Застосування мікросхемних стабілізаторів серії 142, К142, КР142

А. ЩЕРБИНА, С. Балтії, В. ІВАНОВ
м. Москва

В останні роки широке поширення одержали інтегральні стабілізатори напруги. Джерела живлення на їх основі відрізняються малим числом додаткових деталей, невисокою вартістю і хорошими технічними характеристиками. З'явилася можливість забезпечити кожну плату складного пристрою власним стабілізатором напруги (СН), а значить, будуть використані для його живлення загальний нестабілізованим джерело. Це значно підвищило надійність таких пристроїв (вихід з ладу одного СН призводить до відмови тільки того блоку, який до нього підключений), багато в чому зняло проблему боротьби з наведення на довгі проводи харчування та імпульсними перешкодами, породженими перехідними процесами в цих колах. У цей час промисловість випускає широкий асортимент мікросхем серій 142, К142 і КР142. У їх складу входять стабілізатори з регулюючим транзистором, включеним до плюсової провід вихідний ланцюга, і регульованим вихідним напругою (142ЕН1-142ЕН4, КР142ЕН1 – КР142ЕН4), те ж, але з фіксованим вихідним напругою (142EHS, 142ЕН8, 142ЕН9, К142ЕН8, К142ЕН9, КР142ЕН5, КР142ЕН8, КР142ЕН9; далі в тексті – 142ЕН5, 142ЕН8, 142ЕН9), Двуполярность з фіксованим вихідним напругою (142ЕН6, К142ЕН6; далі – 142ЕН6), стабілізатори з регулюючим елементом у мінусовій проводі і регульованим вихідним напругою (142ЕН10, 142ЕН11) і пристрій керування ключовим СН (142ЕП1). Пропонована стаття знайомить з особливостями використання приладів цієї серії.

СН, захищений від пошкодження розрядним струмом конденсаторів. Діод VD1 захищає мікросхему DA1 від розрядного струму конденсатора С2, а діод VD2 – від розрядного струму конденсатора СЗ при замиканні на вході СН.
СН із ступінчастим включенням. Функції «комутуючого» елемента в цьому пристрої виконує транзистор VT1. У момент включення живлення починає заряджатися конденсатор СЗ, тому транзистор відкритий і шунтується нижнє плече дільника R1R2. При цьому напруга на виводі 8 мікросхеми DA1 близько до 0. У міру зарядки конденсатора через резистор R3 транзистор закривається, напруга на виведення серпня DA1, а отже, і на виході пристрою зростає, і через деякий час вихідна напруга досягає заданого рівня. Тривалість встановлення вихідного напруженодеформо вання залежить від постійної часу ланцюга R3C3. Призначення конденсаторів С1 і С2 – те ж, що і в СН за схемою на рис. 1.
СН з вихідним напругою підвищеної стабільності. Як видно зі схеми, відмінність цього СН від пристрою за схемою на рис. 1 (крім відсутності захисних діодів і конденсатора СЗ) полягає в заміні резистора R2 стабілітронів VD1. Останній підтримує більш стабільну напругу на виводі 8 мікросхеми DA1 і тим самим додатково зменшує коливання напруги на навантаженні. Недолік пристрою – неможливість плавного регулювання вихідної напруги (його можна змінювати тільки підбором стабілітрон VD1).
СН з регульованим вихідним напругою, вихідна напруга якого можна регулювати від 0 до 10 В. Необхідне значення встановлюють змінним резистором R2.
СН із зовнішніми регулюючими транзисторами. Мікросхеми 142ЕН5, 142ЕН8, 142ЕН9 залежно від типу можуть віддавати в навантаження струм до 1.5 … 3 А. Однак експлуатація їх з граничним струмом навантаження небажана, тому що вимагає застосування ефективних тепловідводів (допустима робоча температура кристала нижче, ніж у більшості потужних транзисторів). Полегшити режим роботи мікросхеми в подібних випадках можна, підключивши до неї зовнішній регулюючий транзистор. При струмі навантаження до 180 … 190 мА падіння напруги на резисторі R 1 невелике, і пристрій працює так само, як і без транзистора. При більшому струмі це падіння напруги досягає 0,6 … 0,7 В, і транзистор VT1 починає відкриватися, обмежуючи тим самим подальше збільшення струму через мікросхему DA1. Вона підтримує вихідну напругу на заданому рівні, як і в типовому включення: при підвищенні вхідної напруги знижується вхідний струм, а отже, і напруга сигналу, що управляє на емітерний перехід транзистора VT1, і навпаки. Необхідно подбати про обмеження струму через цей транзистор, так як при замиканні в навантаженні він може досягти 20 А і навіть більше. Такого струму в більшості випадків достатньо для виведення з ладу не тільки регулює транзистора, але і навантаження.
Схема СН з обмеженням струму через регулюючий транзистор. Це завдання вирішується включенням паралельно емітерний переходу транзистора VT1 двох з'єднаних послідовно діодів VD1, VD2, які відкриваються, якщо струм навантаження перевищує 7 А. СН продовжує працювати й за певного подальшому збільшенні струму, але як тільки він досягає 8 А, спрацьовує система захисту мікросхеми від перевантаження. Недолік розглянутого варіанту – сильна залежність струму спрацьовування системи захисту від параметрів транзистора і діодів, (її можна значно послабити, якщо забезпечити тепловий контакт між корпусами цих елементів).
Значно менше цей недолік проявляється в СН за схемою на рис. 7. Якщо виходити з того, що напруга на емітерний перехід транзистора VT1 і пряму напругу діода VD1 приблизно однакові, то розподіл струму між мікросхемою DA1 і регулюючим транзистором залежить від відношення значень опору резисторів R2 і R1. При малому вихідному струмі падіння напруги на резисторі R2 і діод VD1 мало, тому транзистор VT1 закритий і працює тільки мікросхема. У міру збільшення вихідного струму це падіння напруги зростає, і коли воно досягає 0,6 … 0,7 В, транзистор починає відкриватися, і все більша частина струму починає текти через нього. При цьому мікросхема підтримує вихідну напругу на рівні, передбаченому її типом: при збільшенні напруги її регулюючий елемент закривається, знижуючи тим самим що протікає через неї струм, і падіння напруги на ланцюги R2VD2 зменшується. У результаті падіння напруги на регулюючому транзисторі VT1 зростає і вихідна напруга знижується. Якщо ж напруга на виході СН збільшується, процес регулювання протікає в протилежному напрямку. Введення в емітерний ланцюг транзистора VT1 резистора R1, що підвищує стійкість роботи СН (він запобігає його самозбудження) вимагає збільшення вхідної напруги. У той же час, чим більше опір цього резистора, тим менше струм спрацьовування з перевантаження залежить від параметрів транзистора VT1 і діода VD1. Проте зі збільшенням опору резистора зростає розсіюють на ньому потужність, в результаті чого знижується ККД і погіршується тепловий режим пристрою.
У СН за схемою на рис. 8 транзистор VT1 також виконує функції регулюючого елементу. Опір резистора R1 вибирають таким чином, щоб він відкривався при струмі навантаження близько 100 мА. Транзистор VT2 реагує на зміну (під дією струму навантаження) падіння напруги на резисторі R2 і відкривається, коли воно досягає 0,6 … 0,7 В, захищаючи тим самим регулює транзистор VT1. У розглянутого пристрою два недоліки. По-перше, досить велика Розсіювана потужність (при максимальному струмі вхідна напруга повинне перевершувати вихідну на величину, що дорівнює сумі мінімального падіння напруги на мікросхемі і значень напруги на емітерний перехід транзисторів VT1 і VT2). По-друге, дуже жорсткі вимоги до регулюючому транзистору, який повинен витримувати максимальний струм стабілізатора при великому напруженні.
Потужний СН можна виконати за схемою на рис. 9. Представлений варіант забезпечує вихідна напруга в межах 5 … 30 В при струмі навантаження до 5 А. Крім мікросхеми DA1 та регулюючого транзистора VT1, він містить вимірювальний міст, утворений резисторами R2 – R5, R7, і компаратор на ОУ DA2. Особливість моста в тому, що через що входить до нього резистор R7 протікає більша частина струму навантаження. Необхідне вихідна напруга встановлюють підстроєні резистором R6, значення струму (у даному випадку 5 А), при перевищенні якого СН стає стабілізатором струму. Свічення світлодіоду HL1 сигналізує про те, що пристрій перейшло в режим стабілізації струму.
Пристрій, виконаний за схемою на мал.10, забезпечує коефіцієнт нестабільності напруги менше 0,001% в широкому інтервалі температури та струму нагузкі. Підвищення точності підтримки вихідної напруги досягнуто введенням ланцюга негативного зворотного зв'язку, що складається з вимірювального моста R1-R3VD1, ОУ DA2 і польового транзистора VT1.
СН з паралельно включеними мікросхемами. Збільшення вихідного струму можна досягти не тільки введенням зовнішнього регулюючого транзистора, але і паралельним з'єднанням мікросхем як показано на рис. 11. Включивши дві 142ЕН5А, можна отримати вихідний струм до 6 А. Тут ОУ ОА1 порівнює падіння напруги на резистора R1R2. Його вихідна напруга так впливає на мікросхему DA2, що поточний через неї струм виявляється в точності рівним току через DA3. Для запобігання небажаного підвищення вихідної напруги за відсутності навантаження вихід пристрою навантажений резистором R6.
Двуполярность СН на основі однополярної мікросхеми можна виконати за схемою, що зображена на рис. 12. Як видно, мікросхема DA1 включена за типовою схемою в плюсову плече СН. Мінусове плече містить дільник напруги з резисторів однакового опору RI, R2, інвертується підсилювач на ОП ОА2 і регулюючий транзистор VT1. ОУ порівнює вихідну напругу плечей за абсолютною вели чині, підсилює сигнал помилки і подає його в ланцюг бази транзистора VT1. Якщо напруга мінусового плеча з якої-небудь причини стає менше, ніж плюсовому (за абсолютною величиною), напруга на вході інвертується ОУ DA1 стає більше О, і його вихідна напруга знижується, відкриваючи регулюючий транзистор VT1 в більшій мірі і, тим самим, компенсуючи зниження напруги мінусового плеча. Якщо ж це напруга, навпаки, зростає, процес протікає в протилежному напрямку і рівність вихідних напруг також відновлюється.
СН з регульованим вихідним напругою можна зібрати за схемою на рис. 13. Тут ОУ DA2 виконує функції повторювача напруги, що знімається з движка змінного резистора R2. ОУ харчується нестабілізованим напругою, але на його вихідний сигнал він практично не впливає, тому що напруга зсуву нуля не перевищує кількох мілівольт. Завдяки великому вхідному опору ОУ стає можливим збільшити опір подільника R1R2 в десятки разів (у порівнянні з СН з типовим включенням мікросхеми DA1) і, тим самим, значно зменшити споживаний їм струм.
Введення в ланцюг зворотного зв'язку СН підсилювача на ОП DA2 (рис. 14) дозволяє знизити коефіцієнти нестабільності. Коефіцієнт підсилення підсилювача визначається опором резисторів дільника R3R4 і при вказаних на схемі номіналах дорівнює 10. Необхідне вихідна напруга встановлюють змінним резистором R2.
Імпульсний «знижувальний» СН з пристроєм управління на мікросхемном стабілізаторі серії 142ЕН8 можна виконати за схемою, що зображена на рис. 18. Необхідне вихідна напруга встановлюють підлаштування резистором R2.
«Знижуючий» імпульсний СН з вузлом захисту від перевантаження, що спрацьовує при вихідному струмі більше 4 А.
Стабілізатор струму можна отримати, включивши мікросхему, як показано на рис. 20. Вихідний струм регулюють зміною опору резистора R1, яке розраховують за формулою: R1 = Uвих.ст / Iвих. Якщо цей резистор дротяний, його необхідно шунтувати керамічним конденсатором С2 ємністю 0,1 .- 0,15 мкФ.
Зарядний пристрій може бути виконано за схемою, що зображена на рис. 21. У даному випадку воно призначене для зарядки акумуляторної батареї напругою 12 В. Дільник RIR2 обмежує максимальне вихідна напруга пристрою на рівні 14 В, резистор R3 обмежує струм зарядки повністю розрядженою батареї м задає вихідний опір Rвих = R3 (1 + R2/R1).
У пристрої, зібраному за схемою на рис. 22 (воно призначене для зарядки 6-вольтової батареї), транзистор VT1 виконує функції нижнього плеча дільника (спільно з резистором R3), керуючого роботою мікросхеми DA1 таким чином, що зарядний струм залишається весь час незмінним. Пікове значення струму через батарею GB1 залежить від опору резистора R3 (при вказаному на схемою опорі 1 Ом – 0,6 А).