6.6. Импульсные и специальные источники питания

6.6.1Стабилизаторы на сотни вольт и киловольты

Фотоумножителю нужно около киловольта, счётчику Гейгера — 400 В, пьезоприводу микроскопа — пара сотен вольт, электрофорезу в биологической лаборатории — до 300 В. Казалось бы, стабилизатор такой же, как на 12 В, только напряжение больше. На деле здесь подстерегает главная неприятность: обычный транзистор, как правило, не выдерживает больше сотни вольт между коллектором и эмиттером. Значит, схему надо строить так, чтобы большое напряжение доставалось как можно меньшему числу деталей — или никому вовсе. Приёмов для этого несколько; вот их обзор, а дальше — подробности.

В лоб: детали на высокое напряжение

Самое простое — взять транзистор, который выдерживает нужное напряжение. Такие продаются и стоят недорого: биполярные вроде 8-амперного MJ12005 (750 В коллектор — эмиттер, 1500 В при запертой базе) или МОП-транзисторы на 1000 В вроде MTP1N100 (BUZ50), рассчитанные на ампер. Для линейного стабилизатора лучше МОП: у него нет вторичного пробояВторичный пробой — «шнурование» тока в мощном биполярном транзисторе: горячая точка берёт больше тока и греется ещё сильнее. У МОП-транзисторов его нет., и область безопасной работы много шире.

Остальную схему можно оставить «внизу»: делитель снимает с выхода лишь малую долю, так что ОУ и опорник работают у потенциала земли и ничего не знают о сотнях вольт. Под высоким напряжением оказываются только проходной транзистор и каскад, который им управляет. Пример — схема ниже: из нестабилизированных 450–600 В она делает регулируемые 155–405 В.

Как она устроена. $T_2$ — проходной n-МОП, включённый истоковым повторителем. Его затвор через резисторы 2 × 1 МОм подтянут к высокому входу, а высоковольтный МОП $T_1$ — инвертирующий каскад — отбирает часть этого тока подтяжки по команде ОУ. ОУ сравнивает долю выхода с прецизионным опорником +5,0 В. Ограничение тока делает $T_3$: когда на резисторе 22 Ом набирается $U_{\text{БЭ}}$, он открывается и отбирает напряжение затвора у $T_2$.

Пара незаметных деталей тоже нужна. Диод (на схеме его нет) бережёт затвор $T_2$ от пробоя в обратную сторону: если $T_1$ резко опустит затвор, а выходной конденсатор ещё держит исток высоко, напряжение затвор — исток окажется большим и отрицательным. А несколько маленьких конденсаторов отвечают за устойчивость: $T_1$ — инвертирующий каскад с большим усилением по напряжению, он добавляет в петлю ОУ лишний фазовый сдвиг, особенно опасный, если нагрузка ёмкостная. Заметим, что это редкий случай, когда транзисторная схема сама по себе опасна для жизни.

Высокое напряжение. Источник на сотни вольт может убить, а его конденсаторы хранят заряд ещё долго после выключения. Перед прикосновением разряжайте выход через резистор, держите вторую руку в кармане и работайте только под присмотром опытного человека.

Если вместо опорника подать на ОУ входной сигнал, схема превращается в неплохой высоковольтный усилитель для непростых нагрузок — например, пьезоэлементов. Ёмкостную нагрузкуЁмкостная нагрузка добавляет в петлю ОС ОУ лишний фазовый сдвиг; многие ОУ на ней звенят или генерируют. приходится и заряжать, и разряжать, и схема с этим справляется: $T_2$ отдаёт ток в нагрузку, а $T_1$ (через упомянутый диод) забирает его обратно — получается «псевдодвухтактный» выход, знакомый по схемам на полевых транзисторах.

Интересная лазейка есть у стабилизатора с фиксированным выходом: его проходной транзистор может быть рассчитан на напряжение меньше выходного. Поставим в схеме выше вместо подстроечного резистора постоянный — выход станет постоянным, скажем около +400 В, и на $T_2$ никогда не окажется больше разницы вход — выход (≈ 200 В), даже при включении и выключении.

Регулирование в «минусовом» проводе

Второй путь — вообще не пускать высокое напряжение к регулирующему транзистору. Для этого его ставят не в «плюсовой» провод, а в нижний, низковольтный: выпрямитель «висит» над землёй, а транзистор замыкает его нижний конец на землю (схема ниже). На транзисторе падает лишь небольшая часть общего напряжения, сам он сидит около потенциала земли, и управлять им можно обычным ОУ. Но защита на время включения, выключения и перегрузок по-прежнему нужна; проще всего — стабилитрон параллельно транзистору, способный выдержать ток короткого замыканияТок короткого замыкания $I_{кз}$ — ток через перемычку, соединившую выводы источника..

Стабилизатор на «подставке»

Даже обычный трёхвыводной стабилизаторСтабилизатор в корпусе с тремя выводами (вход, выход, земля или «Рег»): внутри опорный источник, усилитель ошибки, проходной транзистор и защиты. можно заставить выдавать больше, если приподнять его общий вывод над землёй стабилитроном (схема ниже). Выход тогда равен сумме:

Сама микросхема при этом не должна видеть большую разность вход — выход. Об этом заботится стабилитрон ${Д}_2$: через повторитель $T_1$ он держит вход микросхемы лишь немного выше её выхода, и всю остальную разницу берёт на себя транзистор. При замыкании выхода ${Д}_2$ вместе с ${Д}_3$ не дают напряжению на микросхеме выйти за допустимое — снова основное напряжение достаётся $T_1$.

Управление светом: оптрон

Если выходное напряжение фиксировано, проходной транзистор может быть сравнительно низковольтным (как мы видели выше); высокое напряжение тогда достаётся только тому транзистору, который им управляет. С оптроном можно избавиться и от этого.

Оптрон — это светодиод и фототранзистор (или фотопара ДарлингтонаСхема Дарлингтона — два транзистора, эмиттер первого питает базу второго: коэффициент усиления по току перемножается ($\approx h_{21Э1}{h}_{21Э2}$).), стоящие друг против друга в светонепроницаемом корпусе и электрически друг от друга изолированные. Свет от светодиода действует на фототранзистор так, будто в его базу втекает ток; коллекторное напряжение подают как обычно, а вывода базы чаще всего нет вовсе. Изоляция между светодиодом и транзистором выдерживает несколько тысяч вольт (подробнее об оптронах — в разделе 9.1).

В схеме ниже фототранзистор $T_2$ притормаживает проходной $T_3$, когда выход становится выше нормы. Можно сделать и наоборот — чтобы засветка фототранзистора поднимала выход; тогда входы усилителя ошибки просто меняют местами.

«Висящий» стабилизатор

Можно поступить ещё хитрее: поднять всю управляющую часть на потенциал выхода. Схема управления тогда меряет падение на собственном опорнике и сравнивает его с падением на резисторе, ведущем к земле, — высокого напряжения она не «видит» вовсе. Такую логику реализует микросхема MC1466; ей нужен отдельный маломощный изолированный («плавающий») источник 20–30 В для собственного питания.

Верхний предел выхода задают тогда только проходные транзисторы и изоляция вспомогательного источника (пробой изоляции его трансформатора). MC1466 стабилизирует очень хорошо и точно ограничивает ток — на ней строят прецизионные лабораторные источники. Но имейте в виду: тепловой защиты у неё, в отличие от большинства современных стабилизаторов, нет.

Совсем изящный вариант даёт LM10 — ОУ вместе с опорником в одном корпусе, которому для работы достаточно 1,1–1,2 В. Ровно столько и есть между базой и эмиттером составного транзистораСоставной транзистор (схема Дарлингтона) — два транзистора, эмиттер первого питает базу второго: $\beta \approx {\beta }_1{\beta }_2$, но $U_{БЭ}$ вдвое больше. — им LM10 и питается (схема ниже). Получается стабилизатор, который, сидя на выходе, «смотрит вниз» на землю и выправляет выход, подтягивая или отпуская проходной транзистор. При малых токах ту же задачу решает готовая микросхема TL783 (до 125 В), устроенная похожим образом.

Стопка транзисторов

Если одного транзистора на нужное напряжение нет, можно поставить несколько последовательно (схема ниже). Высокое напряжение между коллектором $T_2$ и выходом делят между собой $T_2$, $T_3$ и $T_4$, а управляет всей стопкой низковольтный $T_1$ у земли. Одинаковые резисторы в цепи баз раздают напряжение поровну; их берут достаточно низкоомными, чтобы через них прошли базовые токи при полном выходном токе.

Стопку можно собрать и из МОП-транзисторов, только затворы придётся защитить стабилитронами от пробоя в обратную сторону. Прямой пробой затвора не грозит: МОП-транзистор откроется задолго до него.

Такие стопки встречаются и в высоковольтных усилителях, хотя теперь чаще обходятся одним высоковольтным МОП-транзистором.

Сюрприз от обычных резисторов

В высоковольтных цепях легко упустить из виду мощность: там, где в низковольтной схеме хватает 0,25 Вт, может понадобиться ватт и больше. Но есть ловушка коварнее. У обычного угольного резистора 0,25 Вт есть предельное рабочее напряжение — около 250 В, и оно не зависит от того, какую мощность резистор рассеивает. Выше этого предела угольный резистор перестаёт быть «омическим»: его сопротивление заметно зависит от приложенного напряжения, причём изменения могут остаться и после снятия напряжения.

Посмотрите на график ниже — это условная модель, но порядок эффекта реальный. Делитель 1000 : 1 из резисторов 10 МОм и 10 кОм, если подать на него 1,5 кВ, в такой модели работает как делитель примерно 600 : 1 — ошибка в десятки процентов, хотя мощность каждого резистора в норме. Для делителя обратной связи высоковольтного источника это катастрофа, поэтому для таких мест выпускают специальные высоковольтные резисторы.

Стабилизация входа преобразователя

Маломощные высоковольтные источники часто стабилизируют вовсе не по выходу, а «на входе» — высокочастотного преобразователя. Пытаться регулировать сетевое напряжение 50 Гц до трансформатора — плохая идея: стабилизация выйдет вялой, а пульсацииПульсации — периодические колебания выпрямленного напряжения на конденсаторе фильтра; у мостового выпрямителя частота пульсаций — удвоенная частота сети (100 Гц). большими.

Идея показана на схеме ниже. Из сети (или от аккумулятора) получают промежуточное нестабилизированное напряжение, например 12 В. От него работает генератор прямоугольных импульсов, за ним стоит повышающий трансформатор, а за трансформатором — двухполупериодный выпрямитель и фильтр. Часть высокого выходного напряжения возвращается к генератору и меняет скважностьСкважность — отношение периода импульсов к их длительности $T/t_{и}$; обратна коэффициенту заполнения. или амплитуду его импульсов. Частота высокая — значит, схема быстро реагирует, а выпрямленный меандр легко отфильтровать.

Трансформатор $Т{р}_2$ работает на десятках килогерц, и обычный пластинчатый сердечник дал бы большие потери. Подходят сердечники из ферритов, карбонильного железа или тороиды из тонкой ленты — они ещё и намного меньше и легче. Из деталей под высоким напряжением остаются лишь выходной выпрямитель и конденсатор.

Напоминает импульсный стабилизатор из раздела 6.5? Отчасти. Но импульсник использует катушку как накопитель энергии, а здесь $Т{р}_2$ — обычный трансформатор, просто высокочастотный. Общее у них — пульсации и помехи на частоте переключения.

Киловольты для кинескопа

Для 10 кВ и выше в телевизорах и мониторах с кинескопами применяли разновидность повышающего импульсного преобразователя, и схема эта по-своему гениальна: она одновременно формирует ток строчной развёртки. Трансформатор имеет большой коэффициент трансформацииКоэффициент трансформации $n=w_1/w_2$ — отношение витков: напряжение делится на $n$, ток умножается на $n$, сопротивление пересчитывается в $n^2$ раз.; его первичную обмотку замыкает на землю насыщенный ключ $T_1$, который открывают широкие импульсы (от отдельного генератора или от самой схемы — с самовозбуждением). Диод ${Д}_1$ — демпферный: он не даёт выбросу во время обратного хода превысить допустимое для коллектора.

Выпрямитель ${Д}_2$ на высоковольтной обмотке даёт 10–25 кВ при токе в доли — единицы миллиампер. Подзаряд происходит с частотой строк, 15–30 кГц и выше, поэтому конденсатор фильтра $C_1$ может быть крошечным — сотни пикофарад, а то и просто ёмкость между проводящими покрытиями колбы кинескопа.

Ток ключа нарастает линейно, пилой, и именно эта пила питает отклоняющую систему кинескопа, равномерно протягивая луч вдоль строки; частота генератора поэтому совпадает с частотой строк. Родственные схемы — блокинг-генераторы, которые сами вырабатывают себе запускающие импульсы.

6.6.2Тихие и стабильные источники

Для чего вообще может понадобиться источник лучше, чем LM317? Например, для питания моста тензодатчикаТензорезистор — резистор, наклеенный на упругую деталь: при её деформации меняется его сопротивление; четыре таких резистора образуют тензомост. в весах, где важна каждая микровольтная доля сигнала, для калибровки мультиметров или для смещения прецизионного АЦП. Обычные интегральные стабилизаторы, о которых шла речь выше, дают пульсации и шум ниже милливольта и дрейф порядка $100\cdot 10^{-6}$/°C — для питания почти любой схемы этого достаточно. Если же нужно на два порядка лучше, готового стабилизатора не найти: придётся строить свой вокруг лучшего по стабильности и шуму опорного источника — с дрейфом около $1\cdot 10^{-6}$/°C.

И тут выясняется неожиданное: такой опорник стабильнее, чем обычный металлоплёночныйМеталлоплёночный резистор — тонкая плёнка металла на керамике; обычный допуск 1 %, ТКС около 50 ppm/°C, лучшие — единицы ppm/°C. резистор ($50\cdot 10^{-6}$/°C). Значит, вся работа — в том, чтобы ОУ, резисторы и конденсаторы вокруг опорника не испортили его качества своими ошибками и дрейфом.

Опорник, фильтр, усилитель

Пойдём по цепочке блоков на схеме ниже. В начале — прецизионный источник опорного напряжения 5 В с дрейфом около $1\cdot 10^{-6}$/°C и шумом в единицы микровольт в полосе 0,1–10 Гц, работающий без термостата. За ним — RC-фильтр нижних частот, который срезает остатки шума опорника.

Ёмкость фильтра большая не случайно. Следующий ОУ имеет не только шум напряжения, но и токовый шум входа. Этот ток течёт через импедансИмпеданс (полное сопротивление) $Z$ — комплексное сопротивление: $Z_R=R$, $Z_C=1/j\omega C$, $Z_L=j\omega L$; закон Ома $\dot{U}=\dot{I}Z$. источника сигнала и превращается в шумовое напряжение. Если на входе ОУ стоит конденсатор в десятки микрофарад, его импеданс на низких частотах — сотни ом — тысячи ом, и токовый шум в доли пикоампера даёт лишь единицы нановольт на корень из герца, то есть не больше собственного шума напряжения хорошего ОУ (2–3 нВ/√Гц).

Конденсатор берут плёночный (полипропиленовый): его ток утечки, а точнее изменения утечки со временем и температурой, должен быть меньше 0,1 нА — иначе на резисторе фильтра набегут микровольты дрейфа. Затем ОУ с резисторами обратной связи, у которых ТКСТемпературный коэффициент сопротивления: относительное изменение сопротивления на градус; у металлоплёночных резисторов около $50\cdot 10^{-6}$/°C. всего $0,2\cdot 10^{-6}$/°C, поднимает опорное напряжение до +10 В (схему питают от +15 В).

Деление и выходной каскад

Опорные +10 В делит многооборотный потенциометрПотенциометр — переменный резистор с тремя выводами и подвижным контактом (движком): делитель с регулируемым отношением плеч., и результат ещё раз проходит через фильтр с конденсатором малой утечки. Здесь работает важный принцип: потенциометр делит логометрическиДеление по отношению сопротивлений: результат зависит от отношения плеч, а не от их абсолютного значения и общего ТКС. — результат зависит от отношения его плеч, а не от абсолютного сопротивления, поэтому ТКС самого потенциометра почти не важен.

Дальше — повторитель с усилением. Прецизионный малошумящий усилитель ошибки сравнивает выход мощного проходного МОП-транзистора с заданием. Большой выходной конденсатор создаёт в петле доминирующий полюс, и это позволяет взять декомпенсированный ОУ — более быстрый, чем обычный. Ещё три детали, на которые стоит обратить внимание: ограничение тока, смещение через «диоды стабилизации тока» (полевые транзисторыПолевой транзистор (ПТ) — затвор управляет током канала сток — исток напряжением; ток затвора — лишь утечка (пикоамперы). с соединёнными затвором и истоком) и отдельные провода считывания, которые снимают напряжение прямо на выводах нагрузки.

Провода как источник ошибки

На таком уровне точности главным врагом становятся обычные провода. Оценим: ток нагрузки 100 мА в медном проводе диаметром 0,8 мм длиной всего 2,5 см даёт падение около 100 мкВ. При выходе 1 В это ошибка $10^{-4}$ — в сто раз больше, чем дрейф нашего опорника за градус!

Зато результат того стоит. Аккуратно собранный источник такого класса достигает шума и фона ниже 1 мкВ, ТКНТемпературный коэффициент напряжения (ТКН) — на сколько меняется напряжение при нагреве на 1 °С: в мВ/°С или в относительных единицах ($10^{-6}$/°С = 1 ppm/°С). ниже $1\cdot 10^{-6}$/°C, выходного сопротивления ниже 1 мкОм и дрейфа меньше $1\cdot 10^{-6}$ за рабочий день — как минимум в сто раз лучше серийного стабилизатора. Подробнее о прецизионной и малошумящей технике — в главе 7.

6.6.3Стабилизаторы для батарейных приборов

Электронные часы, термометр за окном, датчик протечки, пульт от ворот работают годами от одной маленькой батарейки, потому что в покое берут считанные микроамперы. Оценим: щелочная «Крона» отдаёт примерно 400 мА·ч, и схема на 50 мкА проживёт от неё около 8000 часов — почти год. Но стоит поставить перед такой схемой привычный 78L05 с его 3 мА тока покоя — и батарейки хватит меньше чем на неделю. График ниже показывает, как срок жизни батареи зависит только от аппетита стабилизатора.

Выхода два: стабилизатор на дискретных деталях или специальная микромощная микросхема. Из готовых хороши LP2950 — трёхвыводная на 5 В в корпусе ТО-92 (LP2950ACZ-5.0) — и её регулируемая многовыводная сестра LP2951 на 1,2–30 В; обе берут на себя 75 мкА. Ещё экономнее ICL7663/7664 (MAX663/664) — регулируемые стабилизаторы обеих полярностей с током покоя 4 мкА.

Иногда же напряжение батареи не просто нужно стабилизировать, а поднять. Пусть беспроводному датчику нужно 3,3 В, а питается он от двух батареек АА, напряжение которых по мере разряда падает с 3,2 до 2,0 В. Линейный стабилизатор здесь бессилен (выход выше входа), а обычная микросхема повышающего преобразователя съест батарейки своим током покоя. Решение — микромощный импульсный стабилизатор на дискретных деталях (структура ниже): ток покоя около микроампера, стабилизация по входу и нагрузке — несколько процентов, КПД 80–85% при полной нагрузке во всём диапазоне напряжения батареек.

Почему не линейная схема с удвоителем напряженияУмножитель напряжения — диоды и конденсаторы, заряжаемые в разные полупериоды и соединённые последовательно: выход в 2, 3, 4… раза больше амплитуды. и последовательным стабилизатором? Потому что при свежих батарейках удвоенное напряжение будет сильно выше нужного, и разницу придётся сжечь. Схема с обратным выбросом (flyback) ведёт себя как умножитель с переменным коэффициентом и потому сохраняет высокий КПД.

Последовательность работы:

Заметьте, что сопротивления в такой схеме огромные — мегаомы: каждый микроампер на счету. А вот о температурной компенсации здесь обычно не заботятся: несколько процентов точности датчику хватает, а уход порога транзистора с температурой обратная связь по частоте всё равно отрабатывает.

6.6.4Зарядовый насос: преобразование без катушки

Представьте ведро и две бочки. Набираете ведро из первой бочки, переносите и выливаете во вторую; повторяете много раз в секунду — и вторая бочка наполняется. Именно так работает зарядовый насосПреобразователь без катушки: ключи заряжают конденсатор от входа и переключают его к выходу последовательно (удвоение) или перевёрнутым (инверсия). (преобразователь на переключаемых конденсаторахПереключаемый конденсатор: конденсатор $C$ с ключами, переключаемыми с частотой $f$, переносит заряд как резистор $R=1/(fC)$.): «ведро» — небольшой конденсатор $C_1$, а переносит его четвёрка КМОП-ключей. Повышать напряжение и менять его знак умеют не только импульсные преобразователи с катушкой из раздела 6.5, но и такие схемы.

На схеме ниже — упрощённое устройство микросхемы-инвертора 7662: внутри генератор и ключи, снаружи два конденсатора. В первом такте замкнута левая пара ключей, и $C_1$ заряжается до $U_{\text{вх}}$. Во втором такте его отключают от входа и подключают к выходу перевёрнутым: «плюс» — на землю, «минус» — к $C_2$. Заряд перетекает в $C_2$ и нагрузку, и выход устанавливается около $-U_{\text{вх}}$. Если во втором такте поставить $C_1$ не перевёрнутым, а последовательно со входом, получится удвоитель: $2U_{\text{вх}}$.

Схема простая, дешёвая и обходится без катушки. Но у неё есть врождённая слабость: выход не стабилизирован и заметно проседает, когда нагрузка берёт больше нескольких миллиампер (график ниже). У преобразователя есть выходное сопротивление, и складывается оно из двух частей. Первая — сопротивления открытых ключей. Вторая — «сопротивление» самого переносящего конденсатора: за каждый цикл $C_1$ должен перенести заряд $q=I/f$, а для этого напряжение на нём обязано отличаться от выходного на $q/C_1$. Отсюда:

Есть и другие ограничения. КМОП-ключи выдерживают ограниченное напряжение: 7662 работает при питании 4,5–20 В, её предшественница 7660 — 1,5–10 В. И, в отличие от схем с катушкой, которые дают любое напряжение, насос выдаёт только кратные входному. Тем не менее он очень удобен, когда на плате есть только +5 В, а нескольким ОУ или интерфейсу RS-232RS-232 — стандарт последовательной связи: уровни ±5…±15 В относительно общей земли, «1» — отрицательное напряжение; до ~15 м и 20 кбит/с. нужно немного ±10 В.

Несколько полезных микросхем этого семейства:

• MAX680 — удвоитель и инвертор вместе: ±10 В (до 10 мА) от одной шины +5 В (схема ниже);
• LT1026 — то же до 20 мА, причём с конденсаторами 1 мкФ вместо 22 мкФ;
• LT1054 — насос вместе с линейным стабилизатором: стабильный выход до 100 мА (КПД, понятно, ниже);
• MAX232 и LT1080 — насос на ±10 В, совмещённый с приёмопередатчиком RS-232: двухполярное питание для порта на плате больше не нужно, а в некоторых версиях MAX232 даже конденсаторы спрятаны внутрь;
• LTC1043 — набор ключей с конденсаторами «на все руки». Например, он умеет перенести падение напряжения, снятое в неудобном месте (с датчика тока в плюсовой шине), к земле, где его легко измерить.

6.6.5Источники стабильного тока

Зарядить аккумулятор, проверить мощный светодиод, прогнать ток через датчик температуры, гальванизировать деталь, разрядить батарею постоянным током, чтобы измерить её ёмкость, — во всех этих задачах нужен источник не напряжения, а тока. Небольшие источники тока нам уже встречались: на транзисторах и токовые зеркалаТоковое зеркало — пара согласованных транзисторов с общим $U_{БЭ}$: ток, заданный в одном (программирующем), повторяется в другом. (раздел 2.2), на полевых транзисторах — «токостабилизирующие диоды» вроде серии 1N5283 (раздел 3.2), на ОУ (раздел 4.3), трёхвыводной LM334 (раздел 6.5). Здесь речь о законченных регулируемых источниках, способных отдать заметный ток при заметном напряжении.

Трёхвыводной стабилизатор

Регулируемый стабилизатор вроде 317 держит между выходом и выводом «Рег» постоянные 1,25 В (опорник на ширине запрещённой зоныШирина запрещённой зоны кремния $E_g\approx 1,2$ эВ. Опорный источник «на напряжении запрещённой зоны» (bandgap) складывает $U_{\text{БЭ}}$ с добавкой, пропорциональной $T$, и даёт ≈ 1,23 В с нулевым ТКН.). Резистор между этими выводами превращает его в двухполюсник, через который течёт стабильный ток, — отдающий или принимающий, как удобнее. Перепад самого стабилизатора около 2 В, так что если на всю схему остаётся меньше 3 В, ток начинает «плыть».

Схема хороша для средних и больших токов: LM317 — до 1,5 А при падении на нём до 37 В, высоковольтный LM317HV — до 57 В, сильноточные LM338 (5 А) и LM396 (10 А) — при меньших напряжениях. Нижний предел — около 10 мА (наихудший ток покоя): ниже трёхвыводной стабилизатор как источник тока не работает.

Любопытно, что ток покоя самого стабилизатора ошибки не создаёт: он втекает во вход, вытекает из выхода и проходит через нагрузку вместе с остальным током. Ошибку даёт только куда меньший ток вывода «Рег» — 50 мкА номинально, с разбросом около 20% по температуре; обычно им можно пренебречь.

Датчик в плюсовой шине

Хорошие параметры при простой схеме получаются, если взять обычный последовательный стабилизатор и измерять ток на входе проходного транзистора (схема ниже). $R_2$ — резистор-датчик, желательно с малым ТКС. Если токи очень большие или нужна высокая точность, берут четырёхвыводной резистор: у него отдельные измерительные выводы прямо у тела резистора, и снятое напряжение не зависит от сопротивления контактов, по которым идёт ток. ОУ в такой схеме должен работать с синфазным напряжением вплоть до положительного питания (среди классических это умели 307, 355, 441; сейчас таких rail-to-rail ОУ множество) — или его питают от вспомогательного напряжения выше основного.

Вместо МОП-транзистора можно поставить p-n-p, но тогда в нагрузку попадёт и его базовый ток, который через $R_2$ не проходит; чтобы ошибка была мала, нужен составной транзистор. Можно взять и n-канальный транзистор, включив его истоковым повторителем и поменяв местами входы ОУ, — но здесь есть подвох.

Датчик в обратном проводе нагрузки

Для прецизионного источника тока удобно измерять напряжение на точном резисторе, который стоит последовательно с нагрузкой на её «обратном» пути к источнику. Так легче справиться с базовыми токами. Правило простое: базовый ток должен идти либо и через нагрузку, и через измерительный резистор, либо ни через то, ни через другое. Для этого нагрузку или источник питания приходится «подвесить» над землёй хотя бы на величину падения на измерительном резисторе.

На схеме ниже — обычный последовательный регулятор, а сигнал ошибки — падение на небольшом резисторе в обратном проводе от нагрузки к земле. Составной транзистор нужен не из-за базового тока (резистор и так чувствует настоящий ток нагрузки), а чтобы ток управления упал до единиц миллиампер и хватило обычного ОУ.

Измерительный резистор — прецизионный, мощный, с малым ТКС, лучше четырёхвыводной. Есть и вариант, где регулирующий транзистор стоит в обратном проводе сильноточного источника, а его коллектор соединён с землёй: тогда корпус транзистора можно ставить на радиатор без изолирующей прокладки.

Какое падение оставить на $R_{\text{изм}}$? Обычно около вольта при рабочем токе. Это компромисс: при малом падении заметнее ошибка от смещения ОУ, при большом — уже диапазон напряжений на нагрузке и больше лишнего тепла. Если источник должен работать в широком диапазоне токов, $R_{\text{изм}}$ делают переключаемым — набором точных мощных резисторов.

Заземлённая нагрузка

Бывает, что нагрузку нельзя оторвать от земли — например, это корпус гальванической ванны или нагреватель, соединённый с шасси. Тогда «плавающим» делают источник питания (схема ниже). Усилитель ошибки с сильноточным выходом (это может быть 723 с его 150 мА или мощный ОУ) питается от сильноточного источника, общий провод которого не связан с землёй схемы; базовые токи возвращаются через $R_{\text{изм}}$. Ток задаёт отрицательное (относительно земли) опорное напряжение:

Обратите внимание, какой вход ОУ куда подключён — полярность здесь непривычная. Если в приборе есть другие ОУ, понадобится ещё один маломощный источник с общим выводом на земле.

Возможен и другой вариант: обычный ОУ питают от отдельного маломощного двухполярного «плавающего» источника, а ток отдаёт внешний проходной транзистор (составной или МОП, чтобы базовый ток возвращался через нагрузку, а не мимо измерительного резистора). Так удобно строить лабораторный источник тока: внутри — маленький вспомогательный источник для электроники, снаружи — любой сильноточный, подобранный под задачу по напряжению и току.

6.6.6Готовые блоки питания

Весь раздел мы разбирали, как сделать источник питания самому, и только про сетевые импульсники сказали прямо: лучше купить. На деле экономика часто подсказывает тот же ответ и для остальных случаев. Время инженера дорого, а готовый блок уже прошёл сертификацию по безопасности и помехам. Такие блоки выпускают сотни фирм, и линейные, и импульсные. Разберёмся, какими они бывают.

Если коротко: маленькая мощность и место на плате — модуль; внутрь большого прибора — открытый блок; снаружи — закрытый; лёгкий переносной прибор — сетевой адаптер.

Сетевое напряжение. Открытые и модульные блоки требуют самостоятельно выполнить сетевой ввод: выключатель, предохранитель, фильтр, заземление корпуса и изоляцию. Ошибка здесь опасна для жизни; если опыта нет — берите закрытые блоки или сетевые адаптеры.