Базовые схемы стабилизаторов на основе интегральной микросхемы 723

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, не годятся, так как их выходное напряжение зависит от тока нагрузки и напряжения в сети. Кроме того, это напряжение пульсирует с частотой 100 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.

Интегральная микросхема стабилизатора 723

Классический стабилизатор 723 разработан Р. Видларом в 1967 г. Это универсальный, простой в употреблении стабилизатор с превосходными рабочими характеристиками. Хотя, есть более предпочтительные современные схемы, все же его стоит изучить, так как и новые схемы работают на тех же принципах. Его схемы изображены на рисунках ниже

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 (LM723/LM723C) ничего не регулирует. Чтобы заставить его делать то, что нам 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). datasheet LM723/LM723C

Сердцем стабилизатора является температурно‑компенсированный стабилитронный источник опорного напряжения. Стабилитрон Д₂ имеет положительный температурный коэффициент, поэтому его напряжение складывается с перепадом напряжения между базой и эмиттером транзистора Т₆ (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 Т₄‑Т₆ предназначены для смещения Д₂ током I = U_БЭ /R₈, стабилизированным отрицательной обратной связью по постоянному току, как показано на схеме. Транзисторы Т₂ и Т₃ образуют несимметричное токовое зеркало для смещения источника опорного напряжения. Ток этих транзисторов устанавливается диодом Д₁ и резистором R₂ (в точке их соединения фиксируется напряжение на 6,2 В ниже U ₊). В свою очередь Д₁и R₂, запитаны током транзистора Т₁ ‑ полевого транзистора с p‑n ‑переходом, который работает как источник тока.

Транзисторы Т₁₁ и Т₁₂ 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 Т₁₃ . Последний входит в половину токового зеркала на Т₉, Т₁₀ и Т₁₃, в свою очередь управляемого токовым зеркалом Т₇ (Т₃, Т₇ и Т₈ ‑ все эти транзисторы «отражают» ток, задаваемый источником опорного напряжения на Д₁). Коллектор транзистора Т₁₁ имеет фиксированный положительный потенциал эмиттера Т₄, а выходной сигнал усилителя ошибки снимается с коллектора Т₁₂. Токовое зеркало Т₈ запитывает коллекторную нагрузку Т₁₂. Транзистор Т₁₄ включен вместе с транзистором Т₁₅ по «неполной» схеме Дарлингтона. Заметьте, что коллектор транзистора Т₁₅ выведен отдельно, чтобы обеспечить возможность подведения отдельного положительного питания. При включении транзистора Т₁₆ 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 с низковольтными источниками опорного напряжения с малым разбросом, внутренними ограничителями тока и схемами тепловой защиты.

Стабилизатор положительного напряжения

На рисунке ниже 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 R₁R₂ задает часть выходного напряжения, сравниваемую с опорным, а элементы ИМС 723 обеспечивают все остальные функции.

Такая схема подобна неинвертирующему усилителю на ОУ с эмиттерным повторителем на выходе, если напряжение U_oп рассматривать в качестве «входного сигнала». Резистор R₄ 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 (Т₁₆ на принципиальной схеме 723), запирающий проходной транзистор. Конденсатор емкостью 100 пФ добавлен для обеспечения устойчивости при включении обратной связи. Резистор R₃ (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).

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 R₁ и R₂ 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. И вообще, неплохо заземлить по переменному току шины питания во всей запитываемой схеме. Для этого применяют 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 (рисунок ниже). Тогда напряжение выхода будет сравниваться с нужной долей опорного напряжения.

Параметры вышеприведенной схемы 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. Напряжение питания схем не должно падать ниже +9,5 В, т. е. уровня, необходимого для питания.

Еще один — 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.

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 1 Вт 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:

Транзистор T₁ ‑ внешний проходной транзистор. Он должен быть снабжен радиатором – чаще всего это ребристая металлическая пластина – для отвода тепла (можно поместить транзистор на одной из стенок металлического корпуса блока питания).

Подстроенный потенциометр применен для точного выставления +5 В на выходе. Диапазон подстройки должен быть достаточным для компенсации допуска на сопротивления резисторов, а также производственного разброса U_oп (рассматривается наихудший случай). В данном случае диапазон настройки выходного напряжения находится в пределах ±1 В от номинала. 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 показанной выше предусмотрена также защита нагрузки от слишком больших напряжений, состоящая из Д₁, Т₂ 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. Т₂ ‑ это кремниевый управляемый выпрямитель (КУВ), 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 T₁ 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 далее « защита от больших напряжений ».

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), 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).

Похожая проблема появляется при работе с двухтактными 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. 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 этом выходной ток уменьшается в условиях короткого замыкания или перегрузки. Идея метода видна из схемы на рисунке ниже – опять же на примере стабилизатора 723 с внешним проходным транзистором.

Делитель в цепи базы транзистора Т₀ 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 Т₀ 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 Т₁ 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.

Необходимо быть осторожным 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 он должен равняться одной трети тока максимальной нагрузки при полном выходном напряжении.

Защита от больших напряжений

Как было отмечено выше, полезно на выходе стабилизированного источника питания иметь какую‑нибудь защиту от превышения номинального напряжения.

Рассмотрим, например, источник питания +5 В, питающий большую цифровую систему. 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 рисунке показана известная схема защиты, которая выпускается также в виде модуля (тип L‑6‑OV‑5). Ее вставляют между выходом стабилизатора и землей.

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. Конденсатор добавлен, чтобы схема защиты не срабатывала от безвредных коротких всплесков напряжения.

Описанная схема, как и все схемы защиты подобного типа, жестко устанавливает 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 с большим допуском. 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, но оно не должно превосходить 7 В во избежание повреждений логических схем. Приходится решать хитрую задачу. В схеме на рисунке выше 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 TL431. Это недорогая ИМС в удобных корпусах (8‑штырьковом мини‑DIP или 3‑выводном ТО‑92), напрямую управляющие КУВ и очень простые в использовании. ИМС содержит встроенный источник опорного напряжения, несколько компараторов и драйверов. 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. Они 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.

Вопросы проектирования сильноточных источников питания

Использование отдельных нестабилизированных источников для питания сильноточных цепей

При использовать отдельного источника для стабилитрона в мощном источнике питания, рассеивание мощности на проходном транзисторе можно свести к минимуму. Все потому, что нестабилизированное напряжение, которое подается на проходной транзистор, может быть выбрано точно таким, какое нужно для достаточного «запаса сверху». У стабилизаторов типа 723 имеются 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. Все это от отдельного источника питания +15 В для питания элементов стабилизатора (опорный источник, усилитель ошибки и т. д.). Нестабилизированное входное напряжение должно быть выбрано достаточно большим в расчете на наихудший случай напряжения в силовой линии переменного тока (заниженное напряжение), 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 той же точке, к которой подключен и датчик выходного напряжения стабилизатора. Иначе флуктуации тока в одной из нагрузок повлияют на напряжение, поступающее к остальным нагрузкам.

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. Они 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 четырёх проводов, два из которых должны быть рассчитаны 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.

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 рисунке

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 полевые транзисторы могут быть соединены параллельно без дополнительных элементов благодаря отрицательному наклону зависимости их тока стока от температуры

Другие интегральные микросхемы стабилизатора

ИМС 723 была оригинальным стабилизатором напряжения и все еще остается полезной. Существуют несколько улучшенных версий, которые, однако, во многом работают таким же образом. Например, микросхема SG3532, может работать при уменьшении входного напряжения вплоть до 4,5 В, поскольку в ней используется «опорный источник с напряжением запрещенной зоны», выдающий 2,5 В, а не 7,15 В напряжения стабилитрона, как в ИМС 723. В этой 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.

Если вы посмотрите на современные схемы источников питания, то навряд ли вы встретите ИМС 723 или даже ее улучшенные версии. Вместо этого вы увидите такие ИМС, как 7805 или 317. Все из-за особенности отсутствия внешних элементов (ИМС 7805 не требуется ни одного!). В большинстве случаев вы можете получить от них все параметры, которые вам требуются. И высокую степень интеграции и простоту 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. Смотрите подробнее в статье трехвыводные и четырехвыводные стабилизаторы