6.2. Тепло и защита мощных схем — курс «Схемотехника»

6.2.1Тепловой расчёт: от кристалла до воздуха

≈ 8 мин2 упр.

Главное

Цель теплоотвода — держать переход с большим запасом ниже предела: 200 °С у металлического корпуса, 150 °С у пластмассового.
Тепловые сопротивления на пути тепла складываются, как последовательные резисторы: $T_{п} = T_{окр} + (θ_{пк} + θ_{кр} + θ_{рс}) P$ .
Пример: 21 Вт при 45 °С, $θ$ = 1,5 + 0,4 + 2,0 = 3,9 °С/Вт → переход 127 °С.
Радиатор — на задней стенке, рёбрами вертикально; транзистор отделяют от него изолирующей прокладкой.

В шине +5 В, 3 А из раздела 6.1 на внешнем транзисторе остаётся около 7 В при токе 3 А — это 21 Вт, примерно как у паяльника средней мощности. Выдержит ли транзистор? Ответ зависит не от него одного, а от того, как быстро тепло уходит из кристалла в воздух. Тот же вопрос встаёт для тиристоров, мощных выпрямителей, выходных транзисторов усилителя — для всего, что рассеивает ватты.

Мощные приборы делают в корпусах с металлической площадкой, которую прижимают к радиатору. Площадка обычно соединена с одним из выводов — у мощного биполярного транзистора всегда с коллектором, что придётся учитывать при монтаже. Корпус TO-3 у распространённого 2N3055 при хорошем охлаждении позволяет рассеивать до 115 Вт.

Предел задаёт температура кристалла: для кремниевых транзисторов в металлическом корпусе обычно 200 °С, в пластмассовом — 150 °С. Работать вблизи этих чисел нельзя — с каждым десятком градусов срок службы прибора заметно сокращается, поэтому радиатор подбирают с запасом.

Тепловой расчёт по шагам

Худший режимсколько ватт выделится при наибольшем входе и наибольшем токе
Путь тепласложить сопротивления: переход–корпус, прокладка, радиатор–воздух
Температура кристаллапосчитать при самом жарком воздухе внутри прибора
Решениепереход должен остаться заметно холоднее паспортного предела; если нет — радиатор крупнее или вентилятор

Несколько мощных биполярных транзисторов — типичные паспортные значения
Тип	Структура, корпус	$U_{кэ макс}$ , В	$I_{к макс}$ , А	$P_{макс}$ (25 °С), Вт	$θ_{пк}$ , °С/Вт	Примечание
2N3055 / MJ2955	n-p-n / p-n-p, TO-3	60	15	115	1,5	дешёвый, распространённый
MJE3055T / MJE2955T	n-p-n / p-n-p, TO-220	60	10	75	1,7	пластмассовый корпус
2N6284 / 2N6287	составные (Дарлингтона), TO-3	100	20	160	1,1	$h_{21 Э} \geq 750$

Тепловое сопротивление

Удобнее всего думать о тепле как о токе. Мощность $P$ — это «ток» тепла, температура — «потенциал», а всё, что мешает теплу уходить, — «резисторы». Мера этого сопротивления, тепловое сопротивление $θ$ , показывает, на сколько градусов вырастает перепад температур на каждый ватт: единица — °С/Вт. Пока тепло передаётся теплопроводностью, $θ$ от температуры не зависит и определяется только конструкцией контакта.

У транзистора на радиаторе три последовательных участка: кристалл → корпус ( $θ_{пк}$ , из паспорта транзистора), корпус → радиатор ( $θ_{кр}$ , прокладка и паста), радиатор → воздух ( $θ_{рс}$ , из паспорта радиатора). Как у последовательных резисторов, они складываются, и перегрев кристалла над воздухом равен произведению суммы на мощность:

Температура кристалла

T_{п} = T_{окр} + (θ_{пк} + θ_{кр} + θ_{рс}) P

Обозначения:

T_{п}

T_{окр}

θ_{пк}

θ_{кр}

θ_{рс}

P

12345

Тепло течёт, как ток по резисторам:

T_{п} = T_{окр} + (θ_{пк} + θ_{кр} + θ_{рс}) P

Что здесь что (5)

Источник тепла P. мощность, выделяемая в кристалле, — «ток» тепловой цепи
$θ_{пк}$ . внутреннее сопротивление транзистора; изменить его можно, только выбрав другой корпус
$θ_{кр}$ . прокладка и паста: слюда с пастой ≈ 0,5, керамика BeO ≈ 0,14, силиконовые прокладки 0,2–0,4 °С/Вт
$θ_{рс}$ . зависит от размера и обдува: единицы °С/Вт без вентилятора, 0,05–0,2 °С/Вт с ним
$T_{окр}$ . воздух внутри корпуса прибора — часто 45–50 °С, а не 25

Считаем нашу шину +5 В, 3 А. Вход 12 В, на транзисторе $12 - 5 = 7$ В, мощность $7 В \cdot 3 А = 21$ Вт. Прибор закрытый, воздух внутри до 45 °С. Кристалл хотим удержать ниже 150 °С — заметно ниже паспортных 200 °С.

1,5 °С/Вт

θ_{пк}

2N3055

0,4 °С/Вт

θ_{кр}

2,0 °С/Вт

θ_{рс}

127 °Спереход

Сумма 3,9 °С/Вт, перегрев $3, 9 \cdot 21 \approx 82$ °С, кристалл нагреется до $45 + 82 = 127$ °С. Запас до 150 °С есть; если места мало, радиатор можно взять немного хуже, но не намного: каждые 0,5 °С/Вт добавляют больше 10 °С.

Модель: тепловой расчёт транзистора на радиаторе

Практика: радиаторы, прокладки, размещение

Изоляция. Почти всегда транзистор приходится электрически отделять от радиатора: его корпус — это коллектор, а на общем радиаторе часто стоят несколько приборов. Ставят тонкую изолирующую прокладку и изолирующие втулки под крепёжные винты.

Классика — слюда, анодированный алюминий или окись бериллия BeO, промазанные теплопроводной пастой: от 0,14 °С/Вт (бериллиевая керамика) до 0,5 °С/Вт.
Чище и быстрее — сухие эластичные прокладки на кремнийорганической основе с наполнителем из нитрида бора или окиси алюминия (Sil-Pad, Cho-Therm, Kool-Pad, Thermasil и подобные): 0,2–0,4 °С/Вт, почти как слюда с пастой, но без грязи.
Если транзистор прикручен к радиатору без изоляции, изолируют сам радиатор от шасси. Изолированный транзистор, наоборот, позволяет крепить радиатор к шасси напрямую.

Размер радиатора. На сотни ватт без вентилятора не обойтись: для принудительного обдува делают крупные радиаторы с $θ_{рс}$ всего 0,05–0,2 °С/Вт. На другом краю шкалы — мощности в 1–2 Вт: для них есть радиаторы-насадки, надеваемые прямо на маленький металлический корпус вроде TO-5, и миниатюрные радиаторы для пластмассовых корпусов, которые паяют в плату вместе с транзистором или стабилизатором (удобно до нескольких ватт).

Шасси вместо радиатора. Можно прикрутить транзистор прямо к стенке корпуса, но считайте с запасом: стенка должна оставаться холодной, иначе она станет печкой для всех остальных деталей и сократит их срок службы.

Ориентация. Паспортное $θ_{рс}$ измерено при вертикальных рёбрах и свободном доступе воздуха. Положите радиатор плашмя или загородите его — и он будет охлаждать хуже, то есть сопротивление вырастет.

Совет. Лучшее место для радиатора — задняя стенка прибора, рёбра вертикально, сверху и снизу свободно.

Ловушка. Если транзистор на задней стенке торчит наружу, закройте его изолирующим колпачком: его корпус — коллектор под напряжением, и случайное касание отвёрткой или пальцем замкнёт его на землю.

Упражнение 6.2.1

Транзистор в корпусе TO-92 включает реле подогрева сидений; плата стоит под приборной панелью автомобиля, где летом бывает 70 °С. Радиатора нет, тепловое сопротивление «переход — воздух» по паспорту 200 °С/Вт, предельная температура перехода 150 °С. Какую мощность транзистор может рассеивать в таких условиях и на сколько милливатт уменьшается допустимая мощность на каждый градус нагрева воздуха?

P =Втснижение =мВт/°С

Решение

Допустимый перегрев $150 - 70 = 80$ °С, мощность $P = 80/200 = 0, 4$ Вт. Каждый градус воздуха отнимает градус допустимого перегрева, то есть $1/ θ = 1/200 Вт /° С = 5$ мВт/°С. Для реле с током 0,2 А и падением на насыщенном транзисторе 0,3 В (0,06 Вт) запаса хватает, но если транзистор работает в активном режиме, 0,4 Вт кончаются очень быстро.

Упражнение 6.2.2

Выходной транзистор усилителя мощности в корпусе TO-247 ( $θ_{пк} = 0, 8$ °С/Вт) при громкой музыке рассеивает в среднем 35 Вт. Прокладка — силиконовая, 0,3 °С/Вт. Воздух в корпусе усилителя до 40 °С, переход хотим держать не выше 125 °С. Каким должно быть тепловое сопротивление радиатора (на этот транзистор)?

θрс =°С/Вт

Решение

Допустимое суммарное сопротивление $(125 - 40) /35 = 2, 43$ °С/Вт. Транзистор и прокладка забирают $0, 8 + 0, 3 = 1, 1$ °С/Вт, на радиатор остаётся $θ_{рс} \leq 1, 33$ °С/Вт. Если на том же радиаторе стоит второй транзистор двухтактной пары с такой же мощностью, через радиатор течёт вдвое больше тепла, и его сопротивление должно быть уже около 0,67 °С/Вт — это крупный радиатор или вентилятор.

6.2.2Ограничение тока с обратным наклоном

≈ 11 мин2 упр.

Главное

При обычном ограничении тока проходной транзистор греется сильнее всего при замкнутом выходе: на нём всё входное напряжение при предельном токе.
С обратным наклоном (foldback) при перегрузке предел тока снижается: $I_{кз} = (1 + R_{2} / R_{1}) U_{БЭ} / R_{и}$ .
Пример +12 В: $I_{макс}$ ≈ 2,49 А, $I_{кз}$ ≈ 0,87 А — радиатор рассчитывают на полную нагрузку, а не на аварию.
Меру знайте: при $I_{кз}$ меньше примерно трети полного тока источник может не запуститься на свою нагрузку.

Отвёртка соскользнула и замкнула выход источника. Ограничение тока сработало, ничего не сгорело — но посмотрим, что творится на проходном транзисторе. Напряжение на нём выросло с «вход минус выход» до всего входного, а ток остался тем же, предельным. Мощность при замыкании оказывается больше, чем при номинальной нагрузке.

Мощность на проходном транзисторе при простом ограничении

Стабилизатор	Полная нагрузка	Замыкание выхода
+5 В, 3 А от +12 В (раздел 6.1)	21 Вт (7 В × 3 А)	36 Вт (12 В × 3 А)
+12 В, 2,5 А от +16 В	10 Вт (4 В × 2,5 А)	40 Вт (16 В × 2,5 А)

Хуже всего второй случай: если в нормальном режиме на транзисторе остаётся малая доля напряжения, замыкание увеличивает мощность в разы. Радиатор, рассчитанный на 10 Вт, при 40 Вт перегреется.

Та же беда знакома двухтактным усилителям мощности. В нормальной работе наибольший ток идёт, когда выход у края размаха и на транзисторе мало напряжения, а при напряжении на транзисторе, равном питанию, ток мал. Замкнутый же динамик сводит большой ток и большое напряжение в один момент, и мощность намного превышает расчётную.

Можно решить вопрос «в лоб»: огромные радиаторы и транзисторы, работающие далеко от границ области безопасной работы (о ней — ниже в этом разделе). Но и тогда в аварии течёт большой ток, от которого страдают другие детали. Изящнее ограничение с обратным наклоном (foldback): чем ниже упало выходное напряжение, тем меньше разрешённый ток. Ниже — стабилизатор +12 В, 2,5 А на той же 723 с внешним транзистором; новое в нём — делитель $R_{1} R_{2}$ в цепи базы транзистора защиты.

123456

Стабилизатор +12 В, 2,5 А: делитель R_1R_2 на базе транзистора защиты даёт обратный наклон

Что здесь что (6)

Транзистор защиты (внутри 723). открывается, когда напряжение база–эмиттер доходит до $U_{БЭ}$ ≈ 0,5 В
$R_{2}$ = 1,0 кОм. верхнее плечо: от верхнего конца датчика тока к базе транзистора защиты
$R_{1}$ = 12 кОм. нижнее плечо: доля $R_{1} / (R_{1} + R_{2})$ и создаёт обратный наклон
$R_{и}$ = 0,62 Ом — датчик тока. падение $I R_{и}$ сравнивается с порогом
2N3055 на радиаторе. проходной транзистор — именно его мощность мы бережём
Делитель выхода 6,8 / 10 кОм. $7, 15 \cdot (1 + 6, 8/10) \approx 12, 0$ В

Как это работает. Эмиттер транзистора защиты подключён к выходу ( $U_{ст}$ ), а база — не к верхнему концу датчика тока, как в простой схеме, а к делителю, который берёт лишь часть напряжения $U_{ст} + I R_{и}$ . Пока выход в норме, база «недотягивает» до эмиттера на заметную долю от $U_{ст}$ , и для открывания нужен большой ток. Когда выход падает, эта «фора» исчезает, и транзистор открывается при всё меньшем токе.

вывод: при каком токе открывается транзистор защиты

Напряжение база–эмиттер равно разности потенциалов базы и эмиттера:

\frac{R _{1}}{R _{1} + R _{2}} (U_{ст} + I R_{и}) - U_{ст} = U_{БЭ} .

Умножив на

(R_{1} + R_{2}) / R_{1}

и выразив ток, получаем

I_{макс} = \frac{1}{R _{и}} [(1 + \frac{R _{2}}{R _{1}}) U_{БЭ} + \frac{R _{2}}{R _{1}} U_{ст}] .

При замкнутом выходе

U_{ст} = 0

, второе слагаемое исчезает.

Предел тока в нормальном режиме

I_{макс} = \frac{1}{R _{и}} [(1 + \frac{R _{2}}{R _{1}}) U_{БЭ} + \frac{R _{2}}{R _{1}} U_{ст}]

Обозначения:

I_{макс}

R_{и}

R_{2} / R_{1}

U_{БЭ}

U_{ст}

Ток короткого замыкания

I_{кз} = \frac{1}{R _{и}} (1 + \frac{R _{2}}{R _{1}}) U_{БЭ}, \frac{I _{макс}}{I _{кз}} = 1 + \frac{R _{2}}{R _{1} + R _{2}} \cdot \frac{U _{ст}}{U _{БЭ}}

Обозначения:

I_{кз}

Между этими точками порог тока убывает линейно вместе с выходным напряжением — характеристика «загибается» назад, отсюда и название.

Подставим числа схемы: $R_{2} / R_{1} = 1/12 = 0, 083$ , $R_{и} = 0, 62$ Ом, $U_{БЭ} \approx 0, 5$ В (кристалл 723 в работе тёплый). На выходе +12 В: $I_{макс} = (1, 083 \cdot 0, 5 + 0, 083 \cdot 12) /0, 62 = (0, 54 + 1, 00) /0, 62 \approx 2, 49$ А. При замыкании $I_{кз} = 0, 54/0, 62 \approx 0, 87$ А — около 35 % полного тока.

2,49 А

I_{макс}

при +12 В

0,87 А

I_{кз}

16–19 Втна транзисторе при замыкании

11–21 Втпри полной нагрузке

Теперь сравним нагрев. При полной нагрузке на транзисторе остаётся вход минус 12 В выхода минус 1,5 В на датчике, то есть 4,5–8,5 В при входе 18–22 В, и он рассеивает 11–21 Вт. При замыкании — весь вход, но ток всего 0,87 А: 16–19 Вт. Авария больше не самый тяжёлый режим, и радиатор рассчитывают на полную нагрузку. С простым ограничением на 2,5 А замыкание дало бы 45–55 Вт.

Нагрузочная характеристика стабилизатора +12 В: с обратным наклоном (сплошная) и с простым ограничением (пунктир)

Отношение $I_{кз} / I_{макс}$ выбирают резисторами делителя: чем больше $R_{2} / R_{1}$ , тем сильнее «загиб».

Ловушка. Не перестарайтесь. Нагрузка, которой при включении нужен ток больше

I_{кз}

, просто не даст выходу подняться: напряжение застрянет внизу, где разрешённый ток ещё меньше. Так ведут себя двигатели при пуске, лампы накаливания с холодной нитью, разряженные конденсаторы большой ёмкости, другой стабилизатор или любая нагрузка, потребляющая постоянный ток. Практическое правило:

I_{кз}

— не меньше примерно трети тока полной нагрузки при номинальном выходе.

Модель: ограничение тока с обратным наклоном

Упражнение 6.2.3

На стенде проверяют автомагнитолы, их питают от источника +13,8 В с внешним проходным транзистором и защитой с обратным наклоном. Полная нагрузка 2,0 А, при замыкании ток должен падать до 0,7 А. Порог транзистора защиты $U_{БЭ} = 0, 55$ В. Найдите сопротивление датчика тока $R_{и}$ и отношение плеч делителя $R_{1} / R_{2}$ .

Rи =ОмR1/R2 =

Решение

Начнём с отношения токов: $I_{макс} / I_{кз} = 2, 0/0, 7 = 2, 857 = 1 + \frac{R _{2}}{R _{1} + R _{2}} \cdot \frac{13 , 8}{0 , 55}$ , откуда $\frac{R _{2}}{R _{1} + R _{2}} = \frac{1 , 857 \cdot 0 , 55}{13 , 8} = 0, 074$ и $R_{1} / R_{2} = 1/0, 074 - 1 = 12, 5$ (например, $R_{2} = 1, 0$ кОм и $R_{1} = 12, 4$ кОм из ряда E96).

Датчик — из тока замыкания: $R_{и} = (1 + R_{2} / R_{1}) U_{БЭ} / I_{кз} = 1, 08 \cdot 0, 55/0, 7 = 0, 85$ Ом (0,82 Ом из ряда E24 даст 2,08 А и 0,72 А — приемлемо). Проверка: $I_{макс} = (1, 08 \cdot 0, 55 + 0, 08 \cdot 13, 8) /0, 85 = 2, 0$ А. Мощность датчика при 2 А — $4 \cdot 0, 85 = 3, 4$ Вт, берём на 5 Вт. При входе 20 В транзистор рассеивает при полной нагрузке $(20 - 13, 8 - 1, 7) \cdot 2 = 9$ Вт, при замыкании $20 \cdot 0, 7 = 14$ Вт — здесь замыкание всё же тяжелее, и радиатор считают на 14 Вт. С простым ограничением было бы $20 \cdot 2 = 40$ Вт.

Упражнение 6.2.4

В самодельном источнике +9 В стоит защита с обратным наклоном: $R_{и} = 0, 33$ Ом, $R_{1} = 6, 8$ кОм, $R_{2} = 0, 82$ кОм. Нестабилизированный вход 15 В, $U_{БЭ} = 0, 6$ В. Найдите предел тока $I_{макс}$ , ток замыкания $I_{кз}$ и мощность на проходном транзисторе при замкнутом выходе (падением на датчике можно пренебречь).

Iмакс =АIкз =АPкз =Вт

Решение

$R_{2} / R_{1} = 0, 82/6, 8 = 0, 121$ . Предел тока $I_{макс} = (1, 121 \cdot 0, 6 + 0, 121 \cdot 9) /0, 33 = (0, 672 + 1, 085) /0, 33 = 5, 33$ А; ток замыкания $I_{кз} = 0, 672/0, 33 = 2, 04$ А. При замыкании на транзисторе почти весь вход: $P \approx 15 \cdot 2, 04 = 30, 6$ Вт (точнее, за вычетом 0,67 В на датчике, 29,2 Вт). При полной нагрузке $(15 - 9 - 1, 76) \cdot 5, 33 \approx 22, 6$ Вт, а с простым ограничением на 5,33 А замыкание дало бы около 80 Вт. Видно и то, что для «девятивольтового» источника на 5 А датчик 0,33 Ом великоват: на нём теряется 1,76 В.

6.2.3Защита нагрузки от перенапряжения

≈ 9 мин3 упр.

Главное

Пробой проходного транзистора (коллектор замкнут на эмиттер) выводит на нагрузку всё нестабилизированное напряжение; предохранитель сгорит позже, чем микросхемы.
Тиристорная защита (crowbar, «лом»): стабилитрон и тиристор закорачивают выход примерно при 6,2 В и держат его замкнутым до выключения питания.
Для шины +5 В порог нужен в окне 6–7 В; дискретный стабилитрон даёт разброс 5,9–6,6 В, ИМС-датчики и готовые модули — точнее.
Ограничитель на мощном транзисторе отпускает сам, но при аварии сам рассеивает $U_{огр} I$ и может сгореть.

Ограничение тока бережёт источник, а что бережёт нагрузку? Возьмём шину +5 В большой цифровой системы со стабилизатором, на вход которого приходит от 10 до 15 В. Самая частая поломка проходного транзистора — пробой с замыканием коллектора на эмиттер. В этот момент все 10–15 В оказываются на логике. Где-то в цепи есть предохранитель, и он, может быть, сгорит, — но микросхемы начнут гореть раньше. Состязание в скорости между плавкой вставкой и кремнием вставка почти всегда проигрывает: микросхемы успевают сгореть раньше.

Особенно уязвима логика ТТЛ: ей нужно 5 В, а выше 7 В она погибает. Не менее опасен лабораторный блок с широким диапазоном: даже если на нём выставлено 3 В, внутри стоят 40 В нестабилизированного напряжения.

Тиристорная защита на стабилитроне

Самая распространённая защита — «кроубар» (crowbar, буквально «лом», которым замыкают шину). Её включают между выходом стабилизатора и общим проводом. Порог задаёт стабилитрон: как только выход превысит его напряжение плюс около 0,6 В на переходе «управляющий электрод — катод», через управляющий электрод потечёт ток и тиристор включится. Выключится он сам только тогда, когда ток анода упадёт до единиц миллиампер, то есть, по сути, когда пропадёт питание. Такие защиты выпускаются и готовыми модулями (например, Lambda L-6-OV-5, Motorola MPC2004).

12345

Тиристорная защита шины +5 В: дискретная на стабилитроне (слева) и двухвыводной модуль (справа)

Что здесь что (5)

Стабилитрон 1N5232B, 5,6 В ± 5 %. задаёт порог: 5,6 В + ≈ 0,6 В управляющего перехода ≈ 6,2 В
Резистор 56 Ом. к моменту включения тиристора через стабилитрон уже течёт около 10 мА — он работает на крутом участке
Конденсатор 0,1 мкФ. не даёт защите сработать от коротких безвредных иголок
Тиристор 2N4441. 5 А постоянно, импульсы до 80 А; открытый держит около 1 В
Готовый модуль. два вывода, точный порог — подключил и забыл

≈ 6,2 Впорог дискретной защиты

5 А / 80 А2N4441: постоянно / в импульсе

≈ 1 Вна открытом тиристоре

≈ 10 мАток стабилитрона

Сработав, защита сажает выход на «короткое замыкание» около 1 В и не отпускает его до выключения питания. Само падение на открытом тиристоре мало, поэтому она почти не греется и очень надёжна.

Ловушка. Защита опирается на то, что у источника есть ограничение тока или хотя бы предохранитель. При внутреннем ограничении тока предохранитель не сгорит, и источник будет часами сидеть на сработавшей защите с нулём на выходе, перегревая собственный проходной транзистор, пока кто-нибудь не заметит. Здесь особенно уместно ограничение с обратным наклоном.

Как выбрать порог

Стабилитроны выпускают только на определённые напряжения, с заметным допуском, а у низковольтных излом характеристики к тому же размыт. Посмотрим, какое окно для порога остаётся у шины +5 В.

Снизу: питание логики имеет допуск 5–10 %, так что порог не может быть ниже 5,5 В.
Ещё выше его поднимают выбросы. При резком изменении тока нагрузки выход стабилизатора на мгновение выскакивает с затухающими колебаниями — тем сильнее, чем длиннее провода к измерительным входам (их индуктивность). От таких выбросов защита срабатывать не должна, поэтому порог — не ниже 6 В.
Сверху: при 7 В уже гибнет ТТЛ.

Окно 6–7 В выглядит широким, пока не сложены допуски: ряд номиналов стабилитронов, их разброс, разброс порога тиристора. Даже с 5-процентным стабилитроном на 5,6 В наша дискретная схема сработает где-то между 5,9 и 6,6 В — нижний край уже выходит за окно.

Окно для порога защиты шины +5 В: выше допуска и выбросов, но ниже напряжения, губительного для ТТЛ

Специализированные микросхемы и модули

Неточность и отсутствие подстройки устраняют ИМС-датчики перенапряжения: MC3423, MC3425, MC34061, а также универсальная TL431. Они недороги, бывают в корпусах mini-DIP на 8 выводов или трёхвыводных TO-92 и сами управляют тиристором. Внутри — опорный источник, компараторы и выходные каскады, снаружи — пара резисторов, тиристор и при желании конденсатор. У MC3425, например, регулируются и порог, и задержка срабатывания, а отдельный выход сообщает о снижении питания — удобно, когда процессор должен успеть сохранить данные.

Всё это — часть большого семейства супервизоров питания. Микросхемы посложнее, например MAX690, ещё и переключают схему на батарею при пропадании сети, формируют сигнал сброса процессора после восстановления питания и следят за его «зависанием» (сторожевой таймер).

Самый простой путь — двухвыводной модуль защиты, который просто ставят на выход источника. Модули Lambda и Motorola выпускаются на ряд фиксированных напряжений (5, 6, 12, 15, 18, 20, 24 В) и токов от 2 до 35 А в корпусах TO-66, TO-220, TO-3 и стоят недорого. Главное их достоинство — точный порог: у пятивольтового модуля Lambda, например, $6, 6 \pm 0, 2$ В.

Ограничители

Совсем другой подход — поставить параллельно выходу мощный стабилитрон или схему, которая ведёт себя как он. Ограничитель проводит, только пока напряжение превышает порог: кончился выброс — он сам перестал проводить. Тиристор же, раз включившись, будет держать шину замкнутой до выключения питания.

Отдельный мощный стабилитрон на десятки ватт дорог, поэтому чаще делают «усиленный стабилитрон»: маленький стабилитрон на 12 В открывает мощный 2N3055, а тот уже принимает основной ток. Ограничение наступает при $12 + 0, 6 \approx 12, 6$ В, ток — до 10 А. Такой узел подходит, например, для защиты нагрузки, которая выдерживает до 13 В, на шине +10 В.

123

Ограничитель на мощном транзисторе: стабилитрон 12 В управляет 2N3055

Что здесь что (3)

Стабилитрон 1N5349, 12 В. начинает проводить выше 12 В и подаёт ток в базу
Резистор 470 Ом. удерживает транзистор закрытым, пока стабилитрон молчит, и задаёт ток стабилитрона
2N3055. берёт на себя основной ток (до 10 А): порог 12 + 0,6 ≈ 12,6 В

Ловушка. Слабое место ограничителя проявляется как раз в главной аварии. Если пробьёт проходной транзистор стабилизатора, ограничителю придётся держать на шине свои 12,6 В, пропуская весь ток, который может дать нестабилизированный источник. При токе 5 А это 63 Вт — без серьёзного радиатора транзистор ограничителя сгорит следом, а при отказе с обрывом нагрузка останется без защиты.

Три способа защитить нагрузку от перенапряжения

	Стабилитрон + тиристор	ИМС-датчик или модуль	Ограничитель
Порог	грубый: 5,9–6,6 В	точный, подстраиваемый ( $6, 6 \pm 0, 2$ В)	$U_{ст} + 0, 6$ В
После выброса	держит выход замкнутым до выключения	так же (тиристор)	отпускает сам
Нагрев в аварии	мал: ≈ 1 В на тиристоре	мал	велик: $U_{огр} I_{огр}$
Цена	копейки	недорого	мощный транзистор + радиатор

Упражнение 6.2.5

Аналоговую часть измерительного прибора питает шина +15 В. Тиристорную защиту для неё собрали на стабилитроне 16 В с допуском ±5 %; напряжение включения тиристора по управляющему электроду — от 0,6 до 0,8 В. В каких пределах может оказаться порог срабатывания?

Uмин =ВUмакс =В

Решение

Порог равен $U_{ст} + U_{УЭ}$ . Наименьший: $16 \cdot 0, 95 + 0, 6 = 15, 2 + 0, 6 = 15, 8$ В — всего на 5 % выше номинала; выброс при включении мощной нагрузки может «уронить» источник ложно. Наибольший: $16 \cdot 1, 05 + 0, 8 = 16, 8 + 0, 8 = 17, 6$ В, то есть на 17 % выше. Разброс почти 2 В — ровно та причина, по которой для точного порога берут ИМС-датчик с опорным источником и подстроечным делителем.

Упражнение 6.2.6

Источник +12 В с простым ограничением тока на 4 А питается от нестабилизированных 18 В. Сработала тиристорная защита (на открытом тиристоре 1,2 В), а источник никто не выключил. Какую мощность рассеивают тиристор и проходной транзистор стабилизатора?

PКУВ =ВтPтр =Вт

Решение

Ток равен пределу ограничения, 4 А. Тиристор: $1, 2 \cdot 4 = 4, 8$ Вт — терпимо. Проходной транзистор: на нём $18 - 1, 2 = 16, 8$ В, $P = 16, 8 \cdot 4 = 67, 2$ Вт, почти втрое больше, чем при полной нагрузке ( $(18 - 12) \cdot 4 = 24$ Вт), — и так будет продолжаться, пока источник не выключат. Радиатор на 24 Вт этого не выдержит. С обратным наклоном ( $I_{кз} \approx 1, 3$ А) было бы около 22 Вт, то есть меньше рабочего режима.

Упражнение 6.2.7

Чем ограничитель на мощном транзисторе со стабилитроном выгоднее тиристорной защиты и чем уступает ей?

Решение

Ограничитель проводит, только пока напряжение выше порога, — короткий выброс прошёл, и всё вернулось само. Тиристор срабатывает «насовсем» до снятия питания, зато, открывшись, держит на себе около 1 В и почти не греется. Ограничитель же в аварии держит на шине собственный порог (у нашей схемы 12,6 В) при всём аварийном токе и рассеивает $12, 6 \cdot I$ — при отказе проходного транзистора это десятки ватт.

6.2.4Сильноточные источники: разводка, параллельные транзисторы, ОБР

≈ 10 мин3 упр.

Главное

Управляющую часть питают от отдельного маломощного источника — силовое напряжение тогда можно взять лишь немного выше выхода.
Все нагрузки подключают в точке, где измеряется выход; все земли сводят в одну точку; выносные измерительные входы компенсируют сопротивление проводов.
Параллельным биполярным транзисторам нужны эмиттерные резисторы (≈ 0,2 В при наибольшем токе); МОП-транзисторы обходятся без них.
Область безопасной работы: из-за вторичного пробоя при большом $U_{кэ}$ допустимый ток меньше, чем следует из мощности.

Источник на десятки ампер — это не просто «тот же стабилизатор, только транзистор крупнее». Ватты, теряющиеся на проводах, и миллиомы общих соединений начинают влиять на точность, а транзисторы — на надёжность. Разберём четыре вопроса, которые встают именно при больших токах.

Отдельное питание для управляющей части

Мы уже видели, что 723 удобно питать отдельно от силовой цепи: у неё для этого выведены порознь $U_{+}$ и $U_{к}$ . В мощном источнике это особенно выгодно. Пусть нужна шина +3,3 В на 15 А для вычислительной стойки. Если опорный источник и усилитель ошибки питаются от отдельных +12 В небольшой дополнительной обмотки, силовое нестабилизированное напряжение можно выбрать всего около 6–7 В с пульсациями 1–2 В — ровно столько, чтобы проходному транзистору хватило запаса. Иначе пришлось бы подавать на силовую цепь все 10–12 В и сжигать на транзисторе вдвое больше.

Запас силового напряжения при этом всё равно считают по худшему случаю: пониженная сеть, допуск трансформатора, допуск ёмкости конденсатора.

Провода и земля

Сопротивление соединений в сильноточном или прецизионном источнике — уже не мелочь, и продумывать надо проводники как внутри стабилизатора, так и между ним и нагрузками.

Правило. Если от одного стабилизатора питаются несколько устройств, все они подключаются в ту же точку, от которой берёт напряжение делитель обратной связи. Иначе ток одной нагрузки, проходя по общему участку провода, изменит напряжение на другой. Точно так же нужна одна общая точка заземления, куда сходятся «минус» нестабилизированного источника, земля опорного источника и земли всех нагрузок.

1234567

Все земляные провода сходятся в одну точку, все нагрузки подключены там же, где измеряется выход

Что здесь что (7)

Нестабилизированный источник. его «минус» тоже идёт в общую точку
Проходной элемент. регулирует ток, который уходит в нагрузки
Точка измерения. сюда подключены и делитель обратной связи, и все нагрузки
Нагрузка 2. подключена в точке измерения: ток соседней нагрузки на неё не влияет
Опорный источник. его земля — тоже в общей точке, иначе ток нагрузки сдвинет опорное
Усилитель ошибки. сравнивает опорное с напряжением в точке измерения
Общая точка заземления. одно место, куда сходятся все земляные провода

А как быть с падением на проводах от источника до далёкой мощной нагрузки? Для этого у серьёзных источников есть выносные измерительные входы (remote sensing). Входы усилителя ошибки и земля опорного источника выведены на отдельные клеммы. Обычно их соединяют с силовыми выходами перемычками прямо на клеммах, а когда нужно — снимают перемычки и тянут к нагрузке отдельную тонкую пару проводов. Стабилизатор тогда держит заданное напряжение на самой нагрузке, а падение на силовых проводах сам компенсирует, поднимая напряжение на своих клеммах. Проводов получается четыре, из них лишь два рассчитаны на полный ток.

12345

Четырёхпроводное подключение: по толстой паре течёт ток, по тонкой стабилизатор «видит» напряжение на нагрузке

Что здесь что (5)

Силовой выход «+». по нему течёт весь ток нагрузки
Измерительный вход «+». отдельный провод к нагрузке: тока в нём почти нет, значит, нет и падения
Сопротивление силового провода. на нём падает $I r_{пр}$ ; стабилизатор поднимает напряжение на клеммах ровно на столько же
Нагрузка. получает ровно заданное напряжение
Точка подключения измерения. измерительные провода сходятся у самой нагрузки

Тем же четырёхпроводным способом подключают низкоомные резисторы-датчики тока в источниках с точно заданным током: два вывода — для тока, два — для измерения падения (об источниках тока — в разделе 6.6).

Несколько проходных транзисторов параллельно

Один транзистор рассеивает ограниченную мощность, поэтому при больших токах их ставят несколько, на общий радиатор. Соединить их просто параллельно нельзя. У разных экземпляров $U_{БЭ}$ отличается на десятки милливольт, а ток зависит от $U_{БЭ}$ экспоненциально: транзистор с меньшим $U_{БЭ}$ заберёт львиную долю тока, нагреется, его $U_{БЭ}$ ещё уменьшится — и он заберёт ещё больше. Лекарство — небольшой «балластный» резистор в эмиттере каждого. Транзистор, который тянет больше тока, получает на своём резисторе большее падение и сам себя подзапирает.

Правило. Балластный резистор выбирают так, чтобы при наибольшем токе транзистора на нём падало около 0,2 В.

1234

Три биполярных транзистора параллельно: каждый со своим резистором в эмиттере

Что здесь что (4)

Мощный транзистор. у каждого свой $U_{БЭ}$ ; без резисторов ток забрал бы тот, у кого он меньше
Балластный резистор $R_{Э}$ . ≈ 0,2 В при наибольшем токе: лишний ток увеличивает падение и подзапирает транзистор
Общий коллектор. все транзисторы на одном радиаторе
Общий выход. токи складываются после резисторов

С мощными МОП-транзисторами проще: при неизменном напряжении на затворе (в области больших токов) их ток стока при нагреве уменьшается. Горячий транзистор сам отдаёт ток холодным соседям, и параллельное включение возможно без резисторов (раздел 3.3).

Область безопасной работы (ОБР)

И последнее о мощных транзисторах. Казалось бы, транзистору на 115 Вт можно поручить любое сочетание тока и напряжения с произведением меньше 115 Вт. У биполярных транзисторов это не так из-за вторичного пробоя. При большом напряжении ток по площади перехода распределяется неравномерно; там, где плотность тока чуть выше, кремний чуть горячее, у горячего кремния $U_{БЭ}$ меньше — значит, туда стягивается ещё больше тока. Возникает «горячая точка», которая разрушает кристалл, хотя средняя мощность в норме.

Как развивается вторичный пробой

Неравномерный ток

Горячая точка

Ток стягивается туда

Ещё сильнее греется

Разрушение

Поэтому изготовитель приводит область безопасной работы — график допустимых сочетаний тока и напряжения для разных длительностей. Для 2N3055 на постоянном токе видно, что граница состоит из трёх участков: при малых напряжениях её задаёт ток выводов, до 40 В — мощность 115 Вт, а выше 40 В — вторичный пробой, и допустимый ток падает круче, чем по закону мощности.

Второй график сравнивает два прибора одного класса на 250 Вт. У биполярного граница отходит вниз от «линии мощности» уже при напряжении больше 10 В. Для коротких импульсов картина мягче: при длительности меньше примерно 1 мс ограничение вторичным пробоем практически исчезает.

ОБР 2N3055 на постоянном токе при корпусе 25 °С (схематично): слева предел — ток выводов 15 А, до 40 В — мощность 115 Вт (пунктир — куда она шла бы дальше), правее — вторичный пробой

Два транзистора по 250 Вт на постоянном токе (схематично): у МОП граница идёт по мощности, у биполярного сползает вниз уже после 10 В

Какой транзистор поставить в проходной элемент

	Биполярный	МОП
Параллельное включение	только с балластными резисторами	без резисторов: ток падает с нагревом
Вторичный пробой	есть: ОБР сужается при большом $U_{кэ}$	нет
Чем ограничена ОБР	током выводов, мощностью и вторичным пробоем	током, мощностью и $U_{си макс}$

У МОП-транзисторов вторичного пробоя в этом смысле нет, их ОБР ограничена лишь допустимым током (для коротких импульсов он выше, чем на постоянном токе), мощностью и предельным напряжением сток–исток. Одна оговорка для современных приборов: многие МОП-транзисторы с «траншейной» структурой, сделанные для ключевых схем, в линейном режиме при большом напряжении тоже склонны к местному перегреву. Для проходного элемента выбирайте приборы, у которых в паспорте есть ОБР на постоянном токе.

Упражнение 6.2.8

В мощном источнике три одинаковых проходных транзистора включены параллельно, общий ток до 7,5 А. Подберите эмиттерные балластные резисторы по правилу «0,2 В при наибольшем токе» и найдите мощность, которую рассеивает каждый из них.

RЭ =ОмP =Вт

Решение

На транзистор приходится $7, 5/3 = 2, 5$ А, $R_{Э} = 0, 2/2, 5 = 0, 08$ Ом (ближайшие стандартные — 0,082 или два по 0,15 параллельно). Мощность $I^{2} R = 2, 5^{2} \cdot 0, 08 = 0, 5$ Вт, резистор берут на 2 Вт. Насколько это помогает: если у одного транзистора $U_{БЭ}$ на 20 мВ меньше, без резистора его ток был бы в $e^{20/25} \approx 2, 2$ раза больше, чем у соседа. С резистором те же 20 мВ «уходят» в дополнительное падение на $R_{Э}$ , то есть в разницу тока всего $0, 02/0, 08 = 0, 25$ А — 10 %.

Упражнение 6.2.9

Стойка одноплатных компьютеров потребляет 6 А от источника 5 В. Силовые провода — два, по 0,8 м, сопротивление 0,02 Ом/м. На сколько напряжение на стойке меньше, чем на клеммах источника, если выносные измерительные входы не используются?

ΔU =В

Решение

Ток идёт туда и обратно: $R = 2 \cdot 0, 8 \cdot 0, 02 = 0, 032$ Ом, $Δ U = 6 \cdot 0, 032 = 0, 19$ В — почти 4 % от 5 В, на краю допуска многих плат. Если подвести измерительные провода к стойке, стабилизатор будет держать 5,00 В именно там (по измерительным проводам ток ничтожен), а на его клеммах окажется 5,19 В — и запас нестабилизированного напряжения должен учитывать эти лишние 0,19 В.

Упражнение 6.2.10

На участке вторичного пробоя (40–60 В) ОБР 2N3055 на постоянном токе приближённо описывается формулой $I = 2, 875 (40/ U)^{2, 6}$ А. Найдите допустимый ток коллектора при $U_{кэ} = 45$ В и сравните его с током, который следовал бы из одной лишь мощности 115 Вт.

IОБР =АIP =А

Решение

$I = 2, 875 \cdot (40/45)^{2, 6} = 2, 875 \cdot 0, 736 = 2, 12$ А. По мощности было бы $115/45 = 2, 56$ А. Значит, при 45 В транзистор может рассеивать лишь $45 \cdot 2, 12 \approx 95$ Вт. Именно такие режимы — большое напряжение при заметном токе — бывают при замыкании выхода источника, поэтому ОБР нужно проверять для аварийных, а не только для рабочих режимов.

6.2.5Источники, регулируемые от нуля и управляемые извне

≈ 5 мин1 упр.

Главное

Чтобы выход опускался до 0 В, схему управления питают от отдельного двуполярного источника, а усилитель ошибки включают инвертирующим.
$U_{вых} = U_{оп} R_{1} / R_{2}$ : при $R_{1} \to 0$ выход стремится к нулю.
Управление извне — подать $U_{упр}$ вместо $- U_{оп}$ ; цифровое — поставить ЦАП с токовым выходом на место $R_{2}$ .

Лабораторному источнику мало регулировки «от 2 до 30 В»: проверить, при каком напряжении оживает микросхема, или плавно поднять ток через светодиод можно, только начиная с нуля. А ещё бывает нужно задавать выход внешним напряжением, цифровым кодом от компьютера или переключателем.

На 723 так не сделать: её усилитель ошибки не работает при входах ниже 2 В, а отрицательной шины у неё нет. Нужна другая архитектура. Схема управления — ОУ и опорный источник — получает собственное маломощное двуполярное питание и точное отрицательное опорное напряжение (опорные источники — в разделе 6.4). Усилитель ошибки включён инвертирующим усилителем: его вход — виртуальная земля, ток $U_{оп} / R_{2}$ течёт через $R_{1}$ , и выход должен уравновесить его.

Источник, регулируемый от нуля

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

Обозначения:

U_{оп}

R_{1}

R_{2}

При

R_{1} \to 0

выход спускается до нуля. Управляющая часть питается от собственного двуполярного источника, поэтому малые выходные напряжения ей ничем не мешают.

12345678

Регулировка от нуля: инвертирующий усилитель ошибки, U_вых = U_оп·R₁/R₂

Что здесь что (8)

Сильноточный нестабилизированный источник. питает только силовую часть — проходной транзистор
$T_{1}$ — проходной транзистор. им управляет выход ОУ
$R_{ОТ}$ — датчик тока. падение на нём открывает $T_{2}$
$T_{2}$ — ограничение тока. отбирает управляющий ток у базы $T_{1}$
Усилитель ошибки. инвертирующий: его вход — виртуальная земля
$R_{1}$ — регулировка. от нуля до максимума: $U_{вых} = U_{оп} R_{1} / R_{2}$
$R_{2}$ . задаёт ток $U_{оп} / R_{2}$ , который течёт через $R_{1}$
Источник $- U_{оп}$ . точное отрицательное опорное от маломощного двуполярного источника

Управление напряжением и кодом

Источник, который «слушается» внешнего напряжения, получается заменой: на место $- U_{оп}$ подают управляющее напряжение, всё остальное остаётся. $R_{1}$ теперь задаёт масштаб — сколько вольт выхода на вольт управления. Если управляющий сигнал положительный (например, с ЦАП микроконтроллера), его сначала переворачивают инвертором с усилением −1.

1234

Инвертор с усилением −1: положительное управляющее напряжение ставят на место −U_оп

Что здесь что (4)

Входной резистор R. от управляющего напряжения $+ U_{упр}$
Резистор обратной связи R. равен входному: усиление −1
Инвертор на ОУ. превращает $+ U_{упр}$ в $- U_{упр}$ — на место $- U_{оп}$
R/2. выравнивание входных токов: $R ∥ R$

Упражнение 6.2.11

Источник собран по схеме с инвертирующим усилителем ошибки: $- U_{оп} = - 5, 0$ В, $R_{2} = 4, 7$ кОм. Каким должно быть наибольшее сопротивление $R_{1}$ , чтобы выход регулировался от 0 до 20 В? Какой будет шаг установки, если вместо $R_{2}$ поставить 16-разрядный ЦАП, а полную шкалу масштабировать на 20 В?

R1 =кОмшаг =мВ

Решение

$R_{1} = R_{2} U_{вых} / U_{оп} = 4, 7 \cdot 20/5, 0 = 18, 8$ кОм — на практике потенциометр 20 кОм (предел около 21 В) или 18 кОм плюс подстроечник. С 16-разрядным ЦАП шагов $2^{16} - 1 = 65535$ , шаг $20/65 535 = 0, 305$ мВ. Такая точность имеет смысл, только если опорное и резисторы стабильны на уровне $1 0^{- 5}$ — иначе младшие разряды будут «шуметь» дрейфом.

6.2.6Собираем лабораторный блок питания

≈ 6 мин1 упр.

Главное

Блок 0–25 В, 0–3 А: управление от отдельного источника +48/−15 В, усилитель ошибки — высоковольтный ОУ.
Проходной элемент — два параллельных МОП-транзистора: простое управление затвором и широкая ОБР.
Точный ток 1 мА через многооборотный $R_{1}$ (1 В на кОм) от опорного −5,00 В; ток нагрузки ограничивает отдельный усилитель ИС2.
Внутренняя нагрузка 50 мА держит проходные транзисторы в активном режиме у нуля и поглощает ток, втекающий из нагрузки.

Соберём идеи раздела в одну конструкцию — настольный блок 0–25 В, 0–3 А для мастерской. Требования понятны: регулировка от нуля, точная установка напряжения, точный и плавно задаваемый предел тока, живучесть при замыканиях.

Регулировка от нуля означает отдельное питание управляющей части: +48 и −15 В от маленькой обмотки. Почему +48? Затвор проходного МОП-транзистора должен быть на несколько вольт выше его истока, а исток при полном выходе — на 25 В, сток — на 36 В нестабилизированного напряжения; ОУ должен «дотянуть» выход до 30–35 В с запасом. Поэтому усилитель ошибки ИС1 — высоковольтный ОУ, допускающий суммарное питание 60–100 В (например, OPA454).

12345678910

Лабораторный блок 0–25 В, 0–3 А: регулировка напряжения от нуля и точный предел тока (упрощённо)

Что здесь что (10)

Нестабилизированный источник 36 В, 3,5 А. конденсатор фильтра 6800 мкФ
Два МОП-транзистора. параллельно на общем радиаторе; каждый рассчитан на 60 Вт при корпусе 100 °С
Внутренняя нагрузка 50 мА. источник тока на −15 В: держит транзисторы в активном режиме и поглощает ток из нагрузки
ИС1 — высоковольтный ОУ. усилитель ошибки, суммарное питание до 60–100 В
$R_{1}$ — многооборотный потенциометр. 1 В на кОм: через него течёт точный ток 1 мА
Резистор 5,0 кОм. от −5,00 В опорного задаёт ток 1 мА
Датчик тока 0,1 Ом. в минусовом проводе
ИС2 — ограничение тока. сравнивает падение на датчике с уставкой $R_{2}$ (0–0,3 В)
Диод. через него ИС2 отбирает управляющее напряжение у ИС1
Нагрузка. 0–25 В, 0–3 А

0–25 Ввыход

0–3 Аточный предел тока

+48 / −15 Впитание управления

1 мАток через

R_{1}

≈ 110 Втхудший нагрев

Проходной элемент. Два мощных МОП-транзистора в параллель на одном радиаторе. Управлять ими просто — затвор не потребляет постоянного тока, — а ОБР без вторичного пробоя прощает тяжёлые режимы (с оговоркой о «траншейных» приборах, сделанной выше). Каждый рассчитан на 60 Вт при температуре корпуса 100 °С. Столько нужно даже при скромных 3 А из-за широкого диапазона: вход обязан быть достаточным для 25 В, а при выходе 1–2 В почти все 36 В падают на транзисторах. Промышленные блоки иногда переключают отводы трансформатора по диапазонам или берут вход с регулируемого трансформатора, который «следит» за выходом; это уменьшает нагрев, но усложняет конструкцию и мешает дистанционному управлению.

Установка напряжения. Через многооборотный прецизионный потенциометр $R_{1}$ (25 кОм, 1 В на кОм) течёт точный ток 1 мА, заданный резистором 5,0 кОм от опорного −5,00 В (прецизионный опорный источник из раздела 6.4). Усилитель ошибки сравнивает выход с падением на $R_{1}$ , поэтому шкала потенциометра линейна: середина хода — ровно 12,5 В.

Ограничение тока. Простой транзисторный ограничитель из 723 здесь не годится: порог плывёт с температурой и его нельзя плавно задавать с панели. Вместо него стоит ИС2. Она сравнивает падение на датчике 0,1 Ом в минусовом проводе с напряжением 0–0,3 В, выставленным потенциометром $R_{2}$ , и, когда ток превышает уставку, через диод понижает управляющее напряжение ИС1. Блок, хорошо стабилизирующий и напряжение (до нуля), и ток, заодно служит удобным источником постоянного тока — например, для зарядки аккумуляторов или проверки светодиодов.

Внутренняя нагрузка. Источник тока 50 мА на −15 В постоянно нагружает выход. Без него при выходе около нуля проходные транзисторы оказались бы на грани запирания, и регулировка стала бы вялой. Вдобавок он позволяет блоку «поглотить» немного тока, втекающего из нагрузки (бывают нагрузки со своим питанием, которые отдают ток в клеммы источника), не давая выходу подняться. Мощный диод 1N5408 в обратном включении на выходе защищает блок от обратной полярности — например, от подключённого наоборот аккумулятора.

Совет. Измерительные входы на схеме подключены к выходным клеммам прямо внутри блока. Для точной работы на длинных проводах их лучше вывести на отдельные клеммы и подключать у самой нагрузки — четырёхпроводное подключение, о котором шла речь выше.

Упражнение 6.2.12

Хотят сделать «старшего брата» нашего блока: выход 0–40 В, ток до 5 А, нестабилизированное напряжение 52 В, четыре параллельных проходных транзистора, внутренняя нагрузка 50 мА. Найдите наибольшую мощность, которую рассеивают все проходные транзисторы вместе и каждый из них (пульсациями и просадкой входа пренебречь). Хватит ли транзисторов, рассчитанных на 60 Вт при корпусе 100 °С?

Pобщ =ВтP1 =Вт

Решение

Худший режим — выход около нуля (замыкание или выставленный 0 В) при токе, равном пределу: на транзисторах всё нестабилизированное напряжение, а ток — ток нагрузки плюс внутренняя нагрузка: $P = 52 \cdot (5 + 0, 05) = 262, 6$ Вт, по 65,7 Вт на транзистор. Это больше 60 Вт — четырёх транзисторов мало, нужно пять или переключение отводов трансформатора. Радиатор при воздухе 40 °С и корпусах не горячее 100 °С должен иметь $θ \approx (100 - 40) /263 \approx 0, 23$ °С/Вт — только с вентилятором. При выходе 40 В и 5 А мощность всего $12 \cdot 5, 05 \approx 61$ Вт.

6.2.7Наследники 723 и что пришло им на смену

≈ 3 мин1 упр.

Главное

Улучшенные варианты 723 (LAS1000/1100, SG3532) работают от 4,5 В: их опорный источник — на напряжении запрещённой зоны, 2,5 В.
У них есть тепловая защита; вставить их в панельку 723 нельзя.
Сегодня обычно ставят трёхвыводные стабилизаторы вроде 7805 и 317: до 10 А, ограничение тока и тепловая защита внутри (раздел 6.5).

723 была первым интегральным стабилизатором, и её до сих пор есть за что ценить. Если нужен «конструктор» с внешним транзистором и гибкой настройкой, стоит знать и её улучшенные варианты: устроены они так же, но лишены главных слабостей.

Lambda LAS1000 и LAS1100 и Silicon General SG3532 работают при входном напряжении вплоть до 4,5 В. Секрет в опорном источнике: вместо стабилитрона на 7,15 В у них источник на напряжении запрещённой зоны (раздел 6.4) на 2,5 В, которому большой запас не нужен. Есть у них и тепловая защита, отключающая кристалл при перегреве, — 723 в той же ситуации просто выгорает.

Названия выводов у них те же, но в панельку от 723 их не поставить: среди прочего они рассчитаны на меньшее опорное напряжение. Ещё один родственник 723 — MC1469 фирмы Motorola и его зеркальный вариант для отрицательного напряжения MC1463.

И всё же в современных блоках 723 и её потомков встретишь нечасто. Их место заняли «трёхвыводные» стабилизаторы вроде 7805 и 317, которым почти не нужны внешние детали (7805 — ни одной). В подавляющем большинстве случаев они дают всё необходимое:

ток до 10 А без внешних транзисторов;
фиксированное или регулируемое выходное напряжение;
отличную стабилизацию;
встроенные ограничение тока и тепловую защиту.

Им посвящён раздел 6.5. Но сначала разберём, что стоит у стабилизатора на входе, — выпрямитель с фильтром, — и откуда берётся опорное напряжение.

Три поколения линейных стабилизаторов

	723	LAS1000, SG3532	7805, 317
Опорный источник	стабилитрон, 7,15 В	запрещённая зона, 2,5 В	запрещённая зона
Наименьшее питание	9,5 В	4,5 В	выход + 2–3 В
Тепловая защита	нет	есть	есть
Внешние детали	делитель, датчик тока, коррекция	так же	7805 — ни одной
Ток без внешнего транзистора	150 мА	—	до 10 А

Упражнение 6.2.13

Нужен стабилизатор +3,3 В, питаемый от литиевого аккумулятора (3,0–4,2 В) через повышающий преобразователь до 5 В. Почему здесь подойдёт SG3532, а 723 — нет?

Решение

Опорный узел 723 — стабилитрон около 6,2 В плюс $U_{БЭ}$ и источник тока для них; всему этому нужно питание заметно выше 7,15 В, отсюда паспортный минимум 9,5 В. От 5 В она просто не заработает. Опорный источник на напряжении запрещённой зоны даёт 1,2–2,5 В и довольствуется гораздо меньшим питанием. Выход ниже опорного 723 получить может (делитель на опорном), так что последний вариант неверен.