Один из наиболее важных показателей радиоэлектронной аппаратуры с автономным питанием - экономичность входящих в ее состав узлов. В микромощных стабилизаторах напряжения, описанных ниже источник образцового напряжения выполнен не на стабилитроне, минимальный рабочий ток которого равен нескольким миллиамперам, а на полевом транзисторе с p-n переходом. Образцовым в этом случае будет напряжение отсечки транзистора. Подобное схемное решение позволило снизить потребляемый стабилизатором ток примерно до 100 мкА. Приняв дополнительные меры по обеспечению термостабильности выходного напряжения, такие стабилизаторы можно использовать в качестве источников образцового напряжения (ИОН) весьма высокой точности. Первый вариант стабилизатора напряжения собран на частотно-скорректированном операционном усилителе К154УД1Б (рис.1), обладающем большим коэффициентом усиления по напряжению (Ku>=2*105) и малым потребляемым током (Iп<= 1,2*10-4). Несмотря на простоту схемы, стабилизатор обладает высокими техническими характеристиками:
Потребляемый ток, А . . . 10-4 Коэффициент стабилизации, не менее . . . 4*104 Выходное сопротивление, Ом, не более . . . 10-3 Максимальный ток нагрузки, A . . . 10-2 Температурный коэффициент выходного напряжения, 1/°С, не более . . . 5*10-4
Напряжение смешения полевого транзистора VT1, являющееся в стабилизаторе образцовым, формируется на резисторе R1. ОУ DA1 включен по схеме неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого задан делителем R2R3, включенным в цепь отрицательной обратной связи. Так как на иеинвертирующий вход ОУ DA1 подано образцовое напряжение Uобр, то на его выходе будет Uвых = (R3/R2+1)*Uобр. Сток полевого транзистора VT1 подключен к выходу стабилизатора, поэтому образцовое напряжение поддерживается с очень высокой точностью. Испытания показали, что при увеличении питающего напряжения от 6,7 В до 32 В изменение выходного напряжения не удается зарегистрировать пятиразрядным цифровым вольтметром Щ68002 (с разрешающей способностью 0,1 мВ на пределе 10 В). Таким образом, нестабильность выходного напряжения в рассмотренном стабилизаторе обусловлена в основном качеством его пассивных элементов (резисторов) и температурной зависимостью образцового напряжения. Эту зависимость можно свести практически к нулю ценой небольшого увеличения потребляемого тока. Дело в том, что для полевых транзисторов самых различных типов существует такое значение тока стока, при котором напряжение затвор-исток не зависит от температуры. Кстати, известно, что это значение для транзисторов с p-каналом и напряжением отсечки 1...2 В лежит в пределах от 25 до 250 мкА. В действительности эти пределы, видимо, шире, чем принято считать. Так, для одного из экземпляров полевого транзистора, проверенного в рассмотренном стабилизаторе, оно оказалось равным 650 мкА.
Рис. 1
Благодаря высоким техническим характеристикам, описанный стабилизатор напряжения целесообразно использовать и в аппаратуре с сетевым питанием. Входное напряжение не должно превышать 32 В. Для увеличения допустимого тока нагрузки ее надо подключать к выходу ОУ DA1 через эмиттерный повторитель на транзисторе соответствующей мощности. При токе, большем 1 А, скорее всего потребуется составной повторитель на двух транзисторах. Необходимое значение выходного напряжения устанавливают, подбирая резисторы R2, R3. Для обеспечения нормальной работы ОУ DA1 образцовое напряжение не должно быть менее 2 В, а выходное (на выводе 6) - не более (Uпит - 2) В.
Принципиальная схема второго варианта стабилизатора изображена на рис.2. Собран он на широко распространенных элементах и имеет следующие технические характеристики:
Потребляемый ток, А, не более . . . 9*10-5 Коэффициент стабилизации . . . 8*102 Выходное сопротивление, Ом . . . 2*10-2 Максимальный ток нагрузки, А . . . 5*10-2 Температурный коэффициент выходного напряжения, 1/°С, не более . . . 5*10-5
Интересной особенностью этого стабилизатора является использование в качестве термокомпенсирующего элемента стабилизатора тока на полевых транзисторах VT1, VT2, который, кроме того, выполняет и свою основную функцию динамической нагрузки с большим внутренним сопротивлением. В отличие от первого варианта, здесь имеется возможность задания токового режима работы транзисторов, а значит, и потребляемой мощности. Например, если увеличить сопротивление всех резисторов в несколько раз, то потребляемый ток соответственно уменьшится. Стабилизатор построен по компенсационной схеме. Управляющий элемент выполнен на транзисторе VT3, включенном по схеме ОЭ. Этот элемент охвачен глубокой отрицательной обратной связью через составной повторитель напряжения на транзисторах VT4, VT5. Нагрузкой транзистора VT3 служит стабилизатор тока VT1, VT2, R1. Благодаря каскодному включению удалось получить очень большое внутреннее сопротивление стабилизатора тока - около 150 МОм, что значительно улучшило технические характеристики всего устройства в целом. Для того чтобы повторитель напряжения VT4, VT5 не оказывал влияния на ток, протекающий через транзисторы VT1-VT3, первый транзистор повторителя выбран полевым. Второй транзистор повторителя должен быть биполярным, так как, благодаря большей крутизне характеристики по сравнению с полевым, это позволяет значительно уменьшить выходное сопротивление повторителя напряжения и стабилизатора в целом.
Рис. 2
Идея температурной стабилизации выходного напряжения сводится к следующему. Напряжение Uбэ между базой и эмиттером биполярного транзистора при фиксированном токе коллектора имеет отрицательный температурный коэффициент -2 мВ/°С. В свою очередь, ток стока полевого транзистора в области микротока из-за температурного дрейфа напряжения отсечки. равного примерно +2 мВ/°С, зависит от температуры с коэффициентом около +10-3/°С. Этот ток, протекая через резистор R2 стабилизатора создает падение напряжения, которое при определенном значении сопротивления R2 будет иметь температурный коэффициент +2 мВ/°С. Таким образом, выходное напряжение, равное Uвых=(UБЭ3+UR2) (R4/R5+1), от температуры зависеть почти не будет (UБЭ3 - напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT3). Наименьшего значения температурного коэффициента можно добиться, если тщательно подобрать резистор R2. Для надежной работы узла термокомпенсации необходимо поддерживать разность температуры p-n переходов транзисторов VT1 и VT3 на предельно минимальном уровне (не более 0,05°С). Наиболее просто эту проблему можно решить, обеспечив тепловой контакт между корпусами этих транзисторов. Но эта мера не всегда оправдана и может оказаться излишней. Если отсутствуют факторы, которые могут стать причиной теплового градиента (близко расположенные нагревающиеся детали, например, теплоотводы мощных транзисторов) , то корпусы транзисторов VT1 и VT3, даже установленных отдельно, будут иметь одинаковую температуру с точностью до нескольких сотых долей градуса. Собственная же тепловая мощность, выделяющаяся в них, не превышает 30 мкВт, а это приводит к повышению температуры кристалла полупроводника не более чем на 0,03 °С (типичное значение теплового сопротивления переход - окружающая среда, для маломощных транзисторов равно 0,5...1 С/мВт). Это показывает, что высокая термостабильность выходного напряжения может быть обеспечена в ряде случаев и без теплового контакта корпусов транзисторов VT1 и VT3. При выборе деталей для стабилизаторов особое внимание нужно уделить отбору полевых транзисторов по напряжению отсечки. Для первого варианта стабилизатора (рис.1) оно должно быть больше 2 В. Транзистор VT1 во втором варианте (рис.2) должен иметь напряжение отсечки в пределам 0,6...1 В, VT2 - 1,8...2,2 В. VT3 - 1..3 В. Других особых требований к транзисторам не предъявляется, поэтому вместо КП303Е можно использовать транзисторы серий КП302 и КП307, вместо КТ315Г - КТ3102Г - КТ3102Е, КТ342Б, КТ342В. Так как стабилизатор тока VT1VT2R1 (рис.2) представляет собой двухполюсник, то вместо полевых транзисторов с p-каналом можно применить транзисторы с n-каналом, соблюдая при этом нужную полярность включения. В качестве замены ОУ К154УД1Б можно рекомендовать К140УД12 и КР1407УД2, но у них другая цоколевка и допустимый ток нагрузки менее 1 мА. Корректирующий конденсатор С1 -любой керамический серий КМ-5, КМ-6 и др. При невысоких требованиях к временной и температурной стабильности выходного напряжения в стабилизаторах лучше использовать резисторы МЛТ-0,125 или МЛТ-0,25 с допуском 5%, в противном же случае все резисторы (кроме R3 на рис.2) должны быть прецизионными, например, С2-13-0,25 с допуском 0,1 %. Налаживание стабилизаторов состоит в установке нужного значения выходного напряжения выбором соотношения сопротивления резисторов цепи обратной связи. В каждом стабилизаторе приняты меры для устранения самовозбуждения на высокой частоте путем включения в цепь отрицательной обратной связи корректирующих конденсаторов С1 небольшой емкости. Тем не менее вероятность появления паразитной генерации не исключена. Это возможно при наличии на выходе стабилизаторов нагрузки с емкостью 500 пф...0,1 мкф. Для устранения паразитной генерации достаточно включить оксидный конденсатор емкостью 1...10 мкф параллельно нагрузке стабилизатора.
Источник: Радио №2, 1988 г., стр.56
Автор: С. ФЕДИЧИН
