Электронные компоненты «всех времён и народов»: стабилизаторы

Время чтения: 11 минут

Стабильное питание — главное условие надёжной работы электронной аппаратуры. Устройства не смогут корректно функционировать без источника напряжения, способного компенсировать колебания сети, изменения нагрузки и другие воздействия. Поэтому стабилизаторы напряжения занимают особое место среди электронных компонентов и десятилетиями остаются частью разных электронных устройств.

Несмотря на стремительное развитие электроники и появление всё новых решений по преобразованию энергии, многие стабилизаторы, разработанные ещё в прошлом веке, активно применяются и сегодня. Простота применения, надёжность и характеристики сделали их своеобразной классикой схемотехники.

Линейные интегральные стабилизаторы серий L78XX (положительного напряжения) и L79XX (отрицательного напряжения) известны всем, кто имеет хоть какое-то отношение к электронике. Будучи разработанными американской компанией Fairchild Semiconductor (которая, к слову, первой в мире начала разрабатывать и выпускать микросхемы), микросхемы (а это микросхемы, а не дискретные компоненты) имели отечественный аналог КР157ЕНXX. В русскоязычном поле он дал всему семейству обозначение «КРЕН» или «КРЕНки» по имеющимся в оригинальном обозначении литерам.

Микросхемы семейства разработаны L78XX и L79XX компанией Fairchild Semiconductor (ныне несуществующей, а ставшей частью ON Semiconductor) и увидели свет в начале 1970-х годов и первоначально имели обозначение μA78XX. Впоследствии микросхемы начали выпускать многие другие компании с известной до сих пор маркировкой L78XX и L79XX.

Семейство микросхем представляет собой линейные стабилизаторы, выпускающиеся на различное напряжение стабилизации: 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18, 24 вольта. Также есть, но редко встречаются модификации на другие значения, такие как 3.3, 6.2, 8.2 вольта и другие. Входное напряжение до 35 вольт и на некоторую величину больше выходного. Так как микросхемы представляют собой линейные стабилизаторы, то входной ток равен выходному, а излишки мощности гасятся и рассеиваются в виде тепла. Максимальный ток микросхем в корпусе TO-220 не превышает 1 ампера. Существуют также разновидности в корпусах TO-3, TO-39 (оба редки), TO-252 (DPAK), а также в различных миниатюрных распространённых корпусах. Точность стабилизации ±1% при нормальных условиях эксплуатации.

Микросхемы не требуют никаких внешних компонентов для работы, кроме предписанных документацией конденсаторов по входу и выходу для устранения возможной высокочастотной генерации, вызванной особенностями работы обратной связи системы стабилизации. Встроенная защита от перегрузки, короткого замыкания и перегрева сделала микросхему надёжнее и безопаснее. Удачная конструкция, простота эксплуатации и малая стоимость позволяют использовать микросхему для построения вторичных стабилизированных источников питания различной аппаратуры. Единственный минус — большое тепловыделение, особенно при большой разнице входного и выходного напряжения и/или большого тока, требующее радиаторов практически в большинстве применений микросхемы. Это конечно же, сильно снижает коэффициент полезного действия.

Регулируемые линейные интегральные стабилизаторы LM317 (положительного напряжения) и LM337 (отрицательного напряжения) предназначены для построения регулируемых стабилизаторов напряжения или тока. Семейства стабилизаторов L78XX/L79XX и LM317/LM337 идеологически близки, хотя имеют различную схемотехнику; рассматриваемые семейства LM317 и LM337 обладают большей стабильностью параметров, прецизионностью и надёжностью.

LM317 и LM337 разработаны и выпущены в 1976 году американской компанией National Semiconductor. В Советском Союзе выпускались их полные аналоги КР142ЕН12А и КР142ЕН18А. Диапазон входных напряжений ограничен на уровне 35 вольт, максимальная сила тока на уровне 1.5 ампера. Минимальная разница на входе и выходе составляет 1.25 вольта. Как правило, микросхемы выпускаются только в корпусе TO-220.

Несмотря на сходство L78XX/L79XX и LM317/LM337, всё же это несколько разные микросхемы. Первые выпускаются на определённое фиксированное выходное напряжение; последние применимы в качестве регулируемых стабилизаторов как напряжения, так и тока, а также имеют более сложные и прецизионные схемы стабилизации, компенсации и защиты.

Как и L78XX/L79XX, так и LM317/LM337 широко применяются в блоках питания разнообразной аппаратуры. Несмотря на низкий коэффициент полезного действия, линейные интегральные стабилизаторы имеют преимущество перед импульсными стабилизаторами и преобразователями напряжения. В них нет высокочастотного шума, который рискует нарушить работу чувствительной аппаратуры. Наиболее часто применяются в схемах питания высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры, а также различной прецизионной измерительной и цифровой аппаратуры.

Источник опорного напряжения, или как его ещё именуют, программируемый стабилитрон TL431 знаком всем профессиональным разработчикам и радиолюбителям уже много лет. Сегодня микросхема (а это микросхема, а не разновидность полупроводникового стабилитрона) является стандартом де-факто усилителя ошибки системы обратной связи импульсных блоков питания с оптической развязкой первичной и вторичной цепей.

Микросхема TL431 была представлена компанией Texas Instruments в 1977 году как замена «неидеальной» TL430, обладавшей худшими характеристиками, отсутствием термокомпенсации и защитного диода выходного каскада. Тем не менее TL430 продолжает выпускаться для замены аналогичных микросхем в устаревшем оборудовании, но для новых проектов практически не применяется. TL431 сегодня выпускается многими производителями, имеет немало аналогов, в том числе и отечественных: в Советском Союзе микросхема выпускалась под обозначением КР142ЕН19А, сегодня в России — К1156ЕР5Т.

TL431 — трёхвыводной регулируемый линейный стабилизатор. Опорное напряжение 2.495 вольта. Регулировка с внешним делителем в диапазоне от 2.495 до 36 вольт при токе до 100 миллиампер. Функционально микросхема аналогична биполярному транзистору структуры n-p-n, имеющему чёткий порог переключения 2.495 вольта и не имеющему выраженного гистерезиса. Схемотехнически внутри рассматриваемой микросхемы содержится операционный усилитель, сравнивающий входное напряжение с опорным и своим выходом управляющий мощным выходным транзистором. Опорное напряжение внутри микросхемы формируется с помощью бандгапа — стабильного генератора напряжения, использующего физические свойства полупроводникового материала (напряжение запрещённой зоны). Защитный диод в выходном каскаде защищает схему от неверной полярности, но защиты от превышения тока или перегрева микросхема не имеет. Микросхема поддерживает точность регулировки от 0.5 до 2% в зависимости от цены модификации.

TL431 применим в различных схемах включения:

Недокументированные схемы включения микросхемы (усилители низкой и высокой частоты, генераторы, управляемые напряжением и т. д.) распространены в среде радиолюбителей, но в промышленной технике практически не применяются ввиду серьёзной зависимости таких режимов работы от параметров конкретного экземпляра микросхемы, а также из-за отсутствия рекомендаций со стороны производителя.

Выпускается TL431 в «ширпотребном» и удобном для монтажа корпусе TO-92 для монтажа в отверстия, а также SOT-23 и SOT-89 для поверхностного монтажа (SMT). Также микросхема выпускается в нестандартных корпусах, таких как DIP-8, SO-8 и других.