Глава 6. Источники питания и стабилизаторы

6.5. Интегральные стабилизаторы

Стабилизатор в одном корпусе: 78xx, LM317 и их родня, приёмы и подводные камни, а затем импульсные преобразователи — понижающий, повышающий, инвертирующий и сетевой.

≈ 82 мин чтения · пунктирное подчёркивание — наведите или нажмите, чтобы увидеть пояснение

До сих пор стабилизатор приходилось собирать: опорник, усилитель ошибки, проходной транзистор, ограничитель тока — каждый узел отдельно. В этом разделе всё это уже спрятано в один корпус с тремя (реже — четырьмя) выводами, и разговор пойдёт о том, как такими микросхемами пользоваться грамотно. Во второй половине раздела — импульсные преобразователи: они делают то, что линейному стабилизатору не под силу вовсе, — повышают напряжение, меняют его знак и при этом почти не греются.

6.5.1Стабилизаторы с фиксированным выходом

≈ 8 мин2 упр.

Главное

Корпус с тремя выводами (вход, выход, общий) скрывает целый стабилизатор: опорник, усилитель ошибки, проходной транзистор и защиты.
Семейство 78xx даёт плюс, 79xx — минус; последние цифры — вольты; ток до 1 А, у 78Lxx — до 100 мА.
Условия работы: вход выше выхода хотя бы на ≈ 2 В, керамика ≥ 0,33 мкФ у входа и 0,1–1 мкФ у выхода.
Микросхема так дешева, что её ставят на каждую плату, а между платами гонят нестабилизированное напряжение.

Представьте, что плате с микроконтроллером нужно ровно 5 В, а под рукой — адаптер на 12 В с заметными пульсациями. Собирать стабилизатор из транзисторов и опорного стабилитрона ради такой задачи нет смысла: её решает одна деталь стоимостью меньше чашки кофе — трёхвыводной стабилизатор. У него вход, выход и общий вывод, а внутри — всё, что мы разбирали в разделе 6.1 и следующих: опорник на ширине запрещённой зоны, усилитель ошибки, составной проходной транзистор, ограничитель тока и тепловая защита. Выходное напряжение выставлено на заводе, подстраивать нечего.

Путь сигнала внутри трёхвыводного стабилизатора

Опорник 1,25 В

Усилитель ошибки

Проходной транзистор

Защиты

Выход

Обозначения читаются просто. Серия 78xx — положительные стабилизаторы, последние две цифры — напряжение: 7805 даёт 5 В, 7812 — 12 В, 7815 — 15 В; есть и 6-, 8-, 9-, 10-, 18- и 24-вольтовые исполнения. Серия 79xx устроена так же, но для отрицательного напряжения. Подключение занимает три провода и пару конденсаторов — схема ниже.

12345

Минимальная обвязка 7805: керамика на выходе — для быстрых скачков нагрузки, на входе (*) — когда фильтр выпрямителя стоит далеко

Что здесь что (5)

Нестабилизированный вход. от +7 до +35 В; даже в самой нижней точке пульсаций — не меньше выхода плюс ≈ 2 В
Входной конденсатор 0,33 мкФ. нужен, когда фильтр выпрямителя далеко: без него индуктивность проводов может раскачать стабилизатор
Стабилизатор 7805. держит +5,0 В до 1 А (на радиаторе); при перегреве или перегрузке не сгорает, а отключается
Вывод «Земля». через общий вывод уходит только ток покоя — около 5 мА
Выходной конденсатор 0,1 мкФ. снижает выходное сопротивление на высоких частотах, где петля уже не успевает, и сглаживает скачки нагрузки

Чего ждать от такой микросхемы и о чём помнить, собирая схему:

Ток нагрузки. Обычный корпус ТО-220 на радиаторе отдаёт до 1 А. Маленькая серия 78Lxx в корпусе маломощного транзистора рассчитана примерно на 100 мА.
Защиты. Перегрев или короткое замыкание не убивают микросхему — она просто отключается и остывает. Вдобавок допустимый ток сам уменьшается, когда растёт разность $U_{вх} - U_{вых}$ : так проходной транзистор не выходит из области безопасной работы (о ней — в разделе 6.2).
Перепад (dropout) — наименьшая разность вход — выход, при которой выход ещё стабилен. У классического 7805 это около 2 В; стоит входу опуститься ниже, и пульсации входа проходят на выход. Откуда берутся эти 2 В, выясним в пункте о тонкостях применения.
Конденсатор на выходе 0,1–1 мкФ нужен для быстрых процессов: на высоких частотах обратная связь уже не успевает, и выходное сопротивление держит конденсатор.
Конденсатор на входе не меньше 0,33 мкФ становится обязательным, если до конденсатора фильтра выпрямителя далеко: индуктивность длинного провода вместе с внутренними цепями микросхемы способна раскачать её до генерации.

±2–4%разброс выхода

≈ 2 Вперепад 7805

1 А78xx на радиаторе

5 мАток покоя 7805

Ловушка. Если стабилизатор отделяют от конденсатора фильтра десятки сантиметров провода, керамику ≥ 0,33 мкФ паяют прямо у вывода «Вход» — иначе легко получить высокочастотную генерацию.

Как дешёвый стабилизатор меняет схему питания всего прибора

Пока стабилизатор был громоздким и дорогим, его ставили один на весь прибор и разводили готовое стабильное напряжение по всем платам. Проблема в том, что длинные шины питания сами по себе вносят падение напряжения и собирают помехи — и всё это доходит до схем. Копеечная трёхвыводная микросхема позволяет поступить наоборот: разводить по прибору нестабилизированное постоянное напряжение с запасом, а стабилизировать его на месте, на каждой плате своим стабилизатором. Тогда всё, что случилось с напряжением по дороге, отрабатывает местная микросхема.

Две архитектуры питания

	Один стабилизатор на всё	Свой стабилизатор на каждой плате
Что идёт по шинам	уже стабилизированное напряжение	нестабилизированное постоянное с запасом
Падения и наводки в шинах	попадают прямо в питание схем	их убирает местный стабилизатор
Силовые детали	одна мощная схема с большим радиатором	несколько дешёвых трёхвыводных ИС

Родственники 78xx с особыми свойствами

Помимо классической серии есть фиксированные стабилизаторы, каждый из которых исправляет какой-то недостаток 7805:

Вид	Пример	Чем отличается
Микромощные	LP2950	включается как 7805, но на собственные нужды берёт около 75 мкА вместо 5 мА у 7805 и 3 мА у 78L05
С малым перепадом (low dropout)	LP2950; LM2931; LT1083/1084/1085	LP2950 стабилизирует уже при 0,4 В между входом и выходом (7805 нужно ≈ 2 В); LM2931 — малый перепад и ток покоя 0,4 мА; LT1083/1084/1085 — то же для сильных токов: 7,5, 5 и 3 А
С сигналами для микропроцессора	LM2984	трёхвыводной стабилизатор плюс выходы, которые сообщают процессору о пропадании и возвращении питания
Сдвоенные	4195	два стабилизатора, на +15 и на −15 В, в одном корпусе

Упражнение 6.5.1

Для педалборда гитариста собирают блок питания на 7809: трансформатор 12 В (эфф.), мостовой выпрямитель (на двух диодах моста при пиковом токе теряется 1,6 В), конденсатор фильтра. Педали вместе берут 0,5 А, сеть 50 Гц, перепад стабилизатора 2 В, напряжение сети гуляет на ±10%.

а) Какой наименьшей ёмкости хватит, чтобы даже при пониженной сети провал пульсаций не опускался ниже допустимого?
б) Поставили 2200 мкФ. Сколько тепла выделяет 7809 при повышенной сети? Среднее напряжение на входе примите равным пику минус половина размаха пульсаций.

Cмин =мкФP =Вт

Решение

а) При сети −10% конденсатор заряжается до $U_{пик} = 0, 9 \cdot 122 - 1, 6 = 15, 27 - 1, 6 = 13, 67$ В. Стабилизатору нужно не меньше $9 + 2 = 11$ В, значит пульсациям остаётся размах $Δ U = 2, 67$ В. После двухполупериодного выпрямителя подзарядка идёт 100 раз в секунду, а между импульсами конденсатор почти весь интервал $1/ (2 f)$ питает нагрузку один:

C \geq \frac{I}{2 f Δ U} = \frac{0 , 5}{100 \cdot 2 , 67} \approx 1870 мкФ .

Электролиты имеют допуск −20% и со временем теряют ёмкость, поэтому ближайший разумный номинал — 2200 мкФ, а лучше 3300 мкФ.

б) При сети +10%: $U_{пик} = 1, 1 \cdot 16, 97 - 1, 6 = 17, 07$ В; размах пульсаций $Δ U = 0, 5/ (100 \cdot 2200 \cdot 1 0^{- 6}) = 2, 27$ В; среднее на входе $\approx 17, 07 - 1, 14 = 15, 93$ В. Тепло $P = (15, 93 - 9) \cdot 0, 5 \approx 3, 5$ Вт — без радиатора корпус ТО-220 перегреется (тепловой расчёт — в следующем пункте).

Упражнение 6.5.2

Самодельный шилд для Arduino питается от адаптера 12 В через провод длиной полметра; на шилде стоит 7805 без единого конденсатора на входе. Как только подключили сервопривод, осциллограф показал на выходе 5 В высокочастотные колебания. Какая мера, скорее всего, их уберёт?

Решение

Генерацию раскачивает индуктивность длинного входного провода вместе с внутренними цепями стабилизатора; документация на 78xx прямо требует не меньше 0,33 мкФ у входа, если фильтр далеко. Огромный выходной электролит не устраняет причину (у ряда стабилизаторов он даже ухудшает устойчивость), 78L05 — та же схема, только слабее, а диод на выходе лишь добавит падение, зависящее от тока, и испортит стабилизацию.

6.5.2Регулируемые трёх- и четырёхвыводные стабилизаторы

≈ 10 мин3 упр.

Главное

LM317 подгоняет выход так, чтобы между «Вых» и «Рег» было ровно 1,25 В; выход задаёт делитель $R_{1}$ , $R_{2}$ .
$U_{вых} = 1, 25 (1 + R_{2} / R_{1}) + I_{рег} R_{2}$ , ток вывода «Рег» $I_{рег}$ = 50–100 мкА.
$R_{1}$ не больше ≈ 240 Ом: ток делителя ≥ 5 мА служит обязательной минимальной нагрузкой (3,5–10 мА).
Вывода земли нет: ограничена только разность вход — выход (до 40 В), а не само выходное напряжение.

Допустим, старый приёмник рассчитан на 9 В от батарейки, и его хочется питать от сети. Или нужно 5 В, но точнее, чем ±3% у фиксированного стабилизатора. Ряд 78xx тут не помогает, а возвращаться к стабилизатору 723 с его россыпью обвязки не хочется. Выход — регулируемый трёхвыводной стабилизатор; самый распространённый из них — LM317.

Главное отличие LM317 от 78xx — у него нет вывода земли. Третий вывод, «Рег» (Adj), служит точкой отсчёта: микросхема подбирает такое выходное напряжение, чтобы между выходом и «Рег» было ровно $U_{оп} = 1, 25$ В. Если «Рег» посадить на делитель $R_{1}$ , $R_{2}$ , то эти 1,25 В окажутся на $R_{1}$ , а выход станет во столько раз больше, во сколько полный делитель больше $R_{1}$ .

123456

LM317 с делителем: микросхема подгоняет выход так, чтобы на R₁ всегда было 1,25 В

Что здесь что (6)

Вход. нестабилизированное напряжение; вход — выход от ≈ 2 до 40 В
LM317. добивается, чтобы между «Вых» и «Рег» было ровно 1,25 В
Вывод «Рег». из него вытекает 50–100 мкА — это добавляет к выходу $I_{рег} R_{2}$
R_1 = 220 Ом. на нём всегда 1,25 В: ток делителя ≈ 5,7 мА постоянен и заодно нагружает стабилизатор
R_2 (потенциометр 4,7 кОм). тот же ток проходит и здесь; больше $R_{2}$ — выше выход, от 1,25 до ≈ 28 В
Выходной конденсатор ≥ 1 мкФ. входит в цепь коррекции петли: не меньше 1 мкФ тантала, лучше около 10 мкФ

Ток через $R_{1}$ задан жёстко: $1, 25 В /220 Ом \approx 5, 7$ мА. Этот же ток — плюс небольшая добавка, вытекающая из вывода «Рег», $I_{рег} = 50$ –100 мкА, — проходит через $R_{2}$ . Складываем падения на двух плечах:

Выходное напряжение LM317

U_{вых} = 1, 25 (1 + \frac{R _{2}}{R _{1}}) + I_{рег} R_{2}

Обозначения:

U_{вых}

1, 25

R_{1}

R_{2}

I_{рег}

Второе слагаемое невелико: при

R_{2} = 2

кОм это около 0,1 В.

Почему бы не взять делитель на сотни килоом и сэкономить ток? Причин против две.

Во-первых, ток «Рег» хоть и мал, но плавает с температурой и от экземпляра к экземпляру. Его вклад $I_{рег} R_{2}$ растёт вместе с $R_{2}$ , и, чтобы он оставался поправкой, а не источником дрейфа, ток делителя должен быть во много раз больше возможных изменений $I_{рег}$ (порядка 50 мкА).

Во-вторых, внутренние цепи LM317 питаются током, который в итоге стекает на выход. Если нагрузка меньше 3,5–10 мА, ему некуда деться, и выход ползёт вверх. Низкоомный делитель с $R_{1} \leq 240$ Ом сам служит такой минимальной нагрузкой.

1,25 Вмежду «Вых» и «Рег»

50–100 мкАток «Рег»

3,5–10 мАминимальная нагрузка

40 Впредел вход − выход

С переменным резистором 4,7 кОм в нижнем плече выход меняется от 1,25 В почти до 28 В — готовый лабораторный регулятор. Если же нужно одно точное значение, крутить большой потенциометр неудобно: маленький поворот даёт большой скачок. Лучше составить $R_{2}$ из постоянного резистора и небольшого подстроечника — тогда подстройка плавная и захватывает лишь узкую полосу вокруг нужного напряжения.

Совет. Для точной подстройки

R_{2}

делают из двух частей: постоянный резистор плюс маленький подстроечный последовательно — ход регулировки узкий и плавный.

Ещё несколько свойств, которые стоит знать до того, как паять:

Выходной конденсатор у LM317 участвует в частотной коррекции петли, поэтому он здесь важнее, чем у 78xx: не меньше 1 мкФ (тантал), а лучше около 10 мкФ.
Корпуса: мощные ТО-220 и ТО-3 — до 1,5 А на радиаторе; маломощный LM317L в ТО-92 или ТО-39 — до 100 мА.
Нет земли — нет и потолка выходного напряжения. Микросхема «чувствует» только разность $U_{вх} - U_{вых}$ , которая не должна превышать 40 В (у LM317HV — 60 В). Поэтому на LM317 можно сделать даже стабилизатор на 200 В — лишь бы при включении и при коротком замыкании на выходе эта разность оставалась в норме. Как этого добиться, рассказано в пункте о высоковольтных стабилизаторах раздела 6.6.

Если LM317 не хватает по току, напряжению или перепаду, у него есть родня:

Регулируемые трёхвыводные: что выбрать

Что нужно	Что взять
Больший ток	LM350 (3 А), LM338 (5 А), LM396 (10 А)
Высокое напряжение	LM317HV (60 В), TL783 (125 В)
Малый перепад	LT1085 (1,3 В при 3,5 А)
Минимальный ток покоя	LP2951 — регулируемая версия LP2950, 75 мкА
Отрицательная полярность	LM337 (пара к 317, 1,5 А), LM333 (пара к 350, 3 А)

Ловушка. Требования к конденсаторам и защитным диодам у каждой микросхемы свои — перед разводкой платы сверьтесь с её документацией.

Четырёхвыводные стабилизаторы

Регулируемые стабилизаторы с четырьмя выводами появились раньше трёхвыводных. Земля у них своя, отдельная, а четвёртый вывод — управляющий: на него с делителя подают часть выходного напряжения, и микросхема держит на нём фиксированный уровень. У μA78G это +5 В, у серии Lambda — +3,8 В, у отрицательных стабилизаторов — −2,2 В. Отсюда

Выход четырёхвыводного стабилизатора

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

Обозначения:

U_{упр}

R_{2}

R_{1}

В схеме ниже $5 (1 + 14/10) = 12$ В. По качеству такие стабилизаторы не лучше и не хуже трёхвыводных — просто иначе устроены, и встретить их в старой аппаратуре вполне можно.

12345

Четыре вывода: земля отдельно, а на «Упр» приходит доля выхода с делителя R₂, R₁

Что здесь что (5)

μA78G. четырёхвыводной стабилизатор: держит на выводе «Упр» +5 В
Вывод «Земля». отдельный общий вывод — у LM317 такого нет
Вывод «Упр». получает долю выхода с делителя $R_{2}$ , $R_{1}$
R_2 = 14 кОм. верхнее плечо делителя
R_1 = 10 кОм. нижнее плечо: $U = 5 (1 + 14/10) = 12$ В

Модель: LM317 — делитель, ток «Рег» и тепло на микросхеме

Упражнение 6.5.3 задача

Ламповый радиоприёмник 1970-х переделан на транзисторный тракт, рассчитанный на батарею «Крона» 9 В. Нужно питать его от сетевого адаптера через LM317 так, чтобы выход можно было подстроить в пределах ±10% от 9 В. Подберите делитель и учтите ток вывода «Рег».

Решение

Делитель. Возьмём $R_{1} = 240$ Ом: ток 5,2 мА с запасом перекрывает минимальную нагрузку и в сотню раз больше колебаний $I_{рег}$ . Номинальное нижнее плечо:

R_{2} = R_{1} (\frac{U _{вых}}{1 , 25} - 1) = 240 (7, 2 - 1) = 1488 Ом .

Диапазон ±10% — это 8,1…9,9 В, то есть

R_{2}

от

240 (6, 48 - 1) = 1315

Ом до

240 (7, 92 - 1) = 1661

Ом. Ставим постоянный 1,2 кОм и последовательно подстроечный 500 Ом:

R_{2} = 1, 2 \dots 1, 7

кОм, выход

7, 5 \dots 10, 1

В. Нужная полоса перекрыта с запасом на допуск резисторов (5%) и на разброс опорного напряжения (1,2–1,3 В).

Ток «Рег». Его вклад $50 мкА \cdot 1, 5 кОм \approx 0, 08$ В — меньше 1%, и подстройка его всё равно уберёт. Важнее то, что этот ток меняется с температурой на десятки микроампер: дрейф выхода получится порядка 0,03–0,05 В. Именно поэтому делитель держат низкоомным.

Обвязка. На входе в провале пульсаций должно оставаться не меньше $9 + 2 = 11$ В, а сверху — не больше $9 + 40 = 49$ В; 0,1 мкФ керамики у входа, 10 мкФ тантала на выходе. Для приёмника стоит добавить 10 мкФ с вывода «Рег» на землю (с разрядным диодом — см. следующий пункт): фон сети станет заметно тише.

Упражнение 6.5.4

В зарядной станции для шуруповёрта LM317 стоит с $R_{1} = 150$ Ом и $R_{2} = 1, 8$ кОм; ток вывода «Рег» у этого экземпляра 60 мкА. Найдите выходное напряжение и какую долю его составляет вклад тока «Рег».

Uвых =Ввклад =%

Решение

U_{вых} = 1, 25 (1 + \frac{1800}{150}) + 60 \cdot 1 0^{- 6} \cdot 1800 = 16, 25 + 0, 108 = 16, 36 В .

Вклад тока «Рег»:

0, 108/16, 36 = 0, 66%

. Немного, но у другого экземпляра или при другой температуре он будет иным — поэтому точное значение задают подстройкой, а не расчётом.

Упражнение 6.5.5

В автомобиле LM317 в корпусе ТО-220 делает 9 В для видеорегистратора из бортовых 14,4 В при токе 0,6 А. Под приборной панелью летом до 55 °C. Тепловое сопротивление кристалл — корпус 5 °C/Вт, слюдяная прокладка с пастой — 1 °C/Вт, кристалл можно греть до 125 °C. Какое тепловое сопротивление должно быть у радиатора?

Rθ =°C/Вт

Решение

На микросхеме выделяется $P = (14, 4 - 9) \cdot 0, 6 = 3, 24$ Вт. Допустимый перегрев кристалла над воздухом $125 - 55 = 70$ °C, значит вся тепловая цепочка не должна превышать $70/3, 24 = 21, 6$ °C/Вт. Вычитаем кристалл — корпус и прокладку: $21, 6 - 5 - 1 = 15, 6$ °C/Вт — это небольшая алюминиевая пластина. Брать стоит с запасом (около 10 °C/Вт): в машине бортовое напряжение бывает и выше 14,4 В, а тепловая защита в обычном режиме срабатывать не должна.

6.5.3Трёхвыводные стабилизаторы на практике

≈ 26 мин5 упр.

Главное

Ориентиры: точность 1–4%, перепад 0,5–2 В, подавление пульсаций 60–80 дБ.
10 мкФ с вывода «Рег» на землю добавляют ≈ 15 дБ подавления — но вместе с разрядным диодом.
2 В перепада — это три падения $U_{БЭ}$ на пути тока; p-n-p-ключ сокращает перепад до 0,2–0,5 В.
Двухполярное питание — пара 317/337 или следящий стабилизатор; большой ток — внешний транзистор, но обязательно с ограничением.

Что разберём

Ориентиры

Пульсации

Малый перепад

Процессоры

Батареи

±U

Аварии

Мощность

Цифры для прикидки

Прежде чем заглядывать в документацию конкретной микросхемы, полезно помнить, какого порядка параметры вообще бывают у трёх- и четырёхвыводных стабилизаторов — фиксированных и регулируемых:

Параметр	Порядок величины
Допуск выходного напряжения	1–2% (регулируемые), 2–4% (фиксированные)
Минимальное падение (перепад)	0,5–2 В
Наибольшее входное напряжение	35–40 В (TL783 — 125 В)
Подавление пульсаций	0,01–0,1% (60–80 дБ)
Подавление скачков входного напряжения	0,1–0,3%
Стабилизация по нагрузке (весь диапазон тока)	0,1–0,5%
Стабилизация по входу (постоянный ток)	около 0,2%
Температурная нестабильность	около 0,5% на весь диапазон температур

Как ещё сильнее подавить пульсации

Разберёмся сначала, почему пульсации вообще пролезают на выход регулируемого стабилизатора. Микросхема держит постоянными 1,25 В между «Вых» и «Рег». Но «Рег» подключён к делителю, и всякое колебание выхода делитель передаёт на «Рег» — а петля обратной связи, отрабатывая его, в итоге «видит» пульсации увеличенными в $(1 + R_{2} / R_{1})$ раз. Если же замкнуть «Рег» на землю конденсатором около 10 мкФ, для переменной составляющей делителя как будто нет: стабилизатор работает с единичным коэффициентом, и подавление пульсаций и бросков входа вырастает ещё почти на 15 дБ — примерно впятеро.

Для LM317 типично подавление 65–80 дБ; 80 дБ означают, что пульсация входа размахом 1 В превращается на выходе в 0,1 мВ.

Перевод децибел подавления в разы

\frac{Δ U _{вых}}{Δ U _{вх}} = 1 0^{- N /20}

Обозначения:

N

Δ U_{вх}

Δ U_{вых}

80 дБ — ослабление в 10 000 раз; дополнительные 15 дБ от конденсатора на «Рег» — ещё в

1 0^{0, 75} \approx 5, 6

раза.

У этого приёма есть обратная сторона. Если выход вдруг закоротить, конденсатор на «Рег» начнёт разряжаться — и путь у него только один: через внутренние цепи микросхемы. Чтобы её не повредить, рядом ставят разрядный диод от «Рег» к выходу. По той же логике, если на выходе стоит большой конденсатор, а вход может оказаться закороченным (например, входной фильтр пробит или вход замкнули при наладке), добавляют второй диод — от выхода ко входу.

1234567

Конденсатор на «Рег» снимает с делителя переменную составляющую (+≈15 дБ подавления), диод не даёт ему разрядиться через микросхему

Что здесь что (7)

0,1 мкФ на входе. керамика прямо у вывода «Вход»
LM317. держит 1,25 В между выходом и «Рег»
240 Ом. верхнее плечо делителя ( $R_{1}$ )
2,0 кОм. нижнее плечо ( $R_{2}$ ): $U_{вых} = 1, 25 (1 + 2000/240) \approx 11, 7$ В
10 мкФ на «Рег». уводит переменную составляющую с делителя на землю: +≈ 15 дБ подавления
Разрядный диод 1N4002. при замыкании выхода разряжает 10 мкФ в выход, минуя микросхему
10 мкФ на выходе. устойчивость петли и реакция на скачки нагрузки

Правило. Конденсатор на «Рег» без диода «Рег» → выход не ставят. Если выходная ёмкость велика и вход может оказаться закороченным — нужен ещё диод «выход → вход».

Упражнение 6.5.6

Предусилитель для проигрывателя винила питается от LM317, на входе которого пульсации размахом 0,8 В. Сама микросхема подавляет их на 70 дБ, а с конденсатором на «Рег» — на 15 дБ сильнее. Какой размах пульсаций будет на выходе в обоих вариантах?

без C =мВс C =мВ

Решение

$N$ дБ ослабления — это множитель $1 0^{- N /20}$ . Без конденсатора: $0, 8 \cdot 1 0^{- 70/20} = 0, 8 \cdot 3, 16 \cdot 1 0^{- 4} \approx 0, 25$ мВ. С конденсатором (85 дБ): $0, 8 \cdot 5, 62 \cdot 1 0^{- 5} \approx 0, 045$ мВ, то есть 45 мкВ. Выигрыш — в $1 0^{0, 75} \approx 5, 6$ раза, и для чувствительного фонокорректора он очень заметен на слух.

Откуда берутся 2 В перепада и как от них избавиться

Пройдём по пути тока внутри классического стабилизатора (схема ниже). Проходной элемент — составной n-p-n-транзистор, включённый эмиттерным повторителем. Чтобы выход был на заданном уровне, база выходного транзистора должна стоять на $U_{БЭ}$ выше; эту базу тянет вверх второй транзистор пары — его база ещё на $U_{БЭ}$ выше. Ток формирователя даёт токовое зеркало, которому нужно немного напряжения для работы. А последовательно с выходом стоит датчик тока короткого замыкания, рассчитанный так, что при полном токе на нём падает ещё около $U_{БЭ}$ .

Итого: три падения по ≈ 0,6 В плюс небольшой запас — те самые ≈ 2 В. При меньшей разности вход — выход стабилизатор уже не отдаёт полный ток.

1234567

Путь тока от входа к выходу в классическом n-p-n-стабилизаторе: два перехода база — эмиттер и датчик тока R_кз — вот откуда берутся ≈ 2 В перепада

Что здесь что (7)

Токовое зеркало (источник тока). питает формирователь; для работы ему тоже нужна доля вольта
Формирователь. второй транзистор пары Дарлингтона: ещё одно $U_{БЭ}$
Проходной транзистор. эмиттерный повторитель: база на $U_{БЭ}$ выше выхода
Датчик тока R_кз. при полном токе на нём ещё около $U_{БЭ}$
Ограничитель тока. открывается при ≈ 0,6 В на $R_{кз}$ и отбирает ток базы
Усилитель ошибки. сравнивает долю выхода с $U_{оп}$
Опорное напряжение. источник на ширине запрещённой зоны

Из чего «собран» перепад: каждый переход база — эмиттер на пути тока отнимает ≈ 0,6 В, а p-n-p-ключу хватает одного напряжения насыщения

Решение — перевернуть проходной элемент. Если это p-n-p-транзистор (или p-канальный МОП), его эмиттер подключён ко входу, а управляют им, оттягивая базу вниз, к земле. Никаких $U_{БЭ}$ на пути «вход — выход» больше нет, и выход может подобраться ко входу на напряжение насыщения транзистора — 0,2–0,5 В. Пример такой микросхемы — LM330 (+5 В, 150 мА).

Остаётся датчик тока: тратить на нём ещё полвольта жалко. Поэтому у проходного p-n-p делают второй коллектор — он отводит небольшую фиксированную долю выходного тока, и именно по ней схема решает, когда пора ограничивать базовый ток. Точность такого ограничения невысока (у LM330 — где-то между 150 и 700 мА), но вместе с тепловой защитой микросхему это надёжно бережёт.

Перепад 2 В и перепад 0,3 В: в чём разница

	n-p-n повторитель (7805)	p-n-p ключ (LM330, LDO)
Эмиттер проходного	на выходе	на входе
Базой управляют	вверх, на $U_{БЭ}$ выше выхода	вниз, к земле
Перепад	≈ 2 В (три $U_{БЭ}$ и запас)	0,2–0,5 В (насыщение)
Датчик тока	резистор $R_{кз}$ (≈ $U_{БЭ}$ )	второй коллектор: доля выходного тока
Точность ограничения	хорошая	грубая: у LM330 150–700 мА

Микросхемы с малым перепадом есть во всех разновидностях: фиксированные (LM2931, LM330, LT1083/4/5 на 5 и 12 В, TL750), регулируемые (LT1083/4/5, LM2931) и микромощные (LP2950/1, MAX664, LT1020).

Что нужно процессору, кроме напряжения

Устройству с микропроцессором мало получить стабильные 5 В. Ему важно, как питание появляется и исчезает:

Три услуги, которые процессор ждёт от источника питания

Резерв для памятислабое отдельное питание, которое сохраняет содержимое энергозависимой памяти, пока основной источник выключен или отказал
Сигнал «питание в норме»сброс с задержкой: процессор стартует, только когда напряжение установилось, и всегда из известного состояния
Предупреждение о проваленесколько миллисекунд форы до пропадания питания — успеть записать важные данные

Раньше эти узлы собирали из дискретных деталей; теперь есть готовые микросхемы — супервизоры питания и «сторожевые» схемы.

LM2984 — стабилизатор с двумя сильноточными выходами +5 В (для процессора и для остальной схемы) и маломощным +5 В для памяти. Кроме того, у него есть задержанный флажок перезапуска, вход, включающий и выключающий сильноточные выходы, и вход «сторожа», который перезапускает зависший процессор.
MAX691 — «сторож» без стабилизатора: он наблюдает за напряжением питания и за тем, жив ли процессор, формирует сброс и прерывание, предупреждает о скором отказе питания и переключает память на батарейку.

Стабилизатор, который не съедает батарейку

Собственные цепи обычного стабилизатора — опорник, усилитель ошибки — потребляют несколько миллиампер. От сети это незаметно, а вот в батарейном приборе стабилизатор может оказаться главным потребителем. Щелочная «Крона» на 400 мА·ч при токе 3 мА опустеет примерно за 5,5 суток, даже если сам прибор ничего не делает.

Микромощные регулируемые стабилизаторы ICL7663 (положительный) и ICL7664 (отрицательный) берут на себя всего 4 мкА. С таким током та же батарея продержалась бы 100 000 часов — больше 10 лет, то есть дольше, чем она вообще хранится (исключение — некоторые литиевые элементы). Подробнее о микромощных схемах — в разделе 6.6.

3 мА → 5,5 суток78L05 на «Кроне»

4 мкА → 100 000 чICL7663/7664

Упражнение 6.5.7

Датчик утечки воды под раковиной питается от трёх батареек АА ёмкостью 1200 мА·ч и в дежурном режиме берёт 25 мкА. Сколько он прослужит, если стабилизатор сам потребляет (а) 3 мА, как 78L05, и (б) 4 мкА, как ICL7663?

а =чб =ч

Решение

Время работы $t = Q / I$ . а) $1200/ (3 + 0, 025) \approx 397$ ч — чуть больше двух недель, и почти весь заряд ушёл на стабилизатор. б) $1200/ (0, 004 + 0, 025) \approx 41380$ ч ≈ 4,7 года; стабилизатор добавляет к потреблению датчика всего 16%. На практике срок ограничит уже саморазряд батареек.

Плюс и минус: двухполярные источники

Аналоговым схемам — усилителям на ОУ из главы 4, фильтрам, предусилителям — обычно нужно симметричное питание: сигнал колеблется вокруг земли. Самый простой путь — два трёхвыводных стабилизатора, положительный и отрицательный: пара 7812/7912 или пара регулируемых 317/337. Мы бы выбрали регулируемые, и вот почему:

одна и та же пара микросхем закрывает любое напряжение — на склад нужно меньше типов;
выход при необходимости точно подстраивается.

Для ±12 В с $R_{1} = 232$ Ом и $R_{2} = 2, 00$ кОм (оба 1%): $1, 25 (1 + 2000/232) \approx 12, 0$ В.

12345678

Питание ±12 В для аналоговой платы: мост на обмотке со средней точкой и пара 7812/7912; диоды у выходов не дают ни одной шине уйти в чужую полярность

Что здесь что (8)

Трансформатор. вторичная обмотка со средним выводом, соединённым с землёй
Мостовой выпрямитель. относительно средней точки даёт сразу и плюс, и минус
2200 мкФ (+). фильтр положительной шины
2200 мкФ (−). фильтр отрицательной шины
7812. положительный стабилизатор +12 В
7912. отрицательный стабилизатор −12 В: ему нужен отрицательный вход
10 мкФ. выходные конденсаторы
Диоды 1N5819. включены навстречу рабочему напряжению: при аварии шина не уйдёт в чужую полярность

Тот же источник на регулируемой паре 317/337: U = 1,25·(1 + 2000/232) ≈ 12,0 В в каждом плече

Следящий стабилизатор: минус как зеркало плюса

Другой путь — сделать отрицательную шину не самостоятельной, а следящей за положительной. Схема ниже: $T_{1}$ — проходной транзистор обычного положительного стабилизатора с опорником TL431 (2,5 В) и делителем 15 кОм / 3,9 кОм: $2, 5 (1 + 15/3, 9) \approx 12, 1$ В.

Отрицательный канал своего опорника не имеет. Между двумя выходами стоят два равных резистора по 20 кОм; их средняя точка — это среднее арифметическое $+ U$ и $- U$ . Нижний усилитель ошибки сравнивает эту точку с землёй и через $T_{2}$ держит её на нуле. А раз среднее равно нулю, минус по модулю в точности равен плюсу и повторяет любое его изменение. Подстраивают только один канал — второй подтянется сам. В реальной конструкции к этому добавляют ограничение тока в обоих каналах.

Как минус «следит» за плюсом

TL431

+12 В

Делитель 20 к / 20 к

Нижний усилитель

−12 В

1234567

Следящий двухполярный стабилизатор: верхний канал — обычный, нижний держит на нуле середину между шинами, и −12 В зеркально повторяет +12 В

Что здесь что (7)

T_1 (TIP41). проходной транзистор положительного канала
TL431. опорное напряжение 2,5 В
Верхний усилитель ошибки. сравнивает опорник с долей выхода (делитель 15 кОм / 3,9 кОм)
Делитель 15 кОм / 3,9 кОм. $2, 5 (1 + 15/3, 9) \approx 12, 1$ В
Два равных резистора 20 кОм. их средняя точка — среднее $+ U$ и $- U$
Нижний усилитель ошибки. держит среднюю точку на нуле
T_2 (TIP42). проходной транзистор отрицательного канала

Существуют и готовые сдвоенные стабилизаторы в одной микросхеме. 4195 подстроен на заводе на ±15 В, а у регулируемого 4194 оба симметричных выхода задаются одним-единственным резистором. Обе микросхемы выпускаются в мощных корпусах и в DIP, имеют тепловую защиту и ограничение тока; для больших токов к ним, как обычно, добавляют внешние проходные транзисторы. В документации на многие другие стабилизаторы (в том числе четырёхвыводные) тоже есть схемы их включения в сдвоенном режиме.

Совет. Идея «выход одного стабилизатора — опорник для другого» не требует, чтобы напряжения были равны или противоположны: от стабильных +15 В можно так же получить стабильные +5 В или −12 В.

1234

Сдвоенный стабилизатор в одном корпусе: 4195 настроен на ±15 В при изготовлении, у регулируемого 4194 оба плеча задаёт один резистор (U = R[кОм]/2,5)

Что здесь что (4)

4195. два стабилизатора ±15 В в одном корпусе, подстроены при изготовлении
Защитный диод (+). не пускает положительный выход в минус
Защитный диод (−). не пускает отрицательный выход в плюс
10 мкФ. выходные конденсаторы

Упражнение 6.5.8

Для стенда проверки датчиков нужен двухполярный источник ±10 В на регулируемом сдвоенном стабилизаторе 4194, у которого $U_{вых} = R /2, 5$ ( $R$ — в килоомах). Найдите задающий резистор и оцените, насколько может уйти выход, если резистор взят с допуском 1%.

R =кОмΔU =В

Решение

Из $U = R /2, 5$ получаем $R = 2, 5 \cdot 10 = 25$ кОм. Выход прямо пропорционален $R$ , поэтому допуск 1% переходит в выход один к одному: $\pm 0, 01 \cdot 10 = \pm 0, 1$ В. Через резистор течёт внутренний опорный ток $10 В /25 кОм = 0, 4$ мА (1 В на каждые 2,5 кОм). Берут металлоплёночный резистор с малым ТКС: его дрейф тоже целиком попадает в выход. К выводам коррекции — конденсаторы 0,001 мкФ по схеме изготовителя, на выходах — 4,7–10 мкФ и защитные диоды.

Когда плюс встречается с минусом: защита от смены полярности

Почти любая микросхема гибнет, если подать на неё питание наоборот. При одном источнике это бывает, только если перепутали провода, и от этого спасает мощный диод, включённый параллельно питанию в обратном направлении. С двухполярным питанием всё коварнее: беду может устроить неисправность внутри самой схемы.

Вот типичный сценарий. В выходном двухтактном каскаде у одного транзистора пробился переход коллектор — эмиттер, и шины +12 и −12 В оказались соединены через него. Два стабилизатора начинают «бороться»; тот, что мощнее, побеждает, и на шине проигравшего напряжение меняет знак. Все микросхемы, питающиеся от этой шины, получают обратную полярность — и сгорают. Защита простая: между каждым выходом и землёй — мощный диод в обратном направлении (на схеме ±12 В выше это 1N5819).

Цепочка аварии в двухполярном питании

Пробой К — Э

Шины замкнуты

Один «побеждает»

Микросхемы гибнут

Правило. У каждого выхода двухполярного источника — мощный диод на землю в обратном направлении: при аварии шина сменит знак не больше чем на прямое падение диода.

Внешний проходной транзистор

Есть трёхвыводные стабилизаторы на 5 А и выше (регулируемый LM396 — на 10 А), но пропускать большие токи через саму микросхему не всегда разумно. Допустимая температура кристалла у неё ниже, чем у мощного дискретного транзистора, значит радиатор нужен больше, да и стоят такие ИС заметно дороже. Обычное решение — добавить снаружи мощный транзистор, который возьмёт на себя основной ток. Подключают его к трёхвыводным, четырёхвыводным и сдвоенным стабилизаторам точно так же, как к 723, — см. схему.

123

Внешний p-n-p «умощняет» 78xx: до ≈ 0,6 В / 4,7 Ом ≈ 130 мА работает сама микросхема, всё сверх этого идёт через T₁

Что здесь что (3)

T_1 — внешний p-n-p. забирает ток сверх ≈ 130 мА
R_1 = 4,7 Ом. датчик входного тока стабилизатора: при ≈ 130 мА на нём 0,6 В — $T_{1}$ открывается
78xx. продолжает держать выход и «не замечает», что нагрузка давно берёт больше

С какого тока включается внешний транзистор

I_{порог} = \frac{U _{БЭ}}{R _{1}} \approx \frac{0 , 6 В}{4 , 7 Ом} \approx 130 мА

Обозначения:

U_{БЭ}

R_{1}

Вход должен превышать выход на перепад стабилизатора (2 В) плюс ещё

U_{БЭ}

Как это работает. Пока нагрузка берёт меньше ≈ 130 мА, падение на $R_{1}$ не дотягивает до 0,6 В, $T_{1}$ закрыт, и схема ничем не отличается от обычной. Как только ток растёт, $T_{1}$ приоткрывается и пропускает основную часть тока мимо микросхемы; через саму микросхему идёт примерно пороговый ток.

Стабилизировать выход по-прежнему будет 78xx. Если выход пополз вверх, микросхема уменьшает свой входной ток — падение на $R_{1}$ становится меньше, и $T_{1}$ прикрывается. Микросхема «думает», что нагрузка у неё скромная, а на деле через $T_{1}$ идут амперы. Платить за это приходится запасом по входу: перепад стабилизатора (2 В) плюс $U_{БЭ}$ транзистора.

Ловушка. Слабое место схемы: ток

T_{1}

ничем не ограничен. Он может отдать в

h_{21 Э}

раз больше предельного тока микросхемы (1 А) — 20 А и больше, а этого хватит, чтобы сжечь и транзистор, и нагрузку. Два способа поставить ему предел — ниже.

12345

Вариант 1: датчик R₃ стоит в эмиттере мощного T₂ со стороны входа; при перегрузке T₁ уводит базовый ток T₂

Что здесь что (5)

T_2 — мощный проходной. открывается, когда на 4,7 Ом набирается 0,6 В (≈ 130 мА)
R_3 — датчик тока. в эмиттере $T_{2}$ , со стороны входа
T_1 — ограничитель. открывается, когда на $R_{3}$ ≈ $U_{Д}$ , и отбирает базовый ток $T_{2}$
4,7 Ом. база — эмиттер $T_{2}$ : порог ≈ 130 мА
78xx. стабилизатор

Здесь $T_{2}$ — мощный проходной транзистор, а резистор 4,7 Ом между его базой и эмиттером задаёт порог включения (≈ 130 мА). Последовательно с эмиттером $T_{2}$ стоит датчик $R_{3}$ ; когда падение на нём доходит до прямого напряжения перехода, открывается $T_{1}$ и перехватывает базовый ток $T_{2}$ — ток нагрузки дальше не растёт.

У этого варианта два минуса:

запас по входу растёт: к перепаду стабилизатора добавляются уже два падения на переходах при токах, близких к предельному;
через $T_{1}$ при ограничении идёт большой ток (вплоть до тока ограничения самой микросхемы), а характеристику с обратным наклоном (foldback) здесь сделать трудно: в цепи базы $T_{1}$ слишком малое сопротивление.

123456

Вариант 2: датчик R₃ перенесён на сторону выхода; слаботочный T₁ через T₃ закорачивает резистор 4,7 Ом и притормаживает T₂

Что здесь что (6)

T_2 — мощный проходной. при перегрузке его прикрывает $T_{3}$
R_3 — датчик тока. в коллекторе $T_{2}$ , со стороны выхода
T_1 — слаботочный n-p-n. открывается при перегрузке; ток через него мал
T_3 — p-n-p. шунтирует резистор 4,7 Ом и прикрывает $T_{2}$
4,7 Ом. на пути «вход — стабилизатор» осталось одно $U_{БЭ}$
78xx. стабилизатор

Чуть больше деталей — и оба минуса исчезают. Датчик $R_{3}$ переехал в коллектор $T_{2}$ , на сторону выхода. При перегрузке слаботочный n-p-n $T_{1}$ открывает p-n-p $T_{3}$ , а тот закорачивает резистор 4,7 Ом в цепи управления: падение на нём уменьшается, и $T_{2}$ прикрывается.

Теперь между входом и стабилизатором лишь одно $U_{БЭ}$ (на 4,7 Ом), а $T_{1}$ работает при малом токе. В мощных источниках каждая сэкономленная доля вольта перепада — это заметно меньше тепла.

Обратный наклон делается так: базу $T_{1}$ подключают не прямо к коллектору $T_{2}$ , а к делителю между коллектором и землёй. Когда выход проседает при перегрузке, порог срабатывания снижается вместе с ним. К регулируемым трёх- и четырёхвыводным стабилизаторам внешний транзистор подключают так же; варианты приводят изготовители в документации.

Ограничение тока внешнего транзистора: сравнение

	Вариант 1	Вариант 2
Где датчик $R_{3}$	в эмиттере $T_{2}$ , со стороны входа	в коллекторе $T_{2}$ , со стороны выхода
Запас вход — выход	перепад + два падения на переходах	перепад + одно $U_{БЭ}$
Ток ограничителя $T_{1}$	большой	малый
Обратный наклон	трудно	делитель в базе $T_{1}$

Упражнение 6.5.9

Блок питания автомобильного усилителя на столе: 7812 с внешним p-n-p-транзистором ( $h_{21 Э} = 40$ , $U_{БЭ} = 0, 7$ В) по схеме выше. Транзистор должен включаться при токе микросхемы 120 мА, нагрузка берёт 3 А. Найдите $R_{1}$ и ток, который на самом деле проходит через 7812.

R1 =ОмI(7812) =А

Решение

$R_{1} = U_{БЭ} / I = 0, 7/0, 12 = 5, 83$ Ом (ближайший номинал 5,6 Ом). Ток нагрузки — это ток через $R_{1}$ , коллекторный ток транзистора и его базовый ток. Тонкость в том, что базовый ток p-n-p вытекает из базы во вход микросхемы, а значит тоже проходит через 7812. Из $3 = 0, 12 + I_{Б} (h_{21 Э} + 1)$ находим $I_{Б} = 2, 88/41 = 0, 070$ А. Через 7812 идёт $0, 12 + 0, 070 \approx 0, 19$ А — в полтора раза больше задуманного. Это надо заложить в радиатор микросхемы; составной или более «усиливающий» транзистор уменьшит добавку.

Стабилизатор напряжения как источник тока

Регулируемый трёхвыводной стабилизатор легко превращается в мощный источник постоянного тока. Ставим резистор $R$ между «Вых» и «Рег», а нагрузку включаем последовательно. Микросхема по-прежнему держит на $R$ свои 1,25 В — значит, и через $R$ , и через нагрузку течёт $I = 1, 25/ R$ , каким бы ни было сопротивление нагрузки (в пределах запаса по напряжению).

Ток источника на 317

I = \frac{1 , 25 В}{R} + I_{рег}

Обозначения:

R

I_{рег}

Снизу ток ограничен ≈ 10 мА: иначе микросхеме не хватает тока на собственные нужды.

Получился двухполюсник, и нагрузку можно ставить с любой его стороны: и «под» ним, на землю (как на левой схеме), и «над» ним — тогда ток втекает из нагрузки, а сам стабилизатор питают от отрицательного напряжения. Для отрицательной полярности есть и 337. Все защиты — ограничение тока, тепловая, защита области безопасной работы — продолжают работать.

Чем меньше задаваемый ток, тем заметнее добавка $I_{рег} \approx 50$ мкА. Её можно убрать повторителем на ОУ (правая схема): ток «Рег» тогда идёт мимо $R$ . Но есть предел, который так не обойти: микросхеме самой нужен рабочий ток — её ток покоя, вытекающий на выход, в худшем случае до 10 мА. Ниже этого 317 как источник тока не годится (о маломощных источниках тока — в разделе 6.6).

Для малых токов существует специальный трёхвыводной источник тока LM334 (ТО-92 или DIP). Он работает вплоть до 1 мкА, потому что его управляющий ток — лишь малая доля выходного. У него есть особенность: ток пропорционален абсолютной температуре. Как эталон тока он поэтому так себе, зато как датчик температуры — в самый раз.

123

Источник тока на 317 — двухполюсник: нагрузку можно поставить и сверху, и снизу

Что здесь что (3)

317. держит 1,25 В на резисторе R
R. задаёт ток: $I = 1, 25/ R$
Нагрузка. через неё идёт тот же ток (плюс 50 мкА тока «Рег»)

С повторителем на ОУ ток вывода «Рег» идёт в обход R и не искажает заданный ток

Трёхвыводные источники тока

	317 как источник тока	LM334
Диапазон токов	от ≈ 10 мА до 1,5 А (и больше у 338/396)	от 1 мкА до ≈ 10 мА
Источник ошибки	ток «Рег» ≈ 50 мкА	управляющий ток — малая доля выходного
Особенность	мощный, со всеми защитами	ток пропорционален абсолютной температуре — готовый датчик

Упражнение 6.5.10

Для настольного тестера мощных светодиодов нужен регулируемый источник тока от 20 мА до 0,7 А на LM317 (левая схема выше). Питание 12 В, перепад микросхемы 2 В. Найдите пределы сопротивления $R$ , наибольшее напряжение, которое источник может «выдать» на светодиод, и наихудшую мощность на микросхеме (выводы светодиода замкнуты, ток 0,7 А).

Rмин =ОмRмакс =ОмUн макс =ВP(317) =Вт

Решение

$R = 1, 25/ I$ : при 0,7 А — 1,79 Ом, при 20 мА — 62,5 Ом. Удобно поставить переменный резистор на 68 Ом последовательно с постоянным 1,8 Ом; резистор при 0,7 А рассеивает $1, 25 \cdot 0, 7 \approx 0, 9$ Вт — нужен двухваттный.

Напряжение на нагрузке не превысит $U_{вх} - U_{перепад} - 1, 25 = 12 - 2 - 1, 25 = 8, 75$ В. Белому светодиоду (≈ 3 В) этого хватит с избытком, а последовательной цепочке из трёх — уже впритык.

Самый тяжёлый режим для микросхемы — замкнутые выводы: на ней остаётся всё, кроме 1,25 В на $R$ : $P = (12 - 1, 25) \cdot 0, 7 \approx 7, 5$ Вт — без радиатора никак. Нижний предел 20 мА взят с запасом над минимальным рабочим током 317, ниже которого он перестаёт стабилизировать.

6.5.4Импульсные преобразователи: зачем и как

≈ 38 мин9 упр.

Главное

Транзистор работает ключом — он либо разомкнут, либо насыщен; энергия переносится порциями $\frac{1}{2} L I^{2}$ через катушку, КПД 80–90% почти при любом соотношении вход/выход.
Понижающий: $U_{вых} = D U_{вх}$ ; повышающий: $U_{вх} / (1 - D)$ ; инвертирующий: $- U_{вх} D / (1 - D)$ .
Платить приходится шумом переключения (10–100 мВ) и сложностью; сетевые импульсники опасны и капризны — разумнее покупать готовые.
Для слабых аналоговых сигналов — линейный стабилизатор; для цифры, больших мощностей, повышения и смены знака — импульсный.

Почему зарядка смартфона весит граммов пятьдесят, а старый трансформаторный блок питания той же мощности оттягивал руку? И почему из батарейки на 1,5 В фонарик умудряется зажечь белый светодиод, которому нужно 3 В? Оба вопроса имеют один ответ — импульсное преобразование. Чтобы оценить, насколько оно отличается от всего, что было раньше, вспомним, как работает линейный стабилизатор.

У него последовательно с нестабилизированным входом стоит проходной транзистор, работающий как плавно управляемое сопротивление. Обратная связь подбирает это сопротивление так, чтобы выход оставался постоянным. Вся разница напряжений просто сгорает в транзисторе: мощность потерь $I_{вых} (U_{вх} - U_{вых})$ , а выход принципиально ниже входа. (Есть ещё параллельный вариант, где регулирующий элемент включён между выходом и землёй, — простейший пример — стабилитрон с резистором; принцип «лишнее сжечь» там тот же.)

1234

Линейный стабилизатор для сравнения: транзистор «гасит» лишнее напряжение, поэтому выход всегда ниже входа

Что здесь что (4)

Проходной транзистор. работает в линейной области; на нём выделяется $I_{вых} (U_{вх} - U_{вых})$
Делитель. отдаёт часть выхода на обратную связь
Усилитель ошибки. плавно меняет ток базы проходного транзистора
U_оп. опорное напряжение

Импульсный стабилизатор устроен иначе. Транзистор в нём — ключ, который бывает только в двух состояниях: полностью разомкнут или полностью открыт (насыщен). Ключ на короткое время подключает к катушке индуктивности всё входное напряжение; ток катушки растёт, и в её магнитном поле накапливается энергия $\frac{1}{2} L I^{2}$ . Потом ключ размыкается, и катушка отдаёт эту порцию в выходной конденсатор, который и питает нагрузку в промежутках.

Обратная связь здесь тоже есть — выход сравнивается с опорным напряжением, — но управляет она уже не плавно открытым транзистором, а тем, как долго или как часто ключ замыкается.

Цикл импульсного стабилизатора

Ключ замкнут

Энергия в катушке

Ключ разомкнут

Конденсатор

Обратная связь

Модель: линейный или импульсный — КПД и нагрев

Чем такой подход хорош — и почему «импульсники» теперь стоят почти везде:

ключ не бывает «наполовину открыт», а значит почти не греется — КПД остаётся высоким, даже если вход во много раз больше выхода;
выход можно сделать выше входа и даже другого знака — линейной схеме это недоступно в принципе;
энергию можно передать через трансформатор и тем самым гальванически отделить выход от входа — а раз так, то питать схему прямо от выпрямленной сети, без тяжёлого трансформатора на 50 Гц. Источник получается маленьким, лёгким и экономным; отсюда импульсные блоки во всех компьютерах, телевизорах и зарядках.

Недостатки тоже есть. На выходе присутствует шум переключения, он же лезет обратно в шины питания и в эфир. Схема сложнее, а у первых поколений импульсников была репутация ненадёжных — причём отказывали они громко, иногда с дымом и хлопком. Сегодня большинство этих проблем научились решать, и импульсные источники заняли своё прочное место.

Линейный и импульсный: сравнение

	Линейный	Импульсный
Регулирующий элемент	проходной транзистор в линейном режиме	ключ в насыщении + катушка
Потери	$I_{вых} (U_{вх} - U_{вых})$ — чем больше разница, тем хуже	малы при любой разнице, КПД 80–90%
Выход по сравнению со входом	только ниже	ниже, выше или другого знака
Питание от сети	через трансформатор 50 Гц	прямо от выпрямленной сети — компактно
Шум	доли милливольта	10–100 мВ на частоте переключения, помехи в сеть и эфир
Сложность и надёжность	проще и надёжнее	больше деталей; отказ бывает эффектным

Двигаться будем так:

Три базовые схемыработают от обычного нестабилизированного источника постоянного тока: понижающая ( $U_{вых} < U_{вх}$ ), повышающая ( $U_{вых} > U_{вх}$ ) и инвертирующая
Сетевые импульсникисамые распространённые и самые хитрые — работают прямо от выпрямленной сети
Практические выводыгде импульсный источник уместен, где вреден, что делать самому, а что покупать

Понижающая схема

Силовая часть содержит всего четыре детали: МОП-ключ, диод, катушку и конденсатор. Соединение, где сходятся ключ, диод и катушка, будем называть точкой X.

123456

Силовая часть понижающего преобразователя: ключ, диод, катушка, конденсатор (цепь обратной связи опущена)

Что здесь что (6)

МОП-ключ. либо закрыт, либо открыт полностью; его открывают импульсы ШИМ
Точка X. то $U_{вх}$ (ключ замкнут), то −0,6 В (ток идёт через диод)
Катушка L. копит энергию и не позволяет току измениться скачком
Диод. фиксирующий («обратный»): подхватывает ток катушки, когда ключ разомкнут
Выходной конденсатор. сглаживает пилообразные пульсации — энергетический «маховик»
ШИМ. управляющие импульсы; обратная связь (не нарисована) меняет их длительность

Посмотрим на два такта по очереди.

Ключ замкнут. Точка X соединена со входом, на катушке $U_{вх} - U_{вых}$ . Раз напряжение на катушке постоянно, её ток растёт по прямой — вспомним $d I / d t = U / L$ . Ток идёт из входа через катушку в нагрузку и конденсатор.

Ключ разомкнут. Мгновенно оборвать ток катушка не даёт: он продолжает течь в ту же сторону, но теперь ему нужен другой путь — через диод от земли (такой диод называют фиксирующим или «обратным»). Точка X опускается на 0,6 В ниже земли, на катушке остаётся $- (U_{вых} + 0, 6 В)$ , и ток по прямой убывает. Выходной конденсатор, как маховик, сглаживает получившуюся пилу: чем больше ёмкость, тем пульсации меньше. Переключайте вкладки, чтобы увидеть путь тока в каждом такте; ниже — формы сигналов за несколько периодов.

Ключ замкнут: на катушке U_вх − U_вых, ток нарастает и идёт из входа в нагрузку

Три периода работы понижающей схемы при D = 0,4: вход отдаёт ток только при замкнутом ключе, а ток катушки — непрерывная «пила»

Какое же получится выходное напряжение? В установившемся режиме ток катушки в конце периода такой же, как в начале. Значит, насколько он вырос за время $t_{вкл}$ , настолько и упал за $t_{выкл}$ — площади «напряжение × время» на катушке в двух тактах равны. Это правило называют балансом вольт-секунд.

баланс вольт-секунд →

U_{вых} \approx D U_{вх}

(U_{вх} - U_{вых}) t_{вкл} = (U_{вых} + U_{Д}) t_{выкл} \Rightarrow U_{вых} \approx D U_{вх}, D = \frac{t _{вкл}}{T}

(если падение на диоде $U_{Д}$ мало и ток катушки не прерывается).

Выход понижающей схемы

U_{вых} \approx D U_{вх}, D = \frac{t _{вкл}}{T}

Обозначения:

D

t_{вкл}

T

Справедливо при малом

U_{Д}

и непрерывном токе катушки.

От индуктивности и ёмкости зависят размах «пилы» тока и остаточные пульсации на выходе:

Пульсации понижающей схемы

Δ I_{L} = \frac{( U _{вх} - U _{вых} ) D}{f L}, Δ U_{вых} \approx \frac{Δ I _{L}}{8 f C} + Δ I_{L} R_{ЭПС}

Обозначения:

Δ I_{L}

f

L

C

R_{ЭПС}

Первое слагаемое — то, что дал бы идеальный конденсатор; второе — вклад его эквивалентного последовательного сопротивления $R_{ЭПС}$ . На практике второе нередко оказывается главным. Чтобы из силовой части получился стабилизатор, остаётся замкнуть обратную связь: усилитель ошибки сличает выход с опорным и меняет либо длительность импульса при неизменной частоте, либо частоту при неизменной длительности.

Порядок расчёта понижающей схемы

Коэффициент заполнения $D = U_{вых} / U_{вх}$
Индуктивностьвыберите размах $Δ I_{L}$ (обычно 20–40% тока нагрузки): $L = (U_{вх} - U_{вых}) D / (f Δ I_{L})$ ; ток насыщения катушки должен быть больше пикового $I + Δ I_{L} /2$
Конденсаторёмкостная доля $Δ I_{L} / (8 f C)$ плюс доля ЭПС $Δ I_{L} R_{ЭПС}$ — чаще всего решает вторая
Обратная связьШИМ (длительность) или частотное управление

Совет. Пульсации импульсного источника обычно определяет ЭПС конденсатора, а не ёмкость: выбирайте конденсаторы с малым ЭПС и ставьте несколько штук параллельно.

Сегодня понижающий стабилизатор целиком — генератор, ключ, опорник, усилитель ошибки, ограничитель тока — помещается в одну микросхему. Пример ниже — LM2596-5.0 с фиксированным выходом 5 В: снаружи только катушка, диод Шоттки и два конденсатора. Генератор работает на постоянной частоте 150 кГц, обратная связь меняет длительность импульса. Встречается и другой способ управления: у некоторых маломощных микросхем генератор работает всё время, а компаратор по выходному напряжению просто пропускает очередной импульс на ключ или «выбрасывает» его.

КПД такой схемы — 75–90% и мало зависит от входного напряжения. Насколько это лучше линейного стабилизатора, покажут упражнения.

123456

Готовый понижающий стабилизатор на 5 В: внутри микросхемы всё, кроме катушки, диода Шоттки и конденсаторов

Что здесь что (6)

Вход +8…+40 В. КПД почти не зависит от того, насколько вход выше выхода
LM2596-5.0. генератор 150 кГц, ключ на 3 А, опорник, усилитель ошибки и ограничитель тока
Катушка 33 мкГн. запасающий элемент; ток насыщения — больше пикового тока
Диод Шоттки 1N5822. подхватывает ток катушки при разомкнутом ключе; малое падение и быстрое восстановление
Обратная связь. выход возвращается на вход ОС микросхемы
220 мкФ. выходной конденсатор с малым ЭПС

Модель: понижающий, повышающий и инвертирующий преобразователи

Упражнение 6.5.11

Ядру ПЛИС нужно 1,8 В, а на плате есть только 12 В. Какой наибольший КПД теоретически способен дать здесь линейный стабилизатор?

КПД =%

Решение

Если пренебречь током покоя, у линейного стабилизатора входной ток равен выходному, так что $η = \frac{U _{вых} I}{U _{вх} I} = \frac{1 , 8}{12} = 0, 15$ — всего 15%. Остальные 85% превращаются в тепло на проходном транзисторе, и это предел для идеальной микросхемы; ток покоя сделает только хуже. Именно поэтому питание ядер процессоров и ПЛИС — всегда импульсное.

Упражнение 6.5.12

В электровелосипеде понижающий импульсный преобразователь с КПД 85% питает USB-зарядку 5 В, 2,4 А от батареи 36 В. Найдите средний ток, потребляемый от батареи, и во сколько раз выходной ток больше входного. Каким было бы это отношение у линейного стабилизатора?

Iвх =АIвых/Iвх =

Решение

Сохраняется мощность, а не ток (с поправкой на КПД): $I_{вх} = \frac{U _{вых} I _{вых}}{η U _{вх}} = \frac{12}{0 , 85 \cdot 36} = 0, 39$ А; $I_{вых} / I_{вх} = η U_{вх} / U_{вых} = 6, 1$ . Понижающий импульсник ведёт себя как «трансформатор постоянного тока»: напряжение уменьшает, ток увеличивает. У линейного стабилизатора отношение не больше 1 (из-за тока покоя — чуть меньше): входной ток не может быть меньше выходного, и батарея отдавала бы 2,4 А вместо 0,39.

Упражнение 6.5.13

Автомобильный понижающий преобразователь делает 3,3 В для навигатора из бортовых 14 В; частота 200 кГц, ток нагрузки 2 А, размах тока катушки — 30% от тока нагрузки. Найдите индуктивность и размах пульсаций на выходе при конденсаторе 47 мкФ: (а) считая его идеальным, (б) учитывая только его ЭПС 0,05 Ом.

L =мкГнΔU (C) =мВΔU (ЭПС) =мВ

Решение

$D = 3, 3/14 = 0, 236$ ; $Δ I_{L} = 0, 3 \cdot 2 = 0, 6$ А. Из формулы размаха:

L = \frac{( 14 - 3 , 3 ) \cdot 0 , 236}{2 \cdot 1 0 ^{5} \cdot 0 , 6} \approx 21 мкГн

(ставят стандартные 22 мкГн с током насыщения больше пикового

2 + 0, 3 = 2, 3

А).

а) Идеальный конденсатор: $Δ U = 0, 6/ (8 \cdot 2 \cdot 1 0^{5} \cdot 47 \cdot 1 0^{- 6}) \approx 8$ мВ. б) Только ЭПС: $0, 6 \cdot 0, 05 = 30$ мВ — почти вчетверо больше. Вот почему в импульсниках важнее выбрать конденсатор с малым ЭПС (полимерный или керамику), чем просто взять ёмкость побольше.

Повышающая и инвертирующая схемы

Если не считать КПД, понижающий импульсник ничем не лучше линейного стабилизатора, а деталей и шума у него больше. По-настоящему незаменимыми импульсные схемы становятся там, где выход должен быть выше входа или другого знака. Для этого достаточно переставить те же четыре детали.

12345

Повышающая схема: ключ замыкает точку X на землю

Что здесь что (5)

Катушка. пока ключ замкнут, её ток растёт со скоростью $U_{вх} / L$
Ключ на землю. замыкает точку X на землю
Точка X. когда ключ размыкается, взлетает до $U_{вых} + U_{Д}$
Диод. пропускает ток катушки в конденсатор при разомкнутом ключе
Конденсатор. в одиночку питает нагрузку, пока ключ замкнут

1234

Инвертирующая схема: катушка стоит между точкой X и землёй

Что здесь что (4)

p-МОП ключ. соединяет точку X со входом
Катушка на землю. при замкнутом ключе ток идёт от X к земле
Диод. после размыкания пропускает ток катушки через конденсатор
Конденсатор. заряжается в минус — выход ниже земли

Повышающая схема. Пока ключ замкнут, точка X сидит на земле, и ток катушки растёт за счёт входного напряжения. Ключ размыкается — катушка, удерживая ток, поднимает напряжение в точке X настолько, насколько нужно, чтобы этот ток куда-то пошёл: до открывания диода. Дальше катушка «доливает» ток в выходной конденсатор, и выход может оказаться во много раз выше входа. Баланс вольт-секунд: $U_{вх} D = (U_{вых} - U_{вх}) (1 - D)$ , откуда

Повышающая схема

U_{вых} = \frac{U _{вх}}{1 - D}, \overset{ˉ}{I}_{L} = \frac{I _{вых}}{1 - D}

Обозначения:

D

\overset{ˉ}{I}_{L}

I_{вых}

Инвертирующая схема. Здесь катушка висит между точкой X и землёй. Пока ключ замкнут, через неё от X к земле течёт нарастающий ток. Ключ размыкается — катушка продолжает тянуть ток в ту же сторону и для этого опускает точку X ниже земли, ровно настолько, чтобы открылся диод. Теперь ток катушки идёт через диод и выходной конденсатор, заряжая его отрицательно. Модуль выхода может быть и больше, и меньше входа — всё решает обратная связь:

Инвертирующая схема

U_{вых} = - U_{вх} \frac{D}{1 - D}

Обозначения:

D

Иными словами, инвертирующий стабилизатор умеет быть и повышающим, и понижающим — график ниже сводит все три зависимости вместе.

Во сколько раз каждая схема меняет напряжение (ток катушки непрерывный): понижающая — не выше входа, повышающая — не ниже, инвертирующая — как угодно

Три базовые схемы рядом

	Понижающая	Повышающая	Инвертирующая
Ключ	вход → точка X	точка X → земля	вход → точка X
Катушка	X → выход	вход → X	X → земля
$U_{вых}$	$D U_{вх}$	$U_{вх} / (1 - D)$	$- U_{вх} D / (1 - D)$
Нагрузка получает ток	всё время (через катушку)	только при разомкнутом ключе	только при разомкнутом ключе
Незаменима, когда	нужен лишь КПД	выход выше входа	нужен другой знак, выше или ниже

Упражнение 6.5.14 задача

Светодиодный фонарь на одном литиевом аккумуляторе (3,7 В) питает цепочку светодиодов через повышающий преобразователь с $D = 0, 6$ . Нарисуйте установившиеся временные диаграммы: напряжение в точке X, ток катушки, ток ключа и выходное напряжение. Покажите, откуда на них видно, что $U_{вых} = U_{вх} / (1 - D)$ , и чему равен выход фонаря.

Решение

Повышающая схема при D = 0,6

Первая часть периода ( $0 < t < D T$ ), ключ замкнут: $U_{X} \approx 0$ , на катушке $U_{вх}$ , её ток растёт со скоростью $U_{вх} / L$ и целиком проходит через ключ. Диод заперт, нагрузку питает один конденсатор, и выход немного проседает. Вторая часть, ключ разомкнут: $U_{X}$ скачком поднимается до $U_{вых} + U_{Д}$ , на катушке $U_{вх} - U_{вых} < 0$ , ток спадает и через диод подзаряжает конденсатор — выход подрастает. Площади вольт-секунд двух фаз одинаковы: $U_{вх} D = (U_{вых} - U_{вх}) (1 - D)$ , то есть $U_{вых} = U_{вх} / (1 - D)$ . Для фонаря: $3, 7/0, 4 \approx 9, 3$ В — хватит на цепочку из трёх белых светодиодов. Обратите внимание: нагрузка получает ток только во второй фазе, поэтому при тех же $L$ и $C$ пульсации у повышающей схемы больше, чем у понижающей.

Упражнение 6.5.15

Студент хочет получить 3,3 В из 5 В и, не найдя понижающей микросхемы, решил взять повышающий контроллер (силовая часть — как на левой схеме выше) и просто уменьшить коэффициент заполнения почти до нуля. Почему ничего не выйдет?

Решение

Посмотрите на путь постоянного тока: вход — катушка (сопротивление почти нулевое) — диод — выход. Даже если ключ не замыкается вовсе, конденсатор зарядится примерно до $U_{вх} - 0, 6$ В, то есть до 4,4 В, и никакое управление не сделает выход ниже: ключ в этой схеме умеет энергию только добавлять. Это же видно из формулы: при $0 \leq D < 1$ $U_{вх} / (1 - D) \geq U_{вх}$ . По той же причине повышающая схема беззащитна перед замыканием выхода — ток ограничивают лишь провода, катушка и диод.

Упражнение 6.5.16 проектирование

Нарисуйте временные диаграммы инвертирующего преобразователя (напряжение в точке X, ток катушки, выходное напряжение) при $D = 0, 5$ . По диаграмме для $U_{X}$ выведите формулу для $U_{вых}$ и скажите, при каких $D$ схема будет повышать модуль напряжения.

Решение

Инвертирующая схема при D = 0,5

Ключ замкнут: $U_{X} = + U_{вх}$ , ток катушки нарастает со скоростью $U_{вх} / L$ . Диод заперт — на его аноде отрицательный выход, на катоде $+ U_{вх}$ ; нагрузку питает конденсатор, и модуль выхода понемногу уменьшается. Ключ разомкнут: катушка удерживает ток и уводит точку X вниз, до $U_{вых} - U_{Д}$ (это ниже земли); диод открыт, ток катушки течёт от земли через конденсатор и диод, то есть заряжает конденсатор в минус, а сам убывает. Среднее напряжение на катушке за период равно нулю: $U_{вх} D = ∣ U_{вых} ∣ (1 - D)$ , откуда $U_{вых} = - U_{вх} D / (1 - D)$ . При $D = 0, 5$ выход равен $- U_{вх}$ ; при $D > 0, 5$ модуль выхода больше входа, при $D < 0, 5$ — меньше.

Упражнение 6.5.17

Для операционных усилителей на макетке нужно ±12 В, а питание приходит только по USB (+5 В). Плюс делают повышающим преобразователем, минус — инвертирующим (ключи и диоды идеальные, ток катушек непрерывный). Найдите коэффициенты заполнения обоих преобразователей и средний ток катушки повышающего, если от +12 В берут 50 мА.

Dинв =Dпов =IL =А

Решение

Инвертирующий: $D / (1 - D) = 12/5 = 2, 4$ , откуда $D = 2, 4/3, 4 = 0, 706$ . Повышающий: $1/ (1 - D) = 12/5$ , $D = 1 - 5/12 = 0, 583$ . Средний ток катушки повышающего $I_{вых} / (1 - D) = 0, 05/0, 417 = 0, 12$ А — это и средний ток от USB. Проверка балансом мощностей: $5 \cdot 0, 12 = 12 \cdot 0, 05 = 0, 6$ Вт — сходится.

Как это выглядит в железе — на схеме ниже: ±12 В для ОУ из пяти вольт USB, на двух одинаковых недорогих микросхемах MC34063, одна включена повышающей, другая — инвертирующей. С линейными стабилизаторами такой трюк невозможен в принципе. Номиналы катушек и конденсаторов взяты из рекомендаций изготовителя и не слишком критичны, но компромисс, как всегда, есть: увеличив индуктивность, вы снизите пиковые токи и поднимете КПД, однако уменьшите наибольший ток, который схема может отдать. Пока вход ниже выхода, к его величине схема почти равнодушна: она продолжит работать и от сильно разряженного источника, только допустимый выходной ток заметно уменьшится.

12345678

±12 В для операционных усилителей от одного USB-разъёма: повышающий и инвертирующий преобразователи на одинаковых микросхемах (делители ОС не показаны)

Что здесь что (8)

Катушка 100 мкГн (повышающий). больше L — ниже пиковые токи и выше КПД, но меньше предельный ток нагрузки
MC34063 (повышение). универсальная микросхема-контроллер с ключом; здесь — повышающее включение на +12 В
220 мкФ. выходной конденсатор +12 В
47 мкФ. развязка по входу +5 В: импульсные токи не уходят в кабель USB
MC34063 (инверсия). та же микросхема в инвертирующем включении на −12 В
Катушка 100 мкГн (инвертирующий). между точкой $L_{x}$ и землёй
Диод. направляет ток катушки в отрицательный выход
220 мкФ. выходной конденсатор −12 В

Повышать и инвертировать умеют и схемы вообще без катушек — на переключаемых конденсаторах: МОП-ключи сначала заряжают конденсатор от входа, а затем подключают его либо последовательно с другим конденсатором (удвоение), либо перевёрнутым к выходу (инверсия). Цена простоты — малая мощность, отсутствие стабилизации и ограниченное напряжение; подробнее о них — в разделе 6.6.

Где импульсники выручают

Умение повышать и менять знак часто выручает в смешанных схемах. Например, на цифровой плате с единственным питанием +5 В нужно немного ±12 В для интерфейса RS-232, операционных усилителей, ЦАП или АЦП. Или высокое напряжение для вакуумно-люминесцентного индикатора. Когда вход уже стабилизирован (чаще всего это те же +5 В), такую схему обычно называют «преобразователем постоянного напряжения» (DC-DC), хотя по сути это всё тот же импульсный стабилизатор.

В батарейной технике ценно, что высокий КПД сохраняется во всём диапазоне напряжения батареи. Свежая «Крона» даёт около 9,5 В, разряженная — около 6 В; понижающий импульсный стабилизатор на 5 В остаётся экономным всё это время, просто по мере разряда берёт от батареи всё больший ток.

Ловушка. Катушка и конденсатор в импульсном стабилизаторе — не LC-фильтр. Для понижающей схемы спутать ещё можно, но схема, которая меняет знак постоянного напряжения, фильтром быть не может по определению!

Роли у них другие. Катушка — почти идеальный, без потерь, накопитель энергии ( $\frac{1}{2} L I^{2}$ ), который позволяет «обменять» напряжение на ток, сохранив мощность. Конденсатор (его энергия $\frac{1}{2} C U^{2}$ ) здесь, как и в линейном стабилизаторе, служит резервуаром и сглаживает пульсации.

Два способа управления.

	ШИМ (по напряжению)	Управление по току (current mode)
Чем управляет сигнал ошибки	длительностью импульса при постоянной частоте (широтно-импульсная модуляция)	пиковым током катушки, измеряемым на резисторе: ключ выключается, как только ток дорос до заданного
Чем хорош	простотой	ограничение тока в каждом импульсе, проще устойчивость петли; с появлением удобных ИС-контроллеров этот способ всё популярнее

Помехи от переключения приходят тремя путями:

пульсации на выходе с частотой переключения — обычно 10–100 мВ от пика до пика;
такие же импульсные токи, наложенные на входной источник;
излучение на частоте переключения и её гармониках — от быстро меняющихся токов в катушке и проводах.

Совет. Если схема работает с сигналами около 100 мкВ и меньше, импульсный источник способен сильно осложнить жизнь. Экраны и фильтры помогают, но обычно проще сразу поставить линейный стабилизатор.

Импульсные источники, работающие от сети

Вернёмся к «трансформатору постоянного тока». Раз мощность сохраняется, средний выходной ток понижающего импульсника больше входного, а у повышающего — меньше. У линейного стабилизатора средние токи входа и выхода всегда равны. Катушка, таким образом, работает как преобразователь импеданса.

Отсюда смелая мысль: убрать тяжёлый сетевой трансформатор вовсе и питать импульсник прямо от выпрямленной и сглаженной сети. С этим связаны две проблемы:

на входе оказывается около 325 В постоянного напряжения при сети 230 В (около 160 В при американских 115 В) — работать с такой схемой опасно;
без трансформатора выход не отделён от сети, а значит изоляцию нужно обеспечить как-то иначе.

Опасно для жизни. Вся первичная сторона сетевого импульсника — ключ, контроллер, конденсаторы фильтра — находится под потенциалом сети. Конденсаторы заряжены примерно до 325 В и держат заряд долго после выключения из розетки. Подключать «землю» щупа осциллографа к первичной стороне нельзя; проверять такие схемы можно только через разделительный трансформатор и только при наличии опыта. В этом курсе сетевые схемы приводятся, чтобы понять устройство, а не чтобы их повторять.

Изоляцию решают так. На запасающую катушку наматывают вторичную обмотку — и она становится импульсным трансформатором, через который энергия переходит на изолированную сторону. Сигнал обратной связи с выхода тоже должен пересечь границу изоляции, поэтому его передают через маленький импульсный трансформатор или через оптрон. Генератор и ключ питаются от выпрямленной сети, а опорник и усилитель ошибки — от выхода. (Изредка управляющую часть питают от отдельного маленького сетевого трансформатора.)

12345678

Сетевой импульсник крупными блоками. Пунктир — граница изоляции: силовая энергия пересекает её через трансформатор, сигнал обратной связи — через трансформатор или оптрон

Что здесь что (8)

Сеть. подаётся напрямую, без понижающего трансформатора
Выпрямитель и конденсатор. ≈ 325 В постоянного при сети 230 В — опасно для жизни
Ключ. МОП-транзистор подаёт импульсы на первичную обмотку
Импульсный трансформатор. запасающая катушка со вторичной обмоткой; на высокой частоте он крошечный и даёт изоляцию
Выпрямитель и фильтр. выход гальванически отделён от сети
Усилитель ошибки и опорник. питаются от выхода, на изолированной стороне
Развязка. маленький трансформатор или оптрон переносит сигнал обратной связи через границу изоляции
Генератор ШИМ. питается от выпрямленной сети, задаёт длительность импульсов

Вместо одного трансформатора — целых два: не теряется ли выигрыш? Нет. Размер трансформатора определяется сердечником, а сердечник, нужный для передачи той же мощности, резко уменьшается с ростом частоты. На десятках килогерц трансформатор в разы меньше, чем на 50 Гц. Поэтому сетевые импульсники намного меньше и легче линейных источников той же мощности, а благодаря высокому КПД ещё и почти не греются.

Порядок цифр для источника 12 В, 5 А (60 Вт): линейный — трансформатор на 50 Гц, радиатор, вес около 2–3 кг и до 30–40 Вт тепла на проходном транзисторе при полной нагрузке; импульсный — 200–300 г, объём в несколько раз меньше, корпус лишь слегка тёплый.

Линейный и импульсный источники одной мощности: порядок величин

12 В, 5 А	Линейный	Импульсный
Масса	≈ 2–3 кг	≈ 0,2–0,3 кг
Объём	1	в 4–6 раз меньше
Тепло при полной нагрузке	десятки ватт — нужен радиатор	несколько ватт — едва тёплый

Что на самом деле внутри сетевого адаптера

На блок-схеме выше сетевой импульсник выглядит просто. Реальное изделие сложнее, и полезно хотя бы раз увидеть, из чего оно складывается. Возьмём типичный сетевой адаптер для роутера или медиаплеера: универсальный вход 90–264 В, выходы +12 В, 4 А и +5 В, 1 А (около 55 Вт), обратноходовая схема на 65 кГц. Ниже — его блок-схема, затем разбор по узлам.

1234567891011

Сетевой адаптер на 55 Вт по блокам: собственно преобразование — верхняя строка, всё остальное — пуск, защита, фильтрация и вторичная стабилизация

Что здесь что (11)

Фильтр помех, NTC, предохранитель. не выпускает помехи источника в сеть; термистор ограничивает бросок тока при включении
Мост 90–264 В. универсальный вход без переключателей; в старых блоках вместо этого перемычка превращала мост в удвоитель
Ключ и снаббер. RCD-цепь поглощает выброс от индуктивности рассеяния трансформатора
Обратноходовой трансформатор. запасает энергию при открытом ключе и отдаёт её во вторичные обмотки — по одной на каждое напряжение
Пуск. высокоомный резистор от сети заряжает конденсатор питания контроллера; дальше его питает вспомогательная обмотка
ШИМ-контроллер 65 кГц. постоянная частота, длительность импульса задаёт обратная связь; ток ключа контролируется в каждом импульсе
Выпрямители. диоды Шоттки и LC-фильтр на выходе
Защиты. ток ключа, слишком низкая сеть, перегрев
TL431 и оптрон. обратная связь по +12 В через изоляцию
Защёлка при перенапряжении. останавливает контроллер до выключения из сети
Постстабилизатор. LDO делает чистые +5 В из нестабильной второй обмотки

Силовая часть — та самая блок-схема: мост заряжает конденсатор фильтра до 130–370 В (в зависимости от сети), МОП-ключ с частотой 65 кГц подключает его к первичной обмотке трансформатора на время, заданное контроллером. Вторичных обмоток две — на 12 и на 5 В (их напряжения относятся как числа витков), каждая со своим выпрямителем.
Обратная связь берётся с одного выхода — самого мощного, +12 В. Делитель подаёт часть выходного напряжения на регулируемый стабилитрон TL431 с внутренним опорником 2,5 В. Если выход выше нормы, TL431 сильнее открывается, зажигает светодиод оптрона, а фототранзистор на первичной стороне подсказывает контроллеру укоротить импульсы. Блок «развязка» общей схемы здесь — именно оптрон.
Всё сказанное — меньше трети деталей платы. Остальные заняты (а) защитой от перегрузки и короткого замыкания; (б) отключением при перенапряжении и при слишком низкой сети; (в) питанием самого контроллера; (г) фильтрацией помех; (д) вторичной стабилизацией дополнительного выхода.
Сетевой фильтр — X- и Y-конденсаторы и синфазный дроссель. Его главная задача — не пускать в сеть помехи самого импульсника. Универсальный вход 90–264 В у импульсника получается почти даром: контроллер просто укорачивает импульсы при высокой сети. У старых блоков встречался другой приём — перемычка, превращающая мост в удвоитель напряжения, чтобы одна схема работала и от 115, и от 230 В; для импульсного источника это тоже несравнимо проще, чем для линейного.
Бросок тока при включении. В первый миг сеть видит через мост сотню-другую микрофарад незаряженной ёмкости, и без ограничения ток легко превысил бы сотню ампер. Последовательный NTC-термистор холодным имеет несколько ом, а прогревшись от рабочего тока — доли ома; даже с ним бросок достигает десятков ампер. Параллельно X-конденсаторам стоят разрядные резисторы, чтобы вилка, выдернутая из розетки, не «кусалась». RCD-цепь (снаббер) у ключа гасит выбросы, способные его пробить, а один из её диодов возвращает неиспользованную энергию рассеяния.
Питание контроллера и запуск. Контроллеру нужно 10–20 В при малом токе. Отдельный трансформатор для этого не ставят — на основном есть небольшая вспомогательная обмотка с выпрямителем. Но пока преобразователь не работает, этой обмотке неоткуда взять напряжение! Выход — запуск «толчком» («ударный» запуск, давний приём телевизионных блоков): от выпрямленной сети через высокоомный резистор медленно заряжается конденсатор питания контроллера. Дойдя до порога включения, контроллер стартует, расходуя запас конденсатора, и за это время вспомогательная обмотка успевает «подхватить» питание (резистор запуска сам по себе тянуть контроллер не способен). В старых схемах роль порогового ключа играли стабилитрон и пара транзисторов, включённых как тиристор; в современных контроллерах для этого есть встроенный высоковольтный пусковой вывод.
Защиты. Ток ключа измеряется на маленьком резисторе в его истоке; при превышении контроллер обрывает импульс (а при длительной перегрузке — уходит в режим «икоты»: пауза, попытка, пауза). RC-цепочка с постоянной времени порядка микросекунды не даёт защите срабатывать от узкого выброса в момент включения ключа. Делитель от выпрямленной сети запрещает работу при сети ниже ≈ 85 В. Если выход +12 В превысит допустимое (например, оборвётся оптрон обратной связи), срабатывает защёлка, и блок молчит, пока его не выключат из розетки. В блоках питания компьютеров тот же детектор ещё и сообщает процессору, что питание вот-вот пропадёт, чтобы программа успела аккуратно остановиться.
Выход +12 В: диоды Шоттки (малое прямое падение, порядка 0,5 В при амперах, и почти нет времени восстановления) с RC-цепочкой, затем фильтр «конденсатор — маленькая катушка — конденсатор». Выглядит избыточно, но постстабилизатора на этом выходе нет: что вышло из фильтра, то и есть «стабилизированный» выход, а пульсации на частоте переключения надо ужать до нескольких десятков милливольт.
Дополнительный выход +5 В сам по себе «плавал» бы вместе с нагрузкой основного: обратная связь следит только за +12 В. Здесь его чистит линейный LDO-постстабилизатор — при токе 1 А и запасе в пару вольт это всего несколько ватт тепла. На сильноточных дополнительных выходах (в компьютерных блоках, например) вместо LDO применяют магнитный усилитель: последовательно с обмоткой стоит насыщающийся дроссель; пока он не насытился, он «отрезает» начало каждого импульса, а после насыщения становится почти идеальным проводником. Маленький управляющий ток, задаваемый своим усилителем ошибки, меняет количество отрезанных вольт-секунд и тем самым большой выходной ток — отсюда название. На всех выходах ставят конденсаторы развязки и резисторы минимальной нагрузки.

О таких «вспомогательных» узлах редко пишут в учебниках, но именно они отличают изделие, которое годами работает у покупателя, от макета, который работает на столе. Это не перестраховка, а трезвый расчёт: каждый возврат по гарантии обходится изготовителю дороже, чем все эти детали вместе взятые, — не говоря о репутации.

Упражнение 6.5.18

Сетевой импульсник рассчитан на сеть 230 В, но в посёлке напряжение бывает на 10% выше нормы. До какого постоянного напряжения зарядятся конденсаторы фильтра после моста (падение на диодах не учитывайте)? Каким будет бросок тока, если блок включили точно на пике такой сети, а последовательно стоит холодный NTC-термистор 10 Ом (прочими сопротивлениями пренебречь)?

U =ВIпуск =А

Решение

Пиковое значение сети $2532 \approx 358$ В — до него и заряжаются конденсаторы; поэтому их берут на 400 В, а не на 350. Разряженный конденсатор в первое мгновение — короткое замыкание, и ток ограничивает только термистор: $358/10 \approx 36$ А. Без термистора оставались бы лишь проводка и ЭПС конденсаторов — сотни ампер, обгоревшие контакты выключателя и выбитый автомат.

Что нужно знать про сетевые импульсники, покупая или применяя готовые

Это отличные мощные источники: холодные, лёгкие и компактные без низкочастотного трансформатора. Поэтому питание компьютеров, телевизоров, зарядок давно целиком импульсное; ими питают даже чувствительную к помехам измерительную технику вроде осциллографов.
Они шумят. На выходе — десятки милливольт пульсаций на частоте переключения, в сеть уходят помехи, а дроссели иногда даже слышно. Пульсации на выходе убирают внешним сильноточным LC-фильтром нижних частот или линейным постстабилизатором с малым перепадом. Хорошие готовые модули уже содержат то и другое, полностью экранированы и имеют усиленный входной фильтр.
У многовыходных источников обычно стабилизирован только главный, самый мощный выход, а остальные — хуже. Насколько хуже, говорит параметр «перекрёстная стабилизация»: например, на сколько изменится +12 В, если нагрузку +5 В уменьшить с 75% до 50% или увеличить до 100%; типичная величина — около 5%. Хорошую стабилизацию всех выходов дают линейные постстабилизаторы на вспомогательных выходах, но так делают не всегда. Смотрите технические данные!
Многим нужен минимальный ток нагрузки. Если нагрузка меньше, выход может заметно подскочить или начать колебаться; лечится это нагрузочным резистором. В документации на мощный источник, скажем на 5 В, 20 А, вполне может стоять требование «не меньше 1 А».
Осторожно! Многие детали находятся под сетевым напряжением; «землю» щупа осциллографа к схеме не подключать.
Пусковой ток. В момент включения сеть видит через мост большой разряженный электролит, и бросок может в десять и более раз превышать рабочий ток полной нагрузки. Помогает «мягкий пуск»: последовательный термистор с отрицательным ТКС или небольшой резистор (порядка 10 Ом), который после пуска закорачивает реле или тиристор.
Обычно встроено отключение при перенапряжении — чаще всего это стабилитрон, который останавливает генератор. Однако можно придумать отказ, при котором такая защита не спасёт; где важна максимальная безопасность нагрузки, добавляют независимый тиристорный «ломик» (crowbar) прямо на выходе.
Надёжность у старых конструкций была так себе, новые гораздо лучше. Но если сетевой импульсник всё же выходит из строя, то нередко бурно — с хлопком, осколками корпуса конденсатора и повреждёнными соседями по плате.
Сетевые импульсники сложны и полны подвохов, им нужны особые трансформаторы и дроссели. Разумный совет: не разрабатывайте их сами, а покупайте готовые. Делать то, что продаётся в магазине, имеет смысл разве что ради учёбы.
Для сети это необычная нагрузка. При неизменном КПД источник берёт постоянную мощность, поэтому если напряжение сети растёт, средний ток падает: в среднем за период сети импульсник ведёт себя как отрицательное сопротивление. Вместе с индуктивностью сети это может вызвать колебания.

10–100 мВпульсации переключения на выходе

≈ 5%перекрёстная стабилизация

5–10% токаминимальная нагрузка

×10 и большепусковой бросок

Импульсник как отрицательное сопротивление

r = \frac{d U}{d I} = - \frac{U ^{2}}{P}

Обозначения:

P

U

Из

P = U I = const

: при росте напряжения ток падает,

d I / d U = - P / U^{2}

Упражнение 6.5.19

Адаптер ноутбука при сети 120 В (как в США) берёт постоянную мощность 65 Вт, и его КПД от сетевого напряжения не зависит. Каково его дифференциальное входное сопротивление $d U / d I$ , усреднённое по периоду сети?

r =Ом

Решение

Раз $P = U I$ постоянно, то $I = P / U$ и $d I / d U = - P / U^{2}$ , откуда

r = \frac{d U}{d I} = - \frac{U ^{2}}{P} = - \frac{12 0 ^{2}}{65} \approx - 222 Ом .

Отрицательное сопротивление вместе с индуктивностью сети и входным LC-фильтром самого адаптера образует колебательный контур, который может самовозбудиться. Это главная трудность при расчёте входных фильтров импульсных источников.

Что выбрать: практические советы

Какой источник питания выбрать

Задача	Что взять
Цифровая система: +5 В или +3,3 В при больших токах (10 А и выше)	(а) сетевой импульсный источник; (б) готовый, купленный (при нужде — с дополнительным фильтром)
Аналоговые схемы со слабыми сигналами (малошумящие усилители, сигналы меньше 100 мкВ)	линейные стабилизаторы — импульсные слишком шумны. Исключение — некоторые батарейные приборы, где выгоднее маломощный импульсный DC-DC преобразователь
Большая мощность	сетевой импульсный — меньше, легче и холоднее
Высокое напряжение при малой мощности (фотоумножители, лампы-вспышки, электронно-оптические преобразователи, газоразрядные индикаторы)	маломощный повышающий преобразователь

Совет. Маломощный DC-DC преобразователь собрать легко: одна микросхема и несколько деталей по схеме из документации. Здесь смело делайте сами.

Ловушка. Мощный сетевой импульсник — совсем другое дело: сложно, коварно и опасно. Если всё же взялись — будьте предельно осторожны и проверяйте каждую мелочь. А лучше выберите хороший готовый блок — это почти всегда дешевле.