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 типовой схеме, эта величина принципиально не может быть снижена. Как следует из этой схемы, источник тока должен обеспечивать ток коллек­тора транзистора дифференциального каскада и базовый ток выходного со­ставного транзистора , . Для 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 -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 . Схема такого стабилизатора приведена на следующем рисунке.

Интегральный стабилизатор с малым падением напряжения вход—выход

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 , как в пре­дыдущей схеме, а с транзистора . Минимальное падение напряжения на ста­билизаторе равно напряжению насыщения коллектор—эмиттер транзистора 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). Мы в 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 рисунке. Для стабилизации положительных напряжений исполь­зуется транзистор с р -каналом, работающий в режиме обогащения. Схема рабо­тает следующим образом.

Стабилизатор напряжения с регулирующим МОП - транзистором

При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение также уменьшается, и на входе усилителя появится ошибка . Выходное напряжение усилителя будет снижаться, уменьшая напряжение на затворе регули­рующего МОП-транзистора. Поскольку это p -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 следующем рисунке представлены примерные зависимости то­ка собственного потребления от тока нагрузки стабилизаторов с регулирующими транзисторами различного типа.

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 стабилизаторов снабжены выводами Shutdown (отключение), подача активных логических уровней, на ко­торые вызывает принудительное запирание регулирующего транзистора. Это, например, семейство LТ176х 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» 0.17 В при токе 0.2 А.