряжение (не то что КУВ, у которого память, как у слона). На рис. 6.9 показана схема «активного стабилитрона». К сожалению, схема защиты на мощном стабилитроне также имеет свои недостатки. Если стабилизатор выйдет из строя, схеме защиты придется справляться с рассеянием большой мощности (U ст I огр ) и она сама может выйти из строя. Это и случалось, например, с серийным источником питания для магнитного диска на напряжение 15 В и ток 4 А. Когда в нем портился проходной транзистор, на стабилитроне 16 В, 50 Вт рассеивалась мощность больше расчетной и он тоже выходил из строя.

Рис. 6.9. Мощный «активный» стабилитрон.

6.07. Специальные вопросы проектирования сильноточных источников питания

Использование отдельных нестабилизированных источников для питания сильноточных цепей. Как уже упоминалось в разд. 6.03, хорошо, как правило, использовать отдельный источник для стабилитрона в мощном источнике питания. Таким путем рассеивание мощности на проходном транзисторе можно свести к минимуму, поскольку нестабилизированное напряжение, которое подается на проходной транзистор, может быть выбрано точно таким, какое нужно для достаточного «запаса сверху» (стабилизаторы типа 723 имеют для этой цели выводы питания U+ ). Например, стабилизатор, дающий на выходе +5 В, 10 А, может работать от входного напряжения 10 В с размахом пульсаций около 1–2 В и отдельного источника питания +15 В для питания элементов стабилизатора (опорный источник, усилитель ошибки и т. д.). Как говорилось выше, нестабилизированное входное напряжение должно быть выбрано достаточно большим в расчете на наихудший случай напряжения в силовой линии переменного тока (200 В), а также на допуски параметров трансформатора и конденсатора.

Линии связей. Для источников питания с большим выходным током или источников прецизионного напряжения следует тщательно продумать линии соединений в самом стабилизаторе и между стабилизатором и его нагрузкой. Если несколько различных приборов работают в качестве нагрузки одного стабилизатора, то все они должны присоединяться к источнику питания в точке, в которой подключен и датчик выходного напряжения стабилизатора, иначе флуктуации тока в одной из нагрузок повлияют на напряжение, поступающее к остальным нагрузкам (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Заземление питания в общей точке («Мекка» заземления).

В действительности хорошо иметь, как показано на схеме, общую точку заземления («Мекка») для нестабилизированного питания, опорного источника и т. д. Проблему падения напряжения в соединительных проводах между источником питания и нагрузкой с большим током иногда можно решить путем вынесения измерительных элементов: клеммы, ведущие обратно к усилителю ошибки и опорному источнику, выводятся отдельно на клеммную колодку источника питания и могут или присоединяться к выходам стабилизированного напряжения прямо на этом месте (обычный способ), или от них могут быть проложены шины дальше и присоединены к нагрузке рядом с выводами напряжения питания (этот способ требует наличия четерых проводов, два из которых должны быть расчитаны на большие токи нагрузки). У большинства серийных источников питания имеется перемычка на задней стенке, соединяющей измерительные входы стабилизатора с его выходом, которую можно убрать для «вынесения» измерительных входов. Аналогично включаются четырехпроводные резисторы для измерения тока нагрузки при построении источников питания с точно удерживаемым постоянным значением тока в нагрузке. Более подробно об этом описано в разд. 6.24.

Параллельное включение проходных транзисторов. Если от источника питания требуются большие значения выходного тока, то приходится применять несколько проходных транзисторов, соединенных параллельно. При этом из-за разброса параметра U БЭ приходится последовательно с эмиттером каждого из них ставить небольшой резистор, как показано на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Применение «балластных» эмиттерных резисторов при параллельном включении мощных биполярных транзисторов.

Эти резисторы приблизительно одинаково распределяют ток между проходными транзисторами. Значение R выбирается таким, чтобы падение напряжения на резисторе было ~0,2 В при максимальном значении выходного тока. Мощные ПТ могут быть соединены параллельно без дополнительных элементов благодаря отрицательному наклону зависимости их тока стока от температуры (рис. 3.13).

Область безопасной работы (ОБР). Последнее замечание о мощных транзисторах: явление, известное как «лавинный пробой», ограничивает одновременно и ток, и напряжение, которое может быть приложено к любому конкретному транзистору, поэтому изготовителем указывается область безопасной работы (это совокупность диапазонов безопасных напряжений при данном токе в зависимости от времени его протекания). Лавинный пробой связан с образованием «горячих точек» в транзисторных переходах и возникающем вследствие этого неравномерном распределении полного тока нагрузки. Этот факт накладывает на ток коллектора более жесткие ограничения, чем максимум рассеиваемой мощности (кроме случаев малых напряжений между коллектором и эмиттером). На рис. 6.12 показана область безопасной работы для широко применяемого транзистора 2N3055.

Рис. 6.12. Область безопасной работы мощного биполярного транзистора 2N3055 (с разрешения Motorola, Inc.). ― ― ― ограничен сечением выводов;  --- температурное ограничение Т к = 250 °C (отдельные импульсы); _____  ограничение лавинного пробоя.

При UКЭ > 40 В лавинный пробой ограничивает постоянный ток коллектора до величин меньших, чем позволяет максимальное значение рассеиваемой мощности (115 Вт). На рис. 6.13 показана область безопасной работы для двух подобных друг другу мощных высокочастотных транзисторов: биполярного n-p-n-транзистора 2N6274 и n-канального МОП-транзистора VNE003A.

Рис. 6.13. Сравнение ОБР мощного биполярного n-p-n -транзистора и n -канального МОП-транзистора.  --- 2Ν6274 ( nрn ); ____ VNE003A ( n -канальный МОП).

При U КЭ > 10 В лавинный пробой ограничивает постоянный ток коллектора n-р-n-транзистора значениями, соответствующими мощности рассеяния меньшей, чем максимально допустимая паспортная величина 250 Вт. Эта проблема не столь серьезна для коротких импульсов и фактически перестает просматриваться при длительности импульсов менее 1 мс.

Обратите внимание на то, что МОП-транзистор не подвержен лавинному пробою; его ОБР ограничена максимально допустимым током (ограничение вносит сечение проводников, а их сопротивление для коротких импульсов тока выше, чем на постоянном токе), допустимой мощностью рассеяния и максимально допустимым напряжением затвор-исток. Более подробно об этом сказано в гл. 3, там где рассматриваются мощные транзисторы.

6.08. Программируемые источники питания

Часто возникает необходимость в наличии такого источника питания, который можно регулировать вплоть до нулевого напряжения, особенно в случае стендовых источников, где такая гибкость существенна. Кроме того, часто целесообразно «программировать» выходное напряжение каким-либо другим напряжением, цифровым кодом или, например, ручным переключателем. На рис. 6.14 показана классическая схема источника питания, допускающая регулировку U вых вплоть до нулевого (в отличие от схем, использующих ИМС 723).

Рис. 6.14. Стабилизатор с регулируемым до 0 В выходом.

Отдельный расщепленный источник питания питает стабилизатор и дает точное опорное отрицательное напряжение (об опорных источниках подробнее см. разд. 6.14 и 6.15). Резистор R 1 служит для установки выходного напряжения, и, так как инвертирующий вход потенциально заземлен, оно может меняться до нуля (при нулевом сопротивлении R 1 ). Поэтому когда схема стабилизатора (это может быть интегральная схема или собранная из отдельных элементов) питается от расщепленного источника, не возникает трудностей, обусловленных низким выходным напряжением.

Чтобы сделать стабилизатор программируемым внешним напряжением, просто заменим U оп напряжением, задаваемым извне (рис. 6.15). Остальная часть схемы останется без изменений.

Рис. 6.15.

Резистор R 1   теперь будет масштабировать U упр . Управление цифровым кодом можно получить заменой опорного напряжения на устройство, называемое «цифро-аналоговый преобразователь» (ЦАП) с токоотбирающим выходом. Эти устройства, которые мы рассмотрим позже, преобразуют двоичный код на входе в пропорциональный по току (или напряжению) сигнал на выходе. Хорошим выбором здесь будет устройство AD7548-монолитный 12-разрядный ЦАП с токоотбирающим выходом стоимостью около 9 долл. Заменив R 2 на ЦАП, получим источник питания, программируемый цифровым кодом с шагом задания выходного напряжения, равным 1/4096 (2-12). Так как на инвертирующем входе потенциальная земля, от ЦАП не требуется значительного рабочего диапазона по напряжению. На практике R 1   используется для выставления определенного масштаба преобразования цифрового кода, например 1 мВ на единицу входного кода.

6.09. Пример схемы источника питания

Лабораторный стенд питания, схема которого показана на рис. 6.16, дает возможность собрать вместе все проектные идеи.

Рис. 6.16. Лабораторный блок питания.

Для стендового питания общего назначения важна возможность регулировать выход стабилизированного питания вплоть до нулевого напряжения, поэтому для питания стабилизатора используется дополнительный расщепленный источник. ИС 1 — это высоковольтный операционный усилитель, который может работать при полном напряжении питания 80 В. На выходе в качестве проходного транзистора мы использовали параллельно включенные мощные МОП-транзисторы, исходя из двух соображений — простоты возбуждения затвора и превосходной ОБР (характеристическая особенность всех мощных МОП-транзисторов). Такая комбинация обеспечивает рассеяние достаточной мощности (60 Вт на транзистор при температуре корпуса 100 °C), необходимую даже для умеренных значений тока, если обеспечивается столь широкий диапазон выходного напряжения. Последнее объясняется тем, что нестабилизированное входное напряжение должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить максимум стабилизированного выходного напряжения, а в результате при низком напряжении на выходе падение напряжения на проходных транзисторах будет большим. В некоторых источниках эта проблема решается тем, что используется несколько диапазонов выходного напряжения и соответственно этому переключается и нестабилизированное входное напряжение. Имеются даже схемы, в которых нестабилизированный вход поступает с регулируемого напряжением трансформатора, управляемого в такт с выходом. В обоих случаях, правда, теряется возможность дистанционного программирования.

 Упражнение 6.4. Чему равна максимальная мощность рассеяния в проходных транзисторах на этой схеме?

R 1 — это прецизионный многодекадный потенциометр для прецизионной и линейной регулировки выходного напряжения. Выходное напряжение сравнивается с опорным, получаемым от прецизионного стабилитрона 1N829 (температурный коэффициент 5·10-6 /°С при токе стабилитрона 7,5 мА). Эта схема ограничения тока существенно лучше простого токового ограничителя, который обсуждался выше, так как при использовании стендового питания иногда желательно установить точный и стабильный предел тока нагрузки. Обратите внимание на необычный (но удобный) метод ограничения тока путем его отвода через предназначенный для частотной коррекции вывод микросхемы ИС 1 , у которого при работе с малым током коэффициент усиления равен единице. Обеспечивая высокую степень стабилизации как напряжения (во всем диапазоне вплоть до 0 В), так и тока, данное устройство становится достаточно гибким в использовании лабораторным источником питания. При этом указанный способ ограничения тока делает этот источник питания также удобным источником неизменного тока. Транзистор Т 4 обеспечивает постоянную токовую нагрузку 100 мА, обеспечивая хороший рабочий режим схемы даже при значениях выходных напряжения или тока, близких к нулю, за счет удержания проходных транзисторов в активном режиме. Этот приемник тока позволяет источнику питания «поглощать» некоторый ток от нагрузки без увеличения выходного напряжения. Это целесообразно при работе с некоторыми необычными видами нагрузки, с которыми иногда приходится сталкиваться, например, прибор с собственным источником питания, который может подать некоторый ток на выводы стенда питания.

Отметим наличие внешних измерительных входов, не слишком правильно соединенных с входными клеммами источника питания. Для прецизионного регулирования напряжения на нагрузке следовало бы подвести измерительные цепи к самой нагрузке, избегая падения напряжения на связующих проводниках, создающих паразитные цепи обратной связи.

6.10. Другие ИМС стабилизатора

ИМС 723 была оригинальным стабилизатором напряжения и все еще остается полезной. Существуют несколько улучшенных версий, которые, однако, во многом работают таким же образом, и вам при проектировании стабилизированного источника питания следует их рассмотреть. Микросхемы LAS10000 и LAS1100 фирмы Lambda, а также SG3532, выпускаемая фирмой Silicon General, могут работать при уменьшении входного напряжения вплоть до 4,5 В, поскольку в них используется «опорный источник с напряжением запрещенной зоны» (см. разд. 6.15), выдающий 2,5 В, а не 7,15 В напряжения стабилитрона, как в ИМС 723. В этих микросхемах имеются также встроенные схемы, отключающие питание кристалла при его перегреве; сравните с решением в стабилитроне 723 (выгорание!). Хотя у этих стабилизаторов выводы с теми же названиями, вы не можете просто вставить их в разъем, предназначенный для ИМС 723, так как (помимо прочих отличий) они предполагают более низкое опорное напряжение. Еще один стабилизатор, подобный ИМС 723, - это МС1469 (и его двойник с отрицательным питанием МС1463) фирмы Motorola.

Если вы посмотрите на современные схемы источников питания, то вы не часто встретите ИМС 723 или даже ее только что перечисленные улучшенные версии. Вместо этого вы увидите главным образом такие ИМС, как 7805 или 317, примечательной особенностью которых является отсутствие внешних элементов (ИМС 7805 не требуется ни одного!). В большинстве случаев вы можете получить все параметры, которые вам требуются, от этих имеющих высокую степень интеграции и простых в использовании «трехвыводных» стабилизаторов, включая сюда большой выходной ток (до 10 А) без внешних проходных транзисторов, подстраиваемое выходное напряжение, превосходную степень стабилизации и встроенные схемы ограничения тока и термовыключатель. Вскоре мы поговорим о них, но вначале в качестве прелюдии рассмотрим а) проектирование нестабилизированного источника питания и б) источники опорного напряжения.

 

Нестабилизированные источники питания

Все стабилизированные источники питания требуют для своей работы источника «нестабилизированного питания постоянного тока», который мы начали рассматривать в разд. 1.27 вместе с расчетами выпрямителей и величины пульсаций.

Посмотрим на данный предмет более детально, начав со схемы, представленной на рис. 6.17. Это источник нестабилизированного питания +13 В (номинал), предназначенный для использования со стабилизатором +5 В, 2 А. Рассмотрим эту схему слева направо, отмечая вопросы, о которых надо помнить при проектировании подобных устройств.

Рис. 6.17. Нестабилизированный источник питания со схемой связи с сетью переменного тока. Обратите внимание на цветовую маркировку проводов сетевого питания.

6.11. Компоненты линии переменного тока

Трехпроводная связь. Всегда используйте трехпроводный шнур с нейтральной зеленой жилой, присоединенной к кожуху прибора. Без заземления прибор может оказаться смертоносным в случае пробоя изоляции трансформатора или случайного контакта одной из шин питания (от сети) с кожухом прибора. Если кожух заземлен, то при такой неисправности просто сгорит предохранитель.

Линейный фильтр и устройство подавления переходных процессов. В этой схеме мы применяем простой сетевой LC-фильтр. Вообще часто обходятся без таких фильтров, но с ними лучше, во-первых, потому, что они препятствуют возможному радиоизлучению из силовых проводов, а во-вторых, потому, что эти фильтры убирают помехи, которые наводятся извне в линии питания. Фильтры для линий питания с великолепными параметрами выпускают несколько фирм, например Corcom, Cornell-Dubilier, Sprague. Эксперименты показали, что большие всплески (от 1 до 5 кВ) иногда случаются в любых линиях сетевого питания, а всплески поменьше встречаются чаще.

Сетевые фильтры довольно эффективно снижают действие таких помех. В многих ситуациях желательно использование «гасителя переходных процессов», показанного на схеме. Это — устройство, которое проводит ток, как только напряжение на его выводах превосходит определенный предел (действует как двусторонний высоковольтный стабилитрон). Устройства эти невелики и дешевы и могут гасить опасные импульсы тока в сотни ампер. Гасители переходных процессов выпускаются многими фирмами, например GE и Siemens. В табл. 6.2 и 6.3 приведены данные фильтров радиочастотных помех и гасителей переходных процессов.

Плавкий предохранитель. Плавкий предохранитель — существенная деталь любого предмета электронного оборудования. Большие щитовые предохранители на 15–20 А не защитят электронное оборудование, поскольку они срабатывают только в случае превышения общего расчетного тока проводки. Например, если проводка в здании сделана проводами четырнадцатого номера сечения, то предохранители будут рассчитаны на 15 А. Если же замкнется накоротко конденсатор фильтра в только что рассмотренной схеме (довольно обычная неисправность), то ток в первичной обмотке трансформатора может достичь 5 А вместо обычного 0,25 А. Общий предохранитель не сгорит, но ваш прибор превратится в электроплитку или костер, поскольку на трансформаторе будет рассеиваться мощность более 500 Вт!

Несколько замечаний о плавких предохранителях. Во-первых, в блоках питания лучше использовать медленно действующие предохранители, поскольку имеют место большие токи переходных процессов при включении (например, при зарядке конденсаторов фильтра). Во-вторых, вы можете кое-что недоучесть при расчете номинального тока срабатывания предохранителя. Дело в том, что в источнике питания постоянного тока велико отношение эффективного (действующего) значения тока к его среднему значению ввиду малости угла проводимости (части цикла, когда диоды выпрямителя находятся в проводящем состоянии). Проблема усугубляется, когда конденсаторы фильтра имеют большую емкость. В результате эффективное значение тока будет значительно выше, чем вы могли бы предположить. Лучше всего в этой ситуации поступать следующим образом: измерить ток амперметром «истинного действующего значения», а затем выбрать предохранитель с током срабатывания по меньшей мере на 50 % большим измеренной величины (чтобы учесть перенапряжение в сети, эффект «усталости» предохранителя и т. п.). И наконец, последнее замечание.

Подводя провода к держателю предохранителя (к тому, что обычно применяется для предохранителей 3AG, которые почти универсальны для любого электронного оборудования), делайте это таким образом, чтобы человек, меняющий предохранитель, не мог случайно коснуться силовой линии. Для этого нужно «горячий» провод подводить только к заднему выводу предохранителя (один из авторов убедился в этом на собственном опыте!). Серийно выпускаемые сетевые коннекторы с встроенным держателем предохранителя сделаны обычно так, что предохранитель нельзя достать, не сняв разъем питания.

Риск электрического удара. Из изложенного следует, что неплохо было бы все места соединений внутри прибора, на которых есть напряжение сети, изолировать тефлоновыми трубками («кембриками»), дающими усадку при нагревании (использование внутри электронных приборов «фрикционной» ленты или электрической изоляционной ленты - это чистая партизанщина). Поскольку большинство транзисторных схем работает на относительно низких постоянных напряжениях — от ±15 до ± 30 В или около, единственное место в большинстве электронных приборов (конечно, есть и исключения), где может стукнуть током, — это провода силового питания. Очень коварен в этом отношении выключатель на передней панели устройства, так как он близок к другой, низковольтной, проводке. Ваш измерительный прибор (в худшем случае — ваши руки) может легко вступить в контакт с этим напряжением при измерительных работах.

Полезные мелочи. Мы предпочитаем использовать «входные силовые модули», включающие в себя 3-контактный разъем IEC (позволяющий вытаскивать шнур сетевого питания) и некоторый набор из сетевого фильтра, держателя предохранителя и сетевого выключателя. Например, разъемы серии FN380 фирмы Schaffner (или серии L фирмы Corcom) имеют все перечисленные компоненты и могут пропускать ток до 2–6 А. Есть модификации разъемов этой серии, позволяющие включать плавкие предохранители и разрывать при выключении одну или обе линии сети, и кроме того, они имеют фильтры нескольких конфигураций. Перечислим еще несколько изготовителей подобного типа разъемов: это фирмы Curtis, Delta и Power Dynamics (табл. 6.3).

В представленной на рис. 6.17 схеме мы применили для индикации включения питания светоизлучающий диод (СИД) с токоограничивающим («гасящим») резистором, запитанный от нестабилизированного напряжения постоянного тока. Вообще говоря, лучше подавать на СИД стабилизированное напряжение — здесь нет всплесков при выключении нагрузки и не проявляются колебания напряжения сети.

Цепь из последовательно соединенных резистора 100 Ом и конденсатора 0,1 мкФ, поставленная параллельно первичной обмотке трансформатора, предупреждает появление больших переходных процессов индуктивного характера, которые могли бы возникать при выключении. Часто обходятся без такой цепи, но лучше этого не делать, особенно в оборудовании, которое будет работать рядом с ЭВМ или другим цифровым устройством. Иногда такие RC-амортизаторы ставят параллельно выключателю, что то же самое.

6.12. Трансформаторы

Теперь о трансформаторе. Никогда не стройте прибора, работающего от сети переменного тока без трансформатора! Так поступать — это играть с огнем. Бестрансформаторные источники питания, предпочитаемые некоторыми потребителями электронной аппаратуры (радиоприемники, телевизоры и т. д.) за их дешевизну, ставят схему под высокое напряжение по отношению к внешнему заземлению (водопроводные трубы и т. п.). Этого не должно быть в приборах, предназначенных для связи с каким-либо другим оборудованием, и вообще этого следует избегать. Будьте крайне осторожны, работая с подобным оборудованием: даже простое подключение щупа осциллографа к шасси может дать очень неприятный эффект.

Выбор трансформатора — более сложное дело, чем можно было бы ожидать. Одна из причин заключается в том, что изготовители долго раскачивались с выпуском трансформаторов на те значения напряжения и тока, которые подходят для транзисторных схем (каталоги забиты трансформаторами, разработанными еще для электронных ламп), и нужный вам трансформатор часто приходится мотать самому, чего вам совсем не хочется. Отличается от прочих фирма Signal Transformer Company, предлагающая большой выбор трансформаторов и быстро их поставляющая. Не проглядите возможность получить трансформаторы, сделанные на заказ, если вам их требуется больше нескольких штук.

Даже если считать, что у вас есть такой трансформатор, какой вы хотите, все равно еще надо решить, какие величины напряжения и тока будут для вас наилучшими. Чем меньше входное напряжение стабилизатора, тем меньше рассеяние мощности на проходном транзисторе. Но надо быть абсолютно уверенным в том, что входное напряжение стабилизатора не упадет ниже необходимого минимума — обычно от 2 до 3 В над уровнем стабилизированного напряжения, — иначе можно получить провалы стабилизированного уровня с пульсациями на удвоенной частоте сети. Здесь сказываются пульсации нестабилизированного напряжения, поскольку существует минимум входного напряжения для стабилизатора, превышающий некоторое критическое напряжение.

Рассеяние мощности на транзисторе определяется средним значением входного напряжения стабилизатора. Для примера: в стабилизаторе на +5 В можно иметь входное напряжение +10 В при минимуме пульсации, которая сама по себе может легко достигать 1–2 В. Зная напряжение во вторичной обмотке, можно получить довольно точную оценку напряжения постоянного тока, снимаемого с выпрямительного моста: на вершине пульсации это пик выпрямленного напряжения, приблизительно в 1,4 раза больший среднеквадратичного значения напряжения вторичной обмотки, за вычетом падения напряжения на двух диодах. Однако нужно провести и практические измерения, если вы стараетесь построить стабилизатор с минимальным падением напряжения на нем, так как истинное значение выходного напряжения нестабилизированного источника питания зависит также от параметров трансформатора, которые трудно учесть заранее: сопротивление обмотки и магнитная проницаемость сердечника, которые влияют на напряжение под нагрузкой. Удостоверьтесь, что измерения производятся в наихудших условиях: полная нагрузка и минимальное напряжение питающей сети. Помните, что большие конденсаторы фильтра имеют очень большой разброс: от —30 до +100 %. Есть смысл применять трансформаторы с набором входных клемм на первичной обмотке, если они доступны, для окончательной регулировки выходного напряжения. Трансформаторы серий Triad F-90X и Stancor ТР обладают в этом смысле большой гибкостью.

Еще одно замечание о трансформаторах: иногда расчет тока делается для эффективного тока вторичной обмотки, в частности для трансформаторов для работы с омической нагрузкой (например, для трансформаторов накала). Так как схема выпрямителя проводит ток в течение только малой части цикла (в то время, когда конденсатор действительно заряжается), эффективное значение тока и рассеиваемая мощность (I2R) могут превзойти допустимое значение тока нагрузки, соответствующее расчетному среднеэффективному значению. Ситуация усугубится, если увеличить емкость конденсатора для сглаживания пульсаций до стабилизатора, — это просто потребует большей мощности трансформатора. В этом отношении лучше двухполупериодный выпрямитель, поскольку он использует большую часть периода напряжения переменного тока.

6.13 Элементы схемы, работающие на постоянном токе

Конденсатор фильтра. Конденсатор фильтра выбирается достаточно большой емкости для уменьшения пульсаций до приемлемой величины и рассчитывается на достаточное напряжение, чтобы выдержать худший вариант — отсутствие нагрузки и максимальное напряжение сети. Для схемы на рис. 6.17 пульсации составят 1,5 В (двойное ампл. значение) при полной нагрузке. Из опыта проектирования можно рекомендовать использование электролитических конденсаторов, подобных тем, которые используются в ЭВМ (они выпускаются в виде цилиндров с резьбовым выводом с одной стороны), например типа Sprague 36D. На небольшие значения емкостей большинство изготовителей выпускают конденсаторы такого же качества в варианте с осевыми выводами (по одному проводнику торчит с каждого конца), например типа Sprague 39D. Помните о большом допуске значений емкости!

Здесь полезно вернуться к разд. 1.27, где впервые обсуждался вопрос о пульсациях. Всегда, кроме случая импульсных стабилизаторов (разд. 6.19 и следующие), можно прикинуть напряжение пульсаций, считая выходной ток постоянным и равным максимальному току нагрузки. Действительно, вход подключенного к схеме стабилизатора потребляет постоянный ток. Это упрощает расчеты, поскольку разряд конденсатора происходит по линейному закону и не надо возиться с постоянными времени или экспонентами (рис. 6.18).

Рис. 6.18.

Например, вы хотите выбрать конденсатор фильтра для нестабилизированной части источника питания +5 В, 1 А, и предположим, что уже выбрали 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 напряжение стабилизатора не должно никогда падать ниже +7 В (знакомая вам ИМС 723 требует +9,5 В, но соответствующие трехвыводные стабилизаторы, описанные ниже, в разд. 6.16, оказываются более покладистыми). Так как надо подстраховаться от возможных отклонений напряжения в сети на 10 % в любую сторону, максимальный размах пульсаций не должен превышать 2 В за период. Тогда 2 В = T(dU/dT) = ТI/С = 0,008 с x 1,0/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. При выборе конденсатора фильтра не забывайте о следующем: конденсатор излишне большой емкости не только съедает пространство, но и увеличивает нагрев трансформатора (уменьшая угол проводимости и тем самым увеличивая отношение I эфф /I ср ). Кроме того, это увеличивает и нагрузки на выпрямитель.

«Гасящий» резистор с СИД, установленные параллельно выходу на схеме рис. 6.17, разряжают конденсатор за несколько секунд в условиях отсутствия нагрузки. Это полезно, так как, если конденсатор источника питания остается заряженным после того как источник выключен, можно легко 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 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 и более, а напряжение пробоя их - от 100 до 1000 В. У них сравнительно большие токи утечки (от микроампер до миллиампер) и довольно большая емкость переходов. Они не предназначены для высоких скоростей переключения. Перечень ряда широко применяемых типов выпрямителей приведен в табл. 6.4.

Типичными представителями выпрямителей являются устройства серии 1N4001-1N4007, рассчитанные на ток 1 А, с напряжением обратного пробоя от 50 до 1000 В. Серия 1N5625 рассчитана на 3 А, что является почти наивысшим возможным значением тока для элемента в герметичном корпусе с выводами под печатный монтаж (охлаждение за счет теплопроводности выводов). Популярная серия IN 1183А - 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, см. разд. 6.19), используются диоды с быстрым восстановлением, например одноамперные диоды серии 1N4933. 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 типа 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, омметров или амперметров.

Существуют два вида источников опорного напряжения - стабилитроны и так называемые источники опорного напряжения с шириной запрещенной зоны полупроводника («UБЭ - стабилитроны», см. разд. 6.15); каждый из них может использоваться как сам по себе, так и в составе ИМС источника опорного напряжения.

6.14. 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 обеспечить прохождение через него приблизительно постоянного тока. Обычно это 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 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 стабилитронов на 500 мВт имеет температурный коэффициент порядка +0,1 %/°С, 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. 6.19, полученных путем измерения 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.

Рис. 6.19. Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов ( а ) и вариаций напряжения стаблизации стабилитронов ( б ) от номинального напряжения стабилизации

(с разрешения Motorola, Inc .).

Если стабилитрон используется только как стабильный источник напряжения и вам все равно, каково будет это 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. 6.20, 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 10-4/°С (1N821) до 5·10-6/°С (1N829), а стабилитроны 1N940 и 1N946 на 9 В и 11,7 В имеют температурный коэффициент 2·10-6/°С.

Рис. 6.20. Зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитронов от их номинального напряжения

(с разрешения Motorola, Inc .).

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 15 Ом; таким образом, изменение тока на 1 мА изменяет напряжение в три раза сильнее, чем изменение температуры от -55 до +100 °C (для прибора 1N829). На рис. 6.21 показано, как довольно просто можно обеспечить постоянный ток смещения прецизионного стабилитрона.

Рис. 6.21.

Операционный усилитель включен как неинвертирующий усилитель и имеет на выходе стабильное напряжение, равное +10,0 В, которое используется для получения прецизионного тока 7,5 мА. Это самозапускающаяся 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. Прежде чем ставить в схему тот или иной ОУ, убедитесь, что его диапазон синфазных входных сигналов включает в себя потенциал минусовой шины источника питания (ОУ с «однополярным питанием»).

Существуют компенсированные специальные стабилитроны с гарантированной временной стабильностью напряжения; этот параметр, как правило, не указывается. Примеры - серия 1N3501 и 1N4890. Стабилитроны такого типа имеют гарантированную стабильность 5·10-6/1000 ч или еще лучше. Они недешевы. В табл. 6.5 собраны характеристики некоторых стабилитронов и диодных источников опорного напряжения, а в табл. 6.6 — ряд представителей двух популярных серий стабилитронов общего назначения на 500 мВт.

Стабилитронные ИМС. Для достижения свойственных стабилизатору 723 превосходных характеристик (стабильность U оп 30·10-6 / °С) используется компенсированный стабилитрон. Стабилизатор 723 — 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 питания; в схему источника входят цепь смещения стабилитрона и буферный усилитель выходного напряжения. К трехвыводным стабилитронным ИМС относятся превосходная LM369 фирмы National (1,5·10-6/°C тип.) и REF10KM фирмы Burr-Brown (температурный коэффициент не более 10-6/°С); в своих схемах мы часто используем недорогую ИМС Motorola MCI404 (которая фактически является U БЭ -стабилитроном, см. ниже). Вскоре мы более подробно рассмотрим трехвыводные источники опорного напряжения, а сейчас обратимся к двухвыводным. Прецизионные температурно-компенсированные стабилитронные ИМС выпускаются 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 — недорогая схема LM329 с напряжением ~ 6,9 В. В лучшем варианте ее темп, коэффициент равен 6·10-6/°С (тип.), 10-5/°С (макс.) при постоянном токе 1 мА. Перечислим некоторые стабилитронные ИМС с необычными характеристиками: температурно-стабилизированная LM399 (0,3·10-6/°С тип.), микромощная LM385 (которая работает от тока, доходящего до 10 мкА) и выпускаемая фирмой Linear Technology ИМС LTZ1000 с ее потрясающими параметрами: типовой температурный коэффициент 0,05·10-6/°С, дрейф 0,3·10-6/месяц и низкочастотный шум 1,2 мкВ.

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. 6.22 показан график шума стабилитронного источника 723.

Рис. 6.22. Зависимость напряжения шумов малошумящего стабилитрона, подобного тому, который используется в стабилизаторе 723, от рабочего тока стабилитрона.

Этот шум связан с поверхностными эффектами и применение стабилитронной структуры с так называемым захороненным (скрытым) или подповерхностным слоем может сильно улучшить стабильность стабилитрона и существенно уменьшить его шум. Так, только что упоминавшийся источник опорного напряжения LTZ1000 на стабилитроне с захороненным слоем - самый совершенный из всех типов источников опорного напряжения. LM369 и REF10KM также имеют очень малый шум. В табл. 6.7 перечислены характеристики почти всех выпускаемых стабилитронных ИМС, как на основе собственно стабилитронов, так и на U БЭ -стабилитронах.

6.15. Источник опорного напряжения на U БЭ -стабилитроне

Недавно стала получать распространение схема, известная под названием «стабилитрон с напряжением запрещенной зоны». Более точно было бы название «U БЭ -стабилитрон». 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 U БЭ . При сложении этого напряжения с U БЭ получается напряжение с нулевым температурным коэффициентом.

Начнем с рассмотрения токового зеркала с двумя транзисторами, работающими с разной плотностью эмиттерного тока (рис. 6.23), с обычным отношением плотностей тока порядка 10:1.

Рис. 6.23.

Применяя формулу Эберса-Молла, легко показать, что I вых имеет положительный температурный коэффициент, так как разность напряжений U БЭ для двух транзисторов есть просто (kT/q)lnσ, где σ — отношение плотностей тока (см. график на рис. 2.53). Здесь может возникнуть вопрос: где взять постоянный задающий ток I упр . Несколько позже мы покажем остроумный способ его получения. Сейчас вам надо только преобразовать этот ток в напряжение с помощью резистора и сложить с нормальным напряжением U БЭ . Такая схема показана на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Классическая схема источника опорного напряжения с напряжением запрещенной зоны полупроводника.

Резистор R 2 устанавливает величину напряжения, которое складывается с U БЭ и имеет положительный температурный коэффициент. Подбирая должным образом величину R 2 , получаем нулевой результирующий температурный коэффициент. Оказывается, что температурный коэффициент будет нулевым, если 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 R 3 ) Для создания постоянного тока I упр , который мы с самого начала считали существующим.

На рис. 6.25 показана другая весьма популярная схема стабилитрона «запрещенной зоны» (заменена обведенная часть схемы рис. 6.24).

Рис. 6.25.

Т1 и Т 2 - согласованная пара транзисторов, вынужденная благодаря обратной связи по разности напряжений коллекторов работать при отношении токов коллекторов 10:1. Разность напряжений U БЭ , равная (kT/q)ln 10, делает ток эмиттера Т 2 пропорциональным температуре (разность напряжений приложена к резистору R 1 ). Но поскольку коллекторный ток Т 1 всегда в 10 раз больше этой величины, он также пропорционален Т. Поэтому суммарный эмиттерный ток пропорционален Τ и создает на резисторе R 2 падение напряжения, имеющее положительный температурный коэффициент. Это падение напряжения может быть использовано в качестве выходного сигнала температурного датчика (мы об этом дальше упомянем). В данной схеме напряжение, снимаемое с резистора R 2 , складывается с напряжением U БЭ транзистора Т 1 для получения стабильного опорного напряжения с нулевым температурным коэффициентом на базах транзисторов Т1 и Т 2 . «Опорные источники запрещенной зоны» существуют в самых разных вариантах, но для них всех характерно сложение напряжения U БЭ с напряжением, созданным парой транзисторов, работающих с некоторым заданным отношением плотностей токов.

ИМС опорных источников с напряжением запрещенной зоны. Примером стабилитрона с напряжением запрещенной зоны является недорогая двухвыводная схема LM385-1.2, имеющая номинальное рабочее напряжение 1,235 В ± 1 % (ее собрат LM385-2.5 имеет встроенную схему для генерации 2,5 В), работоспособную при токах вплоть до столь малых значений как 10 мкА. Это много меньше, чем можно было бы требовать от любого стабилитрона, и это делает данные ИМС прекрасным образом подходящими для микромощных приборов (см. гл. 14). Столь низкое опорное напряжение (1,235 В) часто намного более удобная вещь, чем номинальное рабочее напряжение стабилитронов 5 В (вы можете встретить стабилитроны с номинальным напряжением 3,3 В, однако у них совершенно ужасные характеристики с очень плавным изгибом). Лучшие образцы из ряда LM385 гарантируют температурный коэффициент не хуже 30·10-6/°С и типичное значение динамического сопротивления 1 Ом при токе 100 мкА. Сравним эти величины с теми же параметрами стабилитрона 1N4370 на 2,4 В: температурный коэффициент 800·10-6/°С (тип.), динамическое сопротивление около 3000 Ом при токе 100 мкА, и одновременно при этом же токе «напряжение стабилизации» (определяемое в спецификации как 2,4 В при токе 20 мА) составляет около 1,1В! Когда вам нужно прецизионно стабильное напряжение, эти превосходные ИМС на U БЭ -стабилитроне кладут обычные стабилитроны на лопатки.

Если вы готовы выложить чуть больше денег, то сможете найти опорные источники на U БЭ -стабилитронах с превосходной стабильностью, например такие, как двухвыводной LT1029 или трехвыводной REF-43 (2,5 В, 3·10-6/°C макс). Последний тип, так же как и трехвыводные источники опорного напряжения на стабилитронах, нуждается в источнике питания постоянного тока. В табл. 6.7 перечислены большинство из имеющихся источников опорного напряжения (на стабилитронах и U БЭ -стабилитронах, двух- и трехвыводные).

Одним из интересных источников опорного напряжения является ИМС TL431C. Это недорогой источник опорного напряжения на «программируемом стабилитроне»; его схема включения показана на рис. 6.26. «Стабилитрон» включается, когда управляющее напряжение достигает 2,75 В («стабилитрон» сделан по схеме U БЭ ); этот прибор по управляющему входу потребляет ток всего лишь в несколько микроампер и имеет температурный коэффициент выходного напряжения около 10-5/°С. При указанных на схеме значениях параметров на выходе получается стабилизированное напряжение 10 В. Эти приборы выпускаются в двухрядных корпусах мини-DIP и могут работать при токах до 100 мА.

Рис. 6.26.

Температурные датчики, использующие U БЭ . Предсказуемостью изменения U БЭ с температурой можно воспользоваться при создании ИМС для измерения температуры. Например, REF-02 помимо своей основной функции генерирует выходное напряжение, линейно изменяющееся с температурой (см. выше). С помощью простых внешних схем можно получить выходное напряжение, сигнализирующее о температуре ИМС с точностью 1 % во всем «армейском» диапазоне (от -55 до +125 °C). Схема AD590, используемая как чисто температурный датчик, дает точный ток 1 мкА/К. Это двухвыводное устройство; к нему надо приложить напряжение (4-30 В) и можно измерять ток. LM334 также можно применять таким способом. Другие датчики, такие как LM35 и LM335, генерируют на выходе точное напряжение с крутизной +10 мВ/°С. В разд. 15.01 все эти «преобразователи» температуры рассмотрены детально.

Трехвыводные прецизионные источники опорного напряжения. Ранее мы уже отмечали, что возможно создание источников опорного напряжения с отличной температурной стабильностью (до 10-6/°С и даже лучше). Это особенно впечатляет, когда вы видите, что имеющий почтенный возраст элемент Вестона - традиционный, прошедший через века источник опорного напряжения, — имеет температурный коэффициент порядка 4·10-5/°С (см. разд. 15.11). Вот два способа получения таких источников.

1. Температурно-стабилизированные источники опорного напряжения. Хороший подход к получению превосходной температурной стабильности источников опорного напряжения или других схем заключается в обеспечении работы источников опорного напряжения и, возможно, связанных с ними схем при постоянной повышенной температуре. В гл. 15 будут показаны простые приемы осуществления этой идеи (один очевидный способ состоит в организации управления нагревателем с помощью температурного датчика U БЭ ).

Таким образом можно добиться сильного уменьшения зависимости характеристик схемы от колебаний внешней температуры. Для прецизионной схемотехники представляет интерес метод помещения хорошо температурно-компенсированного опорного источника в условия постоянной температуры, что значительно улучшает его характеристики.

Подобная техника температурно-стабилизированных или «термостатированных» схем применяется уже много лет, в частности для создания сверхстабильных генераторов. Существуют не слишком дорогие источники питания и опорные источники напряжения, в которых используются термостатированные опорные схемы. Этот метод дает хорошие результаты, но имеет свои недостатки: громоздкость и сравнительно большую потребляемую нагревателем мощность, а также медленный разогрев и выход на режим (обычно 10 или более минут). Эти проблемы легко снять, если стабилизировать температуру на уровне кристалла ИМС (чипа) включением нагревательной схемы вместе с датчиком в состав самой интегральной схемы. Этот подход был впервые опробован в 60-х годах фирмой Fairchild, выпустившей температурно-стабилизированную дифференциальную пару μΑ726 и предусилитель постоянного тока μΑ727.

Позже появились «термостатированные» источники опорных напряжений, такие, как серия National LM199. ИМС этой серии имеют температурный коэффициент (типовое значение) 0,00002 %/°С, или 2·10-7/°С. Такие опорные источники установлены в стандартных транзисторных корпусах ТО-46. Их нагреватели потребляют мощность 0,25 Вт и разогреваются до нужной температуры за 3 с. Пользуясь этими схемами, следует отдавать себе отчет в том, что последующие схемы на операционных усилителях, и даже проволочные прецизионные резисторы с их температурным коэффициентом ±2,5·10-6/°С, могут сильно испортить характеристики, если при проектировании не принять крайних мер предосторожности. В частности, приходится учитывать даже дрейф прецизионных ОУ с очень низким уровнем дрейфа, таких, как ОР-07, с типовым значением дрейфа входного каскада 0,2 мкВ/°С. Эти аспекты проектирования прецизионных схем рассматриваются в гл. 7 в разд. 7.01-7.06.

При использовании LM399 существует одна опасность: чип может выйти из строя, если напряжение питания нагревателя хотя бы на короткий момент времени упадет ниже 7,5 В. Источник опорного напряжения с запрещенной зоной LT1019 хотя и работает в нормальных условиях без подогрева, однако имеет встроенные в кристалл нагреватель и датчик. Поэтому его можно включать так же, как и LM399, получая температурный коэффициент менее 2·10-6/°С. Однако в отличие от LM399 для LT1019 требуется некоторая внешняя схемная обвязка, чтобы получить термостат (ОУ и с полдюжины элементов).

2. Прецизионные источники опорного напряжения без подогрева. Термостатированная LM399 имеет превосходный температурный коэффициент, однако она не демонстрирует чего-либо экстраординарного в отношении таких параметров, как шум или долговременный дрейф (см. табл. 6.7). Кроме того, нагрев этого кристалла занимает несколько секунд и он потребляет большую мощность (4 Вт при включении, 250 мВт после стабилизации). Хитроумные разработчики сделали возможным создание источников опорного напряжения с эквивалентной стабильностью, но без подогрева. ИМС REF10KM и REF101KM фирмы Burr-Brown имеют температурный коэффициент 10-6/°С (макс), они не потребляют мощность для подогрева и у них нет задержки выхода на режим за счет нагрва. Кроме того, долговременный дрейф и шум у них меньше, чем у источников типа LM399. Среди других трехвыводных источников опорного напряжения с температурным коэффициентом не более 10-6/°С — МАХ671 фирмы Maxim и AD2710 или AD2712, выпускаемые фирмой Analog Devices. В двухвыводной конфигурации есть лишь один достойный соперник - это великолепный LTZ1000 фирмы Linear Technology, у которого заявленный температурный коэффициент составляет 0,05·10-6/°С. В спецификации на это устройство указаны также на порядок лучшие характеристики по долговременной стабильности и шуму, чем у любых других источников опорного напряжения любого типа. Для ИМС LTZ1000 требуется хорошая внешняя схема смещения, которую можно построить на ОУ и еще нескольких элементах. Во всех перечисленных высокостабильных источниках опорного напряжения (включая LM399 с подогревом) используются стабилитроны с захороненным слоем, что дополнительно обеспечивает намного меньший шум, чем обычные стабилитроны или U БЭ -стабилитроны (рис. 6.27).

Рис. 6.27. Сравнение напряжения шумов стабилитронов с захороненным слоем ( а ), стабилитронов с подогревом ( б ) и источников опорного напряжения на U БЭ -стабилитроне ( в ). (С разрешения Burr-Brown Corporation).

Сравнение плотности шумов е ш ( г ) и интегрального напряжения шума ( д ) стабилитронов указанных типов.

 

Трехвыводные и четырехвыводные стабилизаторы

6.16. Трехвыводные стабилизаторы

Для большинства не слишком ответственных применений лучше выбрать простой трехвыводной стабилизатор напряжения. Он имеет всего три внешних вывода (вход, выход и земля) и настраивается изготовителем на нужное фиксированное напряжение. Типичные представители стабилизаторов такого рода — серия 7800. Их напряжение указывается в последних двух цифрах (вместо нулей) и может иметь одно из следующих значений: 05, 06, 08, 10, 12, 15, 18, 24. На рис. 6.28 показано, как легко сделать стабилизатор, например на 5 В с применением одной из этих схем.

Рис. 6.28.

Конденсатор, поставленный параллельно выходу, улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное сопротивление на низком уровне при высоких частотах (если стабилизатор расположен на значительном расстоянии от конденсатора фильтра, следует применить дополнительный входной конденсатор емкостью по крайней мере 0,33 мкФ). Серия 7800 выпускается в пластмассовых и металлических корпусах, в таких же, как и мощные транзисторы. Маломощный вариант, серия 78L00 также выпускается в пластмассовых и металлических корпусах, в которых выпускаются маломощные транзисторы (табл. 6.8).

Серия 7900 стабилизаторов отрицательных напряжений работает точно так же, но, конечно, с отрицательным входным напряжением. Серия 7800 обеспечивает ток нагрузки до 1 А и снабжена внутренней защитой от повреждений в случае перегрева или чрезмерного тока нагрузки (ИМС не сгорает, а выключается). Кроме того, предусмотрена защита прибора при выходе из области безопасной работы (разд. 6.07) за счет уменьшения предельно возможного вых. тока при увеличении разности входного и выходного напряжений. Такие стабилизаторы дешевы и просты в употреблении; это делает реальным проектирование схем с большим количеством печатных плат, к которым подводится нестабилизированное постоянное напряжение, а отдельный стабилизатор устанавливается на каждой плате.

Трехвыводные стабилизаторы с фиксированным напряжением выпускаются в нескольких очень удобных вариантах. LP2950 работает точно так, как и 7805, но потребляет в установившемся режиме всего лишь 75 мкА (сравните с 5 мА у 7805 или 3 мА у 78L05); кроме того, он не теряет способности стабилизации даже тогда, когда перепад напряжений (нестабилизированного на входе и стабилизированного на выходе) составляет всего лишь 0,4 В (сравните с 2 В перепада напряжений, необходимыми для классической ИМС 7805). У LM2931 также низкий перепад напряжений, но его можно было бы назвать миллимощным (ток покоя 0,4 мА) в сравнении «микромощным» LP2950. Стабилизаторы с низким перепадом напряжения выпускаются также и на большие токи, например, серии LT1085/4/3 фирмы LTC (3 А, 5 А и 7,5 А соответственно, у каждого типа есть ИМС на +5 и +12 В). Такие стабилизаторы, как LM2984, в основе своей трехвыводные с фиксированным напряжением, но с дополнительными выводами для сигнализации микропроцессору о том, что питание пропало и вновь появилось. И наконец, такие ИМС, как 4195, состоят из двух трехвыводных стабилизаторов на 15 В, один на положительное, другой — на отрицательное напряжение. Вскоре мы поговорим об этих специальных стабилизаторах подробнее.

6.17. Трехвыводные регулируемые стабилизаторы

Иногда нам нужно нестандартное стабилизированное напряжение (скажем, +9 В, чтобы заменить таким образом батарею) и мы не можем по этой причине применить фиксированный стабилизатор серии 7800. Или, возможно, вам требуется стандартное напряжение, но устанавливаемое более точно, чем ±3 %, типично предусматриваемые в стабилизаторах с фиксированным напряжением. Но теперь вы уже «подогреты» простотой трехвыводных стабилизаторов и уже не представляете себе, как можно иметь дело со схемами стабилизатора на ИМС 723 со всеми внешними элементами, которые для нее требуются. Что делать? Взять «трехвыводной регулируемый стабилизатор»! В табл. 6.9 перечислены характеристики представительной выборки трехвыводных регулируемых стабилизаторов.

Типичным представителем этих замечательных ИМС является классический LM317 фирмы National. У этого стабилизатора нет вывода на землю; вместо этого у него поддерживается U вых , такое, что между выходом и этим «регулировочным» выводом всегда было напряжение 1,25 В. На рис. 6.29 показан простейший способ применения этого стабилизатора.

Рис. 6.29. Трехвыводной регулируемый стабилизатор.

Стабилизатор подводит напряжение 1,25 В к резистору R 1 , поэтому через него течет ток 5 мА. Регулировочный вывод потребляет очень небольшой ток (50-100 мкА), поэтому выходное напряжение равно U вых = 1,25(1 + R 2 /R 1 ) В. Но в таком случае выходное напряжение можно регулировать от 1,25 до 25 В. Для тех применений, которые требуют фиксированного выходного напряжения, R 2 обычно подстраивается в очень узком диапазоне для увеличения точности подстройки (применяется последовательное соединение фиксированного резистора и подстроечного). Выбирайте сопротивления резистивного делителя достаточно небольшими, чтобы ток через него можно было изменить на 50 мкА, корректируя его с изменением температуры. Поскольку петля коррекции данного стабилизатора — это выходной конденсатор, то здесь должны использоваться большие емкости, чем в других схемах. Требуется по меньшей мере танталовый конденсатор 1 мкФ, однако рекомендуется несколько большая емкость — что-нибудь вроде 6,8 мкФ.

Схема 317 выпускается в разных корпусах: пластмассовых на большую мощность (ТО-220), металлических большой мощности (ТО-3) и в корпусах для маломощных транзисторов (металлический ТО-5 и пластмассовый ТО-92). Схема в корпусе на большую мощность, оснащенная соответствующим радиатором, может отдавать ток до 1,5 А. Поскольку эта схема не имеет непосредственного заземления, ее можно использовать в стабилизаторах высокого напряжения, пока разность входного и выходного напряжения не превосходит максимум 40 В (у высоковольтного варианта LM317HV-60 В).

Упражнение 6.5. Спроектируйте стабилизатор на +5 В на основе схемы 317. Обеспечьте регулировку напряжения в пределах +20 % с помощью подстроенного потенциометра.

Существуют трехвыводные регулируемые стабилизаторы, рассчитанные на более сильные токи, например LM350 (3 А), LM338 (5 А) и LM396 (10 А), а также на более высокие напряжения, например LM317H (60 В) и TL783 (125 В). Внимательно изучите спецификации, прежде чем применять эти устройства, обращая внимание на требования к шунтирующему конденсатору и предложения относительно диода защиты. Как и в случае с трехвыводными стабилизаторами с фиксированным напряжением, имеются варианты схем с малым перепадом напряжений (например, у LT1085 перепад напряжений между входом и выходом составляет 1,3 В при токе 3,5 А) и можно найти микромощные варианты ИМС (например, LP2951 — регулируемый вариант 5-вольтового стабилизатора LP2950 с фиксированным напряжением; оба имеют I покоя = 75 мкА). Можно также найти и варианты схем на отрицательное напряжение, хотя их разнообразие меньше: LM337 — аналог (на отрицательное напряжение) схемы LM317 (1,5 A), a LM333 — схемы LM350 (3 А).

Четырехвыводные стабилизаторы. Если условия применения не слишком жесткие, то лучше всего использовать трехвыводные регулируемые стабилизаторы. Исторически они предшествовали четырехвыводным, подключение которых показано на рис. 6.30.

Рис. 6.30.

На «управляющий» вывод подается часть выходного напряжения; стабилизатор регулирует выходное напряжение, поддерживая на управляющем выводе фиксированное напряжение (+3,8 В для стабилизаторов Lambda, указанных в табл. 6.9, +5 В для μΑ79θ и -2,2 В для стабилизаторов отрицательного напряжения). Четырехвыводные стабилизаторы ничем не лучше более простых трехвыводных (но и не хуже), и мы упоминаем здесь о них лишь для полноты картины.

6.18. Дополнительные замечания относительно трехвыводных стабилизаторов

Общие характеристики трех- и четырехвыводных стабилизаторов. Технические данные, приведенные ниже, типичны для большинства трех- и четырехвыводных стабилизаторов, как регулируемых, так и нерегулируемых. Они могут быть полезны при грубой оценке ожидаемых технических характеристик.

Допуск выходного напряжения… 1–2%

Падение напряжения… 0,5–2 В

Максимальное входное напряжение… 35 В (за исключением TL 783, для которого +125 В)

Подавление пульсаций… 0,01-0,1 %

Подавление всплесков… 0,1–0,3 %

Стабилизация по нагрузке… 0,1–0,5 % во всем диапазоне нагрузки

Подавление нестабильности входного напряжения постоянного тока… 0,2 %

Температурная нестабильность… 0,5 % по всему диапазону температур

Увеличение коэффициента подавления пульсаций. На рис. 6.29 показана схема включения стандартного трехвыводного стабилизатора; работает она превосходно. Тем не менее добавление шунтирующего конденсатора 10 мкФ между выводом для регулировки и землей (рис. 6.31) увеличивает подавление пульсаций (всплесков) почти на 15 дБ (в 5 раз по напряжению).

Рис. 6.31. Вывод «per.» для снижения помех и пульсаций можно зашунтировать, подключив для обеспечения безопасности разрядный диод.

Например, коэффициент подавления пульсаций LM317 достигает 65–80 дБ (последнее значение соответствует 0,1 В пульсаций на выходе при подаче на вход напряжения с пульсацией 1 В). Позаботьтесь о включении разрядного диода для безопасности; более детальную схему вы сможете составить, заглянув в технические данные конкретного стабилизатора.

Стабилизаторы с малым падением напряжения. Как мы уже ранее упоминали, для работы большинства стабилизаторов требуется по крайней мере 2-вольтовая «добавка». Это объясняется тем, что база проходного n-р-n-транзистора находится под напряжением, которое выше напряжения на выходе на U БЭ , и должна запускаться от транзистора-формирователя, как правило, другого n-р-n-транзистора, база которого подключена к токовому зеркалу. Это уже два падения U БЭ . Далее, следует допустить еще одно падение U БЭ на резисторе-датчике тока для защиты схемы от короткого замыкания; взгляните на упрощенную схему 78Lxx на рис. 6, 32, а. Три падения U БЭ добавляются к 2 В, ниже этого напряжения стабилизатор перестает работать на полном токе.

С помощью проходного р-п-р-транзистора (или n-канального МОП-транзистора) «перепад» напряжения можно снизить, избавившись от трех U БЭ в обычной n-р-n-схеме и довести его почти до напряжения насыщения транзистора. На рис. 6.32, б показана упрощенная схема LM330 нерегулируемого стабилизатора +5 В (150 мА) с малым «перепадом» напряжения.

Рис. 6.32. Упрощенная схема 78Lxx ( а ); упрощенная схема LM330 (с низким перепадом) ( б ).

С помощью проходного р-п-р-транзистора выход схемы можно установить в пределах напряжения насыщения нестабилизированного входного напряжения. Исключив падение U БЭ на паре Дарлингтона в n-р-n-стабилизаторе, разработчики не собираются тратить падение на диоде в обычной (последовательный резистор) схеме защиты от короткого замыкания. Они пользуются хитроумным приемом: выводят часть выходного тока через второй коллектор. Этот ток составляет фиксированную долю выходного тока и используется, как показано на рисунке, для отключения управления базой. Такая схема ограничения тока не отличается точностью (I огр составляет 150 мА мин. и 700 мА макс), но она достаточно эффективна для защиты стабилизаторов, которые имеют, помимо того, внутреннюю тепловую защиту.

Выпускается большое число распространенных типов стабилизаторов с малым «перепадом» напряжения, например трехвыводные нерегулируемые (LM2931, LM330, LT1083/4/5 (5 и 12 В), TL750), трехвыводные регулируемые (LT1083/4/5, LM2931) и микромощные (LP2950/1, МАХ664, LT1020). В табл. 6.8 и 6.9 включены все стабилизаторы с малым «перепадом», выпускаемые промышленностью на момент подготовки этого издания.

Стабилизаторы, ориентированные на процессоры. Для работы электронных устройств, содержащих микропроцессоры (гл. 10, 11), необходимо нечто большее, чем простое стабилизированное напряжение. Для того чтобы сохранить содержимое энергозависимой памяти (и данные, необходимые для восстановления работы), следует предусмотреть отдельный слаботочный источник постоянного напряжения; он может понадобиться при отключении устройства или в связи с выходом из строя источника питания. Кроме того, эти устройства должны «знать», когда обычный источник питания работоспособен, с тем, чтобы «проснуться» в известном состоянии. Более того, микропроцессорным устройствам может понадобиться несколько миллисекунд перед окончательным выходом из строя обычного источника для того, чтобы успеть передать данные в «безопасную» память.

До недавнего времени вы должны были сами проектировать для этих целей дополнительные схемы. Теперь жизнь стала легче — вы можете приобрести ИС стабилизаторов, ориентированные на (микро) — процессоры, с различными сочетаниями встроенных функций. Иногда эти ИС проходят под наименованием «ИС-наблюдатели для источников питания» или «сторожевые» ИС. Существует, например, LM2984, которая имеет два сильноточных выхода +5 В (один — для микропроцессора, другой — для остальных схем), слаботочный выход +5 В (для памяти) и выход отсроченного флажка ПЕРЕЗАПУСК для инициализации вашего микропроцессора после восстановления питания и вход управления включением/выключением для сильноточных выходов. Кроме того, у нее есть вход, который следит за работой микропроцессора, восстанавливая работу процессора, если тот был вынужден остановиться.

Примером сторожевой ИС без стабилизатора может служить МАХ691 фирмы Maxim, которая следит за стабилизированным напряжением питания и работой микропроцессора и посылает сигналы сброса (и «прерывание») в микропроцессор точно также, как LM2984. Однако в дополнение к функциям LM2984, она содержит схему предупреждения об отказе источника питания и схему переключения на батарейное питание. В сочетании с обычным стабилизатором +5 В ИС МАХ691 делает все, что необходимо для обеспечения жизнеспособности микропроцессора. В гл. 10 и 11 мы поближе познакомимся с обслуживанием и питанием микропроцессоров.

Микромощные стабилизаторы. Как мы уже упоминали, большинство ИС стабилизаторов потребляют несколько миллиампер тока покоя для питания источников эталонного напряжения и усилителей ошибки. Если устройство работает от сети переменного тока, то это не страшно; для батарейных устройств, работающих от 9-вольтовых щелочных аккумуляторов емкостью 400 мА·ч, это нежелательно, и совсем недопустимо для микромощных приборов, которые должны работать тысячи часов, допустим, от одной батареи.

Выход из положения — это микромощные стабилизаторы. Самыми «скупыми» из них являются ICL7663/4, положительный и отрицательный регулируемые стабилизаторы с токами покоя 4 мкА. При таком токе 9-вольтовая батарея может существовать 100 000 часов (более 10 лет), что превышает срок сохранности (время саморазряда) любой батареи, за исключением некоторых литиевых батарей. Более полно о микромощных схемах мы расскажем в гл. 14.

Двухполярные стабилизированные источники питания. Большинство описанных в гл. 4 схем операционных усилителей работали от симметричных биполярных источников питания, обычно ±15 В. Это общее требование в аналоговой схемотехнике, где приходится работать с сигналами, как правило, вблизи уровня земли, и самым простым способом формирования симметричного расщепленного питания является использование пары трехвыводных стабилизаторов. Для того чтобы сформировать, например, стабилизированные напряжения ±15 В, вы можете использовать ИС 7815 и 7915 (рис. 6.33, а). Мы предпочитаем использовать регулируемые трехвыводные стабилизаторы потому, что а) на каждую полярность и диапазон токов необходимо иметь только один тип и б) в случае необходимости можно точно подстроить напряжение; на рис. 6.33, б приведена схема на ИС 317 и 337.

Рис. 6.33. Двухполярные стабилизированные источники питания.

Сдвоенные стабилизаторы. Возможно, у вас возникнет вопрос, почему, коль скоро стабилизированные расщепленные источники так необходимы, отсутствуют «сдвоенные трехвыводные стабилизаторы». Больше не удивляйтесь — они есть и известны как «сдвоенные следящие стабилизаторы». Для того чтобы понять, почему они носят такое сложное название, взгляните на рис. 6.34, на котором показана классическая схема сдвоенного стабилизатора.

Рис. 6.34. Двухканальный стабилизатор.

Т 1 — проходной транзистор для традиционного положительного стабилизированного источника. Положительный стабилизированный выход используется в качестве опорного напряжения для отрицательного источника. Нижний усилитель ошибки управляет отрицательным выходом, сравнивая среднее значение двух выходных напряжений с уровнем земли и создавая, таким образом, равные положительный и отрицательный стабилизированные выходы 15 В. Схема положительного источника может быть любой из тех, которые мы уже рассматривали; если это регулируемый стабилизатор, то отрицательный выход отслеживает любые изменения положительного стабилизированного выхода. На практике в схему включают токоограничивающие цепи, не показанные для простоты на рисунке. Как и однополярные стабилизаторы, сдвоенные выпускаются в виде полностью интегрированных схем нерегулируемых и регулируемых версий, хотя и в существенно меньшей номенклатуре. В табл. 6.10 перечислено большинство из доступных в настоящее время типов. Типичными являются стабилизаторы 4194 и 4195 фирмы Raytheon, включение которых показано на рис. 6.35.

Рис. 6.35.

4195 — это стабилизатор с заводской подстройкой с выходами +15 В, в то время как симметричные выходы 4194 регулируются с помощью единственного резистора Rx. Оба стабилизатора выпускаются в мощных корпусах и в небольших корпусах DIP; оба содержат схемы отключения по температуре и ограничения по току. Для того чтобы получить большие выходные токи, можно добавить внешние проходные транзисторы (см. ниже).

Многие из предшествующих стабилизаторов можно соединить как сдвоенные стабилизаторы (например, четырехвыводные регулируемые стабилизаторы). В спецификации изготовителя часто рекомендуется схема включения. Идею использования выхода одного источника в качестве опорного для другого источника можно применить даже в том случае, когда напряжения не равны и не противоположны по знаку. Например, коль скоро у вас есть источник стабилизированного напряжения +15 В, вы можете его использовать для того, чтобы сформировать стабилизированный выход +5 В, или даже стабилизированный выход —12 В.

Упражнение 6.6. Используя ИС 4194, спроектируйте стабилизатор на ±12 В.

Защита от включения обратной полярностью. Использование сдвоенных источников требует дополнительной меры предосторожности: при нарушении полярности почти все электронные схемы подвергаются сильным повреждениям. С одним источником это может произойти только при неправильном подключении проводников; иногда для защиты от такой ошибки схему запараллеливают мощным выпрямителем, включенным в обратном направлении. В схемах с несколькими источниками питания (например, с расщепленным питанием) возможны обширные повреждения, если возникает отказ компонента схемы, который приводит к закорачиванию двух источников; довольно распространенный случай — это закорачивание «коллектор-эмиттер» в одном из транзисторов двухтактной пары, работающей от двух источников. При этом два источника оказываются объединенными друг с другом и один из стабилизаторов выходит победителем. Вследствие этого напряжение другого источника меняет полярность и схема начинает «дымиться». Для предупреждения последствий таких отказов между каждым стабилизированным выходом и землей следует включить мощный диод в обратном направлении (например, 1N4004), как это сделано в схеме на рис. 6.33.

Внешние проходные транзисторы. Трехвыводные стабилизаторы с фиксированным напряжением выпускаются на выходные токи 5 А и более, например подстраиваемый 10-амперный LM396. Вместе с тем работа с такими большими токами может оказаться нежелательной, поскольку максимальная рабочая температура для этих кристаллов меньше, чем для мощных транзисторов, что приводит к необходимости использовать мощные радиаторы. Кроме того, они достаточно дороги. Альтернативное решение заключается в использовании внешних проходных транзисторов, которые можно добавить к трех- и четырехвыводным стабилизаторам (и двухканальным стабилизаторам) точно также, как в классическом стабилизаторе 723. Базовая схема показана на рис. 6.36.

Рис. 6.36. Трехвыводной стабилизатор с внешним транзистором для увеличения тока.

При токах менее 100 мА схема работает обычным образом. При больших токах нагрузки падение на R 1 открывает транзистор Т 1 и реальный ток через трехвыводной стабилизатор ограничивается величиной 100 мА. Трехвыводной стабилизатор поддерживает требуемое значение напряжения на выходе, снижая, как и ранее, входной ток и, следовательно, управляя транзистором Т 1 при увеличении выходного напряжения, и наоборот. Он даже не знает, что нагрузка потребляет больше 100 мА! В этой схеме входное напряжение должно превышать выходное на величину перепада 78xx (2 В) плюс U БЭ .

На практике эту схему следует несколько модифицировать для того, чтобы обеспечить ограничение по току для Т 1 , который в противном случае может отдавать ток в h21Э раз превышающий максимальный внутренний ток стабилизатора, т. е. 20 А и более! Этого вполне достаточно для разрушения транзистора Т 1 , как и той несчастной нагрузки, которая в это время была подключена. Два способа ограничения тока показаны на рис. 6.37.

Рис. 6.37. Токоограничивающая схема для усилителя на внешнем транзисторе.

Транзистор Т 2 в обеих схемах является сильноточным проходным транзистором, а резистор между его эмиттером и базой выбран таким образом, чтобы транзистор открывался при токе нагрузки 100 мА. В первой схеме транзистор Т 1 реагирует на ток нагрузки за счет падения напряжения на R 3 и ограничивает запуск транзистора Т 2 , если это падение превышает падение на диоде. Схема имеет два недостатка: входное напряжение должно теперь превышать стабилизированное выходное на падение напряжения на трехвыводном стабилизаторе плюс падение на двух диодах для токов нагрузки вблизи максимального тока. Кроме того, транзистор Т 1 должен выдерживать большие токи (до максимального тока стабилизатора), так как из-за малого сопротивления резистора в базе Т 1 трудно реализовать ограничивающую схему с обратным наклоном характеристики.

Во второй схеме эти недостатки устранены за счет некоторого усложнения. В сильноточных стабилизаторах для уменьшения мощности рассеяния до приемлемого уровня важно добиться малого перепада напряжений. Чтобы получить в последней схеме характеристику с обратным наклоном, можно просто подключить базу Т 1 к делителю между коллектором и землей, а не к коллектору Т 2 .

К регулируемым трех- и четырехвыводным стабилизаторам внешние проходные транзисторы подключаются точно также. Детали можно понять, заглянув в спецификации изготовителей.

Источник тока. Из трехвыводного регулируемого стабилизатора можно легко сделать мощный источник постоянного тока. На рис. 6.38 показан такой источник на 1 А. Добавление повторителя на операционном усилителе, как это сделано на второй схеме, может понадобиться в том случае, если схема используется для формирования малых токов, поскольку вход «регулировка» вносит в выходной ток ошибку порядка 50 мкА. Как и для ранее описанных стабилизаторов, здесь имеется внутреннее ограничение по току, защита от тепловой перегрузки и защита от выхода за пределы области безопасной работы.

Рис. 6.38. Источники тока на операционном усилителе.

Упражнение 6.7. Спроектируйте регулируемый источник тока на диапазон токов от 10 мкА до 1 мА, используя схему 317. Каков будет диапазон напряжений на выходе, если U вх = +15 В? Перепад напряжения примите равным 2 В.

Заметьте, что источник тока на рис. 6.38, а является двухвыводным элементом. Следовательно, нагрузку можно подключить с любой стороны. На рисунке показано, как можно осуществить отвод тока от нагрузки, подключенной к земле (разумеется, вы всегда можете использовать схему 337 с отрицательной полярностью, включив ее так же, как показано на рис. 6.38, а). Фирма National выпускает специальный трехвыводной прибор LM334, предназначенный для использования в качестве маломощного источника тока. Он поступает в небольшом пластмассовом транзисторном корпусе (ТО-92), а также в стандартном корпусе DIP. Вы можете использовать его любым способом до нижней границы тока 1 мкА, поскольку ток регулирования является лишь малой долей общего тока. Этот элемент имеет, однако, одну особенность: выходной ток зависит от температуры, даже точно пропорционален абсолютной температуре. Так что, хотя он и не самый стабильный источник тока в мире, вы можете использовать его в качестве температурного датчика (разд. 15.01)!

6.19. Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока

Все схемы стабилизаторов напряжения, которые до сих пор рассматривались, работают одинаково: последовательно нестабилизированному напряжению постоянного тока включается линейный управляющий элемент (проходной транзистор) с обратной связью, которая поддерживает на постоянном уровне выходное напряжение (или, может быть, постоянный ток). Выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения и на управляющем элементе рассеивается некоторая мощность (или точнее, среднее значение I вых (Uвх - U вых ))· Небольшая вариация этой темы - параллельный стабилизатор, в котором управляющий элемент включается не последовательно с нагрузкой, а между выходом и землей; при мер — простой резистор плюс стабилитрон.

Существует другой способ генерации стабилизированного напряжения постоянного тока, принципиально отличный от того, что мы видели до сих пор; взгляните на рис. 6.39.

Рис. 6.39. Два вида стабилизаторов: а — линейный (последовательный), б — повышающий импульсный.

В таком импульсном стабилизаторе транзистор, работающий в режиме насыщенного ключа, периодически на короткое время прикладывает к катушке индуктивности полное нестабилизированное напряжение. Ток катушки появляется на каждом импульсе, запасая энергию 1/2LI2 в ее магнитном поле; запасенная энергия передается на конденсатор вых. сглажив. фильтра (чтобы поддержать напряжение и ток в нагрузке на выходе между импульсами заряда). Как и в линейных стабилизаторах, выход по обратной связи сравнивается с эталонным напряжением, но в импульсных стабилизаторах управление выходом осуществляется за счет изменения длительности импульсов генератора или частоты переключения, а не за счет линейного управления базой или затвором.

Импульсные стабилизаторы обладают необычными свойствами, которые делают их очень популярными: так как управляющий элемент либо выключен, либо насыщен, рассеивается очень маленькая мощность; таким образом, импульсные стабилизаторы чрезвычайно эффективны даже при большом падении от входа до выхода. «Импульсники» (слэнг для «импульсные источники питания») могут генерировать выходное напряжение, превышающее нестабилизированное входное напряжение (рис. 6.39, б); они позволяют также довольно просто генерировать напряжение противоположной полярности! Наконец, импульсники можно сделать без цепи постоянного тока между входом и выходом; это означает, что они могут работать прямо от шины питания с выпрямленным напряжением без сетевого трансформатора! В результате получается очень маленький, легкий и эффективный источник постоянного тока. По этим причинам импульсные источники питания используются почти во всех компьютерах.

Импульсные источники питания имеют и свои проблемы. Выход по постоянному току содержит некоторый «шум» переключения, который может попадать в шину питания. Как правило, у них скверная репутация в отношении надежности — при катастрофическом отказе иногда возникают зрелищные пиротехнические эффекты. Однако большинство этих проблем решаются, и в настоящее время импульсные источники прочно обосновываются в электронных приборах и компьютерах.

В этом разделе мы в два этапа расскажем все об импульсных источниках питания. Сначала мы опишем базовый импульсный стабилизатор, работающий от традиционного нестабилизированного источника постоянного тока. Существуют три схемы, используемые для а) понижения (выходное напряжение меньше входного), б) повышения (выходное напряжение больше входного) и инвертирования (полярность выходного напряжения противоположна полярности входного) напряжения. Затем мы сделаем радикальный шаг — опишем «еретические» (и наиболее широко используемые) схемы, работающие прямо от шины питания с выпрямленным напряжением без изолирующего трансформатора. Оба вида источников питания сейчас широко используются, поэтому наш подход достаточно практичен (правда, не совсем педагогичен). В заключение мы дадим массу советов: когда использовать «импульсники», когда следует избегать их; когда проектировать свои собственные и когда покупать их. Короче говоря, мы постараемся развеять все ваши сомнения.

Понижающий стабилизатор. На рис. 6.40 показана основная понижающая импульсная схема; обратная связь для простоты не показана.

Рис. 6.40. Понижающий импульсный источник питания.

Если МОП-ключ замкнут, то к индуктивности прикладывается напряжение U вых —U вх , которое вызывает появление линейно увеличивающегося тока (вспомним dI/dt = U/L) в индуктивности. (Этот ток течет, конечно, к нагрузке и конденсатору). Когда ключ открывается, ток индуктивности продолжает протекать в том же направлении (вспомните, что индуктивности не могут сразу же изменить свой ток, как это следует из последнего уравнения) теперь уже через ограничивающий диод. Выходной конденсатор работает как энергетический «маховик», сглаживая неизбежно возникающие пилообразные пульсации (чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации). Ток индуктивности выделяет на ней напряжение U вых —0,6U, при этом ток начинает линейно убывать. Соответствующие формы тока и напряжения показаны на рис. 6.41.

Рис. 6.41.

Для того чтобы завершить схему и придать ей вид стабилизатора, вы должны, конечно, добавить обратную связь, которая будет управлять либо длительностью импульсов (при постоянной частоте повторения), либо частотой повторения (при постоянной длительности импульсов) по выходу усилителя ошибки, сравнивающего выходное напряжение с эталонным.

На рис. 6.42 показан слаботочный стабилизатор +5 В на базе схемы МАХ638 фирмы Maxim. Этот превосходный кристалл предлагает вам на выбор либо фиксированный выход +5 В (без внешнего делителя), либо регулируемый положительный выход с внешним резистивным делителем. Почти все компоненты стабилизатора умещаются в традиционном корпусе мини-DIP. Генератор в МАХ638 работает на постоянной частоте 65 кГц, причем усилитель ошибки либо подключает, либо отключает импульсы управления затвором в соответствии с выходным напряжением. КПД схемы составляет примерно 85 % и почти не зависит от входного напряжения. Сравните это с линейными стабилизаторами, решив следующие задачи.

Рис. 6.42. Маломощный импульсный стабилизатор на +5 В.

Упражнение 6.8. Каков максимальный теоретический КПД линейного (последовательного проходного) стабилизатора при использовании его для генерации стабилизированного напряжения +5 В по нестабилизированному входу +12 В?

Упражнение 6.9. Что можно сказать об отношении выходного тока к входному для понижающего импульсного стабилизатора с высоким КПД? Каково это отношение токов для линейного стабилизатора?

Повышающий стабилизатор; инвертирующий стабилизатор. За исключением высокого КПД понижающий импульсный стабилизатор, рассмотренный в предыдущем параграфе, не имеет существенных преимуществ (только существенные недостатки — число компонент, шум переключения) перед линейным стабилизатором. Однако импульсные источники становятся по-настоящему весьма притягательными, когда необходимо, чтобы выходное напряжение было больше входного нестабилизированного или когда полярность выходного напряжения должна быть обратной полярности входного нестабилизированного. На рис. 6.43 показаны основные схемы повышения (или «подъема») и инвертирования напряжения.

Рис. 6.43. Две схемы переключающего элемента: а — повышающая; б — инвертирующая.

Повышающую схему мы уже показывали на рис. 6.39, а для сравнения с линейным стабилизатором. Когда ключ замкнут (точка x вблизи земли), ток в индуктивности возрастает; когда ключ разомкнут, напряжение в точке x быстро возрастает, поскольку индуктивность пытается сохранить величину тока. Диод открывается и индуктивность «накачивает» ток в конденсатор. Выходное напряжение может быть много больше входного.

Упражнение 6.10. Изобразите формы колебаний для повышающего «импульсника», показав напряжение в точке х , ток в индуктивности и выходное напряжение.

Упражнение 6.11. Почему повышающую схему нельзя использовать как понижающий стабилизатор?

Инвертирующая схема показана на рис. 6.43, б. Когда ключ замкнут, от точки x к земле протекает линейно возрастающий ток. Для того чтобы сохранить ток при размыкании ключа, индуктивность «тянет» точку в отрицательную область настолько, насколько это необходимо для сохранения тока. Однако ток теперь втекает в индуктивность через сглаживающий конденсатор. Выход, таким образом, будет отрицательным, а его среднее значение будет больше или меньше величины входного напряжения (что определяется обратной связью); другими словами, инвертирующий стабилизатор может быть как повышающим, так и понижающим.

Упражнение 6.12. Изобразите формы колебаний для инвертирующего импульсного источника, показав напряжение в точке х, ток в индуктивности и выходное напряжение.

На рис. 6.44 показано, каким образом можно использовать маломощные импульсные стабилизаторы для получения напряжений +15 В от одного автомобильного аккумулятора +12 В; с линейными стабилизаторами такой прием не пройдет. Здесь мы вновь использовали маломощную ИС с фиксированным выходом фирмы Maxim, в данном случае повышающий стабилизатор МАХ633 и инвертирующий стабилизатор МАХ637.

Рис. 6.44. Двухполярный импульсный источник питания.

Показанные на рисунке внешние компоненты были выбраны в соответствии со спецификациями изготовителя. Они не очень критичны, но, как это всегда бывает в электронных схемах, существуют компромиссы. Например, чем больше величина индуктивности, тем меньше пиковые токи и выше КПД, но за счет максимально допустимого выходного тока. До тех пор пока входное напряжение не превышает выходное, схема менее чувствительна к входному напряжению; она будет работать и при +2 В, но максимальный выходной ток существенно понизится.

Перед тем, как оставить тему инвертирующих и повышающих стабилизаторов, мы хотели бы заметить, что существует и другой путь для достижения тех же самых целей, а именно, «переключаемые конденсаторы». Основная идея заключается в том, чтобы использовать МОП-ключи для заряда конденсатора от входа постоянного тока и затем за счет изменения состояния ключей подключения заряженного конденсатора последовательно к другому конденсатору (повышение напряжения) или обратной полярностью к выходу (инвертирование).

Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами обладают определенными преимуществами (нет индуктивностей) и некоторыми недостатками (низкая мощность, малые пределы регулирования, ограниченное напряжение). Мы обсудим их несколько позже в этой же главе.

Общие замечания относительно импульсных стабилизаторов. Как мы уже видели, способность импульсных источников повышать и инвертировать напряжение делает их весьма привлекательными для создания, скажем, слаботочных источников питания на +12 В прямо на полностью цифровой во всех других отношениях плате с питанием +5 В. Такие биполярные источники часто необходимы для питания «последовательных портов» (более подробно см. гл. 10 и 11) или линейных схем на операционных усилителях или схем с ЦАП и АЦП. Еще одно полезное применение повышающих импульсных источников — это питание дисплеев, для работы которых необходимо относительно высокое напряжение, например дисплеев, использующих люминесцентную или плазменную технологии. В тех применениях, где входное напряжение постоянного тока (обычно +5 В) уже стабилизировано, вы часто произносите «преобразователь постоянного тока», а не «импульсный стабилизатор», хотя в действительности это одно и то же. Наконец, в оборудовании на батарейном питании вам, как правило, хочется получить высокий КПД во всем диапазоне напряжений батареи; например, 9-вольтовый «транзисторный» щелочной аккумулятор начинает свою жизнь примерно с 9,5 В и постепенно угасает к концу своей полезной жизни до 6 В. Маломощный понижающий стабилизатор на +5 В сохраняет свою высокую эффективность, увеличивая ток, на протяжении всего срока службы батареи.

Следует отметить, что индуктивность и конденсатор в импульсном стабилизаторе не работают как LC-фильтр. Для простого понижающего стабилизатора еще могут быть какие-то сомнения, но, очевидно, что схема, которая инвертирует уровень постоянного тока, едва ли является фильтром! Катушка индуктивности представляет собой запасающее энергию устройство без потерь (запасенная энергия равна 1/2LI2), способное преобразовывать импеданс для того, чтобы сохранить энергию. Это точное определение с физической точки зрения, в котором отражен тот факт, что энергия заключена в магнитном поле. Мы обычно привыкли рассматривать конденсатор как устройство, хранящее энергию (запасенная энергия равна 1/2CU2), которое выполняет свою функцию в импульсных источниках питания, как и в традиционных последовательных стабилизаторах.

Немного терминологии. Вы иногда встречаете словосочетания «импульсный стабилизатор с ШИМ» и «стабилизатор с токовым режимом». Они относятся к конкретному способу изменения импульсных колебаний в соответствии с сигналом обратной связи (сигналом ошибки). В частности, ШИМ означает широтно-импульсную модуляцию, в которой сигнал ошибки используется для управления длительностью импульса (при фиксированной частоте), в то время как при управлении в токовом режиме сигнал ошибки используется для управления пиковым током индуктивности (определяется с помощью резистора) посредством изменения интервала между импульсами. Стабилизаторы в токовом режиме обладают существенными достоинствами и становятся все более популярными в связи с тем, что теперь выпускаются хорошие ИС-контроллеры в токовом режиме.

При рассмотрении любого импульсного источника не забывайте о помехах, создаваемых процессом переключения. Они могут быть трех видов: а) пульсации на выходе на частоте переключения, обычно порядка 10-100 мВ (размах); б) пульсации также на частоте переключения, которые накладываются на напряжение входного источника; в) помехи излучения на частоте переключения и ее гармониках из-за импульсных токов в индуктивности и проводниках. Можно оказаться в весьма трудной ситуации при использовании импульсных источников в схемах с сигналами низкого уровня (скажем, 100 мкА и менее). Хотя тщательное экранирование и фильтрация могут решить все эти проблемы, но лучше, по-видимому, в подобных случаях с самого начала использовать линейные стабилизаторы.

Импульсные источники с питанием от сети. Мы уже упоминали, что импульсные источники обладают высоким КПД, даже если выходное напряжение сильно отличается от входного. Это может помочь нам рассматривать индуктивность как «преобразователь импеданса», поскольку средний постоянный выходной ток может быть больше (при понижении) или меньше (при повышении), чем средний постоянный входной ток. Это полностью противоположно тому, что происходит в линейных последовательных стабилизаторах, где средние значения входного и выходного токов всегда равны (если не учитывать, конечно, тока покоя схемы стабилизатора).

В связи с этим появляется превосходная идея: можно исключить тяжелый понижающий сетевой трансформатор, если стабилизатор подключить прямо к выпрямленному и отфильтрованному напряжению переменного тока. Два промежуточных замечания: а) входное напряжение постоянного тока будет равно примерно 160 В (при сети переменного тока 115 В), т. е. схема будет довольно опасна для того, чтобы в ней копаться! б) отсутствие трансформатора означает, что вход постоянного тока не будет изолирован от сети. Следовательно, импульсную схему следует модифицировать для того, чтобы обеспечить изоляцию.

Обычный способ изолирования импульсной схемы заключается в намотке вторичной обмотки на энергозапасающую индуктивность и использовании изолирующего элемента (либо трансформатора, либо оптоизолятора) для обеспечения обратной связи на импульсный генератор; взгляните на упрощенную схему, показанную на рис. 6.45.

Рис. 6.45. Импульсный источник с питанием от сети переменного тока.

Заметьте, что генератор питается от высоковольтного нестабилизированного постоянного напряжения, в то время как схемы управления обратной связью (усилитель ошибки, эталонный источник) питаются от стабилизированного выходного напряжения. Иногда для питания управляющих элементов используется вспомогательный слаботочный нестабилизированный источник (со своим собственным низковольтным трансформатором на 60 Гц). Квадратик, обозначенный «изоляция», часто представляет собой небольшой импульсный трансформатор, хотя может использоваться и оптическая изоляция (более подробно об этом позже).

Может показаться, что преимущества безтрансформаторного нестабилизированного питания сводятся на нет в связи с необходимостью иметь, по крайней мере, два других трансформатора! Это не так. Размеры трансформатора определяются размерами сердечника, которые резко снижаются на высоких частотах. В результате импульсные источники с питанием от сети намного меньше и легче, чем аналогичные линейные источники; кроме того, благодаря своему высокому КПД они работают в более благоприятном тепловом режиме. Фирма Power-One выпускает, например, оба типа источников питания. Сравнивая ее модель F5-25 (5 В, 25 А) линейного источника со сравнимой по цене моделью SPL130-1005 (5 В, 26 А) импульсного источника, мы обнаруживаем, что импульсный источник весит 2,5 фунта, линейный — 19 фунтов; импульсный занимает всего 1/4 объема линейного. Более того, «импульсник» при работе не нагревается, а 19-фунтовый линейный, рассеивая 75 Вт при полной нагрузке, становится горячим.

Пример реального импульсного источника. Для того чтобы вы почувствовали реальную сложность импульсных источников с питанием от сети, на рис. 6.46 мы воспроизводим полную схему коммерческого импульсного источника, используемого фирмой Tandy (Radio Shack) в качестве источника питания для своего персонального компьютера модели 2000.

Мы пытались получить схемы от фирм IBM и Apple, но нас либо игнорировали, либо отказывали с явным высокомерием. Фирма Tandy, напротив, публикует превосходную документацию с полными схемами и подробным описанием. Этот источник дает стабилизированные выходные напряжения +5 В при 13 А, +12 В при 2,5 А и -12 В при 0,2 А (всего 95 Вт), которые используются для питания логических схем и накопителей на гибких магнитных дисках компьютера. Пройдемся по схеме рис. 6.46, чтобы посмотреть, как импульсный источник с питанием от сети справляется с реальными задачами. Топология схемы, выбранная проектировщиками фирмы Tandy, точно соответствует тому, что показано на рис. 6.45, хотя и имеет большее число компонентов! Сравните рисунки.

Рис. 6.46. Импульсный источник питания, используемый в персональном компьютере Tandy модель 2000. Обратная связь с выхода +5 В осуществляется через оптрон U 2a - U 2в (с разрешения фирмы Tandy Corporation). ВП — верхний порог; НП — нижний порог.

Мостовой выпрямитель (BR1), питающийся от сети, заряжает конденсаторы фильтра С 30 , C 31 , С 32 и С40 (Тр 2 — это не трансформатор, обратите внимание на включение, а фильтр подавления помех). Заряженные конденсаторы подключаются к первичной обмотке трансформатора (выводы 1 и 3) с помощью мощного транзистора Т 15 , переключающее колебание (прямоугольный импульс переменной длительности фиксированной частоты) для которого вырабатывается ИС U 3 (импульсным стабилизатором с ШИМ).

Вторичная обмотка (на самом деле их три, по одной на каждое выходное напряжение) включается в однополупериодную схему выпрямления для выработки напряжения постоянного тока: +12 В вырабатывается с помощью CR 2 от 7-витковой обмотки с выводами 11 и 18, —12 В — с помощью СR 4 от 5-витковой обмотки с выводами 13 и 20 и +5 В — с помощью запараллеленных CR 3 и CR 14 , причем каждый подключен к своей собственной (2-витковой) обмотке.

В импульсных источниках с несколькими выходами для обратной связи можно использовать только один выход. Для этих целей обычно используют источник питания логики +5 В; так поступили и в данном случае: R 10 снимает часть (точнее 50 %) выходного напряжения +5 В, которая сравнивается с внутренним эталонным напряжением +2,5 В на U 4 , и, если напряжение слишком велико, включается фотодиод U 2A . Фотодиод имеет оптическую связь с фототранзистором U 2B , который изменяет длительность импульсов U 3 и поддерживает выходное напряжение на уровне +5 В. Таким образом, блок, помеченный на рис. 6.45 как «изоляция», представляет собой оптопару (см. разд. 9.10).

До этого момента мы объяснили назначение около 25 % компонентов рис. 6.46. Остальные необходимы для того, чтобы справиться с такими проблемами, как а) защита от короткого замыкания, б) отключение при перенапряжениях и пониженном напряжении, в) вспомогательный источник для схемы стабилизации, г) фильтрация сети переменного тока и д) линейная постстабилизация источников ± 12 В. Объясним эту часть схемы более подробно.

На входе сети переменного тока мы обнаруживаем 4 конденсатора: и пару последовательных индуктивностей, образующих в сочетании фильтр для подавления радиопомех. Это, конечно, всегда полезно очистить сеть переменного тока при подаче ее в устройство (см. разд. 6.11); в данном случае, однако, необходима дополнительная тщательная фильтрация для того, — чтобы радиочастотные помехи, создаваемые внутри машины (главным образом, за счет переключений в источнике питания), не излучались через силовую сеть. Обратите внимание также на перемычку Е 8 Е 9 , которая преобразует вход из двухполупериодного моста (перемычка снята) в двухполупериодный удвоитель напряжения (перемычка установлена); изготовители, желающие экспортировать свою электронную продукцию, должны обеспечить совместимость с сетью 110/220 В; это значительно проще сделать в случае импульсных источников.

Термисторы RT 1 и RT 2 используются для ограничения высокого пускового тока, когда источник включается первый раз и сеть обнаруживает в некоторой точке несколько сотен микрофарад незаряженной емкости. Без термисторов (или без других средств) пусковой ток легко может превысить 100 А! Термисторы дают всего один-два Ома последовательного сопротивления, которое падает почти до нуля, когда они прогреты. Даже при использовании термисторов пусковой ток может быть весьма значительным: источник питания имеет специфицированный «входной экстраток» 70 А макс.

Последовательные индуктивности L 5 и L 7 величиной 100 мкГн в нестабилизированном источнике также предназначены для фильтрации импульсных помех, а шунтирующие резисторы 82 кОм (R 35 и R 46 ) служат для обеспечения полного разряда конденсаторов фильтра после отключения питания. Несколько дополнительных «амортизирующих» пассивных компонентов использованы для демпфирования больших всплесков напряжения, которые могли бы привести к повреждению переключающего транзистора Т 15 . Функция CR 11 более тонкая — он искусно возвращает неиспользованную энергию трансформатора на конденсаторы фильтра С 30 и С 40 .

Двигаясь вниз, мы сталкиваемся с поистине хитроумной схемой, называемой «вспомогательный источник». Для работы ИС контроллера ШИМ и связанных с ним схем требуется низковольтный и слаботочный источник постоянного напряжения. Одной из возможностей является использовать отдельный небольшой линейный источник со своим собственным сетевым трансформатором и т. п.

Соблазнительно, однако, подвесить еще одну обмотку (с однополупериодным выпрямителем) на Т 1 , избавляясь от отдельного трансформатора. Как раз это и сделал здесь разработчик с помощью 4-витковой обмотки (выводы 9 и 10), напряжение с которой выпрямляется и фильтруется элементами CR 9 и С 31 . Этот простой источник формирует выход с номинальным напряжением 15 В.

Наблюдательный читатель может заметить в этой схеме один изъян: схема не может запустить сама себя, поскольку вспомогательное напряжение появляется только тогда, когда уже работает источник питания! Оказывается, что это старая проблема: разработчики телевизоров любят пошутить таким же образом, формируя все свои низковольтные напряжения от вспомогательных обмоток на высокочастотном трансформаторе горизонтальной развертки. Эта проблема решается с помощью так называемой схемы с ударным запуском, в которой для запуска схемы привлекается некоторое нестабилизированное напряжение; однажды запущенный, источник поддерживает сам себя от постоянного напряжения, полученного от собственного трансформатора. В данной схеме ударный запуск поступает через R 42 и при включении питания начинает заряжать С 31 . Далее ничего не происходит, пока напряжение на конденсаторе не превысит напряжение стабилитрона CR 10 на величину прямого падения напряжения диодного p-n-перехода тиристорнообразное сочетание Т 10 и Т 11 переключается в состояние проводимости (подумайте, как это работает), ослабляя заряд С 37 за счет конденсатора С 28 и обеспечивая, таким образом, кратковременную подачу питания на управляющую схему (U 3 и все компоненты влево от нее). Раз генератор запустился, CR 9 начинает вырабатывать напряжение 15 В и ток, достаточный для непрерывной работы управляющей схемы (R 42  обеспечить это не в состоянии).

Большинство компонентов вокруг U 3 обслуживают ее (С27 и R 31 , например, устанавливают частоту повторения импульсов 25 кГц). На стороне входа U 2B обеспечивает общую обратную связь для поддержания выхода на уровне +5 В, как ранее описано. Т 8 и Т 9 образуют еще одну тиристорноподобную защелку; здесь она запускается для того, чтобы «заткнуть» генератор (и последовательный фиксирующийся ключ Т 10 Т 11 ), если ток эмиттера Т 15 (считываемый с помощью R 44 ) становится слишком большим, например, если источник питания обнаруживает короткое замыкание на выходе.

Последовательная цепочка R 43 C 25 обеспечивает постоянную времени около 1 мкс, так что схема не будет запускаться от импульсных всплесков. На блокирующую схему поступает также сигнал от делителя R 26 R 24 , который подавляет генерацию, если входное переменное напряжение становится ниже 90 В. На выходной стороне U 3 транзисторы Т 12 -Т 14 вырабатывают сильноточный двухтактный запуск на базу Т 15 , используя задействованный в ИС одним выводом n-p-n-транзистор (объясните, как). Обратите внимание на «петлю I С », провод соответствующей длины в коллекторе Т 15 , которая позволяет наблюдать форму тока на осциллографе, используя зажимной токовый щуп (посмотрите, например, каталог фирмы Tektronix).

На выходной стороне Тр 1 все значительно проще. В источнике +5 В используются запараллеленные диоды Шоттки (CR 13 и CR 14 ) для обеспечения быстрого восстановления и низкого падения напряжения в режиме прямого тока (MBR 3035 РТ имеет следующие параметры: средний ток 30 А при 20 кГц, напряжение пробоя в режиме обратного тока 35 В, типовое падение напряжения в режиме прямого тока 0,5 В при 10 А) и «амортизирующая цепь» (10 Ом/0,01 мкФ) для защиты диодов от высоковольтных всплесков. Фильтр с π-образными звеньями состоит из входной емкости 8800 мкФ, последовательной индуктивности 3,5 мкГн и выходной емкости 2200 мкФ. (Более слаботочные выходы ± 12 В также используют однополупериодные выпрямители Шоттки, фильтры с π-образными звеньями с меньшими величинами всех компонентов.) По стандартам линейных стабилизаторов такой уровень фильтрации может показаться избыточным, но припомните, что там нет постстабилизации, — то, что выходит из фильтра, — это «стабилизированное постоянное», поэтому требуется более сильная фильтрация для того, чтобы уменьшить пульсацию на выходе, в основном, на частоте переключения, по крайней мере, до 50 мВ.

Выходное напряжение +5 В через делитель R 3 R 10 R 11 поступает на «трехвыводной Зенер» TL431 (174) фирмы 77, который в сочетании с несколькими резисторами и конденсаторами для нейтрализации обратной связи образует обратную связь с изоляцией через оптрон U 2AB .

Выход +5 В снимается также через R 18 R 19 для запуска ИС датчика перенапряжений (U 1 :U порог = +2,5 В); последний запускает управляющий электрод тиристора Т 6 , который шунтирует источник +12 В и за счет ограничения по току на первичной стороне останавливает работу источника. Способ включения U 1 обеспечивает также возможность определения пониженного напряжения по специальной вспомогательной добавке от CR 5 и С 19 ; сигнал о понижении напряжения (насыщенный n-p-n-транзистор, подключенный к земле) передается на микропроцессор, предупреждая систему о возможном отказе источника питания, так что программа может осуществить упорядоченный останов без потери данных.

Для улучшения стабилизации источников ±12 В разработчики использовали несколько хитроумных приемов, без которых эти источники полностью зависели бы от источника +5 В. Для источника +12 В они использовали выход +5 В в качестве эталонного напряжения для усилителя ошибки Т 2 , который управляет магнитным усилителем. Последний содержит насыщающийся реактор с добавкой противодействующего «сбросового тока» через Т 1 . Сбросовый ток определяет, сколько вольт-секунд будет блокировать индуктивность до достижения состояния магнитного насыщения, в котором она работает как превосходный проводник. Магнитный усилитель заслуживает своего названия, поскольку небольшой ток управления изменяет большой выходной ток. Контроллеры для магнитных усилителей выпускаются в виде полностью интегрированных схем, например UC3838 фирмы Unitrode.

Для слаботочного источника —12 В разработчики выбрали самое простое решение, использовав линейный постстабилизатор типа 7912 с диодами для защиты от обратного включения. На всех выходах постоянного тока разработчики включили конденсаторы развязки и резисторы для обеспечения небольшого тока на выходе. На схеме этого источника можно увидеть большую часть тех узлов, которые редко упоминаются в учебниках, но которые, на самом деле, очень существенны.

Применение дополнительных компонентов в этой схеме щедро вознаграждается гарантией надежной работы источника в условиях пользователя. Хотя может показаться, что эти дополнительные хлопоты являются результатом излишней скрупулезности, на самом деле это твердая экономическая политика, — каждый отказ у пользователя при наличии гарантий стоит изготовителю, по крайней мере, сотню долларов на перевозку плюс стоимость ремонта, не говоря уж об опороченной репутации.

Общие замечания относительно импульсных источников с питанием от сети.

1. Импульсные источники с питанием от сети (их называют иногда «автономными» импульсными источниками, но нам не нравится это название) — это превосходные мощные источники питания. Благодаря высокому КПД при работе они не нагреваются, а отсутствие трансформатора низкой частоты делает их более легкими и меньшими по размерам по сравнению с эквивалентными линейными источниками. По этим причинам для обеспечения питания компьютеров, даже настольных персональных компьютеров, используют исключительно импульсные источники с питанием от сети. Они также находят применение и в других портативных приборах, даже в таких чувствительных к помехам устройствах, как осциллографы.

2. Импульсные источники шумят! Выходные напряжения содержат десятки милливольт пульсаций переключения, они подбрасывают в сеть «мусор», их вопли можно даже услышать! Одно из средств борьбы против пульсаций на выходе, если они доставляют беспокойство, — это добавить внешний сильноточный LC-фильтр нижних частот; другой способ - добавить линейный постстабилизатор с низким падением. Некоторые преобразователи постоянного тока содержат эти средства, кроме того, они полностью экранированы и имеют усиленную фильтрацию входа.

3. Выпускаются и получили широкое распространение импульсные источники на несколько выходов. Однако отдельные выходы формируются с помощью дополнительных обмоток на общем трансформаторе. Как правило, обратная связь снимается с выхода с наибольшим током (обычно с выхода +5 В), а это означает, что остальные выходы стабилизируются не очень хорошо. В спецификации указывается обычно «кросс-стабилизация», которая показывает, например, насколько меняется напряжение на выходе +12 В при изменении нагрузки на выходе +5 В от 75 % полной нагрузки до 50 % или 100 % полной нагрузки; типовое значение кросс-стабилизации составляет 5 %. В некоторых многовыходных импульсных источниках добиваются превосходной стабилизации, используя на вспомогательных выходах линейные пост-стабилизаторы, но это исключение. Внимательно просматривайте технические данные!

4. Импульсные источники с питанием от сети могут выдвигать требование по минимальному току нагрузки. Если ток нагрузки может упасть ниже минимального, то вы должны добавить некоторую резистивную нагрузку, в противном случае возможно сильное повышение напряжения или появление колебаний. Например, упомянутый выше импульсный источник +5 В, 26 А имеет минимальный ток нагрузки 1,3 А.

5. Будьте внимательны при работе от импульсного источника с питанием от сети. Многие компоненты находятся под напряжением сети и несут смертельную опасность. Нельзя подключать заземление щупа осциллографа к схеме.

6. Когда вы впервые включаете питание, сеть переменного тока обнаруживает большой незаряженный электролитический конденсатор фильтра (разумеется, через диодный мост). Последующий «пусковой» ток может оказаться просто огромным; для нашего источника фирмы Power-One он составляет 17 А макс, (сравните с входным током при полной нагрузке 1,6 А). Коммерческие «импульсники» для того, чтобы удержать пусковой ток в «цивилизованных» границах, используют различные приемы «мягкого пуска». Одним из таких приемов является включение последовательно с входом резистора с отрицательным ТКС (низкоомного термистора); другой способ — быстро отключить небольшой (10 Ом) последовательный резистор после включения источника.

7. Импульсные источники содержат обычно схему отключения при перенапряжениях, аналогичную нашей шунтирующей тиристорной схеме. Часто это простая схема на стабилитроне, которая останавливает генератор, если постоянное напряжение на выходе превышает определенную величину. Можно придумать такие виды отказов, при которых такие «шунты» не будут ничего шунтировать. Для максимальной безопасности вы, возможно, захотите использовать автономные внешние шунтирующие схемы на тиристорах.

8. Импульсные источники имеют обычно скверную репутацию относительно надежности, но последние схемы, как будто, намного лучше. Тем не менее, когда они решают взорваться, они делают это с большой помпой! Один из них у нас взорвался, изрытая все свои внутренности, как и внутренности невинных электронных свидетелей.

9. Импульсные источники с питанием от сети, на самом деле, сложны и хитроумны с точки зрения надежности. Необходимы специальные индуктивности и трансформаторы. Наш совет, откажитесь от их проектирования, покупайте то, что вам нужно! В конце концов, зачем создавать то, что можно купить?

10. Импульсные источники являются особенной нагрузкой для питающей сети. В частности, увеличение сетевого напряжения приводит к снижению среднего тока, поскольку источник работает при постоянном КПД, т. е. он является нагрузкой с отрицательным сопротивлением (усредненным на периоде 60 Гц), а это может привести к совершенно сумасшедшим эффектам. Если в питающей сети есть большая индуктивность, то в системе возможны колебания.

Советы.

Счастье для вас, что мы не стесняемся давать советы. Вот они.

1. Для цифровых систем обычно требуется напряжение +5 В и часто большой ток (10 А и более).

Совет: а) используйте импульсный источник с питанием от сети; б) купите его (если требуется, добавьте фильтр).

2. Аналоговые схемы с сигналами низкого уровня (слабосигнальные усилители, сигналы менее 100 мкВ и т. п.).

Совет: используйте линейные стабилизаторы; импульсные слишком шумны, они испортят вам жизнь. Исключение: для некоторых схем с батарейным питанием, возможно, лучше использовать маломощный импульсный преобразователь постоянного тока.

3. Что-то большой мощности.

Совет: используйте импульсный источник с питанием от сети. Он меньше, легче и холоднее.

4. Высоковольтная, маломощная аппаратура (фотоэлектронные умножители, лампы-вспышки, электронно-оптические преобразователи, плазменные дисплеи).

Совет: используйте маломощный повышающий преобразователь.

В общем случае, маломощные преобразователи постоянного тока легко спроектировать, потребуется всего несколько компонентов типа ИС серии Maxim. Не стесняйтесь делать их собственными руками. В противоположность этому, импульсные источники большой мощности (обычно с питанием от сети) сложны, хитроумны и чрезвычайно беспокойны. Если вам необходимо, спроектировать свой собственный источник, будьте осторожны, проверьте очень тщательно свою схему. А лучше, подавите самолюбие и купите самый лучший импульсный источник, какой вы только сможете найти.

 

Источники питания специального назначения

6.20. Высоковольтные стабилизаторы

При проектировании линейных стабилизаторов, вырабатывающих высокое напряжение, возникает ряд специальных проблем. Поскольку напряжение пробоя обычного транзистора не превышает, как правило, 100 В, при разработке источников с более высоким напряжением необходимо применять некоторые нестандартные решения. В этом разделе мы представим набор таких способов.

Решение в лоб: высоковольтные компоненты. Выпускаются мощные транзисторы, как биполярные, так и МОП, с напряжением пробоя 100 В и выше; они даже и не очень дорогие. Например, МЛ 2005 фирмы Motorola — это 8-амперный мощный n-p-n-транзистор с напряжением пробоя коллектор-эмиттер 750 В и напряжением пробоя обратно смещенной базы 1500 В; стоимость его менее 5 долл. МТР 1Ν100 (аналогичен European BUZ-50) представляет собой 1-амперный мощный МОП-транзистор с напряжением пробоя 1000 В; цена несколько долларов. Благодаря превосходной области безопасной работы (отсутствие вторичного теплового пробоя), мощные МОП-транзисторы наиболее всего подходят для применения в высоковольтных стабилизаторах.

Используя усилитель ошибки в режиме работы вблизи уровня земли (делитель для съема выходного напряжения дает малую долю выхода), можно построить высоковольтный стабилизатор, в котором под высоким напряжением будет находиться только проходной транзистор и формирователь, работающий на него. На рис. 6.47 показан принцип построения такой схемы.

Рис. 6.47. Высоковольтный регулируемый источник питания.

В данном случае, это стабилизированный источник на напряжение от 100 до 500 В, в котором использованы проходной n-МОП-транзистор и формирователь. Т 2 представляет собой последовательный проходной транзистор, который запускается от инвертирующего усилителя Т 1 . В качестве усилителя ошибки используется операционный усилитель, сравнивающий регулируемую долю выхода с прецизионным эталонным источником +5 В. Т 3 обеспечивает ограничение по току путем отключения запуска Т2 при падении напряжения на резисторе 33 Ом, равном падению U БЭ . Остальные компоненты выполняют более тонкую, но необходимую работу. Диод защищает Т2 от обратного пробоя затвора, если вдруг Т 1 решит понизить напряжение на стоке (в то время как выходной конденсатор поддерживает исток Т 2 ). Различные небольшие конденсаторы обеспечивают нейтрализацию, которая необходима, поскольку Т 1 работает как инвертирующий усилитель с усилением по напряжению и вносит неустойчивость в контур операционного усилителя (особенно в схеме с емкостной нагрузкой). Эта схема является исключением из общего правила, которое гласит, что транзисторные схемы не представляют электрической опасности!

Здесь мы не можем противостоять искушению несколько отклониться от темы: с небольшими изменениями (эталонный источник заменяется на сигнальный вход) эту схему можно превратить в превосходный высоковольтный усилитель, удобный для управления «ненормальными» нагрузками типа пьезопреобразователей. Для таких специфических применений схема должна быть способна как отводить, так и отдавать ток в емкостную нагрузку. Как это ни странно, схема работает как «псевдодвухтактный выход» с Т 2 , отдающим ток, и Т 1 , отводящим ток (через диод), в зависимости от необходимости; см. разд. 3.14.

Если высоковольтный стабилизатор проектируется только на нерегулируемое выходное напряжение, то проходной транзистор может иметь напряжение пробоя меньше, чем выходное напряжение. В предыдущей схеме замена резистора для регулировки напряжения на постоянный резистор 12,4 кОм превращает схему в нерегулируемый стабилизатор на +500 В. В этом случае вполне подойдет проходной транзистор на 300 В, потому что напряжение на нем никогда не превысит 300 В даже при включении и выключении, а также при коротком замыкании выхода. Последнее весьма проблематично, но, шунтируя Т 2 300-вольтовым стабилитроном, эту проблему можно решить. Если стабилитрон может работать с большим током, он может и защитить проходной транзистор от короткозамкнутой нагрузки, если перед стабилизатором стоит подходящий предохранитель. Здесь может помочь активная схема на стабилитронах, упомянутая в разд. 6.06.

Стабилизация в цепи земли. Другой способ стабилизации высокого напряжения с помощью низковольтных элементов показан на рис. 6.48.

Рис. 6.48. Стабилизация в цепи земли.

Т 1 — последовательный проходной транзистор, но соединенный с низковольтным концом источника питания; его «выход» поступает на землю. Напряжение на нем - это только часть выходного напряжения, и поэтому транзистор «сидит» вблизи уровня земли, что упрощает схему формирования. Как и раньше, следует обеспечить защиту во время переходных процессов включения-выключения и при перегрузках. Достаточно проста стабилитронная защита, показанная на рисунке, но надо помнить, что стабилитрон должен выдерживать ток короткого замыкания.

«Подъем» стабилизатора над уровнем земли. Для расширения диапазона напряжений стабилизатора, включая и простые трехвыводные стабилизаторы, применяют еще один способ - поднятие общего вывода стабилизатора относительно уровня земли с помощью стабилитрона (рис. 6.49). В этой схеме Д 1 добавляет свое напряжение к обычному выходу стабилизатора. Д 2 через повторитель Т 1 устанавливает падение напряжения на стабилизаторе и совместно с Д3 обеспечивает защиту от короткого замыкания.

Рис. 6.49.

Транзистор с оптической связью. Существует еще один способ решения проблемы пробоя транзистора в высоковольтных источниках питания с применением сравнительно низковольтного проходного транзистора для нерегулируемого (известного) выходного напряжения. В подобных случаях высокое напряжение должен выдерживать только управляющий транзистор, но, используя оптически связанные транзисторы, можно избежать и этого. Эти приборы, о которых мы поговорим ниже в связи с сопряжением цифровых элементов в гл. 9, состоят в действительности из двух элементов, электрически изолированных друг от друга: светодиода, который излучает свет, если через него протекает ток в прямом направлении, и фототранзистора (или фотопары Дарлингтона), расположенных вблизи друг друга в непрозрачном корпусе. Прохождение тока через диод приводит транзистор в проводящее состояние, как если бы в транзисторе протекал базовый ток. Для того чтобы вывести фототранзистор в активный режим, как и в случае обычного транзистора, необходимо приложить коллекторное напряжение. В большинстве случаев базовый вывод отсутствует. Оптопары имеют, как правило, изоляцию, способную выдержать напряжение между входом и выходом в несколько тысяч вольт.

На рис. 6.50 показано несколько способов применения транзистора с оптической связью в высоковольтном источнике.

Рис. 6.50. Высоковольтный стабилизатор с оптической изоляцией.

На первой схеме фототранзистор Т 2 закрывает транзистор Т 3 , если напряжение на выходе поднимается слишком высоко. На второй схеме, на которой показан только фрагмент с проходным транзистором, фототранзистор, находясь в возбужденном состоянии, увеличивает выходное напряжение, поэтому входы усилителя ошибки должны быть инвертированы. Обе схемы формируют некоторый выходной ток в цепи смещения проходного транзистора, поэтому для того чтобы удержать выходное напряжение от подъема при отсутствии нагрузки, между выходом и землей следует включить определенную нагрузку. Эту работу может выполнить делитель напряжения для съема выхода или отдельный шунтирующий резистор, подключенный к выходу, который, вообще говоря, всегда рекомендуется подключать в высоковольтных источниках.

Плавающий стабилизатор. Избежать применения высоковольтных компонентов в схеме управления источника высокого напряжения можно еще одним способом — «подвесить» управляющую схему на потенциал проходного транзистора, сравнивая падение напряжения на его собственном эталонном источнике с падением между ним и землей. Для такого рода применений предназначена превосходная ИС стабилизатора МС1466, которой требуется вспомогательный слаботочный плавающий источник напряжением 20–30 В для питания собственной схемы. Выходное напряжение ограничивается только проходными транзисторами и изоляцией вспомогательного источника питания (напряжением пробоя изоляции трансформатора). Схема МС1466 характеризуется очень хорошей стабилизацией и прецизионной схемой ограничения тока, поэтому она вполне подходит для точных «лабораторных» источников питания. Однако следует предостеречь вас: в МС1466 в отличие от большинства современных стабилизаторов нет внутренней тепловой защиты.

Изящный способ построения плавающего стабилизатора может быть осуществлен с помощью недавно появившейся ИС — LM10 — сочетания операционного усилителя и источника эталонного напряжения, явившей собой знаменательное событие в технологии производства ИС со времени открытия Видлара (см. разд. 4.13). Эта схема работает только от одного источника питания 1,2 В, т. е. ее можно подключить к перепаду база-эмиттер проходного транзистора Дарлингтона! Пример показан на рис. 6.51.

Рис. 6.51. Высоковольтный «плавающий» стабилизатор.

Если вы любите аналогии, то представьте себе жирафа, который измеряет свой рост, глядя на землю с высоты, а затем стабилизирует его, меняя соответствующим образом длину шеи. Схема TL783 фирмы Texas Instruments - это ИС стабилизатора на 125 В, которая работает аналогичным образом; в случае небольших токов она заменяет схему на дискретных компонентах, показанную на рис. 6.51.

Последовательное соединение транзисторов. На рис. 6.52 показан трюк с последовательным соединением транзисторов для увеличения напряжения пробоя.

Рис. 6.52. Последовательное включение транзисторов для повышения напряжения пробоя.

Транзистор T 1 управляет последовательно соединенными транзисторами Т 2 -Т 4 , которые делят между собой большое напряжение между коллектором Т 2 и выходом. Одинаковые базовые резисторы выбираются достаточно малыми, чтобы обеспечить полный выходной ток транзисторов. Аналогичная схема будет работать и на МОП-транзисторах, но в этом случае следует подключить, как показано на рисунке, диоды защиты от обратного пробоя затвора (относительно прямого пробоя затвора вам не следует беспокоиться, поскольку МОП-транзисторы будут достаточно быстро включаться еще задолго до пробоя затвор-канал). Заметьте, что резисторы смещения дают некоторый выходной ток, даже когда транзисторы выключены, поэтому должна быть минимальная нагрузка на землю для того, чтобы предотвратить подъем выходного напряжения выше стабилизированного уровня. Во многих случаях целесообразно включить параллельно резисторам делителя небольшие конденсаторы для того, чтобы обеспечить работоспособность делителя на высоких частотах. Емкость конденсаторов должна быть достаточно большой для того, чтобы нейтрализовать разницу входных емкостей транзисторов; в противном случае будет неравное деление и общее напряжение пробоя уменьшится.

Последовательно соединенные транзисторы можно использовать, конечно, не только в источниках питания. Их иногда можно увидеть в высоковольтных усилителях, хотя часто это и необязательно, так как выпускаются высоковольтные МОП-транзисторы.

В высоковольтных схемах типа этой можно легко упустить из виду тот факт, что могут потребоваться 1-ваттные (и более) резисторы, а не стандартные на 1/4 Вт. Непосвященных ожидает более тонкая ловушка, а именно, максимальное напряжение, достигающее 250 В, для стандартных («угольных») резисторов на 1/4 Вт независимо от мощности рассеяния. Угольные резисторы проявляют на высоких напряжениях довольно странное поведение коэффициентов сопротивления по напряжению, не говоря уж о постоянных изменениях сопротивления. Например, при реальных измерениях (рис. 6.53) на делителе 1000:1 (10 МОм, 10 кОм) при напряжении 1 кВ отношение оказывается равным 775:1 (ошибка 29 %!); обратите внимание, что мощность соответствовала номинальной. Этот «неомический» эффект играет важную роль, в частности, в делителях для съема выходного напряжения в высоковольтных источниках питания и усилителях. Будьте внимательны! Фирмы, такие как Victoreen, выпускают резисторы различного типа, предназначенные для подобных высоковольтных применений.

Рис. 6.53. Угольные композиционные резисторы показывают снижение сопротивления при напряжениях выше 250 В.

Стабилизация входного напряжения. В высоковольтных источниках питания особенно в тех, которые работают с малыми токами, иногда применяют другой способ - стабилизацию не выходного напряжения, а входного. Обычно это делается с помощью высокочастотных импульсных преобразователей постоянного тока, поскольку попытка стабилизировать вход переменного напряжения 60 Гц приводит к слабой стабилизации и высокому уровню остаточной пульсации. Основная идея показана на рис. 6.54.

Рис. 6.54. Высоковольтный импульсный источник питания.

Трансформатор Тр 1 и связанная с ним схема формируют некоторое промежуточное нестабилизированное напряжение, допустим, 24 В; можно использовать и аккумулятор. От этого напряжения работает генератор прямоугольных импульсов, на выходе которого размещается двухполупериодный выпрямитель и фильтр. Отфильтрованный постоянный ток является выходным сигналом, часть которого поступает обратно на генератор для управления скважностью или амплитудой в зависимости от выходного напряжения. Поскольку генератор работает на высокой частоте, реакция схемы достаточно быстрая, а выпрямленное напряжение легко фильтруется, поскольку оно происходит от прямоугольного колебания, подвергнутого двухполупериодному выпрямлению.

Трансформатор Тр 2 должен быть рассчитан на работу с высокочастотным сигналом, так как обычный мощный трансформатор с наборным сердечником будет иметь значительные потери. Подходящие трансформаторы изготавливают из железного порошка, феррита или с использованием тороидальных ленточных сердечников; они намного легче и меньше по сравнению с традиционными мощными трансформаторами той же мощности. Здесь не использованы высоковольтные компоненты, за исключением, конечно, выходного выпрямительного моста и конденсатора.

Читая последний параграф, искушенный читатель возможно испытает своего рода déjà vu. Действительно, это все очень похоже на импульсный стабилизатор (разд. 6.19). Одно существенное отличие состоит в том, что импульсные источники обычно используют индуктивности в качестве энергозапасающих элементов, в то время как высоковольтный источник со стабилизацией входа использует Тр 2 как «обычный» (хотя и высокочастотный) трансформатор. То, что роднит высоковольтные источники с импульсными, так это высокочастотные пульсации и помехи.

Высоковольтные выпрямители для видеомониторов. Для формирования высокого постоянного напряжения (10 кВ и выше), необходимого в телевизорах и видеомониторах на ЭЛТ, обычно используют вариант традиционного высоковольтного импульсного стабилизатора (рис. 6.43, д). Как вы увидите, схема эта чрезвычайно умна, поскольку она формирует вдобавок и сигнал горизонтальной развертки для запуска отклоняющей системы.

Основная идея заключается в использовании трансформатора с большим коэффициентом трансформации и запуске первичной обмотки от насыщенного транзистора, точно также, как в традиционной высоковольтной схеме. Выходное напряжение снимается с вторичной обмотки, выпрямляется и используется как высокое напряжение постоянного тока; см. рис. 6.55.

Рис. 6.55. Высоковольтный источник для видеомониторов.

Транзистор T 1 запускается широкими импульсами и подключает первичную обмотку к земле. Схема может быть выполнена с самовозбуждением или с запуском от генератора. Д 1 — это демпферный диод, который защищает коллектор T 1 от слишком высокого подъема во время обратного хода. Д 2 , подключенный к высоковольтной вторичной обмотке, выпрямляет выходное напряжение, которое составляет обычно 10–20 кВ при токе несколько миллиампер. Схема работает на частотах 15 кГц и более; это означает, что конденсатор фильтра C 1 может быть достаточно маленьким — всего несколько сотен пикофарад (убедитесь в этом сами, подсчитав пульсацию).

Заметьте, форма волны коллекторного тока — линейно-нарастающая пила, которая обычно используется для запуска магнитной отклоняющей системы (называемой также «ярмо») ЭЛТ и обеспечения линейной скорости горизонтального сканирования. В этих случаях частоту генератора выбирают равной частоте горизонтальной развертки. Похожие схемы — это так называемые, блокинг-генераторы, которые формируют свои собственные импульсы возбуждения.

6.21. Источники питания с малым уровнем помех и малым дрейфом

Стабилизированные источники питания, которые мы описали, до сих пор остаются одними из лучших, — они имеют обычно пульсацию и уровень помех ниже милливольта и температурный дрейф около 100·10-6/°С Это более чем достаточно для питания почти всего, что может когда-либо понадобиться. Однако возможно вам потребуются еще лучшие технические характеристики и вы не сможете обеспечить их с помощью выпускаемых ИС стабилизаторов. Тогда вам придется проектировать свои собственные схемы стабилизаторов, используя лучшие из доступных ИС опорных источников (в отношении стабильности и помех; см., например, REF101KM в табл. 6.7). Такая стабильность (< 1·10-6/°С намного лучше, чем ТКС обычных металлопленочных резисторов (50·10-6/°С; поэтому вы должны больше уделять внимания выбору операционных усилителей и пассивных компонентов, ошибки и дрейфы которых не ухудшают общих технических данных.

На рис. 6.56 показана полная схема необычного стабилизированного источника питания с низким уровнем помех и малым дрейфом.

Рис. 6.56. Сверхстабильный источник питания с низким уровнем помех.

Схема начинается с превосходной ИС REF10KM фирмы Burr-Brown, которая гарантирует ТКС лучше, чем 1·10-6/°С и очень низкий уровень шумов (6 мкВ размах, 0,1-10 Гц). Более того, это достигается без применения термостатического управления, которое позволяет удерживать приповерхностный зенеровский шум на низком уровне. За источником опорного напряжения следует фильтр нижних частот для дальнейшего снижения уровня шумов. Большое значение емкости конденсатора необходимо для подавления токового шума операционного усилителя; указанное значение преобразует токовый шум (1,5 пА/√Гц на 10 Гц) в шум напряжения 2,4 нВ√Гц, сравнимый с шумом е ш операционного усилителя. Используется полипропиленовый конденсатор, потому что утечка конденсатора (более точно, изменение утечки от времени и температуры) должна быть менее 0,1 нА для того, чтобы избежать микровольтовых дрейфов выходного напряжения. С помощью операционного усилителя, резисторы в обратной связи которого имеют сверхнизкий ТКС (0,2·10-6/°С макс), эталонное напряжение доводится до +25 В; заметьте, что напряжение питания составляет +30 В. Полученное опорное напряжение +25,0 В поступает на делитель напряжения для формирования желаемого выходного напряжения, которое затем вторично фильтруется фильтром НЧ с использованием конденсатора с малой утечкой. Поскольку для деления опорного напряжения используется потенциометр, значение ТКС резистора здесь не столь критично - это логометрическое измерение. Остальная часть схемы представляет собой простой повторитель, использующий прецизионный малошумящий усилитель ошибки для сравнения выходного напряжения от мощного последовательного проходного МОП-транзистора.

В связи с тем что большой выходной конденсатор обеспечивает основной полюс для компенсации, использован некомпенсированный операционный усилитель. Обратите внимание на необычную токоограничивающую схему и обильное использование «диодов» стабилизации тока (на самом деле использование полевых транзисторов с p-n-переходом) для получения рабочего смещения. Обратите внимание также на применение проводников «считывания» напряжения на нагрузке. В прецизионной схеме типа этой большую роль играют пути земли, поскольку, например, нагрузочный ток 100 мА, протекающий по одному дюйму провода калибра 20, дает падение напряжения 100 мкВ, что составляет ошибку порядка 10-4 на 1В выхода!

Представленная схема имеет превосходные технические характеристики, — ее шумы и дрейф, по крайней мере, в 100 раз меньше, чем приведенные ранее типовые. По данным фирмы EVI, которая любезно предоставила нам эту схему, шумы и фон схемы лежат ниже 1 мкВ, ТКС ниже 1·10-6/°С, выходной импеданс ниже 1 мкОм и дрейф менее 1·10-6 за рабочий день. В следующей главе мы побольше поговорим о таких прецизионных и малошумящих схемах.

6.22. Микромощные стабилизаторы

Как мы уже ранее упоминали, можно спроектировать схему с батарейным питанием с очень низким током покоя, порядка десятков микроампер. Это как раз то, что нужно, чтобы сделать схему, которая работала бы в течение нескольких месяцев или лет от одной маленькой батареи (например, наручные часы или калькулятор). Щелочной 9-вольтовый транзисторный аккумулятор, к примеру, полностью исчерпывает себя после 400 мА·ч работы; следовательно, 50-микроамперная схема будет работать около года (8800 часов). Если для такой схемы потребуется стабилизированное напряжение, то вы, очевидно, не можете позволить себе тратить 3 мА тока покоя в ИС 78L05, поскольку это снизило бы срок службы батареи до недели!

Решить эту проблему можно либо с помощью стабилизатора на дискретных компонентах, либо используя одну из микромощных ИС. К счастью, в последние годы выпускают несколько хороших ИС. Одними из лучших являются стабилизаторы серии LP2950 фирмы National — трехвыводной нерегулируемый стабилизатор 5 В, выпускаемый в небольшом транзисторном корпусе ТО-92 (LP2950ACZ-5.0), или многовыводной регулируемый стабилизатор 1,2-30 В (LP2951). Обе версии имеют ток покоя 75 мкА. Существуют ИС с ее более низким током покоя ICL7663/4 (или МАХ 663/4), регулируемые стабилизаторы на обе полярности с током покоя 4 мкА. В гл. 14 мы рассмотрим микромощные стабилизаторы при обсуждении схем с батарейным питанием.

Как пример того, что можно сделать на дискретных компонентах, на рис. 6.57 мы приводим микромощную схему, которую можно использовать в электростимуляторе сердечной мышцы, работающем от литиевой батареи. Эта схема преобразует входное напряжение в диапазоне от +5 до +3 В (по мере старения батареи) в стабилизированное напряжение +5,5 В.

Рис. 6.57. Микромощный импульсный стабилизатор.

Этот источник имеет ток покоя 1 мкА, обеспечивает стабилизацию по входу и нагрузке 5 % и эффективность преобразования 85 % при полной нагрузке для всего диапазона напряжений батареи, Как мы отмечали при обсуждении импульсных источников, традиционные линейные источники, использующие генератор, удвоитель и последовательный проходной стабилизатор, были бы гораздо менее эффективными, потому что при более высоких нестабилизированных напряжениях потери в стабилизаторе возрастают. Схемы с обратным выбросом эффективны как умножители напряжения с переменным коэффициентом умножения; они дают чрезвычайно высокий КПД и поэтому достаточно привлекательны для использования в микромощных схемах.

На управляемом однопереходном транзисторе 2N6028 собран релаксационный генератор. Его анодный вывод не проводит ток, пока напряжение на нем не превысит напряжение на управляющем электроде на величину падения на диоде; в этот момент он начинает пропускать большой ток, разряжая конденсатор. Результирующий положительный импульс на базе Т 2 «тянет» коллектор Т 2 к земле, запуская схему 4098, известную под названием «одновибратор» (см. разд. 8.20), которая генерирует положительный импульс постоянной длительности на своем выходе Q. Т 3 в этой схеме снимает выходное напряжение и «отнимает» часть разрядного тока у С 1 , снижая скорость нарастания импульса преобразования энергии до величины, необходимой для поддержания требуемого выходного напряжения. Обратите внимание на большие величины сопротивлений резисторов во всей схеме. Температурная компенсация в данном случае не тема для разговора, поскольку схема работает в условиях постоянной температуры 36,6 °C «передвижной печи». (Предостережение: рекомендуем читателю еще раз заглянуть в «Юридическую справку» в предисловии).

6.23. Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами (зарядовый насос)

В разд. 6.19 мы рассмотрели импульсные источники питания, упомянув их странную способность вырабатывать выходное постоянное напряжение, большее чем входное или даже противоположной полярности. Там мы упомянули также, что преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами могут делать то же самое. Что же это такое «переключаемые конденсаторы»?

На рис. 6.58 показана упрощенная схема КМОП ИС 7662 фирмы Intersil с расширенной вторичной частью (обвязкой).

Рис. 6.58. Инвертор напряжения с переключаемыми конденсаторами.  С 1 и С 2 - внешние танталовые конденсаторы емкостью 10 мкФ.

Она имеет внутренний генератор и несколько ключей КМОП; для ее работы необходимы два внешних конденсатора. Если входная пара ключей замкнута (в проводящем состоянии), С 1 заряжается до U вх ; затем во время второго полуцикла С 1 отключается от входа и подключается в перевернутом состоянии к выходу. Таким образом, он передает свой заряд на С 2 (и нагрузку), обеспечивая на выходе напряжение, равное примерно — U вх . С другой стороны, вы можете использовать 7662 для формирования напряжения 2U вх , организовав схему таким образом, что С 1 будет заряжаться так, как и раньше, но затем на второй половине цикла будет подключаться последовательно с U вх .

Такой способ переключаемых конденсаторов прост и эффективен; для его реализации необходимо всего несколько компонентов (индуктивности не нужны). Однако выход схемы не стабилизирован и существенно падает при токах нагрузки больше нескольких миллиампер (рис. 6.59).

Рис. 6.59.Выходное напряжение инвертора с переключаемыми конденсаторами под нагрузкой значительно уменьшается.

Кроме того, большинство таких КМОП-приборов имеют ограниченный диапазон напряжений питания; для 7662 U вх может меняться в диапазоне только от 4,5 до 20 В (от 1,5 до 10 В для ее предшественницы 7660). Наконец, в отличие от индуктивных повышающих и инвертирующих схем, которые могут генерировать любое напряжение, преобразователь напряжения на переключаемых конденсаторах может формировать напряжения кратные U вх . Несмотря на эти недостатки, преобразователи на свободных конденсаторах при определенных обстоятельствах очень удобны, например, для того чтобы обеспечить питание биполярных операционных усилителей или последовательного порта (см. гл. 10 и 11) на схемной плате, которая имеет питание только +5 В.

Существуют еще несколько интересных ИС с переключаемыми конденсаторами. МАХ680 фирмы Maxim — это сдвоенный источник, который вырабатывает ±10 В (до 10 мА) от +5 В (рис. 6.60).

Рис. 6.60. Сдвоенный источник с переключаемыми конденсаторами. Аналогичным образом включается LT1026, но при этом R вых  ~= 100 Ом, а емкость конденсаторов всего 1 мкФ.

Похожая схема LT1026 фирмы LTC формирует выход ± 20 В (до 20 мА) и использует меньшие емкости (1 мкФ вместо 20 мкФ). Схема LT1054 фирмы LTC сочетает преобразователь с переключаемыми конденсаторами с линейным стабилизатором и вырабатывает достаточно мощный стабилизированный выход с токами нагрузки до 100 мА (при более низком КПД, разумеется). Схемы серии МАХ232 и схема LT1080 объединяют источник на переключаемых конденсаторах ± 10 В и цифровой последовательный порт RS-232C (см. гл. 11), что исключает необходимость в биполярном источнике для многих компьютерных плат; некоторые ИС из серии МАХ232 содержат даже встроенные конденсаторы. Схема же LTC1043 представляет собой незавершенный блок с переключаемыми конденсаторами, который можно использовать для того, чтобы проделывать всевозможные чудеса. К примеру, вы можете использовать переключаемые конденсаторы для передачи падения напряжения, измеренного на неудобном потенциале вблизи потенциала земли (например, на резисторе для считывания тока при положительном напряжении источника), туда, где с ним можно легко справиться. Документация на LTC1043 содержит 8 страниц с подобными хитроумными применениями.

6.24. Источники стабилизированного постоянного тока

В разд. 2.06 и 2.14 мы описали несколько способов стабилизации тока с помощью схем, содержащих управляемые напряжением источники тока с плавающими или заземленными нагрузками и некоторые виды токовых зеркал. В разд. 3.06 было показано, как использовать полевые транзисторы для построения некоторых простых источников тока на «токостабилизирующих диодах» (затвор транзистора соединен с истоком) таких, как серия 1N5283. В разд. 4.07 мы показали, как добиться более высоких технических данных (во всяком случае, на низкой частоте), используя для создания источников тока ОУ. В разд. 6.15 мы упомянули удобную ИС трехвыводного источника тока LM334.

Вместе с тем часто необходим управляемый источник стабилизир. пост, тока, который мог бы выдавать ток и напряжение значительной величины и выпускался в виде законченного прибора. Здесь мы рассмотрим некоторые успешно применяемые для этих целей схемы.

Трехвыводные стабилизаторы. В разд. 6.18 мы показали, как можно использовать трехвыводной регулируемый стабилизатор для построения превосходного простого источника тока. Стабилизатор типа 317 поддерживает между выходным выводом и выводом «per» постоянное напряжение 1,25 В (ширина запрещенной зоны); включая резистор между этими выводами, можно получить двухвыводной прибор со стабильным постоянным током (рис. 6.38), используемый для отдачи или отвода тока. Поскольку перепад на самом стабилизаторе составляет около 2 В, характеристики начинают ухудшаться при напряжении на схеме менее 3 В.

Этот тип источника тока удобен для средних и больших токов: LM317 имеет максимальный ток 1,5 А и может работать с падением напряжения до 37 В. Ее высоковольтный родственник LM317HVK может выдержать падение 57 В. Выпускаются более сильноточные версии, например, LM338 (5 А) и LM396 (10 А), но они рассчитаны на более низкие напряжения. Трехвыводные стабилизаторы не работают как источники тока при токах ниже 10 мА, наихудший случай тока покоя. Обратите внимание, однако, что ток не является источником ошибки тока, поскольку он протекает от входного вывода к выходному; гораздо меньший ток, вытекающий по выводу «per» (50 мкА номин.), колеблется в пределах 20 % по всему диапазону рабочих температур и им можно пренебречь.

В давние времена, до появления трехвыводных регулируемых стабилизаторов, иногда использовали в качестве источников тока 5-вольтовые нерегулируемые стабилизаторы (например, 7805) в похожей схеме (заменяя вывод «per» выводом «земля»). Это плохая схема, потому что при малых выходных токах ток покоя стабилизатора вносит большую ошибку, а при больших токах падение напряжения 5 В на резисторе установки тока приводит к лишнему рассеянию мощности.

Измерение тока в шине питания. Простая схема с хорошими параметрами получается из традиционного последовательного проходного стабилизатора со съемом тока на входе проходного транзистора (рис. 6.61).

Рис. 6.61. Измерение тока в шине питания.

R 2 — резистор для съема тока, желательно с малой температурной зависимостью. Для очень больших токов или прецизионной точности следует использовать четырехпроводной резистор, специально предназначенный для измерений тока - измерительные проводники подключены в самом резисторе. В этом случае снятое напряжение не зависит от сопротивления соединения с токонесущими проводниками, которые на схеме для ясности показаны жирными линиями.

В этой схеме необходимо использовать операционный усилитель, который имеет диапазон входных синфазных сигналов вплоть до положительного напряжения питания (307, 355 и 441 обладают этим достоинством), если, конечно, вы не питаете операционный усилитель от еще более положительного вспомогательного напряжения. МОП-транзистор в этой схеме можно было бы заменить на проходной p-n-p-транзистор, однако, поскольку выходной ток будет тогда включать ток базы, придется использовать соединение Дарлингтона для минимизации ошибки. Обратите внимание на то, что вместо p-канального транзистора можно использовать n-канальный выходной транзистор (подключенный как повторитель), если поменять подключение на входе операционного усилителя. Однако в этом случае источник тока будет иметь нежелательно низкий выходной импеданс на частотах, близких к частоте f T контура операционного усилителя, поскольку выход является по-существу истоковым повторителем. При проектировании источников тока часто допускают подобную ошибку, так как анализ по постоянному току показывает хорошие параметры.

Измерение тока в возвратной цепи. Хорошим способом построения прецизионного источника тока является считывание напряжения на прецизионном резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. В этом случае легче исключить ошибки источника тока, связанные с током базы; базовый ток должен проходить либо и через нагрузку, и через усилитель считывания, либо не должен проходить ни через то, ни через другое. Для того чтобы удовлетворить этому требованию, необходимо «подвесить» нагрузку или источник питания, по крайней мере, к напряжению, равному падению напряжения на резисторе для измерения тока. На рис. 6.62 показаны две схемы, использующие плавающую нагрузку.

Рис. 6.62. Измерение тока в возвратной цепи.

Первая схема — это обычная последовательная проходная схема, в которой сигнал ошибки получается из падения напряжения на небольшом резисторе, включенном на возвратном пути от нагрузки к земле. Сильноточный путь здесь также отмечен жирной линией. В данном случае соединение Дарлингтона используется не для того, чтобы избежать ошибки, связанной с базовым током (измеряется реальный ток нагрузки), а чтобы снизить ток управления до нескольких миллиампер, поэтому в качестве усилителя ошибки можно использовать обычный операционный усилитель. Измерительный резистор должен быть прецизионным мощным резистором с малой температурной зависимостью и желательно четырехпроводным. Во второй схеме транзистор регулирования Т 2 находится в возвратной цепи земли сильноточного источника питания. Преимущество такого расположения состоит в том, что коллектор транзистора подключен к земле, поэтому можно не беспокоиться относительно изоляции корпуса транзистора от теплоотвода.

В обеих схемах R изм выбирается из расчета падения на нем около вольта при типовых рабочих токах; значение резистора — это компромисс между ошибками смещения на входе операционного усилителя, с одной стороны, и сочетанием уменьшенного размаха источника тока и увеличенной мощностью рассеяния, с другой. Если схема предназначается для работы в большом диапазоне выходных токов, то R изм , по-видимому, целесообразно выполнить в виде набора прецизионных мощных резисторов с выбором нужного резистора с помощью переключателя.

Заземленная нагрузка. Если важно, чтобы нагрузка была подключена к земле, то можно использовать схему с плавающим источником. На рис. 6.63 показано два примера.

Рис. 6.63. Источники тока для заземленных нагрузок, использующие плавающие высоковольтные источники питания.

В первой схеме операционный усилитель, изображенный необычным образом, представляет собой усилитель ошибки с сильноточным буферным выходом; им может быть простой 723 (для токов до 150 мА) или один из сильноточных операционных усилителей, перечисленных в табл. 4.4. Общий вывод сильноточного источника «плавает» относительно схемной земли. Большое значение имеет то, что усилитель ошибки (или, по крайней мере, выход его буфера) питается от плавающего источника и токи базы возвращаются через R изм . Понадобится дополнительный слаботочный источник с заземленным общим выводом, если в этом же приборе будут использованы другие операционные усилители и т. п. Отрицательный источник опорного напряжения (относительно схемной земли) управляет выходным током. Обратите внимание на полярность на входах усилителя ошибки.

На второй схеме показано использование второго маломощного источника для случая, когда в качестве усилителя ошибки используется обычный слаботочный операционный усилитель. Т 1 — это внешний проходной транзистор, который может быть парой Дарлингтона (или может быть МОП-транзистором), поскольку базовый ток возвращается через нагрузку, а не через измерительный резистор. Усилитель ошибки питается в данном случае от того же расщепленного источника с заземленным общим выводом, от которого питаются все остальные схемы прибора. Эта схема очень удобна как простой стендовый источник тока со встроенным слаботочным расщепленным источником и внешним сильноточным источником. В каждом конкретном случае вы можете подобрать напряжение сильноточного источника и его нагрузочную способность по току.

6.25. Коммерческие модули источников питания

Всю эту главу мы посвятили тому, как проектировать свои собственные источники питания, безотчетно ориентируя вас на самые лучшие схемы. И только при обсуждении импульсных источников с питанием от сети мы советовали подавить самолюбие и купить коммерческий источник питания.

Экономические реальности жизни, однако, играют большую роль, поэтому часто наилучшим подходом будет использовать один из коммерческих источников питания, которые продаются такими фирмами, как ACDC, Acopian, Computer Products, Lambda, Power-One и еще сотни других. Они предлагают как импульсные, так и линейные источники, выпускаемые в четырех различных видах (рис. 6.64).

Рис. 6.64. Коммерческие источники питания различных форм и размеров, включая герметизированные модули, открытые блоки и полностью закрытые коробки

(с разрешения фирмы Computer Products ).

1. Модульные герметизированные источники. Это маломощные источники, часто сдвоенные (±15) или строенные (+5, ±15), упакованные в герметизированные модули размерами обычно 2,5x3,5 дюйма и толщиной 1 дюйм. Большинство обычных корпусов имеет твердые проволочные выводы снизу, так что вы можете монтировать их непосредственно на схемной плате; их можно закрепить на панели или вставить в соединитель. Они выпускаются также с крепежным полосковым выводом с одной стороны для установки на шасси. Типовой линейный строенный источник дает +5 В, 0,5 А и +15 В, 0,1 А и стоит около 100 долл. в малых партиях. Мощность линейных модульных источников составляет обычно от 1 до 10 Вт, импульсных — от 15 до 25 Вт.

2. Открытые источники питания. Они состоят из металлического шасси, на котором закрепляется схемная плата, трансформатор и мощные транзисторы, все полностью открыто. Источники предназначены для установки в устройства больших размеров. Выпускаются они в широком диапазоне напряжений и токов и в виде сдвоенных и строенных блоков, а также в виде источников на одно напряжение. Например, распространенный строенный открытый линейный блок дает +5 В, ЗА и ±15 В, 0,8 А и стоит 75 долл. в малых партиях. Открытые источники больше герметизированных блоков и всегда крепятся к шасси. Мощность открытых линейных источников составляет 10-200 Вт, импульсных 20-400 Вт. Открытые источники нижнего края диапазона мощности могут иметь компоненты, монтируемые прямо на схемной плате без металлического каркаса. Как и для герметизированных источников, предполагается, что вы сами заботитесь о выключателях, фильтрах и предохранителях для сетевого напряжения.

3. Полностью закрытые источники. Источники этого типа имеют полностью закрывающий металлический кожух, обычно перфорированный для охлаждения, с выступающими мощными транзисторами. Их можно устанавливать снаружи, поскольку полностью закрывающий кожух защищает от прикосновения; вы можете устанавливать их и внутри прибора, если пожелаете. Они выпускаются с одним и несколькими выходами и могут быть как линейными, так и импульсными. Диапазон мощности полностью закрытых линейных источников составляет 15-750 Вт, импульсных 25-1500 Вт.

4. Стоечные съемные источники питания. Это - известные черные пластмассовые коробки, которые поставляются с небольшими электронными устройствами широкого потребления и предназначены для непосредственного включения в стойку через врубное соединение. Они выпускаются в трех видах: а) только понижающий трансформатор переменного тока; б) нестабилизированный источник постоянного тока и в) полный стабилизированный источник постоянного тока; последние могут быть как линейными, так и импульсными. Например, фирма Ault выпускает прекрасную серию сдвоенных (±12 В или ±15 В) и строенных (+5 и ±12 В или ±15 В) линейных стабилизированных съемных источников. Они позволяют избавиться от всех работ, связанных с вводом в ваш прибор сетевого питания, и сделать его легким и маленьким. Некоторые из нас думают, что эти источники слишком популярны, ведь, когда их много, необходимо оборудовать специальный ввод в ваш дом! Некоторые «настольные» модели имеют два шнура — для входного сетевого и выходного постоянного напряжений. Некоторые из импульсных блоков работают в диапазоне сетевого напряжения от 95 до 252 В, что очень удобно для передвижных приборов. Мы побольше расскажем о съемных конструкциях в разд. 14.03, когда будем обсуждать маломощные схемы.

 

Схемы, не требующие пояснений

6.26. Удачные схемы

На рис. 6.65 приведено несколько удачных схем, взятых главным образом из каталогов фирм-изготовителей.

Рис. 6.65. а — зарядное устройство для аккумуляторной батареи 12 В;

Рис. 6.65. б — регулируемый стабилизированный биполярный источник опорного напряжения;

Рис. 6.65.  в — схема со следящим предварительным стабилизатором;

Рис. 6.65.  г — автоматический регулятор света для лампы накаливания;

Рис. 6.65. д — прецизионный мощный источник напряжения ;

Рис. 6.65. е — импульсная лампа (из технических данных NSC 317);

Рис. 6.65. ж — источник опорного напряжения +5 В на основе одного источника опорного напряжения на 2 выхода;

Рис. 6.65.   з — трехвыводные стабилизаторы с повышенным подавлением пульсаций (диоды защищают от коротких замыканий входа и выхода);

Рис. 6.65.  и — мощный источник тока;

Рис. 6.65. к — дифференциальный повторитель с диапазоном синфазного сигнала +100 В;

Рис. 6.65. л — источник постоянного напряжения/постоянного тока;

Рис. 6.65. м — «самый простой в мире» преобразователь постоянного тока;

Рис. 6.65. н — портативный источник опорного напряжения;

Рис. 6.65. о — усилитель токового шунта: ОУ типа модулятор-демодулятор использует в качестве резистора съема тока возвратный провод питания калибра 20 длиной 1,2 дюйма; напряжение питания ОУ — от +5 до +15 В;

Рис. 6.65. п — схема контроля тока;

Рис. 6.65. р — сильноточный биполярный источник тока.

6.27. Плохие схемы

На рис. 6.66 показано несколько схем, которые, наверняка, не будут работать. Проанализируйте их и вы сможете в дальнейшем избежать подобных ловушек.

Рис. 6.66. а — простой источник стабилизированного напряжения;

Рис. 6.66. б — источник +5 В;

Рис. 6.66. в — источник +5 В;

Рис. 6.66.  г — расщепленный источник ±15 В;

Рис. 6.66. д — источник +5 В;

Рис. 6.66. е - стабилизатор на +15 В;

Рис. 6.66.  ж — стабилизатор с ограничением тока;

Рис. 6.66  з — схема автоматического шунтирования источника питания с тиристорной защитой.

 

Дополнительные упражнения

1. Спроектируйте стабилизированный источник с  напряжением точно +10,0 В и током до 10 мА,  используя ИС723. В вашем распоряжении имеется  трансформатор на 15 В (эфф.), 100 мА; диоды в любом количестве, различные конденсаторы, схема 723,  резисторы и подстроечный потенциометр на 1 кОм. Выберите резисторы так, чтобы при их стандартных значениях (5%) диапазона подстройки потенциометра хватило бы для компенсации производственного  разброса источника опорного напряжения (от 6,80 до 7,50 В).

2. Спроектируйте стабилизатор напряжения на +5 В, 50 мА для нестабилизированного входа +10 В, используя следующие компоненты: а) стабилитрон и эмиттерный повторитель, б) трехвыводной  стабилизатор 7805, в) стабилизатор 723, г) стабилизатор 723 и внешний проходной и npn -транзистор; используйте схему ограничения тока с обратным наклоном  характеристики, настроенную на 100 мА (граничное значение тока при полном выходном напряжении) и ток короткого замыкания 25 мА, д) трехвыводной регулируемый стабилизатор положительного  напряжения 317, е) дискретные компоненты, источник  опорного напряжения на стабилитроне и обратную связь. Докажите, что величины компонентов выбраны  правильно; для а), в) и е) обеспечьте ограничение тока на уровне 100 мА.

3. Спроектируйте полный источник питания на +5 В, 500 мА для цифровой логической схемы.  Начните с начала (от настенной розетки 115 В  переменного напряжения), определяя такие вещи, как  напряжение и номинальный ток трансформатора,  величины конденсаторов и т. п. Для того чтобы облегчить себе работу, используйте трехвыводной стабилизатор 7805. Не расточайте сверх меры емкости, но сделайте так, чтобы ваша схема выдерживала 10%-й разброс всех параметров (сетевого напряжения, допуски  параметров трансформатора и конденсаторов и т.п.). Когда закончите, рассчитайте потери в стабилизаторе в худшем случае. Затем, применив внешний проходной транзистор, модифицируйте схему для обеспечения нагрузочной способности 2 А. Встройте токоограничивающую  схему на 3 А.