Предотвращение чрезмерного рассеяния мощности в линейных стабилизаторах

June 10, 2010 by admin Комментировать »

Хотя импульсный стабилизатор постепенно занял господствующее поло­жение по отношению к линейным стабилизаторам, многие приложения выигрывают при применении линейных методов благодаря простоте, с ко­торой достигается низкий уровень шума и быстрая реакция стабилизато­ра. Везде, где это возможно, многие конструкторы «поворачивают назад», используя линейную стабилизацию, если ее низкий к.п.д. может быть оп­равдан. В ситуациях, где входное напряжение может надежно поддержи­ваться на почти постоянном уровне, а проходной транзистор работает с низким падением напряжения, к.п.д. линейного стабилизатора часто ока­зывается приемлемым. Как уже говорилось, лучше всего применять оба метода стабилизации; это подразумевает совместное использование и им­пульсной и линейной стабилизации. Обычно, импульсный стабилизатор играет роль предварительного стабилизатора с тем, чтобы выходной ли­нейный стабилизатор мог работать с очень малым падением напряжения и, таким образом, обойтись без пустой траты мощности, что было бы в противном случае. Заметьте, что в таком устройстве, нагрузку можно лег­ко изолировать от предварительного стабилизатора, генерирующего шум.

Поучительно рассмотреть пару примеров этой основной идеи, свя­занной с поддержанием входного напряжения линейного стабилизатора низким — лишь немного выше стабилизированного выходного напряже­ния, необходимого для нагрузки. Совсем недавно появились широко рас­пространенные приложения электроники, которые, кажется, оживляют интерес к таким комбинированным системам стабилизации.

Схема, показанная на рис. 20.18, служит примером попытки предотв­ратить значительное рассеяние мощности в линейном стабилизаторе на­пряжения. На первый взгляд может показаться, что эта схема является просто последовательным соединением входного импульсного стабили­затора с выходным линейным стабилизатором. Однако это не так. Ско­рее здесь доминирует уникальный режим работы, который, вероятно, найдет широкое применение в будущей схемотехнике источников пита­ния. Основная идея состоит в отслеживании падения напряжения на линейном стабилизаторе. В частности, напряжение вынуждено оста­ваться постоянным и равным 3,7 В в широком диапазоне изменения по­стоянного входного напряжения (3,7 В «удобное» падение напряжения

для линейного стабилизатора Z7350>4, так как при этом он может хоро­шо работать рассеивая минимальную мощность).

clip_image002

Рис. 20.18. Схема, поддерживающая мощность, рассеиваемую линей­ным стабилизатором, на минимальном уровне. Коммутирующий каскад на транзисторе Дарлингтона работает так, что заряд поступа­ющий к конденсатору емкостью 4500мкФ сохраняет напряжение постоянным в широком диапазоне постоянных входных напряжений. Linear Technology Corporation.

Теперь сфокусируем внимание на двух цепях, состоящих из резисто­ров с сопротивлениями 15 кОм и 10 кОм, осуществляющих выборки на­пряжения, на источнике опорного напряжения 1,71004, компараторе на­пряжения ZnOU, переключающем транзисторе Дарлингтона {Q\) и, наконец, на конденсаторе емкостью 4500 мкФ на входе линейного ста­билизатора напряжения. Эти компоненты включены в цепь обратной связи, которая позволяет протекать в конденсатор емкостью 4500 мкФ такому заряду, который поддерживает напряжение на уровне 3,7 В.

Компаратор, из-за своего положения в цепи обратной связи, пытает­ся поддерживать разность напряжений между входами равной нулю. Это имеет место в том случае, когда постоянное входное напряжение линей­ного стабилизатора равно 15,7 В (12 В выходное напряжение плюс 3,7 В на источнике опорного напряжения L 71004). Важным аспектом этого равновесия является то, что автоматически поддерживается на мини­мальном уровне, равном 3,7 В.

Предположим, что этот равновесие существует, но постоянное вход­ное напряжение, равное первоначально 28 В, увеличивается. Транзистор Q\ находился в состоянии «включено», но теперь, из-за более высокого напряжения, появляющегося на неинвертирующем входе компаратора (2), напряжение на его выходе поднимается, что приводит к выключению транзистора Q\. При этом начинается разряд конденсатора емкостью 4500 мкФ. Этот разряд продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе компаратора не упадет настолько, что транзистор Q\ снова включится, и конденсатор емкостью 4500 мкФ начнет новый цикл заряда. Переключе­ние транзистора Ql периодически повторяется и напряжение на входе ли­нейного стабилизатора поддерживается, таким образом, на уровне очень близком к 15,7 В. Заметьте, что каскад на транзисторе Ql не является ни автоколебательным, ни работающим в режиме внешнего возбуждения в обычном смысле. Просто он изменяет свое состояние проводимости, ког­да напряжение на входе линейного стабилизатора отклоняется от 15,7 В.

Таким образом, линейный стабилизатор осуществляет стабилизацию постоянного напряжения на своем выходе обычным способом, за ис­ключением того, что напряжение управляется следящей системой. Это, конечно, делает линейный стабилизатор «счастливым», рассеивае­мая в нем мощность ограничена безопасным и рациональным уровнем, и его без того хороший коэффициент стабилизации улучшается из-за по­чти неизменного входного напряжения. Как можно предположить, вы­сокое усиление компаратора способствует повышению точности этой схемы. В интересах стабильности характеристика переключения компа­ратора имеет гистерезис величиной 80 мВ, связанный с наличием RC-цепи, соединяющей неинвертирующий вход с выходом. Эта система ста­билизации обеспечивает ток в нафузке до 3 А при напряжении 12 В, в соответствии с параметрами линейного стабилизатора Z 7350^4. Легко ви­деть, что эта схема легко позволяет иметь более высокое или более низ­кое напряжение стабилизации в зависимости от требований нагрузки.

Устройство, показанное на рис. 20.19, представляет интерес с точки зрения основных принципов работы и схемотехники, продиктованных, прежде всего, практическими обстоятельствами, а не понятиями об иде­альном режиме работы. Этот подход позволяет осуществлять некоторые упрощения и компромиссы, которые обычно вызывают лишь незначи­тельные отклонения от строгих требований эксплуатации. В то же самое время, потребитель имеет возможность реализовать линейную стабилиза­цию прямо от сети переменного тока. Кроме того, метод позволяет полу­чить малогабаритные и дешевые блоки питания. Используемая ИС явля­ется линейным стабилизатором напряжения, на входе которого имеется коммутирующий каскад, предотвращающий чрезмерное рассеяние мощ­ности, которое произошло бы, если бы использовалось решение «в лоб» (то есть, если бы требуемое падение напряжения сети осуществлялось с помощью резистора). Обратите внимание, что не нужен ни трансформа­тор, ни мостовой выпрямитель. Конечно, между сетью и нагрузкой нет никакой изоляции, но во многих ситуациях это не существенно.

В первый момент назначение последовательного резистора может ввести в заблуждение. Как указывалось выше, резистор не используется для решения «в лоб» задачи понижения напряжения сети. Правильнее сказать, что его задача ограничить бросок тока. Безусловно, некоторое рассеяние мощности в резисторе происходит, но это величина всего лишь порядка нескольких ватт. Кроме того, удовлетворительная работа стабилизатора возможна в очень широком диапазоне изменения напряже­ния сети переменного тока: от 28 В до 132 В; этого невозможно сделать, если бы резистор был обычным резистором, гасящим напряжение.

clip_image004

Рис. 20.19. Схема источника питания, работающего непосредственно от сети переменного тока с использованием специализированной И С линейного стабилизатора. Способность работать от напряжения сети, сохраняя низкое рассеяние мощности, связано с наличием импульс­ного стабилизатора, также включенного в состав ИС. Параметры схе­мы таковы: входное напряжение – 120 В, 60 Гц, стабилизированное выходное напряжение – 5 В при токе до 50 мА, /И – 150 Ом, Q. – 0,05 мкФ, С2 – 470 мкФ, СЗ – 150 пФ, С4 – 1 мкФ. Harris Commercial Products Group.

Как показано на рис. 20.19, на выходе имеем стабилизированное на­пряжение 5 В при токе нагрузки до 50 мА. Электрически схема достаточ­но надежна, так что легко вьщерживает кратковременные перегрузки. Как будет показано ниже, путем незначетельного изменения схемы можно получить другие значения выходного напряжения (при токе до 50 мА).

Внутренняя структура этой ИС показана на рис. 20.20. Основная идея схемы состоит в том, чтобы пополнять заряд, хранящийся в кон­денсаторе С2, подключенном к выводу 2, в каждом периоде перемен­ного напряжения сети. Это осуществляется при помощи кратковре­менного включения Р/7Г-транзистора SA\, которое определяется разностью между напряжением на конденсаторе С2 и выходным на­пряжением линейного стабилизатора. Параметры схемы выбраны так, чтобы следящая система поддерживала напряжение на конденсаторе примерно на 6 В выше стабилизированного выходного напряжения. Очевидная сложность схемы, в значительной мере связанная с боль­шим числом последовательно и параллельно включенных элементов, что является обычной практикой в архитектуре интегральных схем.

Стабилизированное выходное напряжение ИС ЯК-1205 можно увеличить от 5 В вплоть до 24 В. Хотя это можно сделать включая в цепь вывода 5 ре­зистор, все же лучше включить стабилитрон, как показано на рис. 20.21. Вы­ходное напряжение при этом равно напряжению на стабилитроне плюс 5 В.

Практически, точность получениого выходного напряжения определяет­ся стабилрггроном. Конденсатор емкостью 10 мкФ предотвращает слишком быстрый заряд конденсатора, подключенного к выводу 2, и по существу яв­ляется защитной мерой ддя интегральной схемы. Для всех значений выход­ного напряжения максимальное значение тока остается равным 50 мА.

clip_image006

Рис. 20.20. Принципиальная схема многофункционального ста­билизатора напряжения ЯК-1205. Работа этой схемы предполагает пополнение заряда внешнего конденсатора, подключенного к выводу 2 (КОНД), в каждом периоде напряжения сети. Следящая система поддерживает на этом конденсаторе напряжение примерно на 6 В выше стабилизированного выходного напряжения. Harris Commercial Products Group.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты