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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Stabilizzatori di tensione micropotenza. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Protettori di sovratensione Uno degli indicatori più importanti delle apparecchiature elettroniche con alimentazione autonoma è l'efficienza dei suoi componenti. Negli stabilizzatori di tensione di micropotenza descritti di seguito, la sorgente di tensione di riferimento non è realizzata su un diodo zener, la cui corrente operativa minima è di diversi milliampere, ma su un transistor ad effetto di campo con una giunzione pn. In questo caso, la tensione di interruzione del transistor sarà esemplare. Una tale soluzione circuitale ha permesso di ridurre la corrente consumata dallo stabilizzatore a circa 100 μA. Adottando misure aggiuntive per garantire la stabilità termica della tensione di uscita, tali stabilizzatori possono essere utilizzati come sorgenti di tensione di riferimento (RV) di altissima precisione. La prima versione dello stabilizzatore di tensione è assemblata su un amplificatore operazionale con correzione di frequenza K154UD1B (Fig. 1), che ha un guadagno di tensione elevato (Ku>=2*105) e un basso consumo di corrente (Iп<= 1,2*10-4 ). Nonostante la semplicità del circuito, lo stabilizzatore presenta elevate caratteristiche tecniche:
Sul resistore R1 viene formata la tensione di miscelazione del transistor ad effetto di campo VT1, esemplificativa nello stabilizzatore. L'amplificatore operazionale DA1 è collegato come un amplificatore non invertente, il cui guadagno è impostato dal divisore R2R3, collegato al circuito di feedback negativo. Poiché la tensione di riferimento Urev viene applicata all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale DA1, la sua uscita sarà Uout = (R3/R2+1)*Urev. Lo scarico del transistor ad effetto di campo VT1 è collegato all'uscita dello stabilizzatore, quindi la tensione di riferimento viene mantenuta con altissima precisione. I test hanno dimostrato che quando la tensione di alimentazione aumenta da 6,7 V a 32 V, la variazione della tensione di uscita non può essere registrata con un voltmetro digitale a cinque cifre Shch68002 (con una risoluzione di 0,1 mV con un limite di 10 V). Pertanto, l'instabilità della tensione di uscita nello stabilizzatore considerato è dovuta principalmente alla qualità dei suoi elementi passivi (resistori) e alla dipendenza dalla temperatura della tensione di riferimento. Questa dipendenza può essere ridotta quasi a zero a costo di un leggero aumento del consumo attuale. Il fatto è che per i transistor ad effetto di campo di vario tipo esiste un valore di corrente di drain al quale la tensione gate-source non dipende dalla temperatura. A proposito, è noto che questo valore per transistor con canale P e tensione di interruzione di 1...2 V è compreso tra 25 e 250 μA. In realtà questi limiti sono apparentemente più ampi di quanto comunemente si creda. Quindi, per una delle copie del transistor ad effetto di campo testate nello stabilizzatore in esame, si è rivelato pari a 650 μA.
Date le sue elevate caratteristiche tecniche, si consiglia di utilizzare lo stabilizzatore di tensione descritto in apparecchiature con alimentazione di rete. La tensione di ingresso non deve superare 32 V. Per aumentare la corrente di carico consentita, è necessario collegarla all'uscita dell'amplificatore operazionale DA1 tramite un inseguitore di emettitore su un transistor di potenza appropriata. Per una corrente superiore a 1 A, molto probabilmente sarà necessario un ripetitore composito con due transistor. Il valore della tensione di uscita richiesto viene impostato selezionando i resistori R2, R3. Per garantire il normale funzionamento dell'amplificatore operazionale DA1, la tensione di riferimento non deve essere inferiore a 2 V e la tensione di uscita (sul pin 6) non deve essere superiore a (Upit - 2) V. Il diagramma schematico della seconda versione dello stabilizzatore è mostrato in Fig.2. È assemblato utilizzando elementi di larga diffusione e presenta le seguenti caratteristiche tecniche:
Una caratteristica interessante di questo stabilizzatore è l'uso di uno stabilizzatore di corrente sui transistor ad effetto di campo VT1, VT2 come elemento di compensazione termica, che, inoltre, svolge anche la sua funzione principale di carico dinamico con elevata resistenza interna. A differenza della prima opzione, qui è possibile impostare la modalità operativa attuale dei transistor, e quindi il consumo energetico. Se ad esempio si aumenta più volte la resistenza di tutti i resistori, il consumo di corrente diminuirà di conseguenza. Lo stabilizzatore è costruito secondo uno schema di compensazione. L'elemento di controllo è realizzato sul transistor VT3, collegato secondo il circuito OE. Questo elemento è coperto da un profondo feedback negativo attraverso un inseguitore di tensione composito sui transistor VT4, VT5. Il carico del transistor VT3 è lo stabilizzatore di corrente VT1, VT2, R1. Grazie alla connessione cascode è stato possibile ottenere una resistenza interna dello stabilizzatore di corrente molto elevata - circa 150 MOhm, che ha migliorato significativamente le caratteristiche tecniche dell'intero dispositivo nel suo insieme. Affinché l'inseguitore di tensione VT4, VT5 non influenzi la corrente che scorre attraverso i transistor VT1-VT3, il primo transistor dell'inseguitore viene selezionato come ad effetto di campo. Il secondo transistor del ripetitore dovrebbe essere bipolare, poiché, a causa della maggiore pendenza della caratteristica rispetto a quella ad effetto di campo, ciò può ridurre significativamente la resistenza di uscita dell'inseguitore di tensione e dello stabilizzatore nel suo insieme.
L'idea della stabilizzazione della temperatura della tensione di uscita si riduce a quanto segue. La tensione Ube tra la base e l'emettitore di un transistor bipolare con una corrente di collettore fissa ha un coefficiente di temperatura negativo di -2 mV/°C. A sua volta, la corrente di drain del transistor ad effetto di campo è nella regione della microcorrente a causa della deriva termica della tensione di interruzione. pari a circa +2 mV/°C, dipende dalla temperatura con un coefficiente di circa +10-3/°C. Questa corrente che scorre attraverso la resistenza R2 dello stabilizzatore crea una caduta di tensione, che ad un certo valore della resistenza R2 avrà un coefficiente di temperatura di +2 mV/°C. Pertanto, la tensione di uscita pari a Uout=(UBE3+UR2) (R4/R5+1) difficilmente dipenderà dalla temperatura (UBE3 è la tensione sulla giunzione dell'emettitore del transistor VT3). Il valore più basso del coefficiente di temperatura può essere ottenuto selezionando attentamente il resistore R2. Per un funzionamento affidabile dell'unità di compensazione termica, è necessario mantenere la differenza di temperatura tra le giunzioni pn dei transistor VT1 e VT3 a un livello estremamente minimo (non più di 0,05 ° C). Il modo più semplice per risolvere questo problema è garantire il contatto termico tra i corpi di questi transistor. Ma questa misura non è sempre giustificata e potrebbe rivelarsi inutile. Se non ci sono fattori che possono causare un gradiente termico (parti riscaldanti ravvicinate, ad esempio dissipatori di calore di transistor potenti), gli alloggiamenti dei transistor VT1 e VT3, anche installati separatamente, avranno la stessa temperatura entro pochi centesimi di laurea. La propria potenza termica rilasciata in essi non supera i 30 μW, e ciò porta ad un aumento della temperatura del cristallo semiconduttore di non più di 0,03 ° C (il valore tipico della resistenza termica dell'ambiente di transizione - ambiente, per basse temperature) transistor di potenza è 0,5... ,1 S/mW). Ciò dimostra che in alcuni casi è possibile garantire un'elevata stabilità termica della tensione di uscita senza contatto termico degli alloggiamenti dei transistor VT1 e VT3. Quando si scelgono le parti per gli stabilizzatori, è necessario prestare particolare attenzione alla selezione dei transistor ad effetto di campo in base alla tensione di interruzione. Per la prima versione dello stabilizzatore (Fig. 1), deve essere superiore a 2 V. Il transistor VT1 nella seconda opzione (Fig. 2) deve avere una tensione di interruzione entro 0,6...1 V, VT2 - 1,8.. .2,2 ,3 V. VT1 - 3..303 V. Non ci sono altri requisiti speciali per i transistor, quindi al posto del KP302E è possibile utilizzare i transistor delle serie KP307 e KP315, invece di KT3102G - KT3102G - KT342E, KT342B, KTXNUMXV. Poiché lo stabilizzatore di corrente VT1VT2R1 (Fig. 2) è un dispositivo a due terminali, invece dei transistor ad effetto di campo con canale p, è possibile utilizzare transistor con canale n, mantenendo la polarità di commutazione richiesta. In sostituzione dell'amplificatore operazionale K154UD1B, possiamo consigliare K140UD12 e KR1407UD2, ma hanno una piedinatura diversa e una corrente di carico consentita inferiore a 1 mA. Condensatore di correzione C1 - qualsiasi serie ceramica KM-5, KM-6, ecc. Se ci sono requisiti bassi per la stabilità temporale e termica della tensione di uscita negli stabilizzatori, è meglio utilizzare resistori MLT-0,125 o MLT-0,25 con una tolleranza del 5%, altrimenti tutti i resistori (eccetto R3 in Fig. 2) devono essere preciso, ad esempio C2 -13-0,25 con una tolleranza dello 0,1%. L'impostazione degli stabilizzatori consiste nell'impostare il valore di tensione di uscita desiderato scegliendo il rapporto tra la resistenza dei resistori del circuito di retroazione. In ogni stabilizzatore sono state adottate misure per eliminare l'autoeccitazione alle alte frequenze includendo condensatori di correzione C1 di piccola capacità nel circuito di feedback negativo. Tuttavia, la possibilità di generazione parassitaria non può essere esclusa. Ciò è possibile se in uscita sono presenti stabilizzatori di carico con una capacità di 500 pF...0,1 µF. Per eliminare la generazione parassita è sufficiente accendere un condensatore all'ossido con una capacità di 1...10 μF in parallelo al carico dello stabilizzatore. Autore: S. Fedichin
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