Podręcznik: Stabilizatory napięcia monolityczne

2. Stabilizatory napięcia monolityczne

Scalone układy stabilizatorów kompensacyjnych, najczęściej szeregowych, zawierają wszystkie podzespoły niezbędne do uzyskania wysokich parametrów użytkowych układu: precyzyjne skompensowane źródło napięcia referencji (odniesienia), wzmacniacz błędu, tranzystor regulacyjny (stopień mocy) oraz układy zabezpieczenia prądowego i termicznego. Najliczniejszą grupę stanowią tu układy serii 78XX i 79XX o stałej wartości napięcia wyjściowego, gdzie wartość tego napięcia jest zapisana w oznaczeniu typu elementu, np. 7805 (5 V), 7815 (15 V), 7915 (-15 V), 7924 (-24 V) oraz układy serii 78G lub LM317 o zadawanej za pomocą dzielnika rezystancyjnego R₁, R₂ wartości napięcia wyjściowego (rys. 2.5).

$U_{2a}=\begin{pmatrix} 1+\frac{R_2}{R_1} \end{pmatrix}U_{ref},\, \, \, U_{ref}=5V;\, \, \, \, \, \, U_{2b}=\begin{pmatrix} 1+\frac{R_1}{R_2} \end{pmatrix}U_{ref}$

Rys.2.5. Scalone stabilizatory z zadawaną wartością napięcia: a) serii 78G, b) serii LM317

Na rysunku 2.6 przedstawiono schemat blokowy scalonego szeregowego stabilizatora napięcia
serii 78. W skład układu wchodzą następujących bloków:

I – układ ograniczenia prądu (kontroluje spadek napięcia na rezystorze R, pod warunkiem, że sygnał wyjściowy z tego układu jest mniejszy niż sygnał wyjściowy z układów T oraz U),

SQA – układ kontroli dozwolonego obszaru pracy tranzystora (gdy spadek napięcia na tranzystorze mocy wzrasta, ograniczenie prądowe odpowiednio zmniejsza wartość prądu obciążenia),

T – układ kontroli temperatury struktury półprzewodnikowej (nadmierny wzrost temperatury powoduje zmniejszenie prądu obciążenia, pod warunkiem, że sygnał wyjściowy z tego układu jest mniejszy niż sygnał wyjściowy z układów I oraz U),

U – wzmacniacz błędu (utrzymuje wartość napięcia wyjściowego na zadanym poziomie, pod warunkiem,
że sygnał wyjściowy z tego układu jest mniejszy niż sygnał wyjściowy z układów I oraz T)

ideowy układu scalonego stabilizatora serii 78XX z zaznaczonymi charakterystycznymi podzespołami.

Diody na wyjściach bloków I, T, U powodują, że napięcie wyjściowe określa ta wielkość sterująca, która ma najmniejszą wartość. W normalnych warunkach pracy na tranzystor regulacyjny oddziałuje sygnał wyjściowy z bloku wzmacniacza błędu.

Rys.2.6. Monolityczny stabilizator napięcia serii 78XX

Aby zmienić wartość lub uzyskać możliwość regulacji napięcia wyjściowego takiego stabilizatora należy zastosować jedną z przedstawionych na rys.2.7 topologii obwodu. We wszystkich przypadkach modyfikacja polega na podwyższeniu wartości napięcia odniesienia.

Rys.2.7. Metody poszerzania zakresu napięciowego stabilizatora monolitycznego serii 78XX

W celu poszerzenia zakresu prądowego można zastosować obwody przedstawione na rys.2.8.

Rys.2.8. Metody poszerzania zakresu prądowego stabilizatora monolitycznego serii 78XX

Uproszczony schemat scalonego stabilizatora serii 78XX przedstawiono na rys.2.9.

Rys.2.9. Uproszczony schemat scalonego stabilizatora napięcia serii 78XX

W układzie zastosowano prosty wzmacniacz błędu w układzie różnicowym T₃, T₄, który wraz
z układem Darlingtona T₁ tworzy obwód wzmacniacza operacyjnego objętego pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego przez dzielnik napięcia R₁, R₂. Na wyjściu jest wzmocnione napięcie odniesienia:

$U_2=\begin{pmatrix} 1+\frac{R_2}{R_1}U_{ref} \end{pmatrix}$

(2.14)

Tranzystor T₂ pracuje w obwodzie ograniczenia prądu; gdy na skutek nadmiernego wzrostu prądu obciążenia spadek napięcia na rezystorze R₃ przekroczy wartość 0,6 V, tranzystor T₂ zaczyna przewodzić i zmniejsza się napięcie na bazie tranzystor T₁. Napięcie wyjściowe stabilizatora zmienia się tak, aby utrzymać na rezystorze R₃ stały poziom napięcia około 0,6 V. Układ działa zatem jak stabilizator prądu. Wartość prądu obciążenia w tym wypadku jest równa:

$I_{2MAX}=\frac{0,6V}{R_3}$

(2.15)

W tym stanie pracy napięcie wyjściowe zależy od rezystancji odbiornika zgodnie z równaniem:

$U_2=I_{2MAX}R_0$

(2.16)

Moc jaka wydziela się w tranzystorze regulacyjnym T₁ jest równa:

$P_S=I_{2MAX}(U_1-U_2)$

(2.17)

Przy zwarciu zacisków wyjściowych stabilizatora jest ona znacznie większa niż w warunkach normalnej pracy, ponieważ napięcie U₂ = 0 V. Podobny efekt wystąpi, kiedy napięcie wejściowe U₁ będzie miało zbyt dużą wartość. Aby zatem zapobiec zniszczeniu tranzystora regulacyjnego należy zastosować układ zmniejszający prąd zwarcia w funkcji różnicy napięć U₁ – U₂ (rezystor R₅
i stabilistor D₁). Jeżeli różnica napięć U₁ – U₂ jest mniejsza od napięcia przebicia diody D₁ przez rezystor R₅ nie płynie prąd i napięcie U_R5 = 0 V. Tranzystor T₂ ogranicza prąd wyjściowy na poziomie 0,6V/R₃. Jeżeli różnica napięć przekroczy wartość napięcia przebicia stabilistora D₁ przez dzielnik napięcia R₄, R₅ popłynie prąd, który dodatkowo wysteruje tranzystor T₂. Wskutek tego tranzystor T₂ zaczyna przewodzić przy odpowiednio mniejszym spadku napięcia na rezystorze R₃.