Liniowe stabilizatory napięcia — przeznaczenie, podstawowe parametry i układy przełączające
Być może dzisiaj żadna płytka elektroniczna nie może obejść się bez przynajmniej jednego źródła stałego stałego napięcia. I bardzo często liniowe regulatory napięcia w postaci mikroukładów służą jako takie źródła. W przeciwieństwie do prostownika z transformatorem, w którym napięcie w taki czy inny sposób zależy od prądu obciążenia i może się nieznacznie różnić z różnych powodów, zintegrowany mikroukład - stabilizator (regulator) jest w stanie zapewnić stałe napięcie w dokładnie określonym zakresie prądy obciążenia.
Mikroukłady te zbudowane są w oparciu o tranzystory polowe lub bipolarne, stale pracujące w trybie aktywnym. Oprócz tranzystora regulacyjnego obwód sterujący jest również zainstalowany na krysztale mikroukładu stabilizatora liniowego.
Historycznie, zanim stało się możliwe wytwarzanie takich stabilizatorów w postaci mikroukładów, istniała kwestia rozwiązania problemu stabilności temperaturowej parametrów, ponieważ przy ogrzewaniu podczas pracy parametry węzłów mikroukładów będą się zmieniać.
Rozwiązanie przyszło w 1967 roku, kiedy amerykański inżynier elektronik Robert Widlar zaproponował układ stabilizujący, w którym tranzystor regulujący byłby włączony między nieregulowane źródło napięcia wejściowego a obciążenie, a wzmacniacz błędu z kompensowanym temperaturowo napięciem odniesienia byłby obecny w obwód sterujący. W rezultacie popularność liniowych zintegrowanych stabilizatorów na rynku gwałtownie wzrosła.
Sprawdź zdjęcie poniżej. Pokazano tutaj uproszczony schemat liniowego regulatora napięcia (takiego jak LM310 lub 142ENxx). W tym schemacie nieodwracający wzmacniacz operacyjny ze sprzężeniem zwrotnym o ujemnym napięciu, wykorzystując swój prąd wyjściowy, kontroluje stopień odblokowania tranzystora regulacyjnego VT1, połączonego w obwodzie ze wspólnym kolektorem - wtórnikiem emitera.
Sam wzmacniacz operacyjny jest zasilany ze źródła wejściowego w postaci jednobiegunowego napięcia dodatniego. I choć napięcie ujemne nie nadaje się tutaj do zasilania, to napięcie zasilania wzmacniacza operacyjnego można bez problemu podwoić, bez obawy o przeciążenie lub uszkodzenie.
Wniosek jest taki, że głębokie ujemne sprzężenie zwrotne neutralizuje niestabilność napięcia wejściowego, którego wartość w tym obwodzie może osiągnąć 30 woltów. Tak więc stałe napięcia wyjściowe mieszczą się w zakresie od 1,2 do 27 woltów, w zależności od modelu chipa.
Mikroukład stabilizatora tradycyjnie ma trzy piny: wejściowy, wspólny i wyjściowy.Rysunek przedstawia typowy obwód wzmacniacza różnicowego jako część mikroukładu w celu uzyskania napięcia odniesienia Zastosowano diodę Zenera.
W regulatorach niskiego napięcia napięcie odniesienia uzyskuje się w szczelinie, jak Widlar po raz pierwszy zaproponował w swoim pierwszym liniowym zintegrowanym regulatorze, LM109. Dzielnik jest zainstalowany w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego rezystorów R1 i R2, dzięki czemu napięcie wyjściowe okazuje się być po prostu proporcjonalne do napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem Uout = Uvd (1 + R2 / R1).
Rezystor R3 i tranzystor VT2 wbudowane w stabilizator służą do ograniczenia prądu wyjściowego, więc jeśli napięcie na rezystorze ograniczającym prąd przekroczy 0,6 wolta, wówczas tranzystor VT2 natychmiast się otworzy, co spowoduje, że prąd bazowy głównego tranzystora sterującego VT1 będzie ograniczony. Okazuje się, że prąd wyjściowy w normalnym trybie pracy stabilizatora jest ograniczony do 0,6 / R3. Moc rozpraszana przez tranzystor regulacyjny będzie zależała od napięcia wejściowego i będzie równa 0,6 (Uin — Uout) / R3.
Jeśli z jakiegoś powodu wystąpi zwarcie na wyjściu zintegrowanego stabilizatora, to rozproszona moc na krysztale nie powinna pozostać taka jak poprzednio, proporcjonalna do różnicy napięć i odwrotnie proporcjonalna do rezystancji rezystora R3. Dlatego obwód zawiera elementy ochronne - diodę Zenera VD2 i rezystor R5, których działanie określa poziom ochrony prądowej w zależności od różnicy napięć Uin -Uout.
Na powyższym wykresie widać, że maksymalny prąd wyjściowy zależy od napięcia wyjściowego, dlatego mikroukład stabilizatora liniowego jest niezawodnie chroniony przed przeciążeniem.Kiedy różnica napięć Uin-Uout przekroczy napięcie stabilizujące diody Zenera VD2, dzielnik rezystorów R4 i R5 wytworzy wystarczającą ilość prądu w podstawie tranzystora VT2, aby go wyłączyć, co z kolei spowoduje ograniczenie prądu bazowego do zwiększenia tranzystora regulacyjnego VT1.
Najnowsze modele regulatorów liniowych, takie jak ADP3303, są wyposażone w zabezpieczenie przed przeciążeniem termicznym, gdy prąd wyjściowy gwałtownie spada, gdy kryształ jest podgrzewany do 165 ° C. Kondensator na powyższym schemacie jest potrzebny do wyrównania częstotliwości.
Przy okazji, o kondensatorach. Zwyczajowo podłącza się kondensatory o minimalnej pojemności 100 nf do wejścia i wyjścia zintegrowanych stabilizatorów, aby uniknąć fałszywej aktywacji wewnętrznych obwodów mikroukładu. Tymczasem istnieją tak zwane stabilizatory bezkontaktowe, takie jak REG103, dla których nie ma potrzeby instalowania kondensatorów stabilizujących na wejściu i wyjściu.
Oprócz stabilizatorów liniowych ze stałym napięciem wyjściowym istnieją również stabilizatory z regulowanym napięciem wyjściowym do stabilizacji. Brakuje w nich dzielnika rezystorów R1 i R2, a podstawa tranzystora VT4 jest wyprowadzona na oddzielną nogę chipa w celu podłączenia zewnętrznego dzielnika, takiego jak w chipie 142EN4.
Bardziej nowoczesne stabilizatory, w których pobór prądu obwodu sterującego jest zredukowany do kilkudziesięciu mikroamperów, takie jak LM317, mają tylko trzy piny.Aby być uczciwym, zauważamy, że obecnie istnieją również bardzo precyzyjne regulatory napięcia, takie jak TPS70151, które dzięki obecności kilku dodatkowych pinów umożliwiają zastosowanie ochrony przed spadkiem napięcia na przewodach łączących, kontrolę rozładowania obciążenia itp. .
Powyżej mówiliśmy o dodatnich stabilizatorach napięcia w stosunku do wspólnego drutu. Podobne schematy służą również do stabilizacji napięć ujemnych, wystarczy tylko galwanicznie odizolować napięcie wyjściowe wejścia od wspólnego punktu. Styk wyjściowy jest następnie podłączony do wspólnego punktu wyjściowego, a ujemny punkt wyjściowy będzie wejściowym punktem ujemnym podłączonym do wspólnego punktu układu stabilizującego. Regulatory napięcia z ujemną polaryzacją, takie jak 1168ENxx, są bardzo wygodne.
Jeśli konieczne jest uzyskanie dwóch napięć jednocześnie (biegunowość dodatnia i ujemna), to w tym celu istnieją specjalne stabilizatory, które dają jednocześnie symetrycznie stabilizowane napięcie dodatnie i ujemne, wystarczy tylko przyłożyć dodatnie i ujemne napięcia wejściowe do wejść. Przykładem takiego bipolarnego stabilizatora jest KR142EN6.
Powyższy rysunek jest jego uproszczonym schematem. Tutaj wzmacniacz różnicowy nr 2 steruje tranzystorem VT2, więc obserwuje się równość -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. A wzmacniacz nr 1 steruje tranzystorem VT1 tak, że potencjał na złączu rezystorów R2 i R4 pozostaje zerowy. Jeśli w tym samym czasie rezystory R2 i R4 są równe, wówczas napięcie wyjściowe (dodatnie i ujemne) pozostanie symetryczne.
W celu niezależnej regulacji równowagi między dwoma (dodatnimi i ujemnymi) napięciami wyjściowymi można podłączyć dodatkowe rezystory przycinające do specjalnych styków mikroukładu.
Najmniejsza charakterystyka spadku napięcia powyższych liniowych obwodów regulacyjnych wynosi 3 wolty. To całkiem sporo jak na baterie lub urządzenia zasilane bateryjnie i generalnie pożądane jest zminimalizowanie spadku napięcia. W tym celu tranzystor wyjściowy jest wykonany typu pnp, dzięki czemu prąd kolektora stopnia różnicowego jest jednocześnie z prądem bazowym tranzystora regulacyjnego VT1. Minimalny spadek napięcia będzie teraz rzędu 1 wolta.
Regulatory napięcia ujemnego działają w podobny sposób z minimalnym statyzmem. Na przykład regulatory serii 1170ENxx mają spadek napięcia około 0,6 wolta i nie przegrzewają się, gdy są wykonane w obudowie TO-92 przy prądach obciążenia do 100 mA. Sam stabilizator zużywa nie więcej niż 1,2 mA.
Takie stabilizatory są klasyfikowane jako nisko opadające. Jeszcze niższy spadek napięcia osiąga się na regulatorach opartych na MOSFET (około 55 mV przy poborze prądu przez układ 1 mA), takich jak układ MAX8865.
Niektóre modele stabilizatorów są wyposażone w styki wyłączające, które zmniejszają pobór mocy przez urządzenia w trybie czuwania — po przyłożeniu poziomu logicznego do tego styku zużycie stabilizatora spada prawie do zera (linia LT176x).
Mówiąc o integralnych stabilizatorach liniowych, zwracają uwagę na ich charakterystykę, a także parametry dynamiczne i dokładne.
Parametrami dokładności są współczynnik stabilizacji, dokładność ustawienia napięcia wyjściowego, impedancja wyjściowa oraz współczynnik temperaturowy napięcia. Każdy z tych parametrów jest wymieniony w dokumentacji; są one związane z dokładnością napięcia wyjściowego w zależności od napięcia wejściowego i aktualnej temperatury kryształu.
Parametry dynamiczne, takie jak współczynnik tłumienia tętnień i impedancja wyjściowa, są ustawiane dla różnych częstotliwości prądu obciążenia i napięcia wejściowego.
Charakterystyki wydajności, takie jak zakres napięcia wejściowego, znamionowe napięcie wyjściowe, maksymalny prąd obciążenia, maksymalne rozproszenie mocy, maksymalna różnica napięcia wejściowego i wyjściowego przy maksymalnym prądzie obciążenia, prąd jałowy, zakres temperatur roboczych, wszystkie te parametry wpływają na wybór jednego lub drugi.stabilizator dla określonego obwodu.
Charakterystyki liniowych regulatorów napięcia
Oto typowe i najpopularniejsze obwody zawierające stabilizatory liniowe:
Jeśli konieczne jest zwiększenie napięcia wyjściowego stabilizatora liniowego przy stałym napięciu wyjściowym, dioda Zenera jest dodawana szeregowo do wspólnego zacisku:
Aby zmaksymalizować dopuszczalny prąd wyjściowy, mocniejszy tranzystor jest połączony równolegle ze stabilizatorem, zamieniając tranzystor regulacyjny wewnątrz mikroukładu w część tranzystora kompozytowego:
Jeśli konieczne jest ustabilizowanie prądu, stabilizator napięcia jest włączany zgodnie z następującym schematem.
W takim przypadku spadek napięcia na rezystorze będzie równy napięciu stabilizującemu, co doprowadzi do znacznych strat, jeśli napięcie stabilizujące będzie wysokie.W związku z tym bardziej odpowiednie będzie wybranie stabilizatora o najniższym możliwym napięciu wyjściowym, takim jak KR142EN12 na 1,2 wolta.