Lineære spenningsstabilisatorer - formål, grunnleggende parametere og svitsjekretser

Kanskje i dag kan intet elektronisk styre klare seg uten minst én kilde med konstant konstant spenning. Og veldig ofte fungerer lineære spenningsregulatorer i form av mikrokretser som slike kilder. I motsetning til en likeretter med transformator, hvor spenningen på en eller annen måte avhenger av belastningsstrømmen og kan variere litt av ulike årsaker, er en integrert mikrokrets - en stabilisator (regulator) i stand til å gi en konstant spenning i et nøyaktig definert område på belastningsstrømmer.

Disse mikrokretsene er bygget på grunnlag av felteffekt- eller bipolare transistorer, som kontinuerlig opererer i aktiv modus. I tillegg til reguleringstransistoren er det også installert en kontrollkrets på krystallen til mikrokretsen til den lineære stabilisatoren.

Historisk, før det ble mulig å produsere slike stabilisatorer i form av mikrokretser, var det et spørsmål om å løse problemet med temperaturstabilitet av parametere, siden med oppvarming under drift vil parameterne til mikrokretsnoder endres.

Løsningen kom i 1967, da den amerikanske elektronikkingeniøren Robert Widlar foreslo en stabilisatorkrets der en reguleringstransistor skulle kobles mellom en uregulert inngangsspenningskilde og en last, og en feilforsterker med temperaturkompensert referansespenning skulle være til stede i kontrollkretsen. Som et resultat hoppet populariteten til lineære integrerte stabilisatorer i markedet raskt.

Sjekk ut bildet nedenfor. Her vises et forenklet diagram av en lineær spenningsregulator (som LM310 eller 142ENxx). I dette skjemaet kontrollerer en ikke-inverterende negativ spenningstilbakekoblingsforsterker, ved hjelp av sin utgangsstrøm, graden av opplåsing av reguleringstransistoren VT1, koblet i en krets med en felles kollektor-emitterfølger.

Selve op-amperen drives av inngangskilden i form av en unipolar positiv spenning. Og selv om den negative spenningen ikke er egnet for forsyning her, kan forsyningsspenningen til op-ampen dobles uten problemer, uten frykt for overbelastning eller skade.

Konklusjonen er at den dype negative tilbakemeldingen nøytraliserer ustabiliteten til inngangsspenningen, hvis verdi i denne kretsen kan nå 30 volt. Så faste utgangsspenninger varierer fra 1,2 til 27 volt, avhengig av brikkemodellen.

Stabilisatormikrokretsen har tradisjonelt tre pinner: inngang, felles og utgang.Figuren viser en typisk krets av en differensialforsterker som en del av en mikrokrets for å oppnå en referansespenning Zenerdiode påsatt.

I lavspenningsregulatorer oppnås spenningsreferansen ved gapet, slik Widlar først foreslo i sin første lineære integrerte regulator, LM109. En deler er installert i den negative tilbakekoblingskretsen til motstandene R1 og R2, ved hvis handling utgangsspenningen viser seg å være ganske enkelt proporsjonal med referansespenningen i samsvar med formelen Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Motstand R3 og transistor VT2 innebygd i stabilisatoren tjener til å begrense utgangsstrømmen, så hvis spenningen på strømbegrensningsmotstanden overstiger 0,6 volt, vil transistor VT2 åpne umiddelbart, noe som vil føre til at basisstrømmen til hovedkontrolltransistoren VT1 blir begrenset. Det viser seg at utgangsstrømmen i normal driftsmodus for stabilisatoren er begrenset til 0,6 / R3. Effekten som dissiperes av reguleringstransistoren vil avhenge av inngangsspenningen og vil være lik 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Hvis det av en eller annen grunn oppstår en kortslutning ved utgangen til den integrerte stabilisatoren, bør den forsvunne kraften på krystallen ikke forlates som før, proporsjonal med spenningsforskjellen og omvendt proporsjonal med motstanden til motstanden R3. Derfor inneholder kretsen beskyttelseselementer - zenerdiode VD2 og motstand R5, hvis drift setter nivået på strømbeskyttelsen avhengig av forskjellen i spenning Uin -Uout.

I grafen ovenfor kan du se at den maksimale utgangsstrømmen avhenger av utgangsspenningen, og dermed er mikrokretsen til den lineære stabilisatoren pålitelig beskyttet mot overbelastning.Når spenningsforskjellen Uin-Uout overstiger stabiliseringsspenningen til zenerdioden VD2, vil deleren til motstandene R4 og R5 skape nok strøm i bunnen av transistoren VT2 til å slå den av, noe som igjen vil forårsake grunnstrømgrensen å øke reguleringstransistoren VT1.

De nyeste modellene av lineære regulatorer, som ADP3303, er utstyrt med termisk overbelastningsbeskyttelse når utgangsstrømmen faller kraftig når krystallen varmes opp til 165 ° C. Kondensatoren i diagrammet ovenfor er nødvendig for å utjevne frekvensen.

Forresten, om kondensatorene. Det er vanlig å koble kondensatorer med en minimumskapasitet på 100 nf til inngangen og utgangen til de integrerte stabilisatorene for å unngå falsk aktivering av de interne kretsene til mikrokretsen. I mellomtiden er det såkalte capless stabilisatorer, for eksempel REG103, som det ikke er behov for å installere stabiliserende kondensatorer for ved inngang og utgang.

I tillegg til lineære stabilisatorer med fast utgangsspenning, finnes det også stabilisatorer med justerbar utgangsspenning for stabilisering. I dem mangler deleren til motstandene R1 og R2, og basen til transistoren VT4 bringes ut til et eget ben på brikken for å koble til en ekstern deler, for eksempel i 142EN4-brikken.

Mer moderne stabilisatorer, der strømforbruket til kontrollkretsen reduseres til flere titalls mikroampere, for eksempel LM317, har bare tre pinner.For å være rettferdig bemerker vi at det i dag også finnes høypresisjonsspenningsregulatorer som TPS70151, som, på grunn av tilstedeværelsen av flere ekstra pinner, gjør det mulig å bruke spenningsfallbeskyttelse på tilkoblingsledningene, lastutladningskontroll, etc. .

Ovenfor snakket vi om positive spenningsstabilisatorer, i forhold til den vanlige ledningen. Lignende ordninger brukes også for å stabilisere negative spenninger, det er nok bare å galvanisk isolere utgangsspenningen til inngangen fra fellespunktet. Utgangspinnen kobles deretter til det felles utgangspunktet, og det negative utgangspunktet vil være inngangsminuspunktet koblet til det felles punktet til stabilisatorbrikken. Spenningsregulatorer med negativ polaritet som 1168ENxx er veldig praktiske.

Hvis det er nødvendig å oppnå to spenninger samtidig (positiv og negativ polaritet), er det for dette formål spesielle stabilisatorer som gir en symmetrisk stabilisert positiv og negativ spenning samtidig, det er nok bare å bruke positive og negative inngangsspenninger til inngangene. Et eksempel på en slik bipolar stabilisator er KR142EN6.

Figuren ovenfor er et forenklet diagram av det. Her driver differensialforsterkeren #2 transistoren VT2, slik at likheten -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop observeres. Og forsterker #1 styrer transistoren VT1 slik at potensialet i krysset mellom motstandene R2 og R4 forblir null. Hvis motstandene R2 og R4 samtidig er like, vil utgangsspenningen (positiv og negativ) forbli symmetrisk.

For uavhengig justering av balansen mellom to (positive og negative) utgangsspenninger, kan du koble ekstra trimmemotstander til de spesielle pinnene til mikrokretsen.

Den minste spenningsfallskarakteristikken til de ovennevnte lineære reguleringskretsene er 3 volt. Dette er ganske mye for batteri- eller batteridrevne enheter, og det er generelt ønskelig å minimere spenningsfallet. For dette formål er utgangstransistoren laget av typen pnp slik at kollektorstrømmen til differensialtrinnet er samtidig med basisstrømmen til reguleringstransistoren VT1. Minste spenningsfall vil nå være i størrelsesorden 1 volt.

Negative spenningsregulatorer fungerer på lignende måte med minimalt fall. For eksempel har regulatorene i 1170ENxx-serien et spenningsfall på ca. 0,6 volt og overopphetes ikke når de er laget i TO-92-dekselet ved belastningsstrømmer opp til 100 mA. Selve stabilisatoren bruker ikke mer enn 1,2 mA.

Slike stabilisatorer er klassifisert som lavt hengende. Enda lavere spenningsfall oppnås på MOSFET-baserte regulatorer (ca. 55 mV ved 1 mA brikkestrømforbruk) slik som MAX8865-brikken.

Noen stabilisatormodeller er utstyrt med avstengningspinner for å redusere strømforbruket til enhetene i standby-modus - når et logisk nivå brukes på denne pinnen, reduseres forbruket av stabilisatoren til nesten null (linje LT176x).

Når de snakker om integrerte lineære stabilisatorer, merker de deres egenskaper, samt dynamiske og nøyaktige parametere.

Nøyaktighetsparametrene er stabiliseringsfaktor, utgangsspenningsinnstillingsnøyaktighet, utgangsimpedans og spenningstemperaturkoeffisient. Hver av disse parameterne er oppført i dokumentasjonen; de er relatert til nøyaktigheten til utgangsspenningen avhengig av inngangsspenningen og den aktuelle temperaturen til krystallen.

Dynamiske parametere som rippelundertrykkelsesforhold og utgangsimpedans er satt for forskjellige frekvenser av laststrøm og inngangsspenning.

Ytelsesegenskaper som inngangsspenningsområde, nominell utgangsspenning, maksimal belastningsstrøm, maksimal effekttap, maksimal inngangs- og utgangsspenningsforskjell ved maksimal belastningsstrøm, tomgangsstrøm, driftstemperaturområde, alle disse parameterne påvirker valget av en eller den andre.stabilisatoren for en viss krets.

Kjennetegn på lineære spenningsregulatorer

Her er de typiske og mest populære kretsene for å inkludere lineære stabilisatorer:

Hvis det er nødvendig å øke utgangsspenningen til en lineær stabilisator med en fast utgangsspenning, legges en zenerdiode i serie til den felles terminalen:

For å maksimere den tillatte utgangsstrømmen, kobles en kraftigere transistor parallelt med stabilisatoren, og gjør reguleringstransistoren inne i mikrokretsen til en del av en sammensatt transistor:

Hvis det er nødvendig å stabilisere strømmen, slås spenningsstabilisatoren på i henhold til følgende skjema.

I dette tilfellet vil spenningsfallet over motstanden være lik stabiliseringsspenningen, noe som vil føre til betydelige tap dersom stabiliseringsspenningen er høy.I denne forbindelse vil det være mer hensiktsmessig å velge en stabilisator for lavest mulig utgangsspenning, for eksempel KR142EN12 for 1,2 volt.