Стабилизация отрицательных напряжений

Вышеописанные стабилизаторы предназначены в основном для стабилизации положительных напряжений относительно общей точки (земли) схемы. Однако те же самые схемы можно применять и для стабилизации отрицательных напряжений, если использовать гальванически изолированное от общей точки входное напряжение. В этом случае выходной вывод стабилизатора соединяется с общей точкой, а минусовым выводом схемы является точка соединения минусового вывода источника входного напряжения и общей точки стабилизатора (вывод 3 на хеме Рис. 5.2).

Значительно более удобным оказывается применение специальных схем стабилизаторов для отрицательной полярности напряжения, например, рА79хх или 1168ЕНхх. Для случаев, когда требуется два симметричных относительно общей точки стабилизированных напряжения (например, ±15 В для питания операционных усилителей) выпускаются ИМС, содержащие два стабилизатора — на положительное и отрицательное напряжение, например NE5554 (отечественный аналог — КР142ЕН6). Упрощенная схема внутренней структуры такого стабилизатора приведена на Рис. 5.4а, а типовая схема его включения — на Рис. 5Л6.

Канал стабилизации отрицательного напряжения является независимым. Дифференциальный усилитель ДУ₂ управляет регулирующим транзистором VT₂ так, чтобы выполнялось соотношение

Рис. 5.4. Стабилизатор двух разнополярных напряжений, симметричных относительно общей точки: а — принципиальная схема, б — типовая схема включения

Усилитель ДУ| с помощью транзистора VT стремится поддержать потенциал точки соединения резисторов R₂ и R₄ нулевым, что при выполнении условия R₂= R₄ обеспечивает равенство положительного и отрицательного выходных напряжений. Подключая дополнительные резисторы между соответствующими выходами микросхемы, можно независимо подстроить баланс выходных напряжений и их величину.

Уменьшение потерь в стабилизаторах

Минимальное падение напряжения на интегральном стабилизаторе, необходимое для его нормальной работы, обычно составляет около 3 В. Однако для схем, питающихся от химических источников тока (гальванических элементов и аккумуляторов), это очень много. При использовании схемного решения, показанного на Рис. 5.2, эта величина принципиально не может быть снижена. Как следует из этой схемы, источник тока 1 должен обеспечивать ток коллектора транзистора дифференциального каскада VT₄ и базовый ток выходного составного транзистора VT, VTДля нормальной работы схемы источника тока падение напряжения на нем должно составлять не менее 1.5 В. Остальная часть общего падения напряжения приходится на составной регулирующий транзистор; эта величина также составляет около 1.5 В. Заметим, что величина падения напряжения на стабилизаторе определяет и его КПД — чем оно больше, тем меньше КПД, особенно при малых выходных напряжениях, обычных для питания интегральных схем (3...15 В).

Одна из основных причин столь большого падения напряжения на стабилизаторе заключается в том, что в рассматриваемом случае регулирующий транзистор включен по схеме с общим коллектором. Существенного снижения минимально допустимого напряжения можно достичь включением регулирующего транзистора по схеме с общим эмиттером. Для стабилизатора положительного напряжения это означает применение /?-л-/>-транзистора в качестве выходного. В этом случае коллекторный ток транзистора дифференциального каскада может непосредственно использоваться в качестве базового тока выходного транзистора; при этом отпадает необходимость в источнике тока 1_Х. Схема такого стабилизатора приведена на Рис. 5.5.

Поскольку составной транзистор выходного каскада включен здесь по схеме с общим эмиттером, то приходится учитывать дополнительное инвертирование фазы управляющего сигнала. Поэтому сигнал управления регулирующим транзистором снимается в усилителе ошибки не с транзистора VT₄, как в предыдущей схеме, а с транзистора VT₃. Минимальное падение напряжения на стабилизаторе равно напряжению насыщения коллектор—эмиттер транзистора VT_X и не превышает 1 В. Для стабилизации отрицательных напряжений все транзисторы этой схемы должны быть заменены транзисторами с противоположным типом проводимости. По подобной схеме построены, например, трехвыводные стабилизаторы напряжения малой мощности типа 1170ЕНхх, работающие при минимальном напряжении между входом и выходом 0.6 В. Они выпускаются в корпусах ТО-92 на фиксированные выходные напряжения 5, 6, 8, 9, 12 В при токе нагрузки до 100 мА и собственном потреблении не более 1.2 мА. Такие устройства в зарубежной литературе называют стабилизаторами типа LDO (low drop output — выход с малым перепадом). Мыв дальнейшем будем называть такие устройства МПН-стабилизаторами (стабилизаторами с малым падением напряжения).

Дальнейшее уменьшение минимально допустимого падения напряжения на стабилизаторе может быть достигнуто применением в качестве силового регулятора МОП-транзистора, включенного по схеме с общим истоком.

Упрощенная схема стабилизатора с регулирующим МОП-транзистором приведена на Рис. 5.6. Для стабилизации положительных напряжений используется транзистор с /7-каналом, работающий в режиме обогащения. Схема работает следующим образом.

Рис. 5.5. Интегральный стабилизатор с малым падением напряжения вход—выход

Рис. 5.6. Стабилизатор напряжения с регулирующим МОП-транзистором

При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение также уменьшается, и на входе усилителя появится ошибка AV< 0. Выходное напряжение усилителя будет снижаться, уменьшая напряжение на затворе регулирующего МОП-транзистора. Поскольку это /7-канальный транзистор, то уменьшение напряжения на его затворе вызовет увеличение тока стока и выходное напряжение увеличится до прежнего значения.

Большое достоинство стабилизаторов с регулирующим МОП-транзистором — независимость тока потребления (тока общего вывода) от тока нагрузки. Это связано с тем, что МОП-транзистор управляется напряжением, а ток его затвоpa (а следовательно, и выходной ток усилителя) совершенно ничтожен по сравнению с током нагрузки. На Рис. 5.7 представлены примерные зависимости тока собственного потребления /_s от тока нагрузки I_L стабилизаторов с регулирующими транзисторами различного типа.

Рис. 5.7. Сравнительные графики зависимостей тока потребления стабилизаторов с регулирующими транзисторами различного типа

Другое достоинство — падение напряжения на регулирующем элементе может быть снижено до очень малых величин, недостижимых для биполярных транзисторов. Например, двухканальный стабилизатор напряжения МАХ8865 имеет минимально допустимое падение напряжения 55 мВ при токе нагрузки 50 мА и всего 1 мВ при токе нагрузки 1 мА.

Расширение номенклатуры устройств с батарейным питанием требует дальнейшего повышения их экономичности. Многие узлы измерительных приборов, устройств связи и др. должны обеспечиваться питанием лишь время от времени. В этом случае на нерабочих интервалах напряжение их питания следует снижать до нуля. Для этого некоторые модели ИМС стабилизаторов снабжены выводами Shutdown (отключение), подача активных логических уровней, на которые вызывает принудительное запирание регулирующего транзистора. Это, например, семейство LT176x фирмы Linear Technology с номинальными токами 0.1...3 А и минимальным напряжением «вход — выход» 0.3 В, а также семейство ADP333x фирмы Analog Devices с минимальным напряжением «вход — выход» 0.17В при токе 0.2 А.