|
| |
|
Слаботочка Книги линейные источники питания Источник питания, преобразовывающий напряжение сети переменного тока в напряжение постоянного тока выполняет несколько важных функций: Преобразование напряжения: преобразование величины напряжения сети переменного тока в напряжение другой, более подходящей величины. Выпрямление: преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Фильтрация: (подавление) пульсаций выпрямленного напряжения. Стабилизация: управление выходом для обеспечения постоянного значения выходного напряжения, нагрузочной способности и температурной стабильности. Изоляция: гальваническая развязка входа и выхода источника питания. Гипотетический идеальный источник питания имеет следующие важные характеристики: постоянное выходное напряжение независящее от изменений входного напряжения, тока нагрузки, температуры окружающей среды и времени; выходной импеданс равный нулю на всех частотах; равный 100% КПД преобразования; и, наконец, отсутствие пульсаций и шума выходного напряжения. Даже хорошо стабилизированное выходное напряжение будет изменяться с изменениями нагрузки, а также с изменениями напряжения питающей сети и температуры, что иллюстрируется на Рис. 1 и 2. Рис. 1. Нагрузочные характеристики идеального и реального источников питания VOUT Реальный истснник Нестабильность по току AVouT VoUT lAVouT lour Рис. 2. Формы выходного напряжения идеального и реального источников питания VoUT Реальный у источник Напряжение пульсаций(р-р) Идеальный источник Время РАССМОТРЕНИЕ СХЕМЫ ЛИНЕЙНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ Для рассмотрения используется наиболее часто применяемая схема линейного источника питания с мостовым двухполупериодным выпрямителем показанная на Рис. 3. Пульсирующее напряжение постоянного тока после двухполупериодного выпрямителя показано на Рис. 4, Конденсатор фильтра С1 представляет из себя злектролитический конденсатор большой емкости, который должен удерживать напряжение между полупериодами в заданных границах при работе под нагрузкой. Для частоты переменного тока 50 Гц интервал между пиками полупериодов составляет 10 мс. Рис. 3. Упрощенная схема линейного источника питания с двухполупериодным выпрямителем Вход  С2-1- выход Рис. 4. Формы напряжения и тока двухполупериодного выпрямителя и конденсатора фильтра конденсаторе С1  выпрямителе Вр>емя И, наконец, последняя часть схемы - линейный стабилизатор обеспечивает на выходе источника питания необходимую стабильность по входному напряжению и току нагрузки, а также подавляет пульсации выходного напряжения. Выходной конденсатор С2 устанавливается после линейного стабилизатора. Емкость зтого конденсатора имеет обычно более низкое значение чем конденсатора С1 и обеспечивает источнику питания низкий выходной импеданс по переменному току. КОМПОНЕНТЫ ЛИНЕЙНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ Каждый из компонентов, используемых в источнике питания, выполняет свою конкретную важную функцию: Трансформатор Трансформатор выполняет две функции: преобразования напряжения и изоляции. Изоляция означает отсутствие гальванической связи между нейтральным проводом сети переменного тока и выходными клеммами источника питания. В линейном источнике питания тран- интегральные сформатор также позволяет адаптировать источник питания к различным мировым стандартам напряжения сети переменного тока 100, 115, 220 и 240 В. В некоторых случаях, для уменьшения тока утечки, являющегося зачастую источником помех, требуется получить очень низкую величину емкостной связи между входом и выходом источника питания. Для этого используется специальный электростатический экран между первичной и вторичными обмотками трансформатора, иногда называемый экраном Фарадея. Конденсаторы Самыми критичными компонентами источника питания являются электролитические конденсаторы. Значение емкости конденсатора фильтра прямо пропорционально току нагрузки и обратно пропорционально заданному напряжению пульсаций на выходе источника питания. Важным параметром конденсаторов фильтра является эквивалентное последовательное сопротивление или ЭПС. Так как конденсатор заряжается не синусоидальным током, а импульсами тока, показанными на Рис. 3, эти импульсы проходя через ЭПС вызывают внутренний разогрев конденсатора и увеличивают напряжение пульсаций. Этот импульсный ток вместе с рабочим напряжением определяют конкретный тип конденсатора для данного применения (алюминиевый или танталовый). В любых режимах эксплуатации источника питания должен соблюдаться паспортный диапазон рабочих температур конденсаторов выбранных для источника питания. Линейный стабилизатор Линейным стабилизатором может быть как схема на дискретных компонентах, так и интегральная микросхема. Линейный стабилизатор исполняет несколько важных функций: обеспечивает постоянное выходное напряжение при изменениях нагрузки и входного напряжения, подавляет пульсации выходного напряжения, обеспечивает ограничение выходного тока, чтобы защитить источник питания от короткого замыкания (КЗ) и перегрузки по выходу. На Рис. 6 изображена типовая схема последовательного стабилизатора. В качестве источника опорного напряжения использован стабилитрон, имеющий низкий температурный коэффициент напряжения (ТКН). Он питается от источника тока, для уменьшения влияния изменений входного напряжения. Операционный усилитель играет роль усилителя ошибки, который сравнивает часть выходного напряжения с опорным напряжением. Этот усилитель управляет проходным регулирующим транзистором стабилизатора, который в свою очередь поддерживает выходное напряжение постоянным. Схема защиты от КЗ отслеживает падение напряжения на резисторе Rs. Выходной ток ограничивается, когда это напряжение превышает определенный порог
Рис. 6. Структурная схема линейного стабилизатора напряжения  □ СХЕМА ЗАЩИТЬI-i от КЗ VouT ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСХЕМ ЛИНЕЙНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ Первая микросхема линейного стабилизатора была разработана в 1967 г фирмой Fairchild. Это был знаменитый цА723, прибор производящийся до сих пор. Эта микросхема настолько хорошо удовлетворяла потребности электронной промышленности, что почти 10 лет не имела конкурентов. Было время, когда выпуск цА723 доходил до 2 млн. штук в месяц. Наконец фирма Fairchild сумела преодолеть трудности совмещения на одном кристалле мощного транзистора и схемы линейного стабилизатора, Так появились знаменитые серии стабилизаторов фиксированного напряжения цА78хх и цА79хх и регулируемые четырехвыводные стабилизаторы iA78G и iA79G (с цифрами 78 на положительные напряжения, а с цифрами 79 на отрицательные), Вышеупомянутые приборы имеют встроенные схемы тепловой защиты, защиты от КЗ и от выхода из области безопасной работы (ОБР). Выпускались они как в металлических, так и в пластмассовых корпусах. Усредненные параметры стабилизаторов серий цА78хх и цА79хх максимальное изменение выходного напряжения..........2% минимально допустимое падение напряжения вход-выход . . 2 В максимальное входное напряжение.....................35 В коэффициент подавления пульсаций..............0.05...0.1% нестабильность по току ..........................0.1...0.5% нестабильность по напряжению........................0.2% температурная нестабильность ...................... 0.2% При весьма средних параметрах основными достоинствами этих схем являются простота использования и дешевизна. Благодаря этим очень существенным преимуществам серии цА78хх и цА79хх широко применяются и поныне. Приборам цА78С и iA79G повезло меньше . Дело в том, что собственный ток потребления этих схем порядка 3 мА, что и потребовало использования четвертого вывода. Фирма National Semiconductor разработала альтернативные приборы LM317 и LM337 соответственно для положительных и отрицательных напряжений, имеющие ток потребления порядка 50... 100 мкА, что позволяет при установке выходного напряжения обходиться без четвертого вывода. Трехвыводные микросхемы LM317 и LM337 быстро потеснили цА78С и цА79С на мировом рынке и довольно широко выпускаются сегодня. DiaBHbie достоинства трехвыво.дных приборов - простота применения и дешевизна, сохранились в сериях маломощных стабилизаторов (nA78Lxx, цА791 хх - фиксированные и LM317L, LM337L - регулируемые). Благодаря миниатюрному корпусу типа ТО-92, стало возможным и выгодным их использование для стабилизации напряжения питания отдельных узлов электронных схем и устройств. интегральные Следующий шаг в развитии линейных стабилизаторов был сделан фирмой National Semiconductor в приборе LM2931. Выходом регулирующего элемента стал не эмиттер п-р-л-транзистора, а коллектор транзистора р-п-р-структуры, что позволило уменьшить прямое падение напряжения на стабилизаторе приблизительно до 0.6 В. Такой стабилизатор с малым падением напряжения (МПН), называемый по-английски LOW-DROP (произносится лоу дроп ), позволяет получить стабилизированное напряжение близкое ко входному и уменьшить рассеиваемую на стабилизаторе мощность. Но у первых МПН-стабилизаторов существовал заметный недостаток: коэффициент передачи тока интегрального р-л-р-транзистора на порядок меньше, чем п-р-п, что при прочих равных условиях означает увеличение собственного тока потребления стабилизатора на порядок, а также ощутимую зависимость последнего от тока нагрузки, Поэтому первые МПН-стабилизаторы типа LM2931 были рассчитаны на небольшой выходной ток. Постепенный прогресс в конструкции и технологии транзисторов р-л-р-структуры дал нам такие великолепные приборы, как серии LT1083 - LT1086 фирмы Linear Technology рассчитанные на токи до 7,5 А! Новые возможности дает появление полевых транзисторов с очень малым сопротивлением канала в открытом состоянии. Подобную схемотехнику реализуют приборы типа UCC383 (фирма Unltrode). Эти приборы имеют падение напряжения на стабилизаторе порядка 0.2 В при максимальном рабочем токе и очень небольшом собственном токе потребления. В последние годы в связи с бурным развитием компьютерной техники и автоэлектроники в схемотехнике линейных интегральных стабилизаторов появились некоторые изменения. В первую очередь, линейные стабилизаторы, предназначенные для питания современных микропроцессоров, должны иметь выходной ток до 13 А и легко переключаться на выбранные стандартные значения выходных напряжений из ряда 2.2, 2.5, 2.7, 2.8, 2.9, 3.2, 3.3, 3.5 В и т.п. Достичь подобных параметров удалось еще уменьшив прямое падение напряжения на стабилизаторе и ограничив максимальное входное напряжение до 7 В. Практически все линейные стабилизаторы, сконструированные для построения источников питания микроконтроллеров (как в прекрасном семействе микросхем TLE42xx фирмы Siemens), имеют одну или несколько следующих функций одновременно: вход блокировки, встроенный монитор напряжения, встроенный сторожевой таймер. Появились многоканальные стабилизаторы положительного напряжения для питания микропроцессорных устройств в автомобиле (например, TDA8138 и L4936 фирмы SGS-Thomson). Для высоковольтных схем выпускаются микросхемы линейных стабилизаторов, рассчитанные на напряжения до 150 В (например TL783). Заметен и значительный прогресс в области корпусов для микросхем линейных стабилизаторов. Появилось множество схем в удобных небольших, но мощных корпусах для поверхностного монтажа, отличающихся к тому же значительным разнообразим форм и размеров, типа DDPACK, ТО-252 и тп. Нельзя не сказать несколько слов о многоканальных стабилизаторах. Двуполярные стабилизаторы - мечта инженеров 70-х годов были убиты появлением серий аА78хх и аА79хх (LM317, LM337). Их единственная уникальная особенность - симметричные сопряженные напряжения, требуется довольно редко и поэтому в настоящее время в мире подобные приборы почти не выпускаются. Исключений немного, одно из них - прибор М5230 фирмы Mitshubishi. Из всего сказанного можно сделать однозначный вывод - сегодня у инженера, разрабатывающего источник питания для злектронной аппаратуры, имеется огромный выбор прекрасных микросхем, способных удовлетворить любые, самые взыскательные требования. интегральные [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 |
|||||||||||||||