Материал: Источники питания РЭА

источника питания 5± 0,5 В. При увеличении этого напряжения всего на несколько вольт ТТЛ-микросхемы повреждаются.

Один из способов защиты нагрузки от перенапряжения на выходе стабилизатора показан на рис. 2.45. При нормальной работе стабилизатора (выходное напряжение не превышает предельно установленного значения)

стабилитрон VD1 закрыт (напряжение стабилизации больше Uвых), ток через резистор R не протекает и тиристор VD2 закрыт (к управляющему электроду не приложено открывающее напряжение, а напряжение включе-

ния значительно больше Uвых).

Рис.2.45. Защита стабилизатора от перенапряжения на тиристоре.

При недопустимом увеличении выходного напряжения (Uвых больше напряжения стабилизации VD1)стабилитрон VD1 открывается и через рези-

стор R протекает ток I=(Uвых − Uст)/R, где Uст – напряжение стабилизации опорного диода VD1. На резисторе R устанавливается падение напряжения

U=Uвых − Uст, которое прикладывается к управляющему электроду тиристора. Тиристор VD2 открывается и шунтирует выход стабилизатора, гася выходное напряжение до 1 – 1,5 В. Перевести тиристор в закрытое состояние можно отключив входное напряжение (прервав протекание тока через VD2). Конденсатор С предотвращает срабатывание защиты от кратковременных бросков напряжения, которые наблюдаются периодически даже у нормально работающих стабилизаторов. Емкость конденсатора С1 должна быть около 0,1 мкФ.

Схема (рис. 2.45) поддерживает на выходе стабилизатора в аварийном режиме напряжение «короткого замыкания» около 1 В, что не создает особых проблем с защитой от перегрева тиристора VD2. Однако необходимо обязательное наличие токоограничивающей схемы внутри стабилизатора напряжения или выпрямителя, к которому подключен стабилизатор. Можно для этой цели использовать обычный плавкий предохранитель.

Недостатком схемы (рис. 2.45) является трудность установки требуемого напряжения срабатывания защиты. Стабилитроны выпускаются только на определенные значения пробивного напряжения, причем с большим допуском. При этом требования к напряжению срабатывания защиты мо-

гут быть очень жесткими. Например, при питании устройства, выполнен-

ного на микросхемах ТТЛ-логики Uвых должно быть равно 5 В при возможном отклонении его значения от номинального на 5 – 10%. Таким образом напряжение срабатывания защиты должно быть не менее 5,5 В. При этом надо учесть и дополнительные колебания напряжения, обусловленные переходными процессами в ИП. Следовательно, с учетом запаса на выбросы напряжения порог срабатывания защиты не должен быть меньше 6 В. С другой стороны выходное напряжение не должно превышать 7 В (максимальное напряжение, которое способны выдержать ТТЛмикросхемы). При использовании в качестве стабилитрона 1N5232В с напряжением стабилизации 5,6 В ± 5% (высокая точность) и тиристора 2N4441 при R=68 Ом порог срабатывания защиты находится в интервале от 5,9 В до 6,6 В. Поэтому при достаточно жестких требованиях к порогу срабатывания необходима индивидуальная настройка схемы защиты, что значительно усложняет изготовление таких ИП.

Интегральные схемы-датчики перенапряжения. Одним из направ-

лений преодоления недостатков схемы (рис.2.45) является использование специальных триггерных ИМС защиты, таких как МС3423-5, TL431 и других. Данные микросхемы следят за выходным напряжением стабилизатора и напрямую управляют тиристором. Например, ИМС МС3425 имеет регулируемый порог и время срабатывания, а также имеет вывод для сигнализации о недопустимом уменьшении напряжения питания. МС3425 содержит встроенный источник опорного напряжения, несколько компараторов и драйверов. Для работы ИМС требуется подключение только двух внешних резисторов.

Модули защиты от перенапряжения. Выпускаются различными фирмами-изготовителями ИМС (Lambda, Motorola и др.). Модули защиты очень удобны в использовании, так как имеют всего два вывода и подключаются параллельно выходу стабилизатора. Необходимо лишь подобрать подходящий по параметрам модуль: напряжение срабатывания и максимальный допустимый ток. Например, самые слаботочные модули фирмы Lambda выдерживают ток 2 А и имеют фиксированные значения напряжения срабатывания 5, 6, 12, 15, 18, 20, 24 В. Серия МРС200 (фирмы Motorola) выпускается на напряжения 5, 12 и 15 В и рассчитаны на ток 7,5, 15, 35 А. Точность срабатывания модулей достаточно высокая. Например, модуль фирмы Lambda, рассчитанный на 5 В, срабатывает при напряжении 6,6± 0,2 В.

Ограничители. Другим вариантом защиты от перенапряжения является использование мощного стабилитрона или его аналога. При этом автоматически решается задача предотвращения срабатывания защиты на кратковременных выбросах напряжения, так как стабилитрон мгновенно переходит в непроводящее состояние, как только прекращается всплеск напряжения.

На рис. 2.46 показана схема аналога мощного стабилитрона построенного на транзисторе с большим допустимым коллекторным током. Основным недостатком схемы является то, что в аварийном режиме транзистор будет

рассеивать значительную мощность (Uст Iпор) и может быть поврежден. Имеют место и трудности, связанные с обеспечением теплового режима схемы защиты при ее срабатывании.

Рис. 2.46. Аналог мощного стабилитрона на транзисторе.

2.8 Стабилизаторы напряжения на интегральных микросхемах

Применение ИМС существенно улучшает параметры стабилизаторов напряжения и упрощает их схемотехнику. Как отмечалось выше, компенсационный стабилизатор представляет собой следящую систему, которая автоматически поддерживает постоянное значение выходного напряжения.

Снижая до минимума сигнал рассогласования ∆U = K1 Uвых ─ K2 Uоп, где K1 и K2 – коэффициенты пропорциональности (в частном случае K1 = K2 = 1, если не осуществляется деление соответствующих напряжений). Качество стабилизации зависит от параметров усилителя сигнала рассогласования ∆U. Поэтому применение ИМС, например, операционных усилителей в качестве устройств формирования сигналов управления проходными транзисторами, увеличивает коэффициент стабилизации стабилизаторов и снижает их выходное сопротивление. Кроме этого для построения ИП широко используется интегральные стабилизаторы напряжения.

Стабилизатор напряжения с регулирующим ОУ. На рис. 2.47

представлена схема простого стабилизатора напряжения с регулируемым ОУ. Схема состоит из ОУ, включенного по схеме неинвертирующего уси-

лителя (для опорного напряжения Uоп) с отрицательной обратной связью по напряжению. Сигнал обратной связи снимается с положительного по-

люса нагрузки Rн, и ОУ таким образом «отрабатывает» выходное напряжение в соответствии с зависимостью: Uвых = Uоп (1+R2 / R1). Необходимый при этом значении Uвых ток нагрузки обеспечивается проходным транзистором VT, включенным по схеме эмиттерного повторителя. При больших токах нагрузки этот транзистор может быть составным. Питание ОУ осуществляется не симметричными относительно земли напряжениями, а по-

ложительным однополярным напряжением. Это накладывает ограничение на полярность входного и опорного напряжений, которая может быть только положительной. ОУ будучи достаточно хорошим усилителем напряжения, поддерживает величину выходного напряжения практически

постоянной. При этом стабилизатор эффективно подавляет пульсации Uвх, оставшиеся после выпрямления и низкочастотной фильтрации пониженно-

го напряжения питающей сети. Колебания Uвх практически не влияют на

стабильность Uвых, так как дрейф выходного напряжения ОУ, вызванный изменением напряжения питания крайне мал.

Uвх

Рис.2.47. Базовая схема компенсационного стабилизатора напряжения с регулирующим ОУ.

Учитывая, что ОУ получает однополярное питание, положительное напряжение питания ОУ можно увеличить примерно в два раза. Таким образом, стандартные ОУ, рассчитанные на питание ± 15 В, можно использо-

вать в схемах с Uвх до 30 В.

Многие интегральные ОУ имеют внутренние схемы ограничения выходного тока (типовое значение 7 – 20 мА), благодаря чему устанавливает-

ся некоторое предельное значение тока базы проходного транзистора Iб. Следовательно, для схемы (рис.2.46) ток нагрузки также ограничен уров-

нем Iбβ. Поэтому для обеспечения потребного значения тока нагрузки необходим обоснованный выбор величины коэффициента передачи тока β.

Однако этого не достаточно для ограничения выходного тока стабилизатора при коротком замыкании в нагрузке. При коротком замыкании выхода проходной транзистор будет стремиться к тепловому пробою. Кроме этого, для одного и того же типа транзисторов разброс β довольно велик и сам β является функцией температуры и коллекторного тока.

На рис.2.48 представлена улучшенная схема стабилизатора. Ток нагрузки проходит через датчик тока (резистор R3), величина которого выби-

рается в зависимости от величины заданного максимального выходного тока. Если падение напряжения на R3 достигает примерно 0,6 В (прямое напряжение эмиттерного перехода открытого кремниевого транзистора), VT1 открывается и шунтирует эмиттерный переход проходного транзи-

стора VT2 . Таким образом максимальный ток нагрузки Iнмакс ≈ 0,6 / R3 .

Uвх

Рис.2.48. Стабилизатор со схемой ограничения тока нагрузки.

Мощность, рассеиваемая проходным транзистором РVT2 = Iн (Uвх − Uвых), достигает максимального значения в режиме короткого замыкания выхода:

РVT2КЗ = Iнмакс Uвх. Поэтому в режиме короткого замыкания мощность, рассеиваемая проходным транзистором, может превышать максимально допустимую. Чтобы сохранить стабилизатор от повреждения в данном режиме необходимо одновременно с уменьшением выходного напряжения уменьшить уровень ограничения выходного тока. В этом случае получается так называемая «падающая» характеристика стабилизатора (рис.2.49).

Uвых

Iвых (Iн)

Iнмакс

Рис.2.49. «Падающая» характеристика стабилизатора напряжения.

Увеличение рассеиваемой мощности РVT2 может произойти не только вследствие значительного уменьшения Uвых. Защита проходного транзи-