Линейни стабилизатори на напрежение — предназначение, основни параметри и комутационни вериги

Може би днес нито една електронна платка не може да направи без поне един източник на постоянно постоянно напрежение. И много често линейните регулатори на напрежението под формата на микросхеми служат като такива източници. За разлика от токоизправител с трансформатор, при който напрежението по един или друг начин зависи от тока на натоварване и може да варира леко по различни причини, интегрирана микросхема — стабилизатор (регулатор) е в състояние да осигури постоянно напрежение в точно определен диапазон на товарните токове.

Тези микросхеми са изградени на базата на полеви или биполярни транзистори, непрекъснато работещи в активен режим. В допълнение към регулиращия транзистор, контролна верига е инсталирана и върху кристала на микросхемата на линейния стабилизатор.

Исторически преди да стане възможно производството на такива стабилизатори под формата на микросхеми, имаше въпрос за решаване на проблема с температурната стабилност на параметрите, тъй като с нагряването по време на работа параметрите на възлите на микросхемите ще се променят.

Решението идва през 1967 г., когато американският инженер по електроника Робърт Уидлар предлага стабилизаторна схема, в която регулиращ транзистор ще бъде свързан между нерегулиран източник на входно напрежение и товар, а усилвател на грешка с температурно компенсирано референтно напрежение ще присъства в веригата за управление. В резултат на това популярността на линейните интегрирани стабилизатори на пазара скочи бързо.

Разгледайте снимката по -долу. Тук е показана опростена диаграма на линеен регулатор на напрежение (като LM310 или 142ENxx). В тази схема неинвертиращ операционен усилвател с обратна връзка с отрицателно напрежение, използвайки своя изходен ток, контролира степента на отключване на регулиращия транзистор VT1, свързан във верига с общ колектор — емитен последовател.

Самият оп-усилвател се захранва от входния източник под формата на еднополюсно положително напрежение. И въпреки че отрицателното напрежение не е подходящо за захранване тук, захранващото напрежение на оп-усилвателя може да се удвои без проблеми, без страх от претоварване или повреда.

Изводът е, че дълбоката отрицателна обратна връзка неутрализира нестабилността на входното напрежение, чиято стойност в тази верига може да достигне 30 волта. Така че, фиксираните изходни напрежения варират от 1,2 до 27 волта, в зависимост от модела на микросхемата.

Стабилизаторната микросхема традиционно има три пина: вход, общ и изход. Фигурата показва типична схема на диференциален усилвател като част от микросхема, където да се получи еталонно напрежение Приложен ценеров диод.

В регулаторите за ниско напрежение, референтната стойност на напрежението се получава при пролуката, както Widlar предложи за първи път в първия си линеен интегриран регулатор, LM109. Във веригата с отрицателна обратна връзка на резистори R1 и R2 е инсталиран делител, чрез действието на което изходното напрежение се оказва просто пропорционално на референтното напрежение в съответствие с формулата Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Резисторът R3 и транзисторът VT2, вграден в стабилизатора, служат за ограничаване на изходния ток, така че ако напрежението на токоограничаващия резистор надвишава 0,6 волта, тогава транзисторът VT2 ще се отвори незабавно, което ще предизвика базовия ток на главното управление транзистор VT1 да бъде ограничен. Оказва се, че изходният ток в нормалния режим на работа на стабилизатора е ограничен до 0,6 / R3. Мощността, разсейвана от регулиращия транзистор, ще зависи от входното напрежение и ще бъде равна на 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Ако по някаква причина възникне късо съединение на изхода на интегрирания стабилизатор, тогава разсейваната мощност върху кристала не трябва да се оставя както преди, пропорционална на разликата в напрежението и обратно пропорционална на съпротивлението на резистора R3. Следователно веригата съдържа защитни елементи — ценеров диод VD2 и резистор R5, чиято работа задава нивото на защита на тока в зависимост от разликата в напрежението Uin -Uout.

В горната графика можете да видите, че максималният изходен ток зависи от изходното напрежение, като по този начин микросхемата на линейния стабилизатор е надеждно защитена от претоварване. Когато разликата в напрежението Uin-Uout надвиши стабилизационното напрежение на ценеровия диод VD2, разделителят на резисторите R4 и R5 ще създаде достатъчен ток в основата на транзистора VT2, за да го отключи, което от своя страна ще доведе до увеличаване на ограничение на тока на основата на регулиращия транзистор VT1.

Най -новите модели линейни регулатори, като ADP3303, са оборудвани със защита от термично претоварване, когато изходният ток рязко спадне, когато кристалът се нагрее до 165 ° C. Кондензаторът в горната диаграма е необходим за изравняване на честотата.

Между другото, за кондензаторите. Обичайно е да се свързват кондензатори с минимален капацитет 100 nf към входа и изхода на интегрираните стабилизатори, за да се избегне фалшиво задействане на вътрешните вериги на микросхемата. Междувременно има така наречени стабилизатори без капачки, като REG103, за които няма нужда да се монтират стабилизиращи кондензатори на входа и изхода.

В допълнение към линейни стабилизатори с фиксирано изходно напрежение, има и стабилизатори с регулируемо изходно напрежение за стабилизиране. В тях разделителят на резисторите R1 и R2 липсва, а основата на транзистора VT4 се извежда към отделен крак на микросхемата за свързване на външен разделител, като например в микросхемата 142EN4.

По -модерните стабилизатори, при които консумацията на ток на управляващата верига е намалена до няколко десетки микроампера, като например LM317, имат само три пина. За да бъдем честни, отбелязваме, че днес има и високо прецизни регулатори на напрежение като TPS70151, които поради наличието на няколко допълнителни щифта правят възможно прилагането на защита срещу падане на напрежението върху свързващите проводници, контрол на разтоварването на товара и т.н.

По -горе говорихме за стабилизатори на положително напрежение, спрямо общия проводник. Подобни схеми се използват и за стабилизиране на отрицателните напрежения, достатъчно е само галванично да се изолира изходното напрежение на входа от общата точка. След това изходният щифт се свързва към общата изходна точка, а отрицателната изходна точка ще бъде входната минус точка, свързана към общата точка на стабилизаторния чип. Регулаторите на напрежение с отрицателна полярност като 1168ENxx са много удобни.

Ако е необходимо да се получат две напрежения наведнъж (положителна и отрицателна полярност), тогава за тази цел има специални стабилизатори, които дават симетрично стабилизирано положително и отрицателно напрежение едновременно, достатъчно е само да се приложат положителни и отрицателни входни напрежения към входовете. Пример за такъв биполярен стабилизатор е KR142EN6.

Фигурата по -горе е негова опростена диаграма. Тук диференциалният усилвател # 2 управлява транзистора VT2, така че се спазва равенството -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. А усилвател №1 управлява транзистора VT1, така че потенциалът в точката на свързване на резисторите R2 и R4 остава нулев. Ако в същото време резисторите R2 и R4 са равни, тогава изходното напрежение (положително и отрицателно) ще остане симетрично.

За независимо регулиране на баланса между две (положително и отрицателно) изходно напрежение, можете да свържете допълнителни подрязващи резистори към специалните щифтове на микросхемата.

Най -малкият спад на напрежението, характерен за горните линейни регулаторни вериги, е 3 волта. Това е доста за устройства, захранвани от батерии или батерии, и е желателно като цяло да се сведе до минимум спада на напрежението. За тази цел изходният транзистор е направен тип pnp, така че колекторният ток на диференциалния етап да бъде едновременно с основния ток на регулиращия транзистор VT1. Минималният спад на напрежението сега ще бъде от порядъка на 1 волта.

Отрицателните регулатори на напрежението работят по подобен начин с минимален спад. Например стабилизаторите от серията 1170ENxx имат спад на напрежението от около 0,6 волта и не прегряват, когато са направени в кутията TO-92 при токове на натоварване до 100 mA. Самият стабилизатор консумира не повече от 1,2 mA.

Такива стабилизатори се класифицират като ниско падащи. Още по -нисък спад на напрежението е постигнат на стабилизатори на базата на MOSFET (около 55 mV при консумация на ток от микросхема от 1 mA) като микросхемата MAX8865.

Някои модели стабилизатори са оборудвани с щифтове за изключване, за да се намали консумацията на енергия на устройствата в режим на готовност — когато се приложи логическо ниво към този щифт, консумацията на стабилизатора се намалява почти до нула (линия LT176x).

Говорейки за интегрални линейни стабилизатори, те отбелязват техни характеристики, както и динамични и точни параметри.

Параметрите на точност са коефициент на стабилизиране, точност на настройка на изходното напрежение, изходен импеданс и температурен коефициент на напрежение. Всеки от тези параметри е посочен в документацията; те са свързани с точността на изходното напрежение в зависимост от входното напрежение и от текущата температура на кристала.

Динамични параметри като съотношение на потискане на вълните и изходен импеданс се задават за различни честоти на тока на натоварване и входното напрежение.

Характеристики на производителност като диапазон на входното напрежение, номинално изходно напрежение, максимален ток на натоварване, максимално разсейване на мощността, максимална разлика на входното и изходното напрежение при максимален ток на натоварване, ток на празен ход, диапазон на работната температура, всички тези параметри влияят върху избора на един или другият.стабилизатор за определена верига.

Характеристики на линейни регулатори на напрежение

Ето типичните и най -популярните схеми за включване на линейни стабилизатори:

Ако е необходимо да се увеличи изходното напрежение на линеен стабилизатор с фиксирано изходно напрежение, към общия терминал се добавя последователно ценеров диод:

За да се увеличи максимално допустимият изходен ток, по -мощен транзистор е свързан паралелно със стабилизатора, превръщайки регулиращия транзистор вътре в микросхемата в част от композитен транзистор:

Ако е необходимо да се стабилизира токът, стабилизаторът на напрежението се включва съгласно следната схема.

В този случай спадът на напрежението на резистора ще бъде равен на напрежението за стабилизиране, което ще доведе до значителни загуби, ако стабилизационното напрежение е високо. В тази връзка ще бъде по -целесъобразно да се избере стабилизатор за възможно най -ниското изходно напрежение, като KR142EN12 за 1,2 волта.