9.1 Основы: от стабилитрона к последовательному линейному регулятору



==595

Начнём тему источников с рассмотрения рис. 9.2A . Полезно вспомнить, что диод Зенера ( стабилитрон ) является одним из видов стабилизаторов напряжения. Пока напряжение на его концах меньше напряжения стабилизации \( V_Z\) , через стабилитрон течёт незначительный ток. Вблизи от \( V_Z\) ток начинает резко расти ( можно освежить память с помощью рис. 1.15 ). Таким образом, стабилитрон ( или ему подобная 2-выводная микросхема, см. §9.10.2 ), который запитывается током через резистор, подключённый к большему, чем \( V_Z\) , постоянному напряжению, имеет на своих концах напряжение, близкое к \( V_Z\) ( рис. 9.2A ). Ток через стабилитрон равен ^_2 : \(I_Z=( V_+-V_Z)/R\) . К этому относительно стабильному источнику напряжения можно подключать нагрузку. До тех пор, пока нагрузка потребляет меньше, чем только что сосчитанный \(I_Z\) , через стабилитрон продолжает течь ток и напряжение \( V_Z\) меняется не сильно.

Случается, что связка резистор-стабилитрон находит применение сама по себе, но у неё есть несколько недостатков.

1. Напряжение \( V_Z\) нельзя изменить ( и даже выбрать со сколь-нибудь заметной точностью ).
2. \( V_Z\) слегка меняется при изменении тока через стабилитрон, а значит, при изменении \( V_+\) и изменении тока нагрузки будет меняться и выходное напряжение ^_3 .
3. Резистором \(R\) приходится устанавливать достаточно большой ток через стабилитрон, чтобы иметь некоторый запас при максимальном токе нагрузки. Это означает, что источник \( V_+\) всегда отдаёт полный ток, рассеивая столько мощности, столько требуется при максимальной нагрузке.
4. Мощная нагрузка, потребляющая много тока ^_4 , потребует использования мощного стабилитрона, который трудно найти. А трудно найти, потому что они редко используются. А редко используются, потому что есть решения и получше.

Упражнение 9.1
Попробуйте оценить масштаб проблем в следующей простой схеме. Требуется стабильное напряжение +5V для нагрузки величиной от нуля до 1A . Имеется нерегулируемый источник ( трансформатор, диодный мост, конденсатор ), который выдаёт в холостом режиме +12 V , и +9V под нагрузкой 1A . Данные цифры являются «номинальными» и могут гулять на ±10% .
(a) Какую величину должен иметь резистор \(R\) в схеме 9.2A , чтобы даже в наихудших условиях через стабилитрон тёк ток 50 mA ?
(b) Какова максимальная рассеиваемая мощность резистора \(R\) и стабилитрона?



==596

Альтернативой прямому подходу с его 10-ваттными стабилитронами и 10 W тепла, постоянно рассеиваемыми даже при нулевой нагрузке, является стабилизированный источник питания. Его выходное напряжение регулируется, ему не нужен мощный стабилитрон, а КПД выше 75% почти во всём диапазоне рабочих токов.

9.1.1 Добавляем обратную связь

Ситуацию можно слегка улучшить, добавив на выход эмиттерный повторитель ( рис. 9.2B ). Это позволяет снизить ток через стабилитрон, а заодно и рассеиваемую в отсутствие нагрузки мощность. Но стабилизация по-прежнему плоха, т.к. \( V_{BE}\) меняется вместе с выходным током, а схема не позволяет менять выходное напряжение.

Значит, надо использовать стабилитрон ( или другой опорный элемент, см. §9.10.2 ) в качестве образцового напряжения и сравнивать с ним выход. Посмотрим, как это делается.



==597

9.1.1.A Стабилитрон + «усилитель»

Проблема подстройки выходного напряжения решается связкой «стабилитрон-усилитель постоянного тока» ( рис. 9.2C ). Ток через стабилитрон теперь не превышает минимально необходимого для рабочего режима уровня. Для обычного стабилитрона речь может идти о нескольких миллиамперах, а для специальных микросхем может быть достаточно 100 μA...1 mA . Схема позволяет менять выходное напряжение: \( V_{out}=V_Z(1+R_2/R_3) \) . Но здесь следует заметить, что выходное напряжение должно оставаться в пределах \( V_{out}≥V_Z\) . Кроме того, выход формируется операционным усилителем, значит, максимальное напряжение не превышает \( V_+\) , а ток ограничен возможностями микросхемы ( типовое значение \(I_{out}(max) \) =20 mA ). Оба ограничения легко преодолеть.

9.1.1.B Стабилитрон + ОУ + проходной транзистор

Получить большой выходной ток просто. Надо добавить повторитель на npn транзисторе, который позволит поднять выходной ток в β раз. Может показаться, что достаточно добавить повторитель на выход, как в схеме 9.2B , но тогда выходное напряжение снизится на величину \( V_{BE}\) - около 0.6 V . Естественно, можно изменить пропорцию делителя \(R_2/R_3\) , но \( V_{BE}\) - величина изменчивая. Она зависит от температуры и тока нагрузки, награждая той же зависимостью и выходное напряжение. Правильнее будет охватить проходной транзистор петлёй обратной связи ( рис. 9.2D ). Теперь усилитель ошибки видит реальное выходное напряжение и стабилизирует его за счёт петлевого усиления. Выходной эмиттерный повторитель увеличивает ток ОУ с коэффициентом бета \(Q_1\) до ампера или около того. Дополнительно увеличить ток можно с помощью схемы Дарлингтона или n-канального МОП транзистора. \(Q_1\) будет рассеивать 5...10 W при максимальном выходном токе, поэтому его надо ставить на теплоотвод ( см. §9.4.1 ), а для увеличения устойчивости потребуется корректирующий конденсатор \( C_C\) .

9.1.1.C + много всего

Получившаяся схема вполне работоспособна, но ей не хватает некоторых важных свойств, относящихся к устойчивости и безопасности.

Устойчивость петли обратной связи

Стабилизированные источники питания подключаются к потребителям, которые забиты фильтрующими конденсаторами. Конденсаторы нужны, чтобы удержать низкий импеданс шин питания на частотах сигнала. Таким образом, источники постоянного напряжения видят огромные емкостные нагрузки, которые в паре с конечным выходным сопротивлением проходного транзистора ( и токочувствительного резистора, когда он есть ) вызывают запаздывание фазы и создают предпосылки для генерации. Ёмкость нагрузки показана на рис. 9.2D в виде элемента \( C_{bypass}\) , часть которого может наличествовать прямо внутри самого источника в виде совершенно конкретного фильтрующего конденсатора.

Решением, как и в случае рассматривавшихся ранее схем на операционных усилителях, будет использование частотной коррекции ( §4.9 ). Так же, как и в случае ОУ, проще всего её создать, заведя через ёмкость Миллера \( C_C\) обратную связь в выходном каскаде. Типичные значения лежат в диапазоне 100...1000 pF . Находятся обычно экспериментально «методом подбора» увеличением \( C_C\) до получения нужной реакции на скачок тока нагрузки с последующим удвоением номинала для создания запаса по фазе. Микросхемы регуляторов либо имеют внутреннюю цепь частотной коррекции, либо предлагают методы выбора нужных компонентов.

Защита от перегрузки

Схема 9.2D не имеет защиты от короткого замыкания ^_5 . Если на выходе появится потенциал земли, обратная связь заставит ОУ загнать в базу проходного транзистора максимально возможный ток. \(I_b\) величиной 20...40 mA , умноженный с коэффициентом бета \(Q_1\) ( пусть будет в районе 50...250 ), даёт на выходе ток короткого замыкания от 1 до 10 A . Полагаем, что нерегулируемый источник \( V_+\) может его выдать. Такой ток, протекая через проходной транзистор, вызовет чрезмерный его нагрев и, скорее всего, хорошо прожарит неосторожную нагрузку.

Здесь поможет добавление в схему цепей защиты от перегрузки, наиболее простым из которых является классический вариант на элементах \(Q_2\) и \(R_{CL}\) ( рис. 9.2E ). \(R_{CL}\) - токочувствительный резистор небольшого номинала, подбираемый по падению 0.6 V ( падение на диоде база-эмиттер \( V_{BE}\) ) на токе, который чуть больше, чем максимально допустимый ток нагрузки. Скажем, для источника с током 100 mA \(R_{CL}\)=5 Ω . Падение на \(R_{CL}\) прикладывается к переходу база-эмиттер \(Q_2\) , открывая транзистор при достижении предельного значения тока. Открывшийся \(Q_2\) шунтирует избыточный ток базы \(Q_1\) , препятствуя дальнейшему его увеличению. Отметим, что на ограничительный \(Q_2\) не действует высокое напряжение, через него не течёт сильный ток, и не рассеивается большая мощность. Максимум, о чём может идти речь - два падения на диоде на переходе коллектор-эмиттер, максимальный выходной ток операционного усилителя и произведение этих величин соответственно. В состоянии перегрузки на нём будет \( V_{CE}\) ≤ 1.5 V и \(I_C\) ≤ 40 mA или 60 mW . Это вполне комфортные условия для малосигнального транзистора общего применения.

Рис. 9.2 (E)   Эволюция последовательного линейного стабилизатора напряжения на дискретных компонентах. Законченная схема

Позднее будет показан вариант схемы защиты от перегрузки с точным изменяемым уровнем ограничения и техника ограничения с падающей характеристикой ( §9.13.3 ).



==598

Ток стабилитрона, защита от перенапряжения

На схеме 9.2E имеются два новшества. Во-первых, резистор, задающий ток стабилитрона, разделён на две части, а средняя точка шунтирована конденсатором, который фильтрует пульсации. Если выбрать постоянную времени \(τ=(\space R_{1a}∥R_{1b}\space)\space C_1\) достаточно большой по сравнению с пульсациями сетевой частоты 8.3 ms ( 60 Hz ), стабилитрон будет видеть свободный от пульсаций рабочий ток. Такие меры не нужны, если в шине \( V_+\) пульсаций уже нет, как, например, в стабилизированном источнике постоянного тока более высокого напряжения. Запитывать стабилитрон можно также от источника тока.

Во-вторых, на рисунке можно видеть узел защиты от перенапряжений, состоящий из \( D_1\) , \(Q_3\) и резистора 100 Ω . Его задачей является закорачивание выходной линии, если по каким-либо причинам напряжение на ней превысит 6.2 V . Такая ситуация возникает, например, при пробое проходного \(Q_1\) или при обрыве в цепи резистора \(R_2\) . Далее идёт \(Q_3\) - управляемый выпрямитель или «тиристор» ( SCR ) - прибор, который в нормальной ситуации закрыт, а в проводящее состояние переходит, когда p-n переход «управляющий электрод – катод» сместится в положительном направлении. Перейдя в проводящее состояние, полупроводниковая структура остаётся в нём, пока через прибор продолжает течь ток. В нашем случае, ток управляющего электрода появляется, когда выходное напряжение превысит напряжение стабилизации \( D_1\) плюс падение напряжения на p-n переходе. При его возникновении источник переходит в режим ограничения тока с выходным напряжением близким к уровню земли и равным падению на SCR. Если неисправность, вызвавшая повышение напряжения на выходе, заблокировала одновременно работу схемы ограничения тока ( например, при пробое коллектор-эмиттер транзистора \(Q_1\) ) , то через защитную цепь начнёт течь очень большой ток, поэтому полезно добавить в устройство плавкий предохранитель, как это сделано в схеме 9.48 . Схемы защиты от перенапряжения дополнительно обсуждаются в §9.13.1 и ##§X9.7.

Упражнение 9.2
Объясните, каким образом обрыв в \(R_2\) вызывает резкий рост напряжения на выходе. Какое приблизительно выходное напряжение будет при обрыве?



==598