Linearni stabilizatori napona — namjena, osnovni parametri i sklopni sklopovi

Možda danas nijedna elektronička ploča ne može bez barem jednog izvora konstantnog konstantnog napona. I vrlo često linearni regulatori napona u obliku mikro krugova služe kao takvi izvori. Za razliku od ispravljača s transformatorom, gdje napon na ovaj ili onaj način ovisi o struji opterećenja i može malo varirati iz raznih razloga, integrirani mikro krug - stabilizator (regulator) može osigurati konstantan napon u točno određenom rasponu struje opterećenja .

Ovi mikro krugovi izgrađeni su na temelju tranzistora s efektom polja ili bipolarnih tranzistora koji kontinuirano rade u aktivnom načinu rada. Osim regulacijskog tranzistora, na kristalu mikro kruga linearnog stabilizatora ugrađen je i upravljački krug.

Povijesno gledano, prije nego što je postalo moguće proizvesti takve stabilizatore u obliku mikro krugova, postojalo je pitanje rješavanja problema temperaturne stabilnosti parametara, jer će se s zagrijavanjem tijekom rada parametri čvorova mikro krugova promijeniti.

Rješenje je došlo 1967. godine, kada je američki inženjer elektronike Robert Widlar predložio stabilizatorski krug u kojem bi regulacijski tranzistor bio spojen između izvora nereguliranog ulaznog napona i opterećenja, a pojačalo greške s temperaturno kompenziranim referentnim naponom bilo bi prisutno u upravljački krug. Kao rezultat toga, popularnost linearnih integriranih stabilizatora na tržištu je naglo porasla.

Pogledajte fotografiju ispod. Ovdje je prikazan pojednostavljeni dijagram linearnog regulatora napona (kao što je LM310 ili 142ENxx). U ovoj shemi, neinvertirajuće operativno pojačalo s povratnom vezom negativnog napona, koristeći svoju izlaznu struju, kontrolira stupanj otključavanja regulacijskog tranzistora VT1, spojenog u krug sa zajedničkim kolektorom - emiterskim sljedbenikom.

Samo op-amp se napaja iz ulaznog izvora u obliku unipolarnog pozitivnog napona. I premda negativni napon ovdje nije prikladan za napajanje, napon napajanja operacijskog pojačala može se udvostručiti bez problema, bez straha od preopterećenja ili oštećenja.

Zaključak je da duboka negativna povratna sprega neutralizira nestabilnost ulaznog napona, čija vrijednost u ovom krugu može doseći 30 volti. Dakle, fiksni izlazni napon kreće se od 1,2 do 27 volti, ovisno o modelu čipa.

Mikrokrug stabilizatora tradicionalno ima tri pina: ulazni, zajednički i izlazni.Slika prikazuje tipični krug diferencijalnog pojačala kao dio mikro kruga za dobivanje referentnog napona Primijenjena Zener dioda.

U niskonaponskim regulatorima, referentni napon se dobiva na razmaku, kao što je Widlar prvi predložio u svom prvom linearnom integriranom regulatoru, LM109. U krugu negativne povratne veze otpornika R1 i R2 ugrađen je razdjelnik, čijim se djelovanjem izlazni napon ispostavlja jednostavno proporcionalnim referentnom naponu u skladu s formulom Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Otpornik R3 i tranzistor VT2 ugrađeni u stabilizator služe za ograničavanje izlazne struje, pa ako napon na otporniku za ograničavanje struje prijeđe 0,6 volti, tada će se tranzistor VT2 odmah otvoriti, što će uzrokovati baznu struju glavnog upravljačkog tranzistora VT1. ograničeno. Ispada da je izlazna struja u normalnom načinu rada stabilizatora ograničena na 0,6 / R3. Snaga koju rasipa regulacijski tranzistor ovisit će o ulaznom naponu i bit će jednaka 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Ako iz nekog razloga dođe do kratkog spoja na izlazu integriranog stabilizatora, tada disipirana snaga na kristalu ne bi trebala ostati kao prije, proporcionalna razlici napona i obrnuto proporcionalna otporu otpornika R3. Stoga krug sadrži zaštitne elemente - zener diodu VD2 i otpornik R5, čiji rad postavlja razinu strujne zaštite ovisno o razlici napona Uin -Uout.

Na gornjem grafikonu možete vidjeti da maksimalna izlazna struja ovisi o izlaznom naponu, tako da je mikro krug linearnog stabilizatora pouzdano zaštićen od preopterećenja.Kada razlika napona Uin-Uout premaši stabilizacijski napon zener diode VD2, razdjelnik otpornika R4 i R5 će stvoriti dovoljno struje u bazi tranzistora VT2 da ga isključi, što će zauzvrat uzrokovati ograničenje struje baze. za povećanje regulacijskog tranzistora VT1.

Najnoviji modeli linearnih regulatora, kao što je ADP3303, opremljeni su toplinskom zaštitom od preopterećenja kada izlazna struja naglo padne kada se kristal zagrije na 165 ° C. Kondenzator u gornjem dijagramu potreban je za izjednačavanje frekvencije.

Usput, o kondenzatorima. Uobičajeno je spojiti kondenzatore s minimalnim kapacitetom od 100 nf na ulaz i izlaz integriranih stabilizatora kako bi se izbjeglo lažno aktiviranje unutarnjih krugova mikro kruga. U međuvremenu, postoje takozvani stabilizatori bez poklopca, kao što je REG103, za koje nema potrebe za instaliranjem stabilizirajućih kondenzatora na ulazu i izlazu.

Osim linearnih stabilizatora s fiksnim izlaznim naponom, postoje i stabilizatori s podesivim izlaznim naponom za stabilizaciju. U njima nedostaje razdjelnik otpornika R1 i R2, a baza tranzistora VT4 izvodi se na zasebnu nogu čipa za spajanje vanjskog razdjelnika, kao na primjer u čipu 142EN4.

Moderniji stabilizatori, u kojima je trenutna potrošnja upravljačkog kruga smanjena na nekoliko desetaka mikroampera, kao što je LM317, imaju samo tri pina.Radi pravde, napominjemo da danas postoje i visoko precizni regulatori napona kao što je TPS70151, koji, zbog prisutnosti nekoliko dodatnih pinova, omogućuju primjenu zaštite od pada napona na spojne žice, kontrolu pražnjenja opterećenja itd. .

Gore smo govorili o pozitivnim stabilizatorima napona, u odnosu na uobičajenu žicu. Slične sheme također se koriste za stabilizaciju negativnih napona, dovoljno je samo galvanski izolirati izlazni napon od ulaza od zajedničke točke. Izlazni pin je tada spojen na zajedničku izlaznu točku, a negativna izlazna točka bit će ulazna minus točka spojena na zajedničku točku stabilizatorskog čipa. Regulatori napona negativnog polariteta poput 1168ENxx vrlo su praktični.

Ako je potrebno dobiti dva napona odjednom (pozitivni i negativni polaritet), onda za tu svrhu postoje posebni stabilizatori koji daju simetrično stabilizirani pozitivni i negativni napon u isto vrijeme, dovoljno je samo primijeniti pozitivne i negativne ulazne napone na ulaze. Primjer takvog bipolarnog stabilizatora je KR142EN6.

Gornja slika je njegov pojednostavljeni dijagram. Ovdje diferencijalno pojačalo # 2 pokreće tranzistor VT2, tako da se promatra jednakost -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. A pojačalo #1 kontrolira tranzistor VT1 tako da potencijal na spoju otpornika R2 i R4 ostaje nula. Ako su istodobno otpornici R2 i R4 jednaki, tada će izlazni napon (pozitivan i negativan) ostati simetričan.

Za neovisno podešavanje ravnoteže između dva (pozitivna i negativna) izlazna napona, možete spojiti dodatne otpornike za podrezivanje na posebne pinove mikro kruga.

Najmanji pad napona karakterističan za gore navedene linearne regulacijske krugove je 3 volta. To je dosta za baterije ili uređaje na baterije i općenito je poželjno minimizirati pad napona. U tu svrhu je izlazni tranzistor izveden tipa pnp tako da je struja kolektora diferencijalnog stupnja istovremena sa strujom baze regulacijskog tranzistora VT1. Minimalni pad napona sada će biti reda veličine 1 volta.

Regulatori negativnog napona rade na sličan način s minimalnim padom. Na primjer, regulatori serije 1170ENxx imaju pad napona od oko 0,6 volti i ne pregrijavaju se kada su napravljeni u kućištu TO-92 pri strujama opterećenja do 100 mA. Sam stabilizator ne troši više od 1,2 mA.

Takvi se stabilizatori klasificiraju kao niski klon. Čak niži pad napona postiže se na MOSFET regulatorima (oko 55 mV pri potrošnji struje čipa od 1 mA) kao što je čip MAX8865.

Neki modeli stabilizatora opremljeni su pinovima za isključivanje kako bi se smanjila potrošnja energije uređaja u stanju pripravnosti — kada se na ovaj pin primijeni logička razina, potrošnja stabilizatora smanjuje se gotovo na nulu (linija LT176x).

Govoreći o integralnim linearnim stabilizatorima, bilježe njihove karakteristike, kao i dinamičke i točne parametre.

Parametri točnosti su faktor stabilizacije, točnost podešavanja izlaznog napona, izlazna impedancija i temperaturni koeficijent napona. Svaki od ovih parametara naveden je u dokumentaciji; vezani su uz točnost izlaznog napona ovisno o ulaznom naponu i trenutnoj temperaturi kristala.

Dinamički parametri kao što su omjer potiskivanja valovitosti i izlazna impedancija postavljeni su za različite frekvencije struje opterećenja i ulaznog napona.

Karakteristike izvedbe kao što su raspon ulaznog napona, nazivni izlazni napon, maksimalna struja opterećenja, maksimalna disipacija snage, maksimalna razlika ulaznog i izlaznog napona pri maksimalnoj struji opterećenja, struja praznog hoda, raspon radne temperature, svi ti parametri utječu na izbor jednog ili drugi.stabilizator za određeni krug.

Karakteristike linearnih regulatora napona

Ovdje su tipični i najpopularniji sklopovi za uključivanje linearnih stabilizatora:

Ako je potrebno povećati izlazni napon linearnog stabilizatora s fiksnim izlaznim naponom, zener dioda se dodaje u seriju na zajednički terminal:

Kako bi se maksimizirala dopuštena izlazna struja, snažniji tranzistor spojen je paralelno sa stabilizatorom, pretvarajući regulacijski tranzistor unutar mikro kruga u dio kompozitnog tranzistora:

Ako je potrebno stabilizirati struju, stabilizator napona se uključuje prema sljedećoj shemi.

U tom će slučaju pad napona na otporniku biti jednak stabilizacijskom naponu, što će dovesti do značajnih gubitaka ako je stabilizacijski napon visok.U tom smislu, bit će prikladnije odabrati stabilizator za najniži mogući izlazni napon, kao što je KR142EN12 za 1,2 volta.