Искусство схемотехники. Том 1 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

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. Но теперь вы уже «подогреты» простотой трехвыводных стабилизаторов и уже не представляете себе, как можно иметь дело со схемами стабилизатора на ИМС 723 со всеми внешними элементами, которые для нее требуются. Что делать? Взять «трехвыводной регулируемый стабилизатор»! В табл. 6.9 перечислены характеристики представительной выборки трехвыводных регулируемых стабилизаторов.

Типичным представителем этих замечательных ИМС является классический LM317 фирмы National. 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 рис. 6.29 показан простейший способ применения этого стабилизатора.

Рис. 6.29. Трехвыводной регулируемый стабилизатор.

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, однако рекомендуется несколько большая емкость — что-нибудь вроде 6,8 мкФ.

Схема 317 выпускается в разных корпусах: пластмассовых на большую мощность (ТО-220), металлических большой мощности (ТО-3) и в корпусах для маломощных транзисторов (металлический ТО-5 и пластмассовый ТО-92). Схема в корпусе на большую мощность, оснащенная соответствующим радиатором, может отдавать ток до 1,5 А. Поскольку эта схема не имеет непосредственного заземления, ее можно использовать в стабилизаторах высокого напряжения, пока разность входного и выходного напряжения не превосходит максимум 40 В (у высоковольтного варианта LM317HV-60 В).

Упражнение 6.5. Спроектируйте стабилизатор на +5 В на основе схемы 317. Обеспечьте регулировку напряжения в пределах +20 % с помощью подстроенного потенциометра.

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). Внимательно изучите спецификации, прежде чем применять эти устройства, обращая внимание на требования к шунтирующему конденсатору и предложения относительно диода защиты. 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) и можно найти микромощные варианты ИМС (например, LP2951 — регулируемый вариант 5-вольтового стабилизатора LP2950 с фиксированным напряжением; оба имеют Iпокоя = 75 мкА). Можно также найти и варианты схем на отрицательное напряжение, хотя их разнообразие меньше: LM337 — аналог (на отрицательное напряжение) схемы LM317 (1,5 A), a LM333 — схемы LM350 (3 А).

Четырехвыводные стабилизаторы. Если условия применения не слишком жесткие, то лучше всего использовать трехвыводные регулируемые стабилизаторы. Исторически они предшествовали четырехвыводным, подключение которых показано на рис. 6.30.

Рис. 6.30.

На «управляющий» вывод подается часть выходного напряжения; стабилизатор регулирует выходное напряжение, поддерживая на управляющем выводе фиксированное напряжение (+3,8 В для стабилизаторов Lambda, указанных в табл. 6.9, +5 В для μΑ79θ и -2,2 В для стабилизаторов отрицательного напряжения). Четырехвыводные стабилизаторы ничем не лучше более простых трехвыводных (но и не хуже), и мы упоминаем здесь о них лишь для полноты картины.

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

Максимальное входное напряжение… 35 В (за исключением TL 783, для которого +125 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. На рис. 6.29 показана схема включения стандартного трехвыводного стабилизатора; работает она превосходно. Тем не менее добавление шунтирующего конденсатора 10 мкФ между выводом для регулировки и землей (рис. 6.31) увеличивает подавление пульсаций (всплесков) почти на 15 дБ (в 5 раз по напряжению).

Рис. 6.31. Вывод «per.» для снижения помех и пульсаций можно зашунтировать, подключив для обеспечения безопасности разрядный диод.

Например, 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). Позаботьтесь о включении разрядного диода для безопасности; более детальную схему вы сможете составить, заглянув в технические данные конкретного стабилизатора.

Стабилизаторы с малым падением напряжения. Как мы уже ранее упоминали, 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; взгляните на упрощенную схему 78Lxx на рис. 6, 32, а. Три падения UБЭ добавляются к 2 В, ниже этого напряжения стабилизатор перестает работать на полном токе.

С помощью проходного р-п-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 рис. 6.32, б показана упрощенная схема LM330 нерегулируемого стабилизатора +5 В (150 мА) с малым «перепадом» напряжения.

Рис. 6.32. Упрощенная схема 78Lxx (а); упрощенная схема LM330 (с низким перепадом) (б).

С помощью проходного р-п-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.