Применение в стабилизаторах напряжения мощных полевых транзисторов, несмотря на их неоспоримые преимущества - ультранизкое сопротивление открытого канала (единицы миллиом), позволяющее получить сверхмалое падение напряжения между входным и выходным напряжением (десятые доли вольта), большие токи (сотни ампер), низкая стоимость (особенно n-канальных транзисторов), - как известно, сопряжено с решением одной проблемы, связанной с высоким пороговым напряжением (2 - 5 В), которое требуется подать на затвор, чтобы открыть транзистор. Если, например, в стабилизаторе положительного напряжения на n-канальном транзисторе входное напряжение подается на сток, выходное снимается с истока, а затвором управляет ОУ, то при малом падении напряжения стабилизатора (между истоком и стоком транзистора) ОУ должен подать на затвор напряжение на 2 - 5 В выше истока, а значит и выше стока, то есть выше входного напряжения. Но где его взять, если кроме входного другого напряжения нет? К каким только ухищрениям не прибегают, чтобы получить напряжение выше входного: используют дополнительную обмотку трансформатора и выпрямитель на ее основе, различные схемы повышения входного напряжения, основанные на умножителях напряжения, а в некоторые современные микросхемы стабилизаторов даже встраивают DC/DC преобразователи.
Если же требуется двуполярный стабилизатор, то используют вышеупомянутые схемы с их недостатками.
Автор задался вопросом: а нельзя ли в двуполярном стабилизаторе использовать для питания ОУ, помимо входного напряжения стабилизатора, еще и входное напряжение другого стабилизатора, а в другом - входное первого? Как показал результат такого эксперимента, оказывается, можно. Мало того, автор получил такой низкий уровень размаха пульсаций выходного напряжения стабилизаторов при больших токах, какого даже не ожидал.
Дальнейшее изложение будет построено следующим образом. Вначале будут приведены известные упрощенные схемы стабилизаторов на ОУ и полевых транзисторах, затем уже принципиальные схемы на них основанные, далее будет дана разводка плат стабилизаторов, их фотографии и конструкция источника питания (ИП) на базе двуполярного стабилизатора. После этого будут приведены результаты испытаний стабилизаторов и, в частности, осциллограммы пульсаций выходных напряжений. В конце статьи будут подытожены выходные параметры стабилизаторов.
Упрощенные схемы
На Рисунке 1 показаны четыре варианта упрощенных схем стабилизаторов на базе ОУ и мощных полевых транзисторов.
Принцип действия стабилизатора на Рисунке 1а заключается в следующем. На сток n-канального полевого транзистора подается входное напряжение U ВХ, а стабилизированное выходное напряжение U ВЫХ снимается с истока, потенциал которого всегда ниже потенциала стока. Таким образом, в этой схеме транзистор работает в штатном режиме. ОУ сравнивает образцовое напряжение V REF , поданное на его неинвертирующий вход, с частью выходного, снятого с делителя R, поданного на его инвертирующий вход, и равного V REF при заданном U ВЫХ. Своим выходным напряжением ОУ воздействует на затвор транзистора таким образом, чтобы напряжение, снятое с делителя, всегда равнялось бы V REF независимо от входного напряжения и тока нагрузки. Например, при увеличении тока нагрузки выходное напряжение падает, в связи с чем падает и напряжение, снятое с делителя, а поскольку оно подано на инвертирующий вход ОУ, выходное напряжение ОУ увеличивается, отчего потенциал затвора повышается, и транзистор приоткрывается, восстанавливая выходное напряжение до прежнего уровня. Особенностью и основным недостатком этой схемы является тот факт, что напряжение затвора, при котором транзистор начинает открываться, всегда выше напряжения истока на 2 - 5 В. Поэтому, если положительное напряжение питания ОУ взято с входного напряжения, то оно должно быть всегда выше входного еще на несколько вольт, то есть еще на несколько вольт больше, чем 2 - 5 В, что недопустимо много. Но если другого напряжения, кроме входного, нет, то этой схемой пользоваться просто нельзя. А если есть? Тогда можно (и нужно!), и это как раз является одной из особенностей описываемых в статье стабилизаторов. Преимуществом схемы является использование в ней мощного n-канального полевого транзистора, который при прочих равных условиях в 2 - 5 раз дешевле p-канального. Кроме того, мощные n-канальные транзисторы в несколько раз более распространены, чем p-канальные и, наконец, n-канальные транзисторы по некоторым параметрам имеют недостижимые p-канальными транзисторами характеристики. Например, ультранизкого сопротивления открытого канала, доходящего до 2.4 мОм (IRFB3206), или огромной крутизны, минимальное значение которой 230 См (IRFB3306), у p-канальных транзисторов просто не бывает. Хотя по стоимости (около 1$) эти транзисторы (IRFB3206, IRFB3306) не превышают стоимости самых современных p-канальных транзисторов.
На Рисунке 1в показана упрощенная схема стабилизатора отрицательного напряжения, которая является «зеркальной» по отношению к схеме Рисунок 1а и работает аналогично (только для отрицательного напряжения), поэтому, на взгляд автора, в объяснении не нуждается. Дополнительным недостатком этой схемы является использование в ней p-канального полевого транзистора.
Здесь следует сделать некоторое отступление относительно выпрямительных схем, использующихся в двуполярных стабилизаторах.
Наиболее часто встречающаяся схема использует вторичную обмотку трансформатора с отводом от средней точки и две полумостовых схемы выпрямления по каждому из напряжений (положительному и отрицательному). Такая схема (ввиду простоты она не приводится) использует по два выпрямительных диода для каждой из полумостовых схем выпрямления, поэтому общее число диодов - четыре, что является несомненным преимуществом. Поскольку, как правило, трансформатор поставляется с двумя идентичными вторичными обмотками (а не с одной с отводом от средней точки), в подобной схеме выпрямления конец одной из обмоток соединяют с началом другой - это и есть средняя точка.
Реже встречается полномостовая схема выпрямления по каждому из напряжений двух вторичных обмоток, которая использует уже по 4 диода для каждого напряжения, и общее количество диодов равно 8, то есть в два раза больше чем первая. Хотя двукратное количество диодов является некоторым недостатком такой схемы выпрямления, из ее свойств можно извлечь одну очень интересную особенность, которая заключается в том, что оба выпрямленных напряжения изолированы друг от друга.
Здесь следует отметить, что идея такого дополнительного питания стабилизаторов не нова. Впервые, насколько это известно автору, такая идея использовалась в работе для питания стабилизатора, основанного на дискретных компонентах (то есть без применения микросхем), где в качестве силовых использовались биполярные транзисторы.
В работе в схеме стабилизаторов, основанной также на дискретных компонентах, использовались уже полевые транзисторы, однако сложность схемы привела к тому, что плата стабилизаторов получилась просто огромной (175×80 мм), да еще с двусторонней разводкой, изготовить которую своими силами весьма проблематично. Забегая вперед, отметим, что плата описываемого здесь двуполярного стабилизатора имеет одностороннюю разводку и размер всего 40×16 мм. Такую плату легко изготовить своими силами (см. далее).
Для получения дополнительного питания (от другого стабилизатора) в работах и использовались стабилитроны с их токоограничительными резисторами, а на схеме Рисунок 2, как уже упоминалось, - микросхемы стабилизаторов 78L24/79L24. Применение указанных микросхем вместо стабилитронов с резисторами оправдано по следующим причинам. Во-первых, низкая стабильность напряжения стабилитронов не идет ни в какое сравнение с относительно высокой стабильностью выходного напряжения микросхем, во-вторых, как это ни странно, микросхема дешевле, чем полуваттный стабилитрон плюс полуваттный резистор (а меньшую их мощность использовать нельзя, так как это приведет к нагреву резистора и стабилитрона и большой вероятности выхода из его из строя), и, в-третьих, микросхемы занимают меньше места на плате.
На Рисунке 2 силовые проводники выделены жирным. Диоды VD1 - VD4 служат для начального запуска стабилизаторов при включении питания.
Теперь после таких подробных предварительных пояснений нетрудно понять и работу принципиальных схем.
Литература
- Кузьминов А. Усовершенствованные стабилизаторы напряжения с активным фильтром. - Радио, 2017, № 9, с. 18, 19.
- Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 3. - Современная электроника, 2017, № 6, с. 74 - 80.
- Кузьминов А. Стабилизаторы на ОУ и мощных полевых транзисторах с активным электронным фильтром и защитой от превышения тока. Часть 2. - Современная электроника, 2018, № 1, с. 58 - 62.
- Кузьминов А. Изготовление устройств на печатных платах с высоким разрешением в домашних условиях. - Технологии в электронной промышленности, 2010, №8, с. 18 - 25; 2011, № 1, с. 9 - 13; № 2, с. 18 - 25.
- Кузьминов А. Технология изготовления печатных плат с высоким разрешением в любительских условиях. - Радио, 2017, № 10, с. 24 - 28.
- Орешкин В. Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ. - Радио, 1987, № 8, с. 31.
- Муравцев М. Стабилизированный блок питания УМЗЧ. - Радио, 2017, № 2, с. 25 - 27; № 3, с. 17-19.
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир. 1982.
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир. 1993.
Стабильность напряжения питания является необходимым условием правильной работы многих электронных устройств. Для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке при колебаниях сетевого напряжения и изменении потребляемого нагрузкой тока между выпрямителем с фильтром и нагрузкой (потребителем) ставят стабилизаторы постоянного напряжения.
Выходное напряжение стабилизатора зависит как от входного напряжения стабилизатора, так и от тока нагрузки (выходного тока):
Найдем полный дифференциал изменение напряжения при изменении и :
Разделим правую и левую части на , а также умножим и разделим первое слагаемое в правой части на , а второе слагаемое на .
Вводя обозначения и переходя к конечным приращениям, имеем
Здесь - коэффициент стабилизации, равный отношению приращений входного и выходного напряжений в относительных единицах;
Внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора.
Стабилизаторы подразделяются на параметрические и компенсационные.
Параметрический стабилизатор основан на использовании элемента с нелинейной характеристикой, например полупроводникового стабилитрона (см. § 1.3). Напряжение на стабилитроне на участке обратимого электрического пробоя почти постоянно при значительном изменении обратного тока через прибор.
Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 5.10, а.
Рис. 5.10. Параметрический стабилизатор (а), его схема замещения для приращений (б) и внешняя характеристика выпрямителя со стабилизатором (кривая 2) и без стабилизатора (кривая ) (в)
Входное напряжение стабилизатора должно быть больше напряжения стабилизации стабилитрона . Для ограничения тока через стабилитрон устанавливается балластный резистор Выходное напряжение снимается со стабилитрона. Часть входного напряжения теряется на резисторе , оставшаяся часть приложена к нагрузке:
Учитываем, что , получаем
Наибольший ток через стабилитрон протекает при
Наименьший ток через стабилитрон протекает при
При обеспечении условий - токи стабилитрона, ограничивающие участок стабилизации, напряжение на нагрузке стабильно и равно . Из .
При увеличении растет ток , увеличивается падение напряжения на . При увеличении сопротивления нагрузки уменьшается ток нагрузки, растет на то же значение ток через стабилитрон, падения напряжения на и на нагрузке остаются неизменными.
Для нахождения построим схему замещения стабилизатора рис. 5.10, а для приращений. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному гоку является параметром прибора. Схема замещения стабилизатора приведена на рис. . Из схемы замещения получаем
Учитывая, что в стабилизаторе , имеем
Для нахождения , так же как и при расчете параметров усилителей (см. § 2.3), воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе и положим , тогда сопротивление на выходе стабилизатора
Выражения (5.16), (5.17) показывают, что параметры стабилизатора определяются параметрами используемого полупроводникового стабилитрона (или другого прибора). Обычно для параметрических стабилизаторов не более 20-40, а лежит в пределах от нескольких ом до нескольких сот ом.
В ряде случаев такие показатели оказываются недостаточными, тогда применяют компенсационные стабилизаторы. На рис. 5.11 приведена одна из простейших схем компенсационных стабилизаторов, в котором нагрузка подключена к источнику входного напряжения через регулирующий нелинейный элемент, транзистор V. На базу транзистора через ОУ подается сигнал ОС. На вход ОУ поступают напряжения с высокоомного резистивного делителя и эталонное (опорное) напряжение .
Рис. 5.11. Простейшая схема компенсационного стабилизатора с ОУ
Рассмотрим работу стабилизатора. Предположим, что увеличилось напряжение , вслед за ним возрастает и При этом на инвертирующий вход ОУ подается положительное приращение напряжения , а на выходе ОУ возникает отрицательное приращение напряжения . К управляющему эмиттерному переходу транзистора V приложена разность базового и эмиттерного напряжений . В рассматриваемом нами режиме , ток транзистора V уменьшается и напряжение ивых снижается почти до первоначального значения. Аналогично будет отработано изменение ивых при увеличении или уменьшении : изменится , возникнет соответствующего знака, изменится ток транзистора . очень высока, так как в процессе работы режим работы стабилитрона практически не изменяется и ток через него стабилен.
Компенсационные стабилизаторы напряжения выпускаются в виде ИМС, которые включают в себя регулирующий нелинейный элемент, транзистор V, ОУ и цепи, связывающие нагрузку с его входом.
На рис. 5.10, в показана внешняя характеристика источника питания со стабилизатором, ее рабочий участок ограничен значениями тока
Схема:
Стабилизатор напряжения на операционных усилителях(ОУ) иногда не запускается, т.е. не выходит на режим стабилизации при включении питания, и напряжение на его выходе остается практически равным нулю. После замены микросхемы стабилизатор начинает работать нормально. Проверка замененного ОУ показывает, что он абсолютно исправен. При повторной установке этого ОУ в работоспособный стабилизатор указанное выше явление повторяется - стабилизатор снова не запускается. Выше показана схема одного из типовых стабилизаторов, в который наблюдалось такое явление.
После ряда экспериментов было установлено. что его причиной является напряжение смещения Uсм операционного усилителя, показанное ниже условно в виде источника постоянного напряжения:
Входное сопротивление операционного усилителя изображает резистор Rвх. Напряжение смешения ОУ, как известно, может быть любой полярности. Допустим, что оно оказалось таким, как показано на рисунке. Тогда в первый момент после включения выходное напряжение стабилизатора, а следовательно, и напряжение между входами ОУ равны нулю, и отрицательный полюс источника Uсм оказывается подключенным непосредственно к неинвертируюшему входу ОУ. Напряжение на его выходе при этом уменьшается и при достаточно большом значении цсн (для К1УТ531Б, например, оно может достигать 7,5 мВ) из-за большого коэффициента усиления напряжения выходной каскад ОУ оказывается в сильном насыщении, напряжение на выходе составляет лишь десятые доли вольта. Этого напряжения недостаточно для открывания регулирующего транзистора стабилизатора и поэтому он не запускается. Если же окажется, что после замены микросхемы у вновь установленного ОУ значение напряжения смещения не слишком велико или его полярность обратна показанной на рис. 2а стабилизатор будет запускаться нормально.
Избавиться от необходимости трудоемкого подбора экземпляра ОУ для каждого конкретного стабилизатора можно различными способами. Один из них, например, заключается в применении для запуска стабилизатора делителя напряжения с разделительным диодом (рис 2б). Напряжение на резисторе R2 должно удовлетворять следующим неравенствам:
где:
Uвх.мин и Uвх.макс - минимальное и максимальное входные напряжения стабилизатора;
Uд - максимальное падение напряжения на диоде V1;
Uсм.макс - максимальное напряжение смещения ОУ;
U3 ном - напряжение на входе 3 ОУ (см рис. 1) при номинальном режиме стабилизатора.
При подключении стабилизатора к источнику питания положительное напряжение с резистора R2 (рис. 2. б) через диод VI подводится к неинвертирующему входу ОУ. Выходное напряжение ОУ при этом резко возрастает и регулирующий транзистор стабилизатора открывается.
После выхода стабилизатора на номинальный режим, диод VI закрывается и отключает делитель напряжения от входа ОУ. Для наиболее полного устранения влияния запускающей цени на работу стабилизатора диод следует выбирать кремниевый, с малым обратным током.
Практическая проверка подтвердила эффективность применения описанной цепи - стабилизатор с ней запускался безотказно при любых значениях и полярности напряжения Uсм. тогда как без нее иногда включения стабилизатора не происходило. Влияния запускающей цепи на показатели стабилизатора (коэффициент стабилизации - более. 6000, выходное сопротивление 8 мОм) замечено не было.
В. Крылов
ПОСТРОЕНИЕ ДВУПОЛЯРНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОУ
Операционные усилители (ОУ) находят все более применение в самых различных узлах радио-любительской аппаратуры, в том числе и в стабилизи-рованных блоках питания. ОУ позволяют резко повы-сить качественные показатели стабилизаторов и их эк-сплуатационную надежность. использовании ОУ в стабилизаторах можно прочитать в журнале «Радио» (1975, № 12, с. 51, 52 и 1980, № 3, с. 33 - 35), В поме-щенной ниже статье описано построение двуполярных стабилизаторов на ОУ.
Проще всего двуполярный, стабилизатор напряжения может быть получен из двух одинаковых однополярных, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Схема стабилизатора, построенного из двух одинаковых однополярных
Этот двуполярный стабилизатор может обеспечить по каждому из плеч током до 0,5 А. Коэффициент стабилиза-ции при изменении входного напряжения на ±10% равен 4000. При изменении сопротивления нагрузки от нуля максимума выходное напряжение стабилизатора изменяется не более чем на 0,001%, т. е. его выходное сопротивление не превышает 0,3 МОм. Пульсации вы-ходного напряжения частотой 100 Гц при максимальном токе на-грузки - не более 1 мВ (двойное амплитудное ).
Достоинство такого способа построения двуполярно-го стабилизатора очевидно - возможность применения однотипных элементов для обоих плеч. Недостаток заключается в том, что источники входного переменного напряжения в этом случае не должны иметь общей точ-ки, иными словами необходимы две изолированные одна от другой вторичные обмотки на сетевом трансформа-торе, два отдельных выпрямителя и четырехпроводное стабилизатора с выпрямителями.
Для того чтобы сократить соединительных про-водов до трех, необходимо регулирующий элемент (тран-зисторы V 4, V 5) нижнего по Схеме плеча стабилизатора перенести из его плюсового в минусовой провод (верх-ний остается без изменения). Сделать это можно, применив транзисторы другой структуры: n - р - n для транзистора V 4 и р - n - р для V 5 (рис. 2, а). Выходное напряжение операционного усилителя А2 при этом будет иметь отрицательную относительно общего провода. По параметрам этот . практически не отличается от описанного выше.
Заметим, что при указанном перенесении регулирую-щего элемента можно ограничиться заменой только -ного из транзисторов, а именно V 5, если включить ре-гулирующий по схеме составного транзистора (рис. 2, б) - при этом мощные регулирующие транзи-сторы в обоих плечах стабилизатора (VI и V 4 по рис. 2, а) остаются одинаковыми. Коэффициент стабилизации при таком видоизменении регулирующего элемента практически остается прежним (около 4000), но выход-ное сопротивление нижнего плеча может увеличиться, так как при переходе к составному регулирующему транзистору теряется преимущество, свойственное соче-танию в регулирующем элементе двух транзисторов Разной структуры (подробнее об этом см. в «Радио», 1975, № 12, с. 51). При экспериментальной проверке рассматриваемых стабилизаторов было зафиксировано, на-пример, увеличение выходного сопротивления в три раза.
Мощные регулирующие транзисторы одного, типа в обоих плечах двуполярного стабилизатора могут быть применены и в том случае, если по схеме составного транзистора включить регулирующий элемент верхнего схеме плеча стабилизатора (рис. 2, в), оставив в другом стабилизаторе транзисторы разной структуры.
Рис. 2. Схема стабилизатора с питанием от одного выпрямителя
Рис. 3. Схема стабилизатора с питанием ОУ от выходного напря-жения
В рассмотренных стабилизаторах ОУ питаются не-посредственно входным однополярным напряжением, но это возможно толвко в тех случаях, когда входное на-пряжение примерно равно номинальному напряжению питания ОУ. Если первое из названых напряжений пре-вышает второе, то питать ОУ можно, например, от про-стейших параметрических стабилизаторов, ограничиваю-щих входное напряжение на необходимом уровне.1 В том. случае, когда напряжение питания каждого из плеч ста-билизатора оказывается значительно меньше необходи-мого для питания ОУ,. следует перейти к его питанию двуполярным напряжением. В двуполярных стабилиза-торах это реализуется сравнительно просто.
На рис. 3 показана схема стабилизатора, выходное двуполярное напряжение которого равно напряжению питания , что позволило питать их непосредственно с выхода стабилизатора. Транзисторы V 3 и V 8 обеспечи-вают усиление выходного напряжения ОУ до необходи-мого уровня, V 4 защищает эмиттерный транзистора V 3 от обратного напряжения, которое мо-жет появляться на выходе ОУ (при его двуполярном питании), например, при переходных процессах. В том случае, когда наибольшее допустимое обратное напря-жение между эмиттером и базой транзистора превышает напряжение питания ОУ, применение такого диода яв-ляется излишним. Именно поэтому в базовой тран-зистора V 8 диод отсутствует.
Место источников образцового напряже-ния (стабилитронов V 5 и V 9) по сравнению с рассмо-тренным ранее стабилизатором (см. рис. 2, а) здесь из-менено для , чтобы сохранить отрицательный харак-тер обратной связи при наличии дополнительных усили-телей на транзисторах V 3 и V 8. была бы отрицательной и в том случае, если каждый из стабили-тронов V 5 и V 9 включить между инвертирующим входом соответствующего ОУ и общим проводом стабилизатора, но в рассматриваемом случае такое включение недопу-стимо, так как при этом будет превышено предельное синфазное напряжение, которое для ОУ К1УТ401Б (но-вое наименование К.140УД1Б) равно ±6 В.
При питании ОУ выходным напряжением следует обращать особое на надежность запуска ста-билизатора. В рассматриваемом случае такой запуск обеспечивается , что сразу после подачи входного напряжения через нагрузочные резисторы R 2 и R 9 про-текают базовые транзисторов V 2 и V 7 соответствен-но. Регулирующие элементы плеч стабилизатора при этом открываются, выходные напряжения увеличивают- , вводя устройство в рабочий режим.
Экспериментальная проверка этого стабилизатора дала следующие результаты: стабилиза-ции при изменении входного напряжения на ±10% превышает 10 000, выходное сопротивление равно 3 МОм.
Все рассмотренные выше двуполярные стабилизато-ры напряжения представляют собой сочетание двух объ-единенных общим проводом однополярных стабилизатор ров, выходные напряжения которых устанавливают не-зависимо одно от другого. При таком построении дву-полярного стабилизатора трудно обеспечить равенство напряжений его плеч как при налаживании стабилиза- , так и в условиях его эксплуатации. В ряде слу-чаев, например в преобразователях « -напряжение», к двуполярному стабилизатору предъявляются ресьма высокие требования в отношении симметричности его выходного напряжения относительно общего провода. Выполнение таких требований сравнительно просто обе-спечивается в стабилизаторе, схема которого показана на рйс. 4.
Рис. 4. стабилизатора с симметричным выходным напряжением
Здесь, верхнее по схеме ничем не отличается от верхнего плеча предыдущего стабилизатора (см. рис. 3). же плечо построено иначе. В инверти-рующий вход ОУ соединен с общим проводом, и, следо-вательно, напряжение на этом входе равно нулю. Так как дифференциальное входное напряжение ОУ незна-чительно ( единицы милливольт), то и напря-жение на неинвертирующем входе будет равно нулю. Но этот вход ОУ подключен к средней точке делителя на-пряжения R 14 R 15, включенного между крайними выво-дами стабилизатора; Благодаря этому абсолютная ве-личина напряжения UВЫХ. н на выходе нижнего плеча ста-билизатора будет определяться следующим выражением:
где Uвых. н - напряжение верхнего плеча.
При равенстве сопротивлений резисторов R 14 и R 15 выходное нижнего плеча автоматически устанавливается равным напряжению верхнего, и устрой-ство постоянно «следит» за его значением. Например, если мы с помощью подстроечного резистора R 8 увели-чим напряжение UВых. в, это приведет к увеличению на-пряжения на неинвертирующем входе ОУ А2 и, следо-вательно, на его выходе. При этом V 8 начнет закрываться, напряжение на регулирующем транзис-торе V 6 уменьшится. Выходное напряжение нижнего плеча увеличится до такого уровня, при котором напря-жение на неинвертирующем входе ОУ А2 вновь станет равным нулю, т. е. до вновь установленного уровня UВЫX. B.
Таким образом, в рассматриваемом двуполярном стабилизаторе напряжение на выходе обоих плеч -навливается одним подстроечным резистором R 8, а ра-венство абсолютных величин положительного и отрица-тельного выходных напряжений при R 14 = R 15 опреде-ляется лишь классом точности этих резисторов.
По своим качественным показателям стабилизатор не отличается от предыдущего.
Рис. 8. Основная схема включения регулятора КР142ЕН1
Опорное напряжение на выводе 5 микросхемы составляет около 2 В, причем делитель напряжения, снимаемого с опорного стабилитрона, введен в состав микросхемы. Благодаря этому при построении стабилизаторов с выходными напряжениями от 3 до 30 В применяют одну и ту же схему включения с внешним делителем выходного напряжения. Дополнительно отметим, что у микросхемы КР142ЕН1.2 имеются свободные выводы не только инвертирующего (вывод 3), но и неинвертирующего (вывод 4) входов усилителя, что упрощает стабилизатор отрица тельного напряжения с этой ИМС. В этом заключается основное отличие микросхемы КРН2ЕШ,2 от микросхемы 142ЕН1.2 более раннего выпуска.
Внешний транзистор VT1 - это эмиттерный повторитель для увеличения тока нагрузки до 1…2 А. Если требуется ток не более 50 мА, то транзистор следует исключить, используя вывод 8 микросхемы вместо эмиттерного вывода транзистора VT1.
В составе микросхемы имеется транзистор, защищающий выходной каскад от перегрузки по току. Токо–ограничительное сопротивление резистора R4 выбирают из расчета падения напряжения на нем 0,66 В при протекании аварийного тока. Без змиттерного повторителя VT1 следует установить резистор R4 сопротивлением 10 Ом.
Чтобы создать «падающую» характеристику ограничения тока перегрузки, подключают делитель R2R3 и производят расчет по следующим зависимостям:
Пример, I макс = 0,6 А (задано); I К3 - 0,2 А (выбираем не менее 1 /з I макс); U бЭ =0,66 В; U вых =12 В (задано); а = 0,11 (по расчету); R3 = 10 кОм (типичное значение); R2 = 1,24 кОи; R4 = 3,7 Ом.
В микросхеме дополнительно имеется вывод 14 для Управления стабилизатором. Если подать на этот вход единичный ТТЛ–уровень + (2,5…5) В, то выходное напряжение стабилизатора упадет до нуля. Чтобы обратный ток при наличии емкостной нагрузки не разрушил выходной транзистор, установлен диод VD1.
Конденсатор С1 емкостью 3,3…10 мк подавляет шум стабилитрона, однако установка его не является необходимой. Конденсатор С2 (емкостью до 0,1 мк) - элемент частотной коррекции; допустимо вместо него соединить вывод 13 с «земляным» проводом через последовательную RС–цепь 360 Ом (максимум) и 560 пФ (минимум).
На базе микросхем КР142ЕШ.2 (рис. 8) можно создавать стабилизаторы отрицательных напряжений (рис. 9).
Рис 9. Стабилизация отрицательного напряжения
При этом стабилитрон VD1 смещает уровень напряжения на выводе 8 относительно входного напряжения. Базовый ток транзистора VT1 не должен превышать максимально допустимого тока стабилитрона, иначе следует применить составной транзистор.
Широкие возможности микросхем КР142ЕН1,2 позволяют создавать на их основе релейные стабилизаторы напряжения, пример которых дан на рис. 10.
Рис. 10. Релейный стабилизатор напряжения
В таком стабилизаторе опорное напряжение, как и в стабилизаторе по схеме рис. 8, установлено делителем R4R5, а амплитуда пульсаций выходного напряжения на нагрузке задается вспомогательным делителем R2R3 и равна &U=U B x-R4IR3. Частота автоколебаний определяется из тех же соображений, что и для стабилизатора по схеме на рис. 7. Следует лишь иметь в виду, что ток нагрузки не может изменяться в широких пределах, обычно не более чем в два раза от номинального значения. Преимуществом релейных стабилизаторов является высокий КПД.
Необходимо рассмотреть еще один класс стабилизаторов - стабилизаторов тока, преобразующих напряжение в ток независимо от изменения сопротивления нагрузки. Из таких стабилизаторов, позволяющих заземлять нагрузку, отметим стабилизатор по схеме на рис. 11.
Рис. 11. Стабилизатор тока на ОУ
Ток нагрузки стабилизатора I u =U B-x .lRl. Интересно, что если напряжение U BX подавать на инвертирующий вход, то изменится только направление тока без изменения его значения.
Более мощные источники тока предусматривают подключение к ОУ усилительных транзисторов. На рис. 12 дана схема источника тока, а на рис. 13 - схема приемника тока.
Рис. 12. Прецизионная схема источника тока; входное напряжение - отрицательное
Рис 13. Схема прецизионного отвода тока; входное напряжение - положительное
В обоих устройствах сила тока определяется расчетом так же, как и в предыдущем варианте стабилизатора. Этот ток тем точнее зависит лишь от напряжения U вх и номинала резистора R1, чем меньше входной ток ОУ и чем меньше ток управления первого (после ОУ) транзистора, который выбран поэтому полевым. Ток нагрузки может достигать 100 мА.
Схема простого мощного источника тока для зарядного устройства показана на рис. 14.
Рис. 14. Источник тока высокой мощности
Здесь R4 - токоизмерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки I н =ДU/R4 = 5 А устанавливается. примерно при среднем положении движка резистора R1. При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение U вх >18 В без учета пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18.
Литература
Бокуняев А. А. Релейные стабилизаторы постоянного напряжения - М: Энергия, 1978, 88 с.
Рутксвски Дж. Интегральные операционные усилители. - М.: Мир, 1978, 323 с.
Xоролац П, Хилл У. Искусство схемотехники, т. 1. - М.; Мир, - 1986, 598 с.
Спенсер Р Недорогой источник питания с нулевыми пульсациями. - Электроника, 1973, № 23, с 62.
Шило В. Л Линейные интегральные схемы. - М. Cов. Радио, 1979, 368 с.
