Линейные стабилизаторы. Виды и устройство. Особенности

Ни одна электронная схема неспособна выполнять свои функции без наличия в ее составе источника стабильного электропитания. Для реализации этой возможности в большинстве схемных решений предусматриваются специальные линейные стабилизаторы напряжения. Эти устройства, как правило, оформляются в виде законченной корпусной детали или схемы, состоящей из дискретных активных и пассивных электронных компонентов.

Функциональные особенности стабилизаторов и их устройство

При использовании классических трансформаторных схем с выпрямительным мостом и фильтрующим элементом обеспечиваемое ими электропитание зависит от тока в нагрузке. В отличие от них дискретные линейные стабилизаторы гарантируют получение постоянного напряжения, не зависящего ни от каких внешних факторов (за исключением перегрузки).

Стабилизирующие устройства в интегральном исполнении включают в свой состав большое количество компонентов, представленных полевыми или биполярными транзисторами. На их основе изготавливаются все функциональные узлы этого прибора, включая исполнительный модуль и схему управления им.

Краткий исторический экскурс

Основная проблема, решаемая в свое время разработчиками стабилизаторов, состояла в зависимости рабочих параметров схемы от окружающей температуры. По этой причине никак не удавалось добиться постоянства характеристик, а значит и стабильности выходного напряжения в широком диапазоне токов нагрузки.

Найти решение в 1967 году удалось инженеру-электронщику из США Роберту Видлару, предложившему оригинальную схему стабилизатора. В разработанном им устройстве особенно выделялись следующие технические решения:

Регулировочный транзистор включался непосредственно между источником нестабилизированного напряжения и нагрузкой.
Схема управления включала в себя усилитель погрешностей с источником опорного напряжения.
Последнее решение обеспечивало температурную компенсацию работы всего устройства и позволяло избавиться от такого недостатка.

В результате этих нововведений появились линейные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении, которые со временем стали очень популярны у разработчиков электронных изделий.

Схема интегрального стабилизатора

Схема-1

На (схеме-1) изображена упрощенная схема линейного стабилизатора в интегральном исполнении, известного под обозначением «LM317» или «КР142ЕНхх». Она построена на основе входного операционного усилителя (ОУ), охваченного «глубокой» отрицательной связью по напряжению, и регулируемого по входу биполярного транзистора.

Выходной элемент включен по схеме с общим коллектором, мало зависящей от температуры (другое его название – «эмиттерный повторитель»). Благодаря такому включению и стабильности выходных характеристик ОУ удается обеспечивать постоянство режима работы каскада на биполярном транзисторе. В результате этого получаем устройство со стабильным выходным напряжением, практически не зависящим от тока в нагрузке.

Стабилизаторы такого типа традиционно имеют три рабочих контакта: входной, общий или «земляной» и выходной (слева направо).

Stabilizator

Критические режимы работы стабилизатора

Предельно допустимые режимы работы возникают в следующих ситуациях:

При превышении входным напряжением допустимого значения.
В случае нарушения теплового режима.
При коротком замыкании по выходу.

Первые два случая удается предупредить за счет правильного выбора входного нестабилизированного напряжения и установкой микросхемы на радиатор с достаточной площадью отвода тепла.

Короткое замыкание по выходному току – особо сложный случай, который может привести к выходу микросхемы из строя. Поэтому инженеры, разрабатывающие линейные стабилизаторы, ввели в их состав специальные защитные элементы, ограничивающие токовую компоненту через основные части схемы. Зависимость тока на выходе такого устройства от разницы между входным и выходным напряжением изображена на графике.

Grafik

Из приведенного графика видно, что при коротком замыкании токовая лавина не растет до бесконечности, а достигает определенного максимума, после чего схема автоматически отключается. Последние модели стабилизаторов марки «ADP3303», например, помимо элементов ограничения по току дополнительно оснащаются специальной тепловой защитой.

Линейные стабилизаторы с регулируемым выходом

Наряду с линейными стабилизирующими устройствами с фиксированным рабочим напряжением существуют с регулируемыми выходными параметрами. Эти приборы позволяют выставлять выходное напряжение в определенном диапазоне значений, которые необходимы для питания аппаратуры. Добиться этого удается за счет использования активных делителей напряжения на управляемых биполярных транзисторах.

Более совершенные стабилизаторы с регулируемым выходным напряжением, выпускаемые под обозначением «LM317», характеризуются низким собственным потреблением. Существуют также устройства высокоточных регуляторов с управляемым выходом (например, марки «TPS70151»). В отличие от LM317 у этих изделий имеется не три, а пять или шесть контактов, позволяющих реализовать сразу несколько дополнительных функций. Это может быть защита от всплесков напряжения, а также функция отключения нагрузки и т. п.

Как получить стабилизаторы с различными полярностями выходного параметра

Ранее рассматривались варианты стабилизирующих устройств, напряжение на выходе которых имело положительное значение относительно нулевого провода (условной «земли»). Но существуют также стабилизаторы, которые формируют отрицательный относительно общей шины потенциал.

Получить минусовое выходное напряжение удается простым схемным решением, суть которого заключается в отсоединении общего вывода и в заземлении положительного контакта. По завершении этой переделки «земля» с «плюсом» поменяются местами, что приведет к получению отрицательного напряжения. Типичные образцы таких микросхем – линейные стабилизаторы марок «LM337T» и «1168ЕНхх».

В случае, когда требуется получить сразу два выходных напряжения различной полярности (положительной и отрицательной) – потребуется использовать так называемые «симметричные» стабилизаторы (Схема-2).

Схема-2

Эти электронные приборы обеспечивают на выходе симметричные стабилизированные потенциалы различной полярности. Для их получения на входы устройства подаются два нестабилизированных напряжения (положительное и отрицательное). Типичный представитель симметричных полярных изделий – микросхема типа «КР142ЕН6».

Как уменьшить падение напряжения на интегральных стабилизаторах

Падение напряжения на самой схеме стабилизаторов, как правило, не превышает 3-х Вольт. Чтобы получить на выходе стабилизированные, например, 12 В – на вход потребуется подать 15 В. Для снижения этого показателя при разработке новых вариантов стабилизирующих устройств на их выходе стали ставить транзисторы p-n-p типа, что позволило совместить токовые компоненты сразу двух элементов. Оптимизация схемы позволила снизить это падение до 1 В.

Те же самые изменения в свое время были внесены и в линейные стабилизаторы с выходными напряжениями разной полярности, что привело к вполне ожидаемым результатам. Так, например, в изделии серии «1170ЕНхх», падение напряжения снизилось до 0,6 В. Вместе с тем их удалось разместить в меньшем по размеру корпусе ТО-92 при сохранении тех же нагрузочных токов (до 100 мА). При этом сама микросхема потребляет всего 1,2 мА.

Эксплуатационные показатели интегральных стабилизаторов

Эксплуатационные характеристики интегральных стабилизирующих устройств подразделяются на показатели точности и динамические параметры. К первым относят:

Коэффициент стабилизации.
Отклонение выходного напряжения от номинала.
Внутреннее сопротивление.
Показатель температурной стабильности.

Динамические характеристики стабилизаторов интегрального типа представлены такими показателями, как диапазон значений входных напряжений, максимальный нагрузочный ток и мощность рассеяния. К ним также относят:

Предельно допустимую разность напряжений на входе и выходе устройства.
Ток в нагрузке в режиме холостого хода.
Диапазон рабочих температур.

Каждый из перечисленных показателей в определенной мере влияет на выбор конкретного стабилизирующего устройства, подходящего для заявленных целей.

Типовые схемы включения устройств

Схема-3

Интегральные линейные стабилизаторы включаются по типовым схемам, приведенным на (Схема-3). Из них видно, что для нерегулируемых устройств на входе и выходе дополнительно «навешиваются» небольшие по величине емкости. Они используются для фильтрации высокочастотных всплесков напряжения, что повышает помехозащищенность работы всего устройства.

При подключении приборов с регулируемым рабочим напряжением между выводом «1» и «землей» ставится переменный резистор. С его помощью выходной параметр выставляется с необходимой точностью.