Глава 6. Источники питания и стабилизаторы

6.1. Линейный стабилизатор: как он устроен

Обратная связь по выходному напряжению на примере классической ИМС 723: что у неё внутри, как получить напряжение выше и ниже опорного и как нарастить ток внешним транзистором с защитой нагрузки.

≈ 29 мин чтения · пунктирное подчёркивание — наведите или нажмите, чтобы увидеть пояснение

Подключите плату с микроконтроллером к самодельному блоку «трансформатор — диодный мост — конденсатор» и посмотрите осциллографом на шину питания. Пока плата спит, там, скажем, 13 В; включился двигатель или радиомодуль — напряжение просело на пару вольт; кто-то в доме включил чайник — сдвинулось ещё. Поверх всего этого «гуляет» пила пульсаций с частотой 100 Гц. Простой выпрямитель из раздела 1.6 честно отдаёт энергию, но у его напряжения три недостатка:

оно уменьшается, когда растёт ток нагрузки;
повторяет все колебания напряжения сети;
содержит пульсации удвоенной частоты сети — при сети 50 Гц это 100 Гц.

Любой схеме — от одного транзисторного каскада до процессорной платы — нужно другое: постоянное напряжение, которому безразличны и нагрузка, и сеть. Получают его отрицательной обратной связью. Небольшую часть выходного напряжения непрерывно сравнивают с точным образцом — опорным напряжением, — а усиленная разность управляет регулирующим транзистором, пока расхождение не исчезнет. Выпрямитель (или батарея) при этом никуда не девается: он остаётся «складом энергии», из которого стабилизатор берёт столько, сколько нужно, с запасом по напряжению.

123456

Принцип стабилизатора: доля выхода сравнивается с опорным напряжением, усилитель ошибки подстраивает проходной транзистор

Что здесь что (6)

Нестабилизированный источник. выпрямитель с конденсатором или аккумулятор: энергии хватает, но напряжение просаживается и пульсирует
Проходной транзистор. работает как резистор, которым управляет усилитель: на нём остаётся всё лишнее напряжение
Опорное напряжение. эталон для сравнения; насколько он стабилен, настолько стабилен и весь источник
Делитель. отдаёт усилителю ошибки известную долю выхода; отношение его плеч и задаёт $U_{вых}$
Усилитель ошибки. усиливает расхождение «опорное минус доля выхода» и подкручивает проходной транзистор
Выход. напряжение на нагрузке, уже не зависящее от сети и тока

Ниже стабилизаторы собраны на специализированных микросхемах. Ничто не мешает повторить те же идеи на отдельных транзисторах, но выигрыша это почти никогда не даёт: готовые ИМС стоят копейки и работают отлично.

Порядок разговора такой. Сначала — устройство и включения классической ИМС 723. Мощный стабилизатор неизбежно превращает лишнее напряжение в тепло, поэтому в разделе 6.2 речь пойдёт о радиаторах и защитах, уменьшающих нагрев при авариях, — они пригодятся в любой мощной схеме, хоть в усилителе мощности звука. Затем вернёмся к выпрямителю с фильтром (раздел 6.3) и к опорным источникам (раздел 6.4), которые нужны и далеко за пределами блоков питания.

Как энергия идёт от розетки к схеме

Сеть 230 В

Трансформатор

Выпрямитель

Конденсатор

Стабилизатор

Нагрузка

6.1.1ИМС 723: целый блок питания в корпусе

≈ 8 мин1 упр.

Главное

В корпусе 723 четыре узла: опорный источник ≈ 7,15 В, усилитель ошибки, проходной транзистор и транзистор ограничения тока.
$U_{оп} \approx U_{ст} + U_{БЭ}$ : положительный ТКН стабилитрона гасится примерно −2 мВ/°С перехода, остаток ≈ 0,003 %/°С.
Токи опорного узла заданы полевым источником тока и стабилитронами, а не резисторами от входа, — поэтому $U_{оп}$ почти не следит за питанием.
Ни тепловой защиты, ни аварийного отключения у 723 нет; их получили более поздние SG3532 и LAS1000.

Чтобы понять любой линейный стабилизатор, удобно один раз подробно разобрать «прародителя». Микросхему μA723 разработал Роберт Видлар в 1967 году. Она проста в применении, характеристики у неё отличные, и хотя сегодня в новых конструкциях её ставят редко, все последующие линейные стабилизаторы работают по тем же принципам.

Важная особенность 723: сама по себе она ничего не стабилизирует. Это набор готовых узлов, а что из них получится — стабилизатор выше или ниже опорного, с внешним транзистором или без, — решают несколько внешних резисторов. На схеме ниже показано, какие узлы выведены наружу:

опорный источник с температурной компенсацией;
дифференциальный усилитель ошибки;
проходной (последовательный) транзистор;
транзистор, ограничивающий выходной ток.

12345678

Что спрятано в корпусе 723: опорный узел, усилитель ошибки, проходной транзистор и транзистор защиты

Что здесь что (8)

Опорный стабилитрон с компенсацией. стабилитрон около 6,2 В последовательно с переходом база–эмиттер; их сумма ≈ 7,15 В почти не меняется при нагреве
Источник тока стабилитрона. держит ток неизменным: иначе напряжение стабилитрона «ехало» бы на его дифференциальном сопротивлении
Буфер опорного. отдаёт $U_{оп}$ наружу (до 15 мА), не нагружая сам стабилитрон
Усилитель ошибки. дифференциальный каскад с источником тока в эмиттерах и токовым зеркалом в качестве нагрузки
Проходной транзистор. пара транзисторов по схеме Дарлингтона, до 150 мА; коллектор выведен отдельно ( $U_{к}$ )
Транзистор ограничения тока. открывается при 0,5–0,6 В между выводами ОТ и ДТ и отнимает ток базы у проходного
Вывод «Компенсация». к нему подключают конденсатор частотной коррекции, обычно 100 пФ
Выходной стабилитрон. отдельный вывод $U_{ст}$ (≈ 6,2 В) — для схем, где нужно ещё одно фиксированное напряжение

7,15 Вопорное напряжение

0,003 %/°Стипичный ТКН опорного

150 мАпредел встроенного транзистора

37 Внаибольшее напряжение

9,5 Внаименьшее питание

Внутри 723 около двух десятков транзисторов. Перерисовывать их поимённо незачем — гораздо полезнее понять, какую задачу решает каждая группа. Пройдём по узлам в том порядке, в каком через них «течёт» информация: от эталона к выходу.

Начнём с вопроса: откуда взять напряжение, которое не меняется при нагреве? У обычного стабилитрона на 6–7 В температурный коэффициент положительный — при нагреве его напряжение растёт. А у прямосмещённого перехода база–эмиттер коэффициент отрицательный, около $- 2$ мВ/°С. Включив их последовательно и подобрав режим, получают сумму, у которой уходы почти взаимно уничтожаются.

Из чего складывается опорное 723

U_{оп} \approx U_{ст} + U_{БЭ} \approx 7, 15 В

Обозначения:

U_{ст}

U_{БЭ}

Остаток температурного ухода — типично

0, 003 % /^{\circ} С

, то есть

3 \cdot 1 0^{- 5}

на градус.

Компенсация работает, только если ток через стабилитрон постоянен: у стабилитрона есть дифференциальное сопротивление, и любое изменение тока сдвигает напряжение. Поэтому ток задан транзисторным источником, у которого он определяется отношением $U_{БЭ}$ к резистору, а охватывающая петля обратной связи по постоянному току держит его неизменным.

Хорошо, ток стабилитрона задан, — а что питает сам этот источник тока? Если бы токи узлов брались через резисторы прямо от входа, опорное напряжение послушно повторяло бы пульсации. В 723 сделано иначе — цепочкой «каждый следующий получает ток от предыдущего»:

в самом начале стоит полевой транзистор с $p$ - $n$ -переходом с затвором, соединённым с истоком: он работает источником тока, почти не зависящего от напряжения (раздел 3.2);
этот ток питает вспомогательный стабилитрон; он фиксирует потенциал на 6,2 В ниже плюса питания, и ток через резистор, подключённый к этой точке, тоже перестаёт зависеть от входа;
этот ток раздаёт остальным узлам несимметричное токовое зеркало.

В итоге ни один ток опорного узла не задан резистором от нестабилизированного входа, и колебания входа до опорного напряжения почти не доходят.

Цепочка задания токов

Полевой транзистор

Вспомогательный стабилитрон + резистор

Токовое зеркало

Источник тока опорного стабилитрона

U_{оп}

Усилитель ошибки — дифференциальная пара транзисторов. Один её вход получает опорное напряжение (или его долю), другой — долю выходного; усиливается разность. В общей эмиттерной цепи пары стоит источник тока, благодаря чему каскад хорошо подавляет синфазный сигнал (раздел 2.4).

Нагрузка усилителя — не резистор, а токовое зеркало (раздел 2.3). Такая динамическая нагрузка имеет огромное сопротивление для переменной составляющей, поэтому усиление каскада велико, а значит, мала остаточная ошибка стабилизации. Все зеркала усилителя в конечном счёте получают ток от той же опорной цепочки, что и стабилитрон.

С выхода усилителя сигнал идёт на проходной элемент — два транзистора, включённые почти как составной транзистор Дарлингтона. Коллектор выходного транзистора выведен наружу отдельным выводом $U_{к}$ : силовую часть можно питать от другого источника, чем управляющую.

Температурная компенсация опорного источника 723: уходы стабилитрона и перехода база–эмиттер почти гасят друг друга; остаток — около 0,003 %/°С

Упражнение 6.1.1

Для зарядного устройства автомобильного аккумулятора собирают опорный источник по образцу 723: стабилитрон на 5,9 В с температурным коэффициентом $+ 1, 8$ мВ/°С последовательно с переходом база–эмиттер (0,62 В, $- 2, 0$ мВ/°С). Зарядное стоит в гараже, где бывает от −20 до +70 °С. Найдите модуль относительного температурного коэффициента опорного напряжения (в процентах на градус) и модуль его изменения во всём этом диапазоне. Растёт опорное напряжение при нагреве или падает?

|ТКН| =%/°С|ΔU| =мВ

Решение

Коэффициенты последовательных элементов складываются: $+ 1, 8 - 2, 0 = - 0, 2$ мВ/°С — здесь «перекомпенсация», и при нагреве напряжение падает. Само опорное $5, 9 + 0, 62 = 6, 52$ В, относительный коэффициент

α = \frac{- 0 , 2 мВ /° С}{6 , 52 В} \approx - 3, 1 \cdot 1 0^{- 5}^{\circ} С^{- 1} = - 0, 0031 % /^{\circ} С .

Диапазон температур 90 °С, уход

0, 2 \cdot 90 = 18

мВ. Для зарядного это 0,3 % — около 40 мВ на 14,4 В аккумулятора, терпимо. Но видно, насколько тонка компенсация: расхождение всего на 10 % от коэффициента перехода уже даёт результат на уровне типового 723, а ошибка вдвое больше — вдвое худший источник.

6.1.2Положительное напряжение: выше и ниже опорного

≈ 13 мин2 упр.

Главное

Выход выше опорного: делитель на выходе, $U_{вых} = U_{оп} (1 + R_{1} / R_{2})$ — это неинвертирующий усилитель с повторителем.
Выход ниже опорного: делитель на опорном, $U_{вых} = U_{оп} R_{н} / (R_{в} + R_{н})$ , но не меньше +2 В.
Датчик тока $R_{4} \approx 0, 5 В / I_{макс}$ , коррекция 100 пФ, на выходе — конденсатор в несколько микрофарад.
Вход должен превышать выход хотя бы на 3 В — в самой глубокой точке провалов.

Представим задачу: из нестабилизированных 15–18 В нужно получить ровно +9 В для гитарной педали эффектов. Опорное у 723 — 7,15 В, то есть выход должен быть больше эталона. Значит, эталон надо «усилить» — ровно так, как неинвертирующий усилитель на ОУ усиливает входной сигнал. Роль входного сигнала играет $U_{оп}$ , роль ОУ — усилитель ошибки, а встроенный проходной транзистор работает эмиттерным повторителем на выходе.

123456789

Базовое включение 723: выход выше опорного, делитель R_1R_2 на выходе

Что здесь что (9)

Опорный источник. внутренние ≈ 7,15 В идут на неинвертирующий вход
$R_{3}$ — выравнивание входных токов. $R_{3} = R_{1} ∥ R_{2}$ : базовые токи обоих входов создают одинаковые падения
Усилитель ошибки. сравнивает опорное с долей выхода
Проходной транзистор. встроенный, ток до 150 мА
$R_{4}$ — датчик тока. $R_{4} \approx 0, 5 В / I_{макс}$ : при большем токе открывается транзистор защиты
$R_{1}$ — верхнее плечо. вместе с $R_{2}$ задаёт $U_{вых} = U_{оп} (1 + R_{1} / R_{2})$ ; удобно сделать подстроечным
$R_{2}$ — нижнее плечо. с середины делителя доля выхода уходит на инвертирующий вход
Коррекция 100 пФ. между «Комп.» и инвертирующим входом — чтобы петля не возбудилась
Выходной конденсатор. несколько мкФ: на высоких частотах выходное сопротивление держит он

Выход выше опорного

U_{вых} = U_{оп} (1 + \frac{R _{1}}{R _{2}})

Обозначения:

U_{оп}

R_{1}

R_{2}

Получается любое напряжение от

U_{оп}

до предельных для 723 37 В.

Кроме делителя, на схеме ещё три детали, и у каждой своя работа.

$R_{4}$ — датчик тока. Его выбирают так, чтобы при наибольшем допустимом токе на нём было около 0,5 В — примерно напряжение открывания перехода: $R_{4} \approx 0, 5 В / I_{макс}$ . Это падение приложено между выводами ОТ и ДТ; стоит току вырасти — транзистор защиты открывается и подзапирает проходной.
100 пФ — частотная коррекция. Петля обратной связи с большим усилением на высоких частотах склонна к самовозбуждению; конденсатор между «Комп.» и инвертирующим входом снижает там усиление (раздел 4.11).
$R_{3}$ — выравнивание входных токов. Его часто опускают, но правильно взять $R_{3} = R_{1} ∥ R_{2}$ , то есть равным сопротивлению, которое «видит» инвертирующий вход. Тогда базовые токи обоих входов создают одинаковые падения, и их изменение (например, с температурой) на выходе не сказывается — точно так же, как в схемах на ОУ (раздел 4.4).

В примере с педалью: $9/7, 15 = 1, 26$ , так что $R_{1} \approx 0, 26 R_{2}$ — например, 820 Ом и 3,3 кОм с небольшим подстроечником. Верхнее плечо обычно и делают регулируемым: опорное у конкретного экземпляра может оказаться любым от 6,8 до 7,5 В, и без подстройки выход отклонится на ±5 %.

Правило. Нестабилизированный вход должен быть выше выхода на несколько вольт — и речь о его самой низкой точке, с учётом пульсаций и провалов сети. У 723 эта разница, минимальное падение (dropout), — не меньше 3 В; у большинства классических стабилизаторов она того же порядка.

Совет. Выход шунтируют конденсатором в несколько микрофарад: на высоких частотах, где петля уже не успевает, малое выходное сопротивление обеспечивает именно он. Ёмкость и тип берут по рекомендации изготовителя — неподходящий конденсатор может, наоборот, вызвать генерацию.

Совет. Шины питания полезно «заземлять по переменному току» по всей плате: рядом с потребителями — керамика 0,01–0,1 мкФ, а на каждый участок — танталовый или электролитический 1–10 мкФ.

Когда нужно меньше 7 В

Теперь обратная задача: шина +3,3 В для датчиков. Опорное больше, чем нужно, — значит, его надо не усиливать, а делить. Делитель переносят на опорный вывод, его середину подают на неинвертирующий вход, а выход соединяют с инвертирующим входом напрямую — через резистор, равный сопротивлению делителя (опять ради выравнивания входных токов). Петля держит выход равным доле опорного:

Выход ниже опорного

U_{вых} = U_{оп} \frac{R _{н}}{R _{в} + R _{н}}

Обозначения:

R_{в}

R_{н}

Рабочий диапазон: от +2 В до

U_{оп}

12345

Выход ниже опорного: делитель на опорном, +3,3 В при токе до 60 мА

Что здесь что (5)

Опорный источник. 7,15 В здесь делятся, а не усиливаются
Верхнее плечо 3,9 кОм. $R_{в}$ делителя опорного
Нижнее плечо 3,3 кОм. $7, 15 \cdot 3, 3/7, 2 \approx 3, 28$ В на неинвертирующий вход
Обратная связь 1,8 кОм. выход прямо на инвертирующий вход; 1,8 кОм ≈ $R_{в} ∥ R_{н}$ = 1,79 кОм
Датчик тока 6,8 Ом. порог $0, 5 В /6, 8 Ом \approx 74$ мА — с запасом над 60 мА

Числа на схеме: $7, 15 \cdot 3, 3/ (3, 9 + 3, 3) = 3, 28$ В, ток до 60 мА, а сопротивление делителя $3, 9 ∥ 3, 3 = 1, 79$ кОм — его и повторяет резистор 1,8 кОм в цепи обратной связи.

Ловушка. Опуститься ниже +2 В этим способом нельзя. Усилитель ошибки 723 работает, только пока синфазное напряжение на его входах не меньше 2 В, — так записано в паспорте. И ещё одно условие: сама ИМС должна получать не меньше +9,5 В, иначе опорному узлу не хватит запаса, — даже если выход всего 3,3 В.

Диапазон, проходящий через $U_{оп}$

Лабораторный блок «от 4 до 12 В» не укладывается ни в одну из двух схем: часть диапазона ниже опорного, часть выше. Выход: делить и то и другое. На неинвертирующий вход подают долю опорного, на инвертирующий — долю выхода. Условие одно — доля опорного должна быть меньше нижней границы диапазона (и, как мы знаем, не меньше 2 В). Как это рассчитать при разбросе опорного, показано в задаче ниже.

Три варианта включения 723

	Выше опорного	Ниже опорного	Через $U_{оп}$
Где стоит делитель	на выходе	на опорном	два делителя: и там, и там
Формула	$U_{оп} (1 + R_{1} / R_{2})$	$U_{оп} R_{н} / (R_{в} + R_{н})$	$k_{оп} U_{оп} / k_{вых}$
Диапазон	$U_{оп}$ …37 В	+2 В… $U_{оп}$	от доли опорного (≥ 2 В) и выше
Пример	+9 В для педали	+3,3 В для датчиков	задача ниже

Модель: стабилизатор на 723 — делитель, разброс опорного, ограничение тока и нагрев

Упражнение 6.1.2 задача

Для стенда, на котором проверяют датчики, нужен источник на ИМС 723 с регулировкой выхода от +3 до +10 В при токе до 30 мА. Учтите разброс опорного от 6,8 до 7,5 В: весь диапазон 3–10 В должен быть доступен у любого экземпляра микросхемы. Нестабилизированное напряжение может доходить до 18 В; до какой температуры воздуха схема обойдётся без внешнего транзистора? Подсказка: сравнивайте долю выхода с долей опорного, близкой к $0, 36 U_{оп}$ .

Решение

1. Делитель опорного. Доля опорного должна быть меньше 3 В при самом «высоком» экземпляре и не меньше 2 В при самом «низком». Делитель 3,6 кОм / 2,0 кОм даёт $k = 2/5, 6 = 0, 357$ : номинально $7, 15 \cdot 0, 357 = 2, 55$ В, а при разбросе — от $6, 8 \cdot 0, 357 = 2, 43$ до $7, 5 \cdot 0, 357 = 2, 68$ В. Ток делителя $7, 15/5, 6 \approx 1, 3$ мА — опорный вывод отдаёт до 15 мА. Середину подаём на неинвертирующий вход.

2. Делитель выхода. Последовательно: постоянный резистор $R_{в}$ , потенциометр $P$ (его движок — на инвертирующий вход) и нижний резистор $R_{н}$ , всего $S = R_{в} + P + R_{н}$ . Движок вверху даёт минимум $U_{мин} = U_{k} S / (P + R_{н})$ , внизу — максимум $U_{макс} = U_{k} S / R_{н}$ , где $U_{k}$ — доля опорного. Требования: $U_{мин} \leq 3$ В даже при $U_{k} = 2, 68$ В, то есть $S / (P + R_{н}) \leq 1, 119$ ; и $U_{макс} \geq 10$ В даже при $U_{k} = 2, 43$ В, то есть $S / R_{н} \geq 4, 12$ . Возьмём $R_{н} = 1, 0$ кОм, $P = 3, 3$ кОм, $R_{в} = 0, 47$ кОм; $S = 4, 77$ кОм:

\frac{S}{P + R _{н}} = \frac{4 , 77}{4 , 3} = 1, 109, \frac{S}{R _{н}} = 4, 77.

Номинальный диапазон

2, 55 \cdot 1, 109 = 2, 83

В …

2, 55 \cdot 4, 77 = 12, 2

В; при «низком» экземпляре 2,69–11,6 В, при «высоком» 2,97–12,8 В. Отрезок 3–10 В доступен всегда.

3. Выравнивание входных токов. Сопротивление делителя опорного $3, 6 ∥ 2, 0 = 1, 29$ кОм, а со стороны инвертирующего входа оно меняется вместе с движком (примерно от 0,4 до 0,8 кОм); точного равенства не добиться. При токах делителей порядка миллиампера середину делителя опорного можно подать на вход напрямую — ошибка от несимметрии составит доли процента.

4. Ограничение тока: $R_{4} = 0, 5 В /30 мА \approx 16$ Ом (ряд E24). Порог плавает с температурой: $U_{БЭ}$ транзистора защиты уменьшается примерно на 2 мВ/°С, так что в холодном приборе ток ограничится на 35–37 мА, а в горячем — около 30 мА.

5. Питание и нагрев. Вход должен быть не меньше $10 + 3 = 13$ В в самой низкой точке (и не ниже 9,5 В для самой ИМС). Сильнее всего ИМС греется при наименьшем выходе и наибольшем входе: $P = (18 - 3) \cdot 0, 03 = 0, 45$ Вт. Из условия $1 - 0, 0083 (T_{окр} - 25) \geq 0, 45$ получаем $T_{окр} \leq 91$ °С — выше рабочего диапазона коммерческого исполнения (0–70 °С), так что по мощности запас есть. Не забудьте 100 пФ коррекции и 1–10 мкФ на выходе.

Упражнение 6.1.3

Для гитарной педали нужен стабилизатор +9,0 В на 723 по схеме «выше опорного». Нижнее плечо делителя $R_{2} = 3, 3$ кОм, $U_{оп} = 7, 15$ В. Найдите верхнее плечо $R_{1}$ , сопротивление выравнивающего резистора $R_{3}$ и датчик тока $R_{4}$ , если ток нужно ограничить на уровне 100 мА.

R1 =кОмR3 =кОмR4 =Ом

Решение

Из $U_{вых} = U_{оп} (1 + R_{1} / R_{2})$ : $R_{1} = R_{2} (U_{вых} / U_{оп} - 1) = 3, 3 \cdot (9/7, 15 - 1) = 3, 3 \cdot 0, 2587 = 0, 854$ кОм — на практике 680 Ом плюс подстроечник 330 Ом, чтобы покрыть разброс опорного. Выравнивающий резистор $R_{3} = R_{1} ∥ R_{2} = 0, 854 \cdot 3, 3/4, 154 = 0, 678$ кОм (ближайший 680 Ом). Датчик тока $R_{4} \approx 0, 5 В /0, 1 А = 5, 0$ Ом (5,1 Ом из ряда E24). Мощность на ИМС при входе 15 В и полном токе $(15 - 9) \cdot 0, 1 = 0, 6$ Вт — допустимо, но в тёплом корпусе педали уже близко к пределу.

6.1.3Больше тока: внешний проходной транзистор

≈ 8 мин2 упр.

Главное

Сама 723 отдаёт не больше 150 мА и рассеивает не больше 1 Вт (−8,3 мВт/°С выше 25 °С): $I \leq P_{доп} / (U_{вх} - U_{вых})$ .
Внешний проходной транзистор (2N3055 на радиаторе) вместе со встроенным образует составной транзистор Дарлингтона.
Датчик тока 0,18 Ом даёт порог $(0, 5 - 0, 6) В /0, 18 Ом \approx 2, 8 - 3, 3$ А.
Защита нагрузки: стабилитрон с тиристором закорачивают выход при перенапряжении, а плавкий предохранитель страхует всё остальное.

Чтобы оценить, сколько тока даст 723 без посторонней помощи, нужны два паспортных ограничения. Первое — встроенный транзистор рассчитан максимум на 150 мА. Второе, и обычно оно наступает раньше, — мощность: не больше 1 Вт при 25 °С. В тёплом воздухе допуск уменьшают на 8,3 мВт на каждый градус сверх 25 °С, чтобы кристалл не выходил за допустимую температуру.

Предел тока 723 без внешнего транзистора

P_{доп} = 1 Вт - 8, 3 мВт /° С \cdot (T_{окр} - 25 ° С), I_{макс} = \frac{P _{доп}}{U _{вх} - U _{вых}}

Обозначения:

P_{доп}

T_{окр}

U_{вх} - U_{вых}

Допустимая мощность ИМС 723: 1 Вт до 25 °С, дальше −8,3 мВт на каждый градус

Пример: шина +5 В от нестабилизированных +15 В. На ИМС 10 В, и при 25 °С она отдаст лишь $1 Вт /10 В = 100$ мА, а внутри закрытого прибора при 50 °С — около 80 мА. Плате с микроконтроллером, дисплеем и парой реле этого не хватит.

Выход — поставить снаружи мощный транзистор и поручить ему пропускать ток, а 723 оставить «мозги». Выход ИМС подключают к базе внешнего транзистора, и вместе со встроенным он образует составной транзистор Дарлингтона: ток нагрузки течёт через внешний, а ИМС отдаёт лишь его базовый ток. Ниже — шина +5 В на 3 А для стойки с несколькими платами.

12345678910

Шина +5 В, 3 А: 723 управляет внешним 2N3055, справа — тиристорная защита от перенапряжения

Что здесь что (10)

Предохранитель 4 А, медленный. последний рубеж: если откажет и ограничение, тиристорная защита примет на себя огромный ток
Делитель опорного. 1,5 кОм + потенциометр 1,0 кОм + 3,3 кОм: от 4,07 до 5,30 В, выставляют 5,00 В
Подстроечный потенциометр. его хода должно хватить на допуски резисторов и разброс опорного в худшем сочетании
Внешний проходной 2N3055. на радиаторе; вместе со встроенным транзистором — составной транзистор Дарлингтона
Резистор 100 Ом. ограничивает ток базы транзистора защиты
Датчик тока 0,18 Ом, 5 Вт. порог $(0, 5 - 0, 6) /0, 18 \approx 2, 8 - 3, 3$ А
Стабилитрон 5,6 В. если выход превысит ≈ 6,2 В, пропустит ток в управляющий электрод тиристора
Резистор 56 Ом. создаёт напряжение на управляющем электроде и задаёт ток стабилитрона ≈ 10 мА
Тиристор. открывается и держит выход около нуля, пока не выключат питание
Коррекция 100 пФ. устойчивость петли обратной связи

Пройдём по деталям, которые появились по сравнению с маломощной схемой.

Внешний транзистор. Дешёвый 2N3055 ставят на радиатор — ребристую алюминиевую пластину — или на металлическую стенку корпуса. Сколько тепла он выделяет и какой нужен радиатор, считают в разделе 6.2.
Делитель с подстройкой. Выход ниже опорного, поэтому делитель стоит на опорном выводе. Потенциометр 1 кОм между 1,5 и 3,3 кОм позволяет выставить от 4,07 до 5,30 В: этого достаточно, чтобы при любом сочетании допусков резисторов и разброса опорного попасть ровно в 5,00 В.
Датчик тока. При токе в амперы это уже мощный низкоомный резистор: 0,18 Ом даёт порог $(0, 5 - 0, 6) /0, 18 \approx 2, 8 - 3, 3$ А. В режиме ограничения на нём выделяется до 2 Вт, поэтому его берут на 5 Вт.
100 Ом в цепи вывода ОТ ограничивает ток базы транзистора защиты.

Сколько вольт оставить на проходном транзисторе

Вход у такой схемы — не меньше 9,5 В, потому что 723 питается от той же шины, а ей нужен свой запас. Значит, на внешнем транзисторе остаётся минимум 4,5 В, а с учётом пульсаций и повышенной сети — все 7 В. При 3 А это 20 Вт тепла ради 15 Вт полезной мощности.

Есть приём получше: питать 723 (выводы $U_{+}$ и $U_{к}$ ) от отдельного слаботочного источника, например +15 В от маленькой дополнительной обмотки трансформатора. Тогда силовое нестабилизированное напряжение на коллекторе внешнего транзистора может превышать выход всего на 1–2 В.

Совет. Не увлекайтесь: прибор, который должен работать всегда, обязан держать выход и при провале сети на 20 %. Оставьте на силовом транзисторе несколько вольт запаса.

Если сломается сам стабилизатор

Что будет с платами на шине +5 В, если внутри стабилизатора оборвётся вывод резистора делителя или откажет что-то в 723? Выход «уедет» вверх — до всего нестабилизированного напряжения, и логика сгорит. На этот случай справа на схеме стоит защита: стабилитрон 5,6 В, резистор 56 Ом и тиристор. Её задача — закоротить выход, как только он превысит примерно 6,2 В.

Ключевой элемент — тиристор (кремниевый управляемый вентиль, КУВ). Пока переход «управляющий электрод — катод» не смещён в прямом направлении, тиристор заперт. Стоит пропустить через управляющий электрод ток — он открывается до насыщения и дальше держится открытым сам, без всякого управления, пока его анодный ток не прервут снаружи.

Как срабатывает тиристорная защита

Выход растёт выше нормыоборвался делитель или отказала 723
Стабилитрон начинает проводитьток управляющего электрода появляется при 5,6 + 0,6 ≈ 6,2 В
Тиристор включаетсяи замыкает выход на общий провод
Ограничение тока удерживает ток на пределетиристор держит выход около 1 В
Сброс — только выключением питаниятиристор «запомнил» аварию

Ловушка. Хуже, если одна и та же поломка вывела из строя и ограничение тока — например, у внешнего транзистора пробило переход коллектор–эмиттер. Тогда открытый тиристор примет на себя ток, ограниченный только трансформатором. На этот случай в цепи питания обязательно стоит плавкий предохранитель — здесь медленный на 4 А. Варианты защит от перенапряжения подробно разобраны в разделе 6.2.

Упражнение 6.1.4

Блок управления насосом в теплице питается от стабилизатора +15 В на 723 без внешнего транзистора; нестабилизированный вход 24 В. Летом воздух внутри шкафа нагревается до 60 °С. Какой наибольший ток нагрузки допустим по мощности ИМС? Собственный ток потребления 723 не учитывайте.

Iмакс =мА

Решение

Допустимая мощность при 60 °С: $P = 1 Вт - 8, 3 мВт /° С \cdot (60 - 25) = 0, 71$ Вт. На ИМС $24 - 15 = 9$ В, поэтому $I \leq 0, 71/9 = 0, 079$ А, то есть 79 мА. Паспортные 150 мА здесь не главное — ограничивает нагрев. Зимой в том же шкафу при 0 °С допуск был бы 1,2 Вт… но выше 1 Вт паспорт не разрешает, так что и тогда ток не больше $1/9 = 111$ мА. Для реле и клапанов понадобится внешний транзистор.

Упражнение 6.1.5

Шина +5 В, 3 А со схемы выше нагружена полностью. У 2N3055 при токе 3 А коэффициент передачи тока $h_{21 Э}$ не меньше 25. Какой ток должен отдавать выход 723? Какую мощность рассеивает датчик тока 0,18 Ом в режиме ограничения ( $U_{БЭ}$ транзистора защиты 0,6 В)?

Iвых ИМС =мАP =Вт

Решение

Базовый ток внешнего транзистора $I_{Б} = I_{Э} / (h_{21 Э} + 1) = 3/26 = 0, 115$ А = 115 мА. Встроенный транзистор (предел 150 мА) справляется, но запас мал, да и 723 при таком токе греется заметно. Надёжнее взять составной внешний транзистор (например, Дарлингтона с $h_{21 Э} \geq 750$ ) — тогда ИМС будет отдавать единицы миллиампер. В ограничении ток $0, 6/0, 18 = 3, 33$ А, мощность на датчике $P = U^{2} / R = 0, 36/0, 18 = 2, 0$ Вт — поэтому резистор взят на 5 Вт.

6.1. Линейный стабилизатор: как он устроен

6.1.1ИМС 723: целый блок питания в корпусе

6.1.2Положительное напряжение: выше и ниже опорного

Когда нужно меньше 7 В

Диапазон, проходящий через Uоп​

6.1.3Больше тока: внешний проходной транзистор

Сколько вольт оставить на проходном транзисторе

Если сломается сам стабилизатор

Диапазон, проходящий через $U_{оп}$