Linearni stabilizatorji napetosti — namen, osnovni parametri in stikalna vezja

Morda danes nobena elektronska plošča ne more brez vsaj enega vira stalne konstantne napetosti. In zelo pogosto kot takšni viri služijo linearni regulatorji napetosti v obliki mikrovezij. Za razliko od usmernika s transformatorjem, kjer je napetost tako ali drugače odvisna od obremenitvenega toka in se zaradi različnih razlogov lahko nekoliko spreminja, lahko integrirano mikrovezje - stabilizator (regulator) zagotavlja konstantno napetost v točno določenem območju tokovi obremenitve.

Ta mikrovezja so zgrajena na osnovi poljskih ali bipolarnih tranzistorjev, ki neprekinjeno delujejo v aktivnem načinu. Poleg regulacijskega tranzistorja je na kristalu mikrovezja linearnega stabilizatorja nameščeno tudi krmilno vezje.

Zgodovinsko gledano, preden je bilo mogoče izdelati takšne stabilizatorje v obliki mikrovezij, je obstajalo vprašanje reševanja problema temperaturne stabilnosti parametrov, saj se bodo s segrevanjem med delovanjem parametri vozlišč mikrovezja spremenili.

Rešitev je prišla leta 1967, ko je ameriški inženir elektronike Robert Widlar predlagal stabilizatorsko vezje, v katerem bi bil regulacijski tranzistor priključen med neregulirani vir vhodne napetosti in breme, v ojačevalniku napake pa bi bil prisoten ojačevalnik napak s temperaturno kompenzirano referenčno napetostjo. krmilno vezje. Zaradi tega je priljubljenost linearnih integriranih stabilizatorjev na trgu hitro poskočila.

Oglejte si spodnjo fotografijo. Tukaj je prikazan poenostavljen diagram linearnega napetostnega regulatorja (kot je LM310 ali 142ENxx). V tej shemi neinvertirajoči operacijski ojačevalnik z negativno povratno napetostjo s svojim izhodnim tokom nadzoruje stopnjo odklepanja regulacijskega tranzistorja VT1, povezanega v vezju s skupnim kolektorjem - oddajnikom.

Sam operacijski ojačevalnik se napaja iz vhodnega vira v obliki unipolarne pozitivne napetosti. In čeprav negativna napetost tukaj ni primerna za napajanje, lahko napajalno napetost operacijskega ojačevalnika brez težav podvojimo, brez strahu pred preobremenitvijo ali poškodbo.

Zaključek je, da globoka negativna povratna informacija nevtralizira nestabilnost vhodne napetosti, katere vrednost v tem vezju lahko doseže 30 voltov. Tako se fiksne izhodne napetosti gibljejo od 1,2 do 27 voltov, odvisno od modela čipa.

Mikrovezje stabilizatorja ima tradicionalno tri zatiče: vhodni, skupni in izhodni.Slika prikazuje tipično vezje diferencialnega ojačevalnika kot dela mikrovezja za pridobitev referenčne napetosti Uporabljena Zener dioda.

Pri nizkonapetostnih regulatorjih se referenca napetosti pridobi na vrzeli, kot je Widlar prvič predlagal v svojem prvem linearnem integriranem regulatorju LM109. V vezju negativne povratne zveze uporov R1 in R2 je nameščen delilnik, s katerim se izhodna napetost izkaže za preprosto sorazmerno z referenčno napetostjo v skladu s formulo Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Upor R3 in tranzistor VT2, vgrajena v stabilizator, služita za omejevanje izhodnega toka, tako da če napetost na tokovno omejevalnem uporu preseže 0,6 volta, se bo tranzistor VT2 takoj odprl, kar bo povzročilo osnovni tok glavnega krmilnega tranzistorja VT1. omejeno. Izkazalo se je, da je izhodni tok v normalnem načinu delovanja stabilizatorja omejen na 0,6 / R3. Moč, ki jo odvaja regulacijski tranzistor, bo odvisna od vhodne napetosti in bo enaka 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Če iz nekega razloga pride do kratkega stika na izhodu integriranega stabilizatorja, potem razpršena moč na kristalu ne sme ostati enaka kot prej, sorazmerna z napetostno razliko in obratno sorazmerna z uporom upora R3. Zato vezje vsebuje zaščitne elemente - zener diodo VD2 in upor R5, katerega delovanje nastavi stopnjo tokovne zaščite glede na razliko v napetosti Uin -Uout.

V zgornjem grafu lahko vidite, da je največji izhodni tok odvisen od izhodne napetosti, zato je mikrovezje linearnega stabilizatorja zanesljivo zaščiteno pred preobremenitvijo.Ko napetostna razlika Uin-Uout preseže stabilizacijsko napetost zener diode VD2, bo delilnik uporov R4 in R5 ustvaril dovolj toka v bazi tranzistorja VT2, da ga izklopi, kar bo povzročilo omejitev osnovnega toka za povečanje regulacijskega tranzistorja VT1.

Najnovejši modeli linearnih regulatorjev, kot je ADP3303, so opremljeni s toplotno zaščito pred preobremenitvijo, ko izhodni tok močno pade, ko se kristal segreje na 165 ° C. Kondenzator v zgornjem diagramu je potreben za izenačitev frekvence.

Mimogrede, o kondenzatorjih. Običajno je, da na vhod in izhod integriranih stabilizatorjev priključite kondenzatorje z najmanjšo kapaciteto 100 nf, da preprečite lažno aktiviranje notranjih vezij mikrovezja. Medtem obstajajo tako imenovani stabilizatorji brez pokrova, kot je REG103, za katere ni treba namestiti stabilizacijskih kondenzatorjev na vhodu in izhodu.

Poleg linearnih stabilizatorjev s fiksno izhodno napetostjo obstajajo tudi stabilizatorji z nastavljivo izhodno napetostjo za stabilizacijo. V njih manjka delilnik uporov R1 in R2, osnova tranzistorja VT4 pa je izpeljana na ločeno nogo čipa za priključitev zunanjega delilnika, na primer v čipu 142EN4.

Sodobnejši stabilizatorji, pri katerih je trenutna poraba krmilnega vezja zmanjšana na nekaj deset mikroamperov, kot je LM317, imajo samo tri zatiče.Če smo pošteni, ugotavljamo, da danes obstajajo tudi visoko natančni regulatorji napetosti, kot je TPS70151, ki zaradi prisotnosti več dodatnih zatičev omogočajo uporabo zaščite pred padcem napetosti na povezovalnih žicah, nadzor praznjenja obremenitve itd. .

Zgoraj smo govorili o stabilizatorjih pozitivne napetosti glede na skupno žico. Podobne sheme se uporabljajo tudi za stabilizacijo negativnih napetosti, dovolj je le galvansko izolacijo izhodne napetosti vhoda od skupne točke. Izhodni zatič je nato povezan s skupno izhodno točko, negativna izhodna točka pa bo vhodna minus točka, povezana s skupno točko stabilizatorskega čipa. Regulatorji napetosti z negativno polarnostjo, kot je 1168ENxx, so zelo priročni.

Če je potrebno pridobiti dve napetosti hkrati (pozitivno in negativno polarnost), potem za ta namen obstajajo posebni stabilizatorji, ki dajejo simetrično stabilizirano pozitivno in negativno napetost hkrati, dovolj je samo uporabiti pozitivne in negativne vhodne napetosti do vhodov. Primer takega bipolarnega stabilizatorja je KR142EN6.

Zgornja slika je njen poenostavljen diagram. Tukaj diferencialni ojačevalnik št. 2 poganja tranzistor VT2, tako da se upošteva enakost -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. In ojačevalnik # 1 krmili tranzistor VT1, tako da potencial na stičišču uporov R2 in R4 ostane nič. Če sta upora R2 in R4 enaka, bo izhodna napetost (pozitivna in negativna) ostala simetrična.

Za neodvisno nastavitev ravnovesja med dvema (pozitivnima in negativnima) izhodnima napetostoma lahko na posebne zatiče mikrovezja priključite dodatne obrezovalne upore.

Najmanjša značilnost padca napetosti zgornjih linearnih regulacijskih vezij je 3 volte. To je precej za baterije ali naprave z baterijskim napajanjem in na splošno je zaželeno zmanjšati padec napetosti. V ta namen je izhodni tranzistor izdelan tipa pnp, tako da je kolektorski tok diferenčne stopnje istočasen z baznim tokom regulacijskega tranzistorja VT1. Najmanjši padec napetosti bo zdaj približno 1 volt.

Regulatorji negativne napetosti delujejo na podoben način z minimalnim padcem. Na primer, regulatorji serije 1170ENxx imajo padec napetosti približno 0,6 voltov in se ne pregrevajo, če so izdelani v ohišju TO-92 pri obremenitvenih tokovih do 100 mA. Sam stabilizator ne porabi več kot 1,2 mA.

Takšni stabilizatorji so razvrščeni kot nizko padajoči. Še nižji padec napetosti je dosežen na regulatorjih na osnovi MOSFET (približno 55 mV pri tokovni porabi čipa 1 mA), kot je čip MAX8865.

Nekateri modeli stabilizatorjev so opremljeni z izklopnimi zatiči za zmanjšanje porabe energije naprav v stanju pripravljenosti - ko se na ta zatič uporabi logična raven, se poraba stabilizatorja zmanjša na skoraj nič (linija LT176x).

Ko govorimo o integralnih linearnih stabilizatorjih, upoštevajo njihove značilnosti, pa tudi dinamične in natančne parametre.

Parametri točnosti so stabilizacijski faktor, natančnost nastavitve izhodne napetosti, izhodna impedanca in temperaturni koeficient napetosti. Vsak od teh parametrov je naveden v dokumentaciji; povezani so s točnostjo izhodne napetosti v odvisnosti od vhodne napetosti in trenutne temperature kristala.

Dinamični parametri, kot sta razmerje zatiranja valovanja in izhodna impedanca, so nastavljeni za različne frekvence bremenskega toka in vhodne napetosti.

Značilnosti delovanja, kot so območje vhodne napetosti, nazivna izhodna napetost, največji obremenitveni tok, največja disipacija moči, največja razlika v vhodni in izhodni napetosti pri največjem obremenitvenem toku, tok brez obremenitve, območje delovne temperature, vsi ti parametri vplivajo na izbiro enega ali drugi.stabilizator za določeno vezje.

Značilnosti linearnih napetostnih regulatorjev

Tu so tipična in najbolj priljubljena vezja za vključitev linearnih stabilizatorjev:

Če je treba povečati izhodno napetost linearnega stabilizatorja s fiksno izhodno napetostjo, se zener dioda zaporedno doda na skupni terminal:

Da bi povečali dovoljeni izhodni tok, je vzporedno s stabilizatorjem priključen močnejši tranzistor, ki spremeni regulacijski tranzistor znotraj mikrovezja v del kompozitnega tranzistorja:

Če je potrebno stabilizirati tok, se stabilizator napetosti vklopi po naslednji shemi.

V tem primeru bo padec napetosti na uporu enak stabilizacijski napetosti, kar bo povzročilo znatne izgube, če je stabilizacijska napetost visoka.V zvezi s tem bo bolj primerno izbrati stabilizator za najnižjo možno izhodno napetost, na primer KR142EN12 za 1,2 volta.