Компенсационные стабилизаторы

Компенсационные стабилизаторы напряжения позволяют получить постоянное напряжение с минимальным значением пульсаций и шума, поэтому эти стабилизаторы применяются в узлах радиоаппаратуры, наиболее чувствительных к помехам. Более того! Если раньше в радиоэлектронном устройстве применялся один источник стабильного напряжения, а потребители разделялись пассивными RC фильтрами, то теперь экономически выгоднее вместо фильтрующих RC-цепочек поставить интегральные стабилизаторы напряжения.

Следует отметить, что при написании этой статьи я решал непростую дилемму. С одной стороны в настоящее время на рынке предлагается огромное количество готовых микросхем стабилизаторов напряжения. С другой стороны для правильного выбора и применения этих микросхем нужно понимать как они работают. Именно поэтому сначала познакомимся с принципами работы компенсационного стабилизатора, а только потом рассмотрим особенности применения готовых микросхем. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Стабилизация выходного напряжения в компенсационном стабилизаторе происходит при помощи отрицательной обратной связи. Выходное напряжение может измениться под влиянием входного напряжения или изменения тока нагрузки. Оно сравнивается с опорным высокостабильным напряжением и при несовпадении осуществляется его подстройка под заданное значение.

В процессе работы компенсационного стабилизатора транзистор, который применяется в качестве регулировочного элемента, изменяет свое внутреннее сопротивление. На этом сопротивлении по закону Ома осуществляется падение напряжения ΔU_РЭ. При этом напряжение падает ровно настолько, чтобы на выходе получилось требуемое напряжение питания. Это означает, что при применении компенсационного стабилизатора входное напряжение всегда должно быть больше выходного.

В структурной схеме, приведенной на рисунке 1, коэффициент передачи элемента регулирования K_р определяет зависимость выходного напряжения от входного. Для хорошего стабилизатора чем меньше будет этот коэффициент, тем лучше. Пульсации входного напряжения не смогут пройти на выход стабилизатора. Поэтому в элементе регулировки обычно входное напряжение подается на коллектор биполярного транзистора или сток полевого транзистора. Эталонное напряжение U_эт обычно не совпадает с выходным напряжением стабилизатора, поэтому между его выходом и схемой сравнения ставится делитель напряжения с коэффициентом деления Kд. Для получения необходимого коэффициента стабилизации между устройством сравнения и регулирующим транзистором ставится усилитель постоянного тока, который усиливает сигнал ошибки ΔU_E.Общий коэффициент петлевого усиления в данной схеме можно определить следующим образом:

(1)

Принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения лучше пояснить по принципиальной схеме. Принципиальная схема стабилизатора напряжения, выполненная транзисторе и операционном усилителе, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения

В этой схеме в качестве регулирующего элемента использован биполярный транзистор VT1, включенный по схеме с общим коллектором. Поэтому падение напряжения в данной схеме не может быть меньше 0,7 В, в реальности, учитывая падение напряжения на выходном каскаде операционного усилителя достигает 2 В. Схема сравнения реализована на операционном усилителе. В качестве эталонного источника напряжения применен параметрический стабилизатор на резисторе R1 и стабилитроне VD1. Выходное напряжение поступает на инвертирующий вход операционного усилителя через делитель напряжения R2, R3. Изменяя соотношение резисторов можно регулировать выходное напряжение.

Если напряжение на выходе стабилизатора по каким либо причинам возросло, то транзистор VT2 приоткрывается и напряжение на его коллекторе уменьшается. К коллектору VT2 подключена база транзистора VT1, следовательно, уменьшится и напряжение на выходе стабилизатора (вернется к заданному значению). Аналогичным образом схема отрицательной обратной связи отработает и при уменьшении напряжения на выходе.

Следует заметить, что от транзистора VT1 требуется обеспечивать большой коэффициент усиления по току, поэтому в современных стабилизаторах, таких как иностранные микросхемы 7805 или КР142ЕН5 отечественного производства, в качестве этого транзистора применяется составной транзистор по схеме Дарлингтона.

Рисунок 3. Схема Дарлингтона

Коэффициент усиления схемы сравнения напряжений, собранной на транзисторе VT2, сильно зависит от сопротивления R2. Чем больше будет это сопротивление, тем больше Kу, и, следовательно, коэффициент стабилизации. Кроме того, через это сопротивление на базу регулировочного транзистора VT1 поступают пульсации входного напряжения Uвх. С этой точки зрения тоже следует увеличивать сопротивление резистора R2. Однако в результате может не хватить тока для работы транзисторов VT1 и VT2. Поэтому в современных стабилизаторах вместо обычного резистора применяются генераторы тока. Чаще всего в качестве генератора тока применяется схема токового зеркала.

Рисунок 4. Принципиальная схема токового зеркала

В результате получается схема, подобная схеме компенсационного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 7805. Конечно, существуют микросхемы стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, однако подобная функция приводит к усложнению схемы и снижению параметров стабилизатора напряжения, поэтому выгоднее подобрать готовый компенсационный стабилизатор на необходимое напряжение. Принципиальная схема микросхемы компенсационного стабилизатора напряжения 7805 приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора 7805

Несмотря на достаточно сложную внутреннюю схему, применять такой стабилизатор напряжения чрезвычайно просто. Его схема включения приведена на рисунке 6

Рисунок 6. Принципиальная схема стабилизатора, реализованного на микросхеме 7805

Микросхемы, выполненные по этой схеме выпускаются большинством ведущих фирм мира. В качестве примера можно назвать LM7805 фирм Texas Instruments, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor, способную выдавать выходной ток более 1,5 А. Имеется отечественный аналог — стабилизаторы КР142ЕН5В. В названии приведенной микросхемы стабилизатора цифры 78 означают, что это стабилизатор, а цифры 05 означают, что он формирует на выходе напряжение 5 В. Соответственно стабилизаторы 7803 будут формировать напряжение 3.3 В, микросхема 7809 сформирует на выходе напряжение 9В, микросхема 7812 обеспечит напряжение 12В.

Так как через силовой транзистор (элемент регулировки) протекает весь ток нагрузки, то на нем выделяется тепловая энергия, которую необходимо рассеять в окружающем пространстве. Поэтому обычно этот стабилизатор размещается на радиаторе. Для удобства крепления микросхема выполняется в специально разработанном корпусе TO-220, который даже без радиатора способен рассеять до 1 Вт тепла. Внешний вид модуля выпрямителя с стабилизатором напряжения 7805, на котором хорошо видно крепление этой микросхемы к радиатору, приведён на рисунке 7.

модуль выпрямителя с компенсационным стабилизатором напряжения 7805

Рисунок 7. Пример внешнего вида компенсационного стабилизатора, выполненного на микросхеме 7805

Есть вариант корпуса TO-220 с уменьшеным фланцем, предназначенный для пайки на печатную плату. В этом случае роль радиатора выполняет сама печатная плата. Для увеличения её теплопроводности под компенсационным стабилизатором 7805 размещают площадки меди. Участок печатной платы с припаянной микросхемой 7805 в корпусе ТО-220 приведен на рисунке 8.

Компенсационный стабилизатор 7805 в корпусе ТО-220

Рисунок 8. Фотография участка платы с микросхемой 7805 в корпусе ТО-220

В ряде случаев такой большой ток, как обеспечивает микросхема 7805 не требуется, поэтому были разработаны микросхемы маломощных стабилизаторов напряжения. Наиболее распространены микросхемы LM78L05. Эти микросхемы выпускаются в малогабаритных корпусах, таких как SOIC, SOT-89, DSBGA или TO-92. Отечественные малогабаритные стабилизаторы — КР1157. Их схема включения не отличается от схемы, приведенной на рисунке 6, но конструкция совершенно другая. На рисунке 9 приведена фотография участка платы с микросхемой компенсационного стабилизатора 78L05 в корпусе SOT-89.

компенсационный стабилизатор напряжения 78L05 в корпусе SOT-89

Рисунок 9. Фотография участка платы с компенсационным стабилизатором 78L05 в корпусе SOT-89

Корпус микросхемы TO-92 предназначен для проникающего монтажа, поэтому обычно монтируется вручную. Тем не менее, эти микросхемы компенсационных стабилизаторов тоже находят применение. На рисунке 10 приведена фотография участка платы с микросхемой компенсационного стабилизатора 78L05 в корпусе ТО-92.

компенсационный стабилизатор напряжения 78L05 в корпусе TO-92

Рисунок 10. Фотография участка платы с компенсационным стабилизатором 78L05 в корпусе TO-92

Достаточно часто в качестве источника первичного напряжения используется порт USB. Он обеспечивает напряжение +5 В. Для понижения напряжения можно использовать компенсационный стабилизатор 78L03, как это показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Стабилизатор, выполненный на микросхеме 78L03

Как видно из приведенных примеров, компенсационные стабилизаторы нашли широкое применение в современных компьютерах, сотовых телефонах и рациях.

Дата последнего обновления файла 20.07.2023

Вместе со статьей "Компенсационные стабилизаторы" читают: