Lineárne stabilizátory napätia — účel, základné parametre a spínacie obvody

Snáď sa dnes už žiadna elektronická doska nezaobíde bez aspoň jedného zdroja konštantného konštantného napätia. A veľmi často ako také zdroje slúžia lineárne regulátory napätia vo forme mikroobvodov. Na rozdiel od usmerňovača s transformátorom, kde napätie tak či onak závisí od záťažového prúdu a môže sa z rôznych dôvodov mierne líšiť, integrovaný mikroobvod - stabilizátor (regulátor) je schopný zabezpečiť konštantné napätie v presne definovanom rozsahu zaťažovacie prúdy.

Tieto mikroobvody sú postavené na báze poľných alebo bipolárnych tranzistorov, ktoré nepretržite pracujú v aktívnom režime. Okrem regulačného tranzistora je na kryštáli mikroobvodu lineárneho stabilizátora inštalovaný aj riadiaci obvod.

Historicky, predtým, ako bolo možné vyrábať takéto stabilizátory vo forme mikroobvodov, existovala otázka riešenia problému teplotnej stability parametrov, pretože pri zahrievaní počas prevádzky sa parametre uzlov mikroobvodov zmenia.

Riešenie prišlo v roku 1967, keď americký elektronický inžinier Robert Widlar navrhol obvod stabilizátora, v ktorom by bol medzi neregulovaný zdroj vstupného napätia a záťaž zapojený regulačný tranzistor a v ňom by bol prítomný chybový zosilňovač s teplotne kompenzovaným referenčným napätím. riadiaci obvod. V dôsledku toho popularita lineárnych integrovaných stabilizátorov na trhu rýchlo vyskočila.

Pozrite si fotografiu nižšie. Tu je znázornený zjednodušený diagram lineárneho regulátora napätia (ako je LM310 alebo 142ENxx). V tejto schéme neinvertujúci operačný zosilňovač so spätnou väzbou so záporným napätím pomocou svojho výstupného prúdu riadi stupeň odblokovania regulačného tranzistora VT1, zapojeného do obvodu so spoločným kolektorom - emitorovým sledovačom.

Samotný operačný zosilňovač je napájaný zo vstupného zdroja vo forme unipolárneho kladného napätia. A hoci záporné napätie tu nie je vhodné na napájanie, napájacie napätie operačného zosilňovača sa dá bez problémov zdvojnásobiť, bez obáv z preťaženia alebo poškodenia.

Záverom je, že hlboká negatívna spätná väzba neutralizuje nestabilitu vstupného napätia, ktorého hodnota v tomto obvode môže dosiahnuť 30 voltov. Takže pevné výstupné napätie sa pohybuje od 1,2 do 27 voltov, v závislosti od modelu čipu.

Mikroobvod stabilizátora má tradične tri kolíky: vstup, spoločný a výstup.Obrázok ukazuje typický obvod diferenciálneho zosilňovača ako súčasť mikroobvodu na získanie referenčného napätia Použitá Zenerova dióda.

V nízkonapäťových regulátoroch sa referenčné napätie získava v medzere, ako Widlar prvýkrát navrhol vo svojom prvom lineárnom integrovanom regulátore LM109. V obvode zápornej spätnej väzby rezistorov R1 a R2 je inštalovaný delič, pôsobením ktorého sa výstupné napätie ukáže byť jednoducho úmerné referenčnému napätiu podľa vzorca Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Rezistor R3 a tranzistor VT2 zabudovaný v stabilizátore slúžia na obmedzenie výstupného prúdu, takže ak napätie na odpore obmedzujúcom prúd presiahne 0,6 voltu, tranzistor VT2 sa okamžite otvorí, čo spôsobí, že základný prúd hlavného riadiaceho tranzistora VT1 bude obmedzené. Ukazuje sa, že výstupný prúd v normálnom režime prevádzky stabilizátora je obmedzený na 0,6 / R3. Výkon rozptýlený regulačným tranzistorom bude závisieť od vstupného napätia a bude sa rovnať 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Ak z nejakého dôvodu dôjde ku skratu na výstupe integrovaného stabilizátora, potom by rozptýlený výkon na kryštáli nemal zostať ako predtým, úmerný rozdielu napätia a nepriamo úmerný odporu odporu R3. Preto obvod obsahuje ochranné prvky — zenerovu diódu VD2 a odpor R5, ktorých činnosťou sa nastavuje úroveň prúdovej ochrany v závislosti od rozdielu napätia Uin -Uout.

Vo vyššie uvedenom grafe môžete vidieť, že maximálny výstupný prúd závisí od výstupného napätia, takže mikroobvod lineárneho stabilizátora je spoľahlivo chránený pred preťažením.Keď rozdiel napätia Uin-Uout prekročí stabilizačné napätie zenerovej diódy VD2, delič rezistorov R4 a R5 vytvorí dostatok prúdu v báze tranzistora VT2 na jeho vypnutie, čo následne spôsobí obmedzenie základného prúdu. na zvýšenie regulačného tranzistora VT1.

Najnovšie modely lineárnych regulátorov, ako napríklad ADP3303, sú vybavené tepelnou ochranou proti preťaženiu, keď výstupný prúd prudko klesne, keď sa kryštál zahreje na 165 ° C. Kondenzátor vo vyššie uvedenom diagrame je potrebný na vyrovnanie frekvencie.

Mimochodom, o kondenzátoroch. Na vstup a výstup integrovaných stabilizátorov je zvykom pripájať kondenzátory s minimálnou kapacitou 100 nf, aby sa predišlo falošnej aktivácii vnútorných obvodov mikroobvodu. Medzitým existujú takzvané stabilizátory bez uzáveru, ako napríklad REG103, pre ktoré nie je potrebné inštalovať stabilizačné kondenzátory na vstupe a výstupe.

Okrem lineárnych stabilizátorov s pevným výstupným napätím existujú aj stabilizátory s nastaviteľným výstupným napätím pre stabilizáciu. V nich chýba delič rezistorov R1 a R2 a základňa tranzistora VT4 je vyvedená na samostatnú nohu čipu na pripojenie externého deliča, ako napríklad v čipe 142EN4.

Modernejšie stabilizátory, pri ktorých je prúdový odber riadiaceho obvodu znížený na niekoľko desiatok mikroampérov, ako napríklad LM317, majú len tri piny.Aby sme boli spravodliví, poznamenávame, že dnes existujú aj vysoko presné regulátory napätia, ako je TPS70151, ktoré vďaka prítomnosti niekoľkých ďalších kolíkov umožňujú použiť ochranu proti poklesu napätia na spojovacie vodiče, kontrolu vybíjania záťaže atď. .

Vyššie sme hovorili o pozitívnych stabilizátoroch napätia vo vzťahu k spoločnému drôtu. Podobné schémy sa používajú aj na stabilizáciu záporných napätí, stačí len galvanicky izolovať výstupné napätie vstupu od spoločného bodu. Výstupný kolík je potom pripojený k spoločnému výstupnému bodu a záporný výstupný bod bude vstupný mínusový bod pripojený k spoločnému bodu stabilizačného čipu. Regulátory napätia so zápornou polaritou ako 1168ENxx sú veľmi pohodlné.

Ak je potrebné získať dve napätia naraz (kladná a záporná polarita), potom na tento účel existujú špeciálne stabilizátory, ktoré poskytujú symetricky stabilizované kladné a záporné napätie súčasne, stačí použiť kladné a záporné vstupné napätie. na vstupy. Príkladom takéhoto bipolárneho stabilizátora je KR142EN6.

Vyššie uvedený obrázok je jeho zjednodušená schéma. Tu diferenciálny zosilňovač # 2 poháňa tranzistor VT2, takže je dodržaná rovnosť -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. A zosilňovač #1 riadi tranzistor VT1 tak, aby potenciál na križovatke rezistorov R2 a R4 zostal nulový. Ak sú súčasne odpory R2 a R4 rovnaké, výstupné napätie (kladné a záporné) zostane symetrické.

Pre nezávislé nastavenie rovnováhy medzi dvoma (kladným a záporným) výstupným napätím môžete k špeciálnym kolíkom mikroobvodu pripojiť ďalšie orezávacie odpory.

Najmenšia charakteristika poklesu napätia vyššie uvedených lineárnych regulačných obvodov je 3 volty. To je dosť veľa pre batérie alebo zariadenia napájané z batérie a vo všeobecnosti je žiaduce minimalizovať pokles napätia. Na tento účel je výstupný tranzistor vyrobený typu pnp, takže kolektorový prúd diferenciálneho stupňa je súčasne so základným prúdom regulačného tranzistora VT1. Minimálny pokles napätia bude teraz rádovo 1 volt.

Záporné regulátory napätia fungujú podobným spôsobom s minimálnym poklesom. Napríklad regulátory série 1170ENxx majú úbytok napätia asi 0,6 voltu a neprehrievajú sa, keď sú vyrobené v puzdre TO-92 pri zaťažovacích prúdoch do 100 mA. Samotný stabilizátor spotrebuje nie viac ako 1,2 mA.

Takéto stabilizátory sú klasifikované ako nízke spád. Ešte nižší pokles napätia sa dosahuje na regulátoroch na báze MOSFET (asi 55 mV pri spotrebe prúdu čipu 1 mA), ako je čip MAX8865.

Niektoré modely stabilizátorov sú vybavené vypínacími kolíkmi na zníženie spotreby energie zariadení v pohotovostnom režime — keď sa na tento kolík aplikuje logická úroveň, spotreba stabilizátora sa zníži takmer na nulu (riadok LT176x).

Keď už hovoríme o integrálnych lineárnych stabilizátoroch, zaznamenávajú ich vlastnosti, ako aj dynamické a presné parametre.

Parametrami presnosti sú stabilizačný faktor, presnosť nastavenia výstupného napätia, výstupná impedancia a teplotný koeficient napätia. Každý z týchto parametrov je uvedený v dokumentácii; súvisia s presnosťou výstupného napätia v závislosti od vstupného napätia a aktuálnej teploty kryštálu.

Dynamické parametre ako pomer potlačenia zvlnenia a výstupná impedancia sú nastavené pre rôzne frekvencie záťažového prúdu a vstupného napätia.

Výkonové charakteristiky ako rozsah vstupného napätia, menovité výstupné napätie, maximálny zaťažovací prúd, maximálny stratový výkon, maximálny rozdiel vstupného a výstupného napätia pri maximálnom zaťažovacom prúde, prúd naprázdno, rozsah prevádzkových teplôt, všetky tieto parametre ovplyvňujú výber jedného resp. ten druhý.stabilizátor pre určitý okruh.

Charakteristika lineárnych regulátorov napätia

Tu sú typické a najobľúbenejšie obvody na zahrnutie lineárnych stabilizátorov:

Ak je potrebné zvýšiť výstupné napätie lineárneho stabilizátora s pevným výstupným napätím, na spoločnú svorku sa do série pridá zenerova dióda:

Na maximalizáciu prípustného výstupného prúdu je paralelne so stabilizátorom zapojený výkonnejší tranzistor, ktorý mení regulačný tranzistor vo vnútri mikroobvodu na súčasť kompozitného tranzistora:

Ak je potrebné stabilizovať prúd, stabilizátor napätia sa zapne podľa nasledujúcej schémy.

V tomto prípade sa pokles napätia na rezistore bude rovnať stabilizačnému napätiu, čo povedie k významným stratám, ak je stabilizačné napätie vysoké.V tomto smere bude vhodnejšie zvoliť stabilizátor na čo najnižšie výstupné napätie, napríklad KR142EN12 pre 1,2 voltu.