Лекция 58. Специальные источники питания и стабилизаторы (Занятие 2.4.12).

 

Вопросы:

1. Микромощные стабилизаторы.

2. Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами.

3. Источники стабилизированного постоянного тока.

 

Вопрос 1. Микромощные стабилизаторы.

Как мы уже ранее упоминали, можно спроектировать схему с батарейным питанием с очень низким током покоя, порядка десятков микроампер. Это как раз то, что нужно, чтобы сделать схему, которая работала бы в течение нескольких месяцев или лет от одной маленькой батареи (например, наручные часы или калькулятор). Щелочной 9-вольтовый транзисторный аккумулятор, к примеру, полностью исчерпывает себя после 400 мА-ч работы; следовательно, 50-микроамперная схема будет работать около года (8800 часов). Если для такой схемы потребуется стабилизированное напряжение, то вы, очевидно, не можете позволить себе тратить 3 мА тока покоя в ИС 78L05, поскольку это снизило бы сроки службы батареи до недели. Решить эту проблему можно либо с помощью стабилизатора на дискретных компонентах, либо используя одну из микромощных ИС. К счастью, в последние годы выпускают несколько хороших ИС Одними из лучших являются стабилизаторы серии LP2950 фирмы National-трех выводной нерегулируемый стабилизатор 5 В. выпускаемый в небольшом транзисторном корпусе ТО-92 (LP2950ACZ-5.0), или многовыводной регулируемый стабилизатор 1,2-30 В (LP2951). Обе версии имеют ток покоя 75 мкА.

Существуют ИС с ее более низким током покоя- ICL7663/4 (или МАХ 663/4), регулируемые стабилизаторы на обе полярности с током покоя 4 мкА. Как пример того, что можно сделать на дискретных компонентах, на рисунке 1.1 мы приводим микромощную схему, которую можно использовать в электростимуляторе сердечной мышцы, работающем от литиевой батареи.

Рисунок 1.1 – Микромощный импульсный стабилизатор

Эта схема преобразует входное напряжение в диапазоне от +5 до +3 В (по мере старения батареи) в стабилизированное напряжение +5,5 В Этот источник имеет ток покоя 1 мкА, обеспечивает стабилизацию по входу и нагрузке 5% и эффективность преобразования 85% при полной нагрузке для всего диапазона напряжений батареи. Как мы отмечали при обсуждении импульсных источников, традиционные линейные источники, использующие генератор, удвоитель и последовательный проходной стабилизатор, были бы гораздо менее эффективными, потому что при более высоких нестабилизированных напряжениях потери в стабилизаторе возрастают. Схемы с обратным выбросом эффективны как умножители напряжения с переменным коэффициентом умножения; они дают чрезвычайно высокий КПД и поэтому достаточно привлекательны для использования в микромощных схемах.

На управляемом однопереходном транзисторе 2N6028 собран релаксационный генератор. Его анодный вывод не проводит ток, пока напряжение на нем не превысит напряжение на управляющем электроде на величину падения на диоде: в этот момент он начинает пропускать большой ток, разряжая конденсатор. Результирующий положительный импульс на базе Т₂ «тянет» коллектор Т₂ к земле, запуская схему 4098, известную под названием «одновибратор», которая генерирует положительный импульс постоянной длительности на своем выходе Q. Т₃ в этой схеме снимает выходное напряжение и «отнимает» часть разрядного тока у С₁, снижая скорость нарастания импульса преобразования энергии до величины, необходимой для содержания требуемого выходного напряжения. Обратите внимание на большие величины сопротивлений резисторов во всей схеме. Температурная компенсация, в данном случае не тема для разговора поскольку схема работает в условиях постоянной температуры 36,6 °С «передвижной печи». 

 

Вопрос 2. Преобразователинапряжения с переключаемыми конденсаторами.

Ранее мы рассмотрели импульсные источники питания, упомянув их странную способность вырабатывать выходное постоянное напряжение, большее чем входное или даже противоположной полярности. Там мы упомянули также, что преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами могут делать то же самое. Что же это такое «переключаемые конденсаторы»?

На рис 2.1 показана упрощенная схема КМОП ИС 7662 фирмы Intersil с расширенной вторичной частью (обвязкой).

 

 

Рисунок 2.1-  Инвертор напряжения с переключаемыми конденсаторами. С₁ и С₂-внешние танталовые конденсаторы емкостью 10 мкФ.

 

 Она имеет внутренний генератор и несколько ключей КМОП; для ее работы необходимы два внешних конденсатора Если входная пара ключей замкнута (в проводящем состоянии), С, заряжается до U_BX; затем во время второго полуцикла С_х отключается от входа и подключается в перевернутом состоянии к выходу. Таким образом, он передает свой заряд на С₂ (и нагрузку), обеспечивая на выходе напряжение, равное примерно -U_вх. С другой стороны, вы можете использовать 7662 для формирования напряжения 2 U_вx, организовав схему таким образом, что С₁ будет заряжаться так, как и раньше, но затем на второй половине цикла будет подключаться последовательно с U_вх.

Такой способ переключаемых конденсаторов прост и эффективен; для его реализации необходимо всего несколько компонентов (индуктивности не нужны). Однако выход схемы не стабилизирован и существенно падает при токах нагрузки больше нескольких миллиампер (рис. 2.2).

 

Рисунок 2.2 – Выходное напряжение инвертора с переключаемыми конденсаторами под нагрузкой значительно уменьшается.

 

Кроме того, большинство таких КМОП-приборов имеют ограниченный диапазон напряжений питания для 7662 U_вх может меняться в диапазоне только от 4,5 до 20 В (от 1,5 до 10 В для ее предшественницы 7660) Наконец, в отличие от индуктивных повышающих и инвертирующих схем, которые могут генерировать любое напряжение, преобразователь напряжения на переключаемых конденсаторах может формировать напряжения кратные U_вх. Несмотря на эти недостатки, преобразователи на свободных конденсаторах при определенных обстоятельствах очень ' удобны, например, для того чтобы обеспечить питание биполярных операционных усилителей или последовательного порта на схемной плате, которая имеет питание +5В.

Существуют еще несколько интересных ИС с переключаемыми конденсаторами. МАХ680 фирмы Maxim-это сдвоенный источник, который вырабатывает ± 10 В (до 10мА) от +5 В (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 – Сдвоенный источник с переключаемыми конденсаторами.

 

 Похожая схема LT1026 фирмы LTC формирует выход +20 В (до 20мА) и использует меньшие емкости (1мкФ вместо 20мкФ). Схема LT1054 фирмы LTC сочетает преобразователь с переключаемыми конденсаторами с линейным стабилизатором и вырабатывает достаточно мощный стабилизированный выход с токами нагрузки до 100 мА (при более низком КПД, разумеется) Схемы серии МАХ232 и схема LT1080 объединяют источник на переключаемых конденсаторах +10В и цифровой последовательный порт RS-232C, что исключает необходимость в биполярном источнике для многих компьютерных плат; некоторые ИС из серии МАХ232 содержат даже встроенные конденсаторы. Схема же LTC1043 представляет собой незавершенный блок с переключаемыми конденсаторами, который можно использовать для того, чтобы проделывать всевозможные чудеса К примеру вы можете использовать переключаемые конденсаторы для передачи падения напряжения, измеренного на неудобном потенциале вблизи потенциала земли (например, на резисторе для считывания тока при положительном напряжении источника), туда, где с ним можно легко справиться. Документация на LTC1043 содержит 8 страниц с подобными хитроумными применениями.

Вопрос 3. Источники стабилизированного постоянного тока.

Трехвыводные стабилизаторы. Показали, как можно использовать трехвыводной регулируемый стабилизатор для построения превосходного простого источника тока Стабилизатор типа 317 поддерживает между выходным выводом и выводом «рег» постоянное напряжение 1.25В (ширина запрещенной зоны); включая резистор между этими выводами, можно получить двухвыводной прибор со стабильным постоянным током, используемый для отдачи или отвода тока. Поскольку перепад на самом стабилизаторе составляет около 2В. характеристики начинают ухудшаться при напряжении на схеме менее 3 В.

Этот тип источника тока удобен для средних и больших токов- LM317 имеет максимальный ток 1,5 А и может работать с падением напряжения до 37 В. Ее высоковольтный родственник LM317HVK может выдержать падение 57 В Выпускаются более сильноточные версии, например LM338 (5А) и LM396 (10А), но они рассчитаны на более низкие напряжения. Трехвыводные стабилизаторы не работают как источники тока при токах 10мА. наихудший случай тока покоя. Обратите внимание, однако, что ток не является источником ошибки тока поскольку он протекает от входного вывода выходному; гораздо меньший ток. вытекающий по выводу «рег» (50 мкА номин.), колеблется в пределах 20% по всему диапазону рабочих температур и им можно пренебречь. В давние времена, до появления трехвыводных регулируемых стабилизаторов, иногда использовали в качестве источников тока 5-вольтовые нерегулируемые стабилизаторы (например. 7805) в похожей схеме (заменяя вывод «рег» выводом «земля»). Это плохая схема, потому что при малых выходных токах ток покоя стабилизатора вносит большую ошибку, а при больших токах падение напряжения 5 В на резисторе установки тока приводит к липшему рассеянию мощности.

Измерение тока в шине питания. Простая схема с хорошими параметрами получается из традиционного последовательного проходного стабилизатора со съемом тока на входе проходного транзистора (рис. 3.1). R₂-резистор для съема тока, желательно с малой температурной зависимостью.

Для очень больших токов или прецизионной точности следует использовать четырехпроводной резистор, специально предназначенный для измерений тока-измерительные проводники подключены в самом резисторе В этом случае снятое напряжение не зависит от сопротивления соединения с токонесущими проводниками, которые на схеме для ясности показаны жирными линиями.

Рисунок 3.1 - Измерение тока в шине питания.

 

В этой схеме необходимо использовать операционный усилитель, который имеет диапазон входных синфазных сигналов вплоть до положительного напряжения питания (307, 355 и 441 обладают этим достоинством), если, конечно, вы не питаете операционный усилитель от еще более положительного вспомогательного напряжения. МОП-транзистор в этой схеме можно было бы заменить на проходной р-п- p -транзистор, однако, поскольку выходной ток будет тогда включать ток базы, придется использовать соединение Дарлингтона для минимизации ошибки. Обратите внимание на то, что вместо p -канального транзистора можно использовать   п -канальный выходной транзистор (подключенный как повторитель), если поменять подключение на входе операционного усилителя. Однако в этом случае источник тока будет иметь нежелательно низкий выходной импеданс на частотах, близких к частоте f _г контура операционного усилителя, поскольку выход является по существу истоковым повторителем При проектировании источников тока часто допускают подобную ошибку, так как анализ по постоянному току показывает хорошие параметры

Измерение тока в возвратной цепи. Хорошим способом построения прецизионного источника тока является считывание напряжения на прецизионном резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. В этом случае легче исключить ошибки источника тока, связанные с током базы; базовый ток должен проходить либо и через нагрузку, и через усилитель считывания, либо не должен проходить ни через то, ни через другое. Для того чтобы удовлетворить этому требованию, необходимо «подвесить» нагрузку или источник питания, по крайней мере, к напряжению, равному падению напряжения на резисторе для измерения тока. На рис. 3.2 показаны две схемы использующие плавающую нагрузку.

Рисунок 3.2- Измерение тока в возвратной цепи

Первая схема-это обычная последовательная проходная схема, в которой сигнал ошибки получается из падения напряжения на небольшом резисторе, включенном на возвратном пути от нагрузки к земле. Сильноточный путь здесь также отмечен жирной линией. В данном случае соединение Дарлингтона используется не для того, чтобы избежать ошибки, связанной с базовым током (измеряется реальный ток нагрузки), а чтобы снизить ток управления до нескольких миллиампер, поэтому в качестве усилителя ошибки можно использовать обычный операционный усилитель. Измерительный резистор должен быть прецизионным мощным резистором с малой температурной зависимостью и желательно четырехпроводным В второй схеме транзистор регулирования Т₂ находится в возвратной цепи земли сильноточного источника питания.

Преимущество такого расположения состоит в том, что коллектор транзистора подключен к земле, поэтому можно не беспокоиться относительно изоляции корпуса транзистора от теплоотвода. В обеих схемах R_изм выбирается из расчета падения на нем около вольта при типовых рабочих токах; значение резистора - это компромисс между ошибками смещения на входе операционного усилителя с одной стороны, и сочетанием уменьшенного размаха источника тока и увеличенной мощностью рассеяния, с другой. Если схема предназначается для работы в большом диапазоне выходных токов, то R_изм, по-видимому, целесообразно выполнить в виде набора прецизионных резисторов с выбором нужного Резистора с помощью переключателя.

Заземленная нагрузка. Если важно, чтобы нагрузка была подключена к земле, то можно использовать схему с плавающим источником на рис. 3.3 показано два примера.

Рисунок 3.3. -  Источники тока для заземленных нагрузок, использующие плавающие высоковольнтные источники питания

 

В первой схеме операционный усилителем изображенный необычным образом. представляет собой усилитель ошибки с сильноточным буферным выходом; им может быть простой 723 (для токов до 150 мА) или один из сильноточных операционных усилителей. Общий вывод сильноточного источника «плавает» относительно схемной земли. Большое значение имеет то, что усилитель ошибки (или по крайней мере, выход его буфера) питается от плавающего источника и токи базы возвращаются через R_изм. Понадобится дополнительный слаботочный источник с заземленным общим выводом, если в этом же приборе будут использованы другие операционные усилители и т. п. Отрицательный источник опорного напряжения (относительно схемной земли) управляет выходным током. Обратите внимание на полярность на входах усилителя ошибки.

На второй схеме показано использование второго маломощного источника для случая, когда в качестве усилителя ошибки используется обычный слаботочный операционный усилитель.Т₁ — это внешний проходной транзистор, который может быть парой Дарлингтона (или может быть МОП-транзистором), поскольку базовый ток возвращается через нагрузку, а не через измерительный резистор. Усилитель ошибки питается в данном случае от того же расщепленного источника с заземленным общим выводом, от которого питаются все остальные схемы прибора. Эта схема очень удобна как простой стендовый источник тока со встроенным слаботочным расщепленным источником и внешним сильноточным источником. В каждом конкретном случае вы можете подобрать напряжение сильноточного источника и его нагрузочную способность по току.