Stabilizatori liniari de tensiune - scop, parametri de bază și circuite de comutare

Poate că astăzi, nicio placă electronică nu se poate face fără cel puțin o sursă de tensiune constantă constantă. Și foarte adesea regulatoarele liniare de tensiune sub formă de microcircuite servesc ca astfel de surse. Spre deosebire de un redresor cu transformator, unde tensiunea într-un fel sau altul depinde de curentul de sarcină și poate varia ușor din diverse motive, un microcircuit integrat - un stabilizator (regulator) este capabil să furnizeze o tensiune constantă într-un interval precis definit de curenti de sarcina.

Aceste microcircuite sunt construite pe baza de tranzistoare cu efect de câmp sau bipolare, care funcționează continuu în modul activ. Pe lângă tranzistorul de reglare, pe cristalul microcircuitului stabilizatorului liniar este instalat și un circuit de control.

Din punct de vedere istoric, înainte de a deveni posibilă fabricarea unor astfel de stabilizatori sub formă de microcircuite, s-a pus problema rezolvării problemei stabilității temperaturii parametrilor, deoarece odată cu încălzirea în timpul funcționării, parametrii nodurilor de microcircuite se vor schimba.

Soluția a venit în 1967, când inginerul electronic american Robert Widlar a propus un circuit stabilizator în care un tranzistor de reglare să fie conectat între o sursă de tensiune de intrare nereglată și o sarcină, iar un amplificator de eroare cu o tensiune de referință compensată cu temperatură ar fi prezent în circuitul de control. Ca urmare, popularitatea stabilizatorilor liniari integrati pe piață a crescut rapid.

Vezi fotografia de mai jos. Aici este prezentată o diagramă simplificată a unui regulator liniar de tensiune (cum ar fi LM310 sau 142ENxx). În această schemă, un amplificator operațional cu reacție negativă, fără inversare, folosind curentul său de ieșire, controlează gradul de deblocare a tranzistorului de reglare VT1, conectat într-un circuit cu un colector - emițător comun.

Op-amp-ul în sine este alimentat de sursa de intrare sub forma unei tensiuni pozitive unipolare. Și deși tensiunea negativă nu este potrivită pentru alimentare aici, tensiunea de alimentare a amplificatorului operațional poate fi dublată fără probleme, fără teama de suprasarcină sau deteriorare.

Concluzia este că feedback-ul negativ profund neutralizează instabilitatea tensiunii de intrare, a cărei valoare în acest circuit poate ajunge la 30 de volți. Deci, tensiunile fixe de ieșire variază de la 1,2 la 27 de volți, în funcție de modelul de cip.

Microcircuitul stabilizator are în mod tradițional trei pini: intrare, comun și ieșire.Figura prezintă un circuit tipic al unui amplificator diferenţial ca parte a unui microcircuit pentru a obţine o tensiune de referinţă Dioda Zener aplicată.

La regulatoarele de joasă tensiune, referința de tensiune este obținută la decalaj, așa cum a propus Widlar pentru prima dată în primul său regulator liniar integrat, LM109. Un divizor este instalat în circuitul de feedback negativ al rezistențelor R1 și R2, prin acțiunea căruia tensiunea de ieșire se dovedește a fi pur și simplu proporțională cu tensiunea de referință, în conformitate cu formula Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Rezistorul R3 și tranzistorul VT2 încorporat în stabilizator servesc la limitarea curentului de ieșire, așa că dacă tensiunea de pe rezistorul de limitare a curentului depășește 0,6 volți, atunci tranzistorul VT2 se va deschide imediat, ceea ce va determina ca curentul de bază al tranzistorului de control principal VT1 să fie limitat. Se pare că curentul de ieșire în modul normal de funcționare al stabilizatorului este limitat la 0,6 / R3. Puterea disipată de tranzistorul de reglare va depinde de tensiunea de intrare și va fi egală cu 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Dacă dintr-un motiv oarecare apare un scurtcircuit la ieșirea stabilizatorului integrat, atunci puterea disipată pe cristal nu trebuie lăsată ca înainte, proporțională cu diferența de tensiune și invers proporțională cu rezistența rezistorului R3. Prin urmare, circuitul conține elemente de protecție - dioda zener VD2 și rezistența R5, a căror funcționare stabilește nivelul de protecție a curentului în funcție de diferența de tensiune Uin -Uout.

În graficul de mai sus, puteți vedea că curentul maxim de ieșire depinde de tensiunea de ieșire, astfel microcircuitul stabilizatorului liniar este protejat în mod fiabil de suprasarcină.Când diferența de tensiune Uin-Uout depășește tensiunea de stabilizare a diodei zener VD2, divizorul rezistențelor R4 și R5 va crea suficient curent în baza tranzistorului VT2 pentru a-l opri, ceea ce la rândul său va determina limita curentului de bază. pentru creșterea tranzistorului de reglare VT1.

Cele mai recente modele de regulatoare liniare, cum ar fi ADP3303, sunt echipate cu protecție termică la suprasarcină atunci când curentul de ieșire scade brusc când cristalul este încălzit la 165 ° C. Condensatorul din diagrama de mai sus este necesar pentru a egaliza frecvența.

Apropo, despre condensatori. Se obișnuiește să se conecteze condensatoare cu o capacitate minimă de 100 nf la intrarea și ieșirea stabilizatorilor integrati pentru a evita activarea falsă a circuitelor interne ale microcircuitului. Între timp, există așa-numiții stabilizatori fără capac, cum ar fi REG103, pentru care nu este nevoie să instalați condensatori de stabilizare la intrare și la ieșire.

Pe lângă stabilizatorii liniari cu o tensiune de ieșire fixă, există și stabilizatori cu o tensiune de ieșire reglabilă pentru stabilizare. În ele, divizorul rezistențelor R1 și R2 lipsește, iar baza tranzistorului VT4 este adusă într-un picior separat al cipului pentru conectarea unui divizor extern, cum ar fi cipul 142EN4.

Stabilizatoarele mai moderne, în care consumul de curent al circuitului de control este redus la câteva zeci de microamperi, precum LM317, au doar trei pini.Pentru a fi corect, observăm că astăzi există și regulatoare de tensiune de înaltă precizie, cum ar fi TPS70151, care, datorită prezenței mai multor pini suplimentari, fac posibilă aplicarea protecției căderii de tensiune la firele de conectare, controlul descărcării sarcinii etc. .

Mai sus am vorbit despre stabilizatoarele de tensiune pozitive, raportate la firul comun. Scheme similare sunt, de asemenea, folosite pentru a stabiliza tensiunile negative, este suficient doar să izolați galvanic tensiunea de ieșire a intrării de punctul comun. Pinul de ieșire este apoi conectat la punctul de ieșire comun, iar punctul de ieșire negativ va fi punctul minus de intrare conectat la punctul comun al cipului stabilizator. Regulatoarele de tensiune cu polaritate negativă precum 1168ENxx sunt foarte convenabile.

Dacă este necesar să se obțină două tensiuni simultan (polaritate pozitivă și negativă), atunci în acest scop există stabilizatori speciali care dau o tensiune pozitivă și negativă stabilizată simetric în același timp, este suficient să se aplice tensiuni de intrare pozitive și negative. la intrări. Un exemplu de astfel de stabilizator bipolar este KR142EN6.

Figura de mai sus este o diagramă simplificată a acesteia. Aici, amplificatorul diferenţial # 2 conduce tranzistorul VT2, astfel încât se observă egalitatea -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. Și amplificatorul #1 controlează tranzistorul VT1, astfel încât potențialul de la joncțiunea rezistențelor R2 și R4 să rămână zero. Dacă în același timp rezistențele R2 și R4 sunt egale, atunci tensiunea de ieșire (pozitivă și negativă) va rămâne simetrică.

Pentru reglarea independentă a echilibrului între două tensiuni de ieșire (pozitive și negative), puteți conecta rezistențe suplimentare de tăiere la pinii speciali ai microcircuitului.

Cea mai mică cădere de tensiune caracteristică a circuitelor de reglare liniare de mai sus este de 3 volți. Acest lucru este destul de mult pentru dispozitivele alimentate cu baterie sau baterie și, în general, este de dorit să se minimizeze căderea de tensiune. În acest scop, tranzistorul de ieșire este realizat de tip pnp astfel încât curentul de colector al treptei diferențiale să fie simultan cu curentul de bază al tranzistorului de reglare VT1. Căderea minimă de tensiune va fi acum de ordinul a 1 volt.

Regulatoarele de tensiune negativă funcționează într-un mod similar cu o cădere minimă. De exemplu, regulatoarele din seria 1170ENxx au o cădere de tensiune de aproximativ 0,6 volți și nu se supraîncălzi atunci când sunt realizate în cazul TO-92 la curenți de sarcină de până la 100 mA. Stabilizatorul în sine consumă nu mai mult de 1,2 mA.

Astfel de stabilizatori sunt clasificați ca cadență scăzută. Scăderea de tensiune și mai mică este obținută pe regulatoarele bazate pe MOSFET (aproximativ 55 mV la un consum de curent de 1 mA), cum ar fi cipul MAX8865.

Unele modele de stabilizator sunt echipate cu pini de oprire pentru a reduce consumul de energie al dispozitivelor în modul de așteptare - atunci când se aplică un nivel logic acestui pin, consumul stabilizatorului este redus la aproape zero (linia LT176x).

Vorbind despre stabilizatorii liniari integrali, ei notează caracteristicile lor, precum și parametrii dinamici și precisi.

Parametrii de precizie sunt factorul de stabilizare, precizia de setare a tensiunii de ieșire, impedanța de ieșire și coeficientul de temperatură al tensiunii. Fiecare dintre acești parametri este listat în documentație; sunt legate de precizia tensiunii de ieșire în funcție de tensiunea de intrare și de temperatura curentă a cristalului.

Parametrii dinamici, cum ar fi raportul de suprimare a ondulației și impedanța de ieșire, sunt setați pentru diferite frecvențe ale curentului de sarcină și ale tensiunii de intrare.

Caracteristici de performanță, cum ar fi domeniul de tensiune de intrare, tensiunea nominală de ieșire, curentul maxim de sarcină, disiparea maximă a puterii, diferența maximă de tensiune de intrare și ieșire la curentul maxim de sarcină, curentul fără sarcină, intervalul de temperatură de funcționare, toți acești parametri afectează alegerea unuia sau celălalt.stabilizator pentru un anumit circuit.

Caracteristicile regulatoarelor liniare de tensiune

Iată circuitele tipice și cele mai populare pentru includerea stabilizatorilor liniari:

Dacă este necesară creșterea tensiunii de ieșire a unui stabilizator liniar cu o tensiune de ieșire fixă, se adaugă o diodă Zener în serie la terminalul comun:

Pentru a maximiza curentul de ieșire permis, un tranzistor mai puternic este conectat în paralel cu stabilizatorul, transformând tranzistorul de reglare din interiorul microcircuitului într-o parte a unui tranzistor compozit:

Dacă este necesară stabilizarea curentului, stabilizatorul de tensiune este pornit conform următoarei scheme.

În acest caz, căderea de tensiune pe rezistor va fi egală cu tensiunea de stabilizare, ceea ce va duce la pierderi semnificative dacă tensiunea de stabilizare este mare.În acest sens, va fi mai potrivit să alegeți un stabilizator pentru cea mai mică tensiune de ieșire posibilă, cum ar fi KR142EN12 pentru 1,2 volți.