Трехвыводные и четырехвыводные 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 рисунке показано, как легко сделать стабилизатор, например на 5 В с применением одной из этих схем.
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. 1).
Таблица 1 Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением
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 за счет уменьшения предельно возможного выходного 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. 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, LP2950 не теряет способности стабилизации даже тогда, когда перепад напряжений (нестабилизированного на входе и стабилизированного на выходе) составляет всего лишь 0,4 В. Для сравнения для классической 7805 необходимо 2 В перепада напряжений. 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 (3 А, 5 А и 7,5 А соответственно). У каждого типа есть варианты 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 стабилизаторы, как 4195, состоят из двух трехвыводных стабилизаторов на 15 В, один на положительное, другой – на отрицательное напряжение.
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. После простой схемы трехвыводных стабилизаторов уже не хочется представлять себе, как можно иметь дело со схемами стабилизатора с большим количеством внешних элементов.
Что делать?
Взять «трехвыводной регулируемый стабилизатор»!
В табл. 2 перечислены характеристики представительной выборки трехвыводных регулируемых стабилизаторов.
Типичным представителем этих замечательных стабилизаторов является классический LM317. У этого стабилизатора нет вывода на землю. Вместо этого у него поддерживается Uвых, такое, что между выходом и этим «регулировочным» выводом всегда было напряжение 1,25 В. На рисунке показан простейший способ применения этого стабилизатора.
Стабилизатор подводит напряжение 1,25 В к резистору R1, поэтому через него течет ток 5 мА. Регулировочный вывод потребляет очень небольшой ток (50 100 мкА), поэтому выходное напряжение равно
Uвых = 1,25(1 + R2 /R1) В.
Но в таком случае выходное напряжение можно регулировать от 1,25 до 25 В. Для тех применений, которые требуют фиксированного выходного напряжения, R2 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, или алюминиевый электролит емкостью 25 мкФ.
Схема 317 выпускается в разных корпусах: пластмассовых на большую мощность (ТО 220), металлических большой мощности (ТО 3) и в корпусах для маломощных транзисторов. Схема в корпусе на большую мощность, оснащенная соответствующим радиатором, может отдавать ток до 1,5 А.
Схему можно использовать в стабилизаторах высокого напряжения, пока разность входного и выходного напряжения не превосходит максимум 40 В (у высоковольтного варианта LM317HV 60 В).
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).
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). Также можно найти микромощные варианты (например, LP2951 – регулируемый вариант 5 вольтового стабилизатора LP2950 с фиксированным напряжением — у обоих Iпокоя = 75 мкА).
Четырехвыводные стабилизаторы
Если условия применения не слишком жесткие, то лучше всего использовать трехвыводные регулируемые стабилизаторы. Исторически они предшествовали четырехвыводным, подключение которых показано на рисунке
На «управляющий» вывод подается часть выходного напряжения. Стабилизатор регулирует выходное напряжение, поддерживая на управляющем выводе фиксированное напряжение, +5 В для μΑ79θ и 2,2 В для стабилизаторов отрицательного напряжения (см.табл. 2). Четырехвыводные стабилизаторы ничем не лучше более простых трехвыводных (но и не хуже), информация носит ознакомительный характер.
Таблица 2 Регулируемые стабилизаторы напряжения
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
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
Схема включения стандартного трехвыводного стабилизатора, показанная выше, работает превосходно. Тем не менее добавление шунтирующего конденсатора 10 мкФ между выводом для регулировки и землей увеличивает подавление пульсаций (всплесков) почти на 15 дБ (в 5 раз по напряжению).
Вывод «peгулировка» для снижения помех и пульсаций можно зашунтировать, подключив для обеспечения безопасности разрядный диод D2.
Танталовый конденсатор емкостью 1 мкФ (или алюминиевый электролит 25 мкФ) на выходе для улучшения переходного процесса.
D1 защищает устройство от короткого замыкания на входе.
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).
Стабилизаторы с малым падением напряжения
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 UБЭ, и должна запускаться от транзистора‑формирователя, как правило, другого n‑р‑n ‑транзистора, база которого подключена к токовому зеркалу.
Это уже два падения UБЭ.
Далее, следует допустить еще одно падение UБЭ на резисторе‑датчике тока для защиты схемы от короткого замыкания. Упрощенная схем 78Lxx приведена на рисунке
Три падения UБЭ добавляются к 2 В, ниже этого напряжения стабилизатор перестает работать на полном токе.
С помощью проходного р‑n‑р ‑транзистора (или n ‑канального МОП‑транзистора) «перепад» напряжения можно снизить, избавившись от трех UБЭ в обычной n‑р‑n ‑схеме и довести его почти до напряжения насыщения транзистора.
На рисунке ниже показана упрощенная схема LM330 нерегулируемого стабилизатора +5 В (150 мА) с малым «перепадом» напряжения.
С помощью проходного р‑n‑р ‑транзистора выход схемы можно установить в пределах напряжения насыщения нестабилизированного входного напряжения. Исключив падение UБЭ 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 (Iогр составляет 150 мА мин. и 700 мА макс), но она достаточно эффективна для защиты стабилизаторов, которые имеют, помимо того, внутреннюю тепловую защиту.
Стабилизаторы, ориентированные на процессоры
Для работы электронных устройств, содержащих микропроцессоры, 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.
Сейчас можно приобрести ИС стабилизаторов, ориентированные на микропроцессоры, 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.
Дроссель может быть изготовлен самостоятельно на ферритовом кольце диаметром 20-30 мм или взят из разобранной платы источника питания.
Примером сторожевой ИС без стабилизатора может служить МАХ691, 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.
Микромощные стабилизаторы
Большинство 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 это совсем недопустимо для микромощных приборов, которые должны работать тысячи часов, допустим, от одной батареи.
Выход из положения – это микромощные стабилизаторы. Самыми энергосберегающими 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.
Двухполярные стабилизированные источники питания
В аналоговой схемотехнике, где приходится работать с сигналами, как правило, вблизи уровня земли, 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
Предпочтительней использовать регулируемые трехвыводные стабилизаторы потому, что:
а) на каждую полярность и диапазон токов необходимо иметь только один тип
б) в случае необходимости можно точно подстроить напряжение.
Сдвоенные стабилизаторы
Существуют так же «сдвоенные следящие стабилизаторы» — «сдвоенные трехвыводные стабилизаторы». Для того чтобы понять, почему они носят такое сложное название, необходимо взглянуть на рисунок ниже, на котором показана классическая схема сдвоенного стабилизатора.
Т1 – 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. 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. Типичными являются стабилизаторы 4194 и 4195, включение которых показано на рисунках
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
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).
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. Базовая схема показана на рисунке
При токах менее 100 мА схема работает обычным образом. При больших токах нагрузки падение на R1 открывает транзистор Т1 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 Т1 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 UБЭ.
На практике эту схему следует несколько модифицировать для того, чтобы обеспечить ограничение по току для Т1, который в противном случае может отдавать ток в h 21Э раз превышающий максимальный внутренний ток стабилизатора, т. е. 20 А и более! Этого вполне достаточно для разрушения транзистора Т1, как и той несчастной нагрузки, которая в это время была подключена. Два способа ограничения тока показаны на рисунке
Транзистор Т2 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 Т1 реагирует на ток нагрузки за счет падения напряжения на R3 и ограничивает запуск транзистора Т2, 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 Т1 должен выдерживать большие токи (до максимального тока стабилизатора), так как из‑за малого сопротивления резистора в базе Т1 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 Т1 к делителю между коллектором и землей, а не к коллектору Т2.
Источник тока
Из трехвыводного регулируемого стабилизатора можно легко сделать мощный источник постоянного тока. На рисунке ниже 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.
