Линейные стабилизаторы с незаземленным выходом

Линейный стабилизатор с незаземленным ("плавающим") выходом (floating regulator) — это один из способов достигнуть высоковольтной линейной стабилизации. Его суть заключается в том, что секция управления и последовательно включенный проходной транзистор "плавают" на входном напряжении. Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем распознавания "земли", которая выступает как отрицательное напряжение применительно к выходному напряжению. Выходное напряжение служит в качестве "плавающей земли" для схемы управления, а энергия для этой схемы и проходного транзистора извлекается из перепада напряжения (разница между напряжением на входе и выходе) или обеспечивается вспомогательным изолированным источником питания.
Для мощного транзистора номинал напряжения пробоя по-прежнему должен быть больше входного напряжения, поскольку в момент запуска он должен "видеть" всё входное напряжение. Для шунтирования напряжения на проходном транзисторе можно применять и другие методы, наподобие ограничительного стабилитрона (bootstrap Zener diode), однако только тогда, когда само входное напряжение подано для активации источника питания и отключено. Также следует быть внимательным, чтобы никакой входной или выходной контакт схемы управления не оказался отрицательным по отношению к "плавающей земле" микросхемы. Для этого обычно используют диоды защиты. И последнее предупреждение касается малоизвестного напряжения пробоя обычных резисторов. Если выходное напряжение превышает 200 В, то более, чем один чувствительный резистор должен быть включен последовательно во избежание проявления характеристики пробоя резисторов Ул Вт при напряжении 250 В.

Базовые проекты трехполюсных стабилизаторов

Трехполюсные стабилизаторы используются, в основном, в качестве встроенных на плату стабилизаторов. Для таких приложений они прекрасно подходят по цене и простоте применения. Их также можно использовать (с осторожностью) в качестве линейных стабилизаторов с базовой или расширенной функциональностью.
Характеристика, которую игнорируют чаще всего, — это используемый в трехполюсных стабилизаторах метод ограничения перегрузки по току. При этом обычно используется отключение по перегреву на кристалле стабилизатора, которое срабатывает в диапазоне температуры от +150 до +165°С. Если ток нагрузки протекает через трехполюсный стабилизатор, а радиатор слишком большой, то стабилизатор может быть поврежден вследствие перегрузки по току (нарушение проводного соединения, дорожек микросхемы и т.п.). Если же радиатор слишком мал, то он не сможет в достаточной мере отводить тепло от стабилизатора. Еще один важный фактор заключается в том, что если ток нагрузки проводится внешним проходным элементом, то отключение по перегреву будет нефункциональным, и потребуется другой метод защиты от перегрузки по току.

Важные характеристики линейного стабилизатора

На сегодняшний день в большинстве приложений достаточно маломощных, встроенных на плату линейных стабилизаторов, что легко обеспечивается с помощью интегральных схем трехполюсных стабилизаторов с высокой степенью интеграции. Тем не менее, некоторые приложения требуют либо выходного тока большей силы, либо большей функциональности, чем могут обеспечить трехполюсные стабилизаторы.
Существуют некоторые важные характеристики проекта, общие для обоих подходов, а также те, которые применимы только в неинтегрированных пользовательских разработках. Такие характеристики определяют граничные условия эксплуатации, которым будет соответствовать конечный проект, и наиболее актуальные из них должны быть рассчитаны для каждого проекта. К сожалению, многие инженеры этим пренебрегают и сталкиваются с проблемами во всем заданном рабочем диапазоне параметров изделия после его производства.
В качестве первой такой характеристики рассмотрим перепад напряжения (headroom voltage). Это — фактическое падение напряжения между входом и выходом в процессе работы. Данная характеристика рассматривается, в основном, на более поздних этапах процесса разработки, но ее следует учитывать сразу же, чтобы увидеть, будет ли линейный источник соответствовать потребностям системы. Во-первых, на падение напряжения приходится более 95% всех потерь мощности внутри линейного стабилизатора.

Принцип работы линейного стабилизатора

Все источники питания — будь то линейные или более сложные импульсные — работают по одному и тому же базовому принципу. Все источники питания имеют в своей основе замкнутый контур отрицательной обратной связи. Единственное назначение этого контура — удерживать постоянное значение выходного напряжения. Последовательно включенный проходной элемент работает в линейном режиме. Это означает, что он не проектировался для работы в полностью включенном (ON) или полностью выключенном (OFF) режиме, а работает в "частично включенном" режиме. Контур отрицательной обратной связи определяет степень электропроводности, которую должен принимать проходной элемент для обеспечения требуемого уровня выходного напряжения.
Основой контура отрицательной обратной связи является операционный усилитель с большим коэффициентом усиления, называемый усилителем напряжения ошибки. Его назначение— постоянно сравнивать разницу между высокостабильным опорным напряжением и выходным напряжением. Если эта разница составляет хотя бы милливольты, то выполняется корректировка электропроводности проходного элемента. Стабильное опорное напряжение подается на неинверсный вход операционного усилителя и обычно ниже, чем выходное напряжение. Выходное напряжение делится до уровня опорного и подается на инверсный вход операционного усилителя. Таким образом, при номинальном выходном напряжении центральная точка делителя выходного напряжения идентична опорному напряжению.

Введение в теорию линейных стабилизаторов

Линейный стабилизатор является исходной формой стабилизирующих источников питания. Для понижения уровня входного напряжения до стабилизированного выходного в нем используется переменная проводимость активного электронного элемента. При этом линейный стабилизатор теряет много энергии в виде тепла и потому нагревается.
Линейные источники питания занимают значительную нишу в приложениях, где невысокий КПД таких источников не играет особой роли. К таким приложениям относится стационарное наземное оборудование, для которого принудительное воздушное охлаждение — не проблема. Сюда же относятся приборы, в которых измеритель настолько чувствителен к электрическому шуму, что требует электрически "тихого" источника питания. Среди таких приборов можно назвать аудио- и видеоусилители, радиоприемники и т.п. Линейные стабилизаторы популярны также в качестве локальных, встроенных в плату стабилизаторов. В данном случае плате требуется лишь несколько ватт, поэтому еще несколько ватт, ушедших в тепло, могут быть нейтрализованы с помощью простого радиатора. Если требуется диэлектрическая изоляция от входного источника переменного тока, то она обеспечивается трансформатором переменного тока или магистральной системой электроснабжения.
Обычно линейные стабилизаторы особенно полезны для приложений источников питания, требующих не более 10 Вт выходной мощности. При выходной мощности более 10 Вт обязательный теплоотвод становится столь громоздким и дорогостоящим, что более привлекательными становятся импульсные источники питания.

Стабилизатор напряжения с защитой от импульсных помех двигателя автомобиля

Если радиоаппаратура используется в автомобиле при работающем двигателе, то, в бортовой сети автомобиля появляются импульсные помехи — выбросы положительной и отрицательной полярности, спадающие через 1 мс, амплитуда которых может достигать 160 В. Появляются также импульсы положительной полярности с амплитудой до 90 В, спадающие через 0,4 с. Схема стабилизатора напряжения, нечувствительная к подобного рода импульсным помехам. Еще одной особенностью стабилизатора является то, что он безразличен к полярности подключения к бортовой сети автомобиля. Выходное напряжение стабилизатора 9 В, максимальный ток нагрузки может доходить до 1 А.
На входе стабилизатора включена диодная сборка VD1...VD4, которая обеспечивает автоматическую установку полярности подключения. Это обусловлено .свойствами двухполупериодного мостового выпрямителя, размещенного в сборке. Ток от источника в зависимости от полярности протекает через пару VD1 и VD4 или VD2 и VD3, при этом полярность на выходе не меняется. При этом выходное напряжение будет ниже входного из-за потерь напряжения на диодах. Включенный за диодной сборкой фильтр LI, С1...СЗ подавляет помехи, появляющиеся в бортовой сети автомобиля. Стабилизация выходного напряжения осуществляется стабилизатором микросхемы DA1.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения собран из распространенных деталей. Транзистор КТ814Б может быть заменен любым транзистором из серий КТ814, КТ816, транзистор КТ315Г — любым из серии КТ315. Стабилитрон VD1 может быть типа КС196 с любым буквенным индексом. Постоянные резисторы типа МЛТ-0,125 или МЛТ-0,25. Резистор R2 имеет мощность 2 Вт. Подстроечный резистор R4 типа СПЗ-27а или СПЗ-16. В качестве разъема ХР1 используется переходник, включаемый в гнездо автомобильного прикуривателя.
Все детали стабилизатора монтируются на печатной плате, вырезанной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,8...1 мм. Регулирующий транзистор VT1 при монтаже устанавливается на радиатор размером 35x20 мм, вырезанный из листа дюралюминия толщиной 2...3 мм. Транзистор VT1 прижимается к радиатору и плате винтом и гайкой МЗ.