Схемы включения линейных стабилизаторов напряжения

На следующих рисунках приведены типовые схемы включения стабилизаторов напря­жения с фиксированным (а)и регулируемым (б) выходным напряжением. Конденсаторы и включают для повышения устойчивости стабилизаторов.

В стабилизаторах с фиксированным значением выходного напряжения имеется возможность изменения последнего в некоторых пределах. Для этого в цепь общего вывода включают стабилитрон, как показано на следующем рисунке. Схема позволяет по­высить выходное напряжение на величину

Включение ИМС по схеме, показанной на предыдущем рисунке (б), возможно, но нежела­тельно, т. к. через резистор будет течь ток , потребляемый цепями управле­ния стабилизатора, который зависит от тока нагрузки. Это приведет к увеличе­нию выходного сопротивления стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора в этом случае определяется по формуле

Можно повысить выходное напряжение этого стабилизатора или сделать его регулируемым, если на общий вывод ИМС подать напряжение с делителя через неинвертирующий повторитель на ОУ.

Благодаря низкому вы­ходному сопротивлению повторителя, влияние тока будет несущественным.

Повысить максимальный выходной ток стабилизатора можно, включив до­полнительный мощный транзистор, как показано на рисунках.

Схемы повышения максимального выходного тока с включением дополнительного мощного транзистора: а - по схеме с ОЭ, б — по схеме с ОК

Вместе с внутренним регулирующим транзистором интегрального стабили­затора он образует комплементарный (a)или обычный (б)со­ставной транзистор. Недостаток такого способа состоит в том, что встроенные схемы ограничения тока и защиты выходного транзистора самого стабилизато­ра не зависят от тока нагрузки и фактически не используется по прямому на­значению.

Некоторые фирмы выпускают микросхемы, содержащие, по существу, толь­ко цепи управления стабилизатором напряжения и предназначенные для под­ключения к мощному транзистору. Так, например, фирма Maxim Integrated Products производит ИМС типа МАХ687, к которой подключается -транзистор с малым напряжени­ем насыщения коллектор—эмиттер. При фиксированном выходном напряже­нии 3.3 В этот стабилизатор допускает при токе нагрузки 1 А минимальную раз­ность входного и выходного напряжений 0.14 В. Фирма Analog Devices выпускает в миниатюрном корпусе SO-8 микросхему регулятора ADP3310, ко­торая совместно с мощным полевым транзистором способна отдать в нагрузку ток до 10 А. Миниматьная разность напряжений вход—выход составляет в этом случае порядка 0.5 В (существенно зависит от параметров регулирующего МОП-транзистора). Для токовой зашиты включается внешний резистор.

За счет небольшого усложнения можно обеспечить зашитой от КЗ и схему со стандартным стабилизатором.

Стабилизатор с повышенным выходным током и защитой от КЗ

При чрезмерном токе через основной регулирующий транзистор откры­вается транзистор и перехватывает часть тока базы . Сопротивления схе­мы рассчитываются по формулам

где — максимально допустимый ток короткого замыкания, (b — коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ транзистора — максимальный выходной ток ИМС стабилизатора, — максимальный выходной ток всей схемы, а обычно принимается равным 0.7...0.8.

Схема источника стабильного тока на ИМС стабилизатора напряжения приведена на следующем рисунке.

Сопротивление резистора R определяется выражением

При использовании в этой схеме ИСН с фиксированным выходным напряжением на резисторе R падает напряжение, равное номи­нальному выходному напряжению стабилиза­тора. Это составляет, например, для КР142ЕН5 около 5 В, что приводит к большим потерям энергии в резисторе. Поэтому в такой схеме це­лесообразно использовать ИМС регулируемого стабилизатора, например КР142ЕН12, у которого при такой схеме включения, это напряжение можно уста­новить равным 1.2 В.

Для построения двухполярных стабилизаторов напряжения с выходным напряжением, на­пример, ±5 В можно использовать схему, приведенную на следующем рисунке.

Поскольку потенциал неинвертирующего входа ОУ₁ нулевой, то и потенциал инвертирующего входа этого усилителя также должен быть равен нулю.

При работе ОУ в линейном режиме и ра­венстве сопротивлений резисторов в делителе это может быть только в случае равенства по абсолютной величине разнополярных напряжений на выходе схемы. В простейшем случае, если ток выхода отрицательной полярности не превосходит допустимого выходного тока ОУ, транзистор может быть исключен из схе­мы, а выход ОУ должен быть непосредственно соединен с отрицательным выхо­дом стабилизатора.

Стабилизация переменного синусоидального напряжения с сохранением низкого коэффициента гармоник представляет собой сложную техническую за­дачу. Непрерывную стабилизацию величины выходного напряжения практиче­ски без искажений можно осуществить с помощью автотрансформатора с авто­матическим электроприводом. Худшие, хотя и неплохие результаты, дает применение в качестве регулирующих элементов дросселей насыщения, управ­ляемых электронными схемами. Все это сложные дорогие системы, применение которых в дешевых маломощных устройствах не оправдано. В то же время, если не требуется обеспечивать низкий уровень гармонических искажений, можно легко стабилизировать действующее значение переменного напряжения с помощью двух линейных стабилизаторов. На следующем рисункепредставлена схема та­кого стабилизатора на ИМС LM317.

По сути, он представляет собой симметричный двухполярный ограничитель напряжения. Уровень ограничения V_o установлен резисторами в примере на схеме равным 6 В. Выходное напряжение определяется условием

График зависимости действующего значе­ния выходного напряжения от ампли­тудного значения входного напряжения приведен на рисунке.

Коэффициент стабилизации, определяе­мый как

в окрестностях значений = 12 В равен 7.36 и с ростом амплитуды входного напряжения возрастает.

Эмиттерный повторитель с максимальной передачей тока в нагрузку.

Чтобы обес­печить необходимый режим транзистора по току покоя при максимальной передаче тока в нагрузку, целесообразно включить источник тока на ИМС линейного стабилиза­тора, как это показано на рисунке.

Полоса пропускания этой схемы будет определяться частотными свойствами линейного стабилиза­тора, которые, как правило, невысоки.

Получение искусственной общей точки.

Часто при питании электронных устройств от батарей возникает необходи­мость получения из одного гальванически изолированного напряжения акку­муляторной батареи двух разнополярных напряжений, симметричных относи­тельно нулевой (общей) точки. Это, в частности, нужно для питания операционных усилителей, которые в большинстве случаев должны усиливать входные сигналы обеих полярностей. В принципе для этих целей мог бы подой­ти резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с ну­левой точкой (рисунок а).

Коэффициент деления напря­жения такой схемы тем более ста­билен, чем более низкоомными вы­бираются резисторы делителя. При этом, однако, возрастают потери в делителе, и падает общий КПД схе­мы.

Лучшие характеристики имеет схема с операционным усилителем, подключенным по схеме неинвертирующего повторителя к средней точке резистивного делителя напряжения (рисунок б). В данной схеме делитель может быть высокоомным, т. к. он нагружен только входным током покоя опе­рационного усилителя. ОУ сравнивает потенциал на выходе схемы с потенциалом в средней точке делителя и поддерживает напряжение на своем выходе та­ким, чтобы разность сравниваемых потенциалов была равна нулю. Этот эффект достигается благодаря действию отрицательной обратной связи. При малых (в пределах 1 мА) токах покоя, потребляемых этой схемой, такой активный дели­тель имеет выходное сопротивление менее 1 Ом. Фирма Texas Instruments (США) выпускает специальную ИМС типа TLE2425 для формирования искус­ственной средней точки. Эта ИМС изготавливается в малогабаритном трехвыводном корпусе ТО-92 и обеспечивает ток через искусственную нулевую точку до 20 мА в любом направлении при токе собственного потребления не более 0.25 мА и динамическом выходном сопротивлении не более 0.22 Ом.