Микросхемные линейные стабилизаторы напряжения

Общие сведения об электрических параметрах и показателях качества выходного напряжения линейных стабилизаторов (ЛСН)

Линейные источники вторичного электропитания (ИВЭП) являются весьма удобным и практичным решением в промышленных и бытовых устройствах. Причины тому: линейные ИВЭП конструктивно достаточно просты и легко настраиваются, они не требуют применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они значительно надежнее импульсных ИВЭП [1-26].

Типичный линейный ИВЭП содержит в своем составе: сетевой понижающий трансформатор, диодный мост с фильтром и стабилизатор, который преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора.

Достигаемые в линейных ИВЭП степень стабилизации и подавление импульсных помех намного превосходят другие схемы ИВЭП.

Основным недостатком линейных ИВЭП является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е. требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые для ИВЭП в целом, например, для ИВЭП мощностью 10 Вт требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.п.). Причиной этого является принцип, по которому функционируют стабилизаторы линейных ИВЭП: сравнение выходного напряжения с некоторым стабилизированным опорным напряжением и управление на основе результатов этого сравнения главным силовым элементом стабилизатора (РУ), одним проходным транзистором VT, работающим в линейном режиме, (но это может быть и группа транзисторов), на котором и рассеивается избыточная мощность.

Чем больше разница между входным и выходным напряжением стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на регулирующем элементе. С другой стороны, чем более нестабильно входное напряжение стабилизатора, и чем больше оно зависит от изменения тока нагрузки, тем более высоким оно должно быть по отношению к выходному напряжению. Таким образом, видно, что стабилизаторы линейных ИВЭП функционируют в достаточно узких рамках допустимых входных напряжений, причем эти рамки еще сужаются при предъявлении жестких требований к КПД устройства.

В настоящее время в качестве источников питания различных устройств применяются линейные ИВЭП на основе микросхем линейных стабилизаторов серии К(КР)142ЕН. Они обладают очень хорошими параметрами, имеют встроенные цепи защиты от перегрузок, цепи термокомпенсации и т.п., легко доступны и просты в применении (большинство стабилизаторов этой серии полностью реализованы внутри ИС, которые имеют всего три вывода). Однако, при конструировании линейных ИВЭП большой мощности (25-100 Вт), требуется более тонкий подход, а именно: применение специальных трансформаторов с броневыми сердечниками (имеющих больший КДП), прямое использование только интегральных стабилизаторов невозможно ввиду недостаточной их мощности, т.е. нужны дополнительные силовые компоненты и, как следствие, дополнительные цепочки защиты от перегрузки, перегрева и перенапряжения. Такие ИВЭП выделяют много тепла, предполагают установку многих компонентов на больших радиаторах и, соответственно, достаточно габаритны; для достижения высокого коэффициента стабилизации выходного напряжения требуются специальные схемные решения.

Средства вторичного электропитания должны жестко соответствовать определенным требованиям, которые определяются как требованиями к самой аппаратуре в целом, так и условиями, предъявляемыми к источникам питания и их работе в составе данной аппаратуры. Любой из параметров ИВЭП, выходящий за границы допустимых требований, вносит диссонанс в работу устройства. Поэтому, прежде чем начинать разработку ИВЭП к предполагаемой конструкции, нужно внимательно проанализировать все имеющиеся варианты и выбрать такой ИВЭП, который будет максимально соответствовать всем требованиям и возможностям.

9.1.Основные показатели линейных стабилизаторов напряжения

интегральные стабилизаторы напряжения характеризуются рядом электрических параметров, основные из которых следующие:

· максимально и минимально допустимое входное напряжение U_вх , В;

· максимально и минимально допустимое выходное напряжение U_Н =U_вых , В;

· максимально допустимый выходной ток I_Н= I_вых при температуре корпуса (T_корп ) от –20 до +100 ^оС;

· I_п – ток потерь – максимальный ток, который потребляет стабилизатор в режиме холостого хода;

· рассеиваемая мощность Р_рас , Вт, при Т_корп = 25 ^оС, а также максимальная рассеиваемая мощность Р_max , Вт, при Т_корп = +125 ^оС;

· минимальное падение напряжения на регулирующем элементе микросхемы, U_пд, В – это наименьшее значение разности между нестаби-лизированным напряжением U_вх и стабилизированным U_Н =U_вых, при кото-ром стабилизатор обеспечивает паспортную стабильность выходного напряжения; минимально допустимое напряжение зависит от выходного тока, температуры окружающей среды и значения переменной составляющей входного напряжения.

Показатели качества выходного напряжения ЛСН.

1. Нестабильность напряжения на нагрузке по входному напряжению, по току нагрузки и по температуре окружающей среды:

1.1. Нестабильность по входному напряжению .

Нестабильность выходного напряжения из-за изменения входного

,

где и - абсолютная величина изменения входного и выходного напряжения соответственно; K_U, %/B - справочная величина для ИС.

Коэффициент стабилизации по напряжению (по определению)

.

1.2. Нестабильность по току K_I.

Этот показатель определяют при изменении выходного тока от 0 до максимально допустимого значения

,

где .

Если размерность коэффициента , то

.

1.3. Нестабильность выходного напряжения по температуре окружающей среды

,

где относительный температурный коэффициент выходного напряжения , % / ^oC - справочная величина для ИС.

Здесь ,

где – значение выходного напряжения при минимальной температуре Т 1; - значение выходного напряжения при максимальной температуре T 2.

1.4. Суммарное изменение выходного напряжения

или

Здесь, например, для ИС К142ЕН3 (при температуре +25 ^o С): нестабильность по напряжению K_U £ 0,05 %/ B; температурный коэффициент напряжения £ 0,01 %/^oC; - изменение температуры окружаю щей среды от T 2 до Т 1; нестабильность напряжения по току K_I = 0,25 % (при U _вх = 19 В, U _вых = 15 В, изменении тока I _вых от 0 до 1 А); K _уст - погрешность установки U _н в процентах; , ; .

2. Внутреннее (выходное) сопротивление НСН

.

Если коэффициент по току имеет размерность %/ А, то

.

3. Коэффициент сглаживания.

коэффициент сглаживания пульсаций – отношение переменной составляющей входного напряжения U _~вх и переменной составляющей выходного напряжения U _~вых

Коэффициент сглаживания выходного напряжения приближенно равен численному значению коэффициента стабилизации К _ст.