Lineārie sprieguma stabilizatori — mērķis, pamatparametri un komutācijas shēmas
Iespējams, mūsdienās neviena elektroniskā plate nevar iztikt bez vismaz viena pastāvīga pastāvīga sprieguma avota. Un ļoti bieži kā tādi avoti kalpo lineārie sprieguma regulatori mikroshēmu veidā. Atšķirībā no taisngrieža ar transformatoru, kur spriegums vienā vai otrā veidā ir atkarīgs no slodzes strāvas un dažādu iemeslu dēļ var nedaudz atšķirties, integrēta mikroshēma - stabilizators (regulators) spēj nodrošināt pastāvīgu spriegumu precīzi noteiktā diapazonā. slodzes strāvas.
Šīs mikroshēmas ir veidotas uz lauka efekta vai bipolāru tranzistoru bāzes, kas nepārtraukti darbojas aktīvā režīmā. Papildus regulējošajam tranzistoram uz lineārā stabilizatora mikroshēmas kristāla ir uzstādīta arī vadības ķēde.
Vēsturiski, pirms kļuva iespējams ražot šādus stabilizatorus mikroshēmu veidā, radās jautājums par parametru temperatūras stabilitātes problēmas atrisināšanu, jo, karsējot darbības laikā, mainīsies mikroshēmu mezglu parametri.
Risinājums radās 1967. gadā, kad amerikāņu elektronikas inženieris Roberts Vidlars ierosināja stabilizatora ķēdi, kurā starp neregulētu ieejas sprieguma avotu un slodzi būtu savienots regulējošais tranzistors un kļūdas pastiprinātājs ar temperatūras kompensētu atsauces spriegumu. vadības ķēde. Līdz ar to lineāro integrēto stabilizatoru popularitāte tirgū strauji pieauga.
Apskatiet zemāk esošo fotoattēlu. Šeit ir parādīta lineārā sprieguma regulatora (piemēram, LM310 vai 142ENxx) vienkāršota diagramma. Šajā shēmā neinvertējošais negatīvā sprieguma atgriezeniskās saites darbības pastiprinātājs, izmantojot savu izejas strāvu, kontrolē regulējošā tranzistora VT1 atbloķēšanas pakāpi, kas savienots ķēdē ar kopēju kolektoru - emitera sekotāju.
Pats op-amp tiek darbināts no ievades avota vienpolāra pozitīva sprieguma veidā. Un, lai gan negatīvais spriegums šeit nav piemērots padevei, op-amp barošanas spriegumu var dubultot bez problēmām, nebaidoties no pārslodzes vai bojājumiem.
Secinājums ir tāds, ka dziļā negatīvā atgriezeniskā saite neitralizē ieejas sprieguma nestabilitāti, kuras vērtība šajā ķēdē var sasniegt 30 voltus. Tātad fiksētais izejas spriegums svārstās no 1,2 līdz 27 voltiem atkarībā no mikroshēmas modeļa.
Stabilizatora mikroshēmai tradicionāli ir trīs tapas: ieeja, kopējā un izeja.Attēlā parādīta tipiska diferenciālā pastiprinātāja ķēde kā daļa no mikroshēmas, lai iegūtu atsauces spriegumu Lietota Zenera diode.
Zemsprieguma regulatoros sprieguma atsauce tiek iegūta spraugā, kā Widlar pirmo reizi ierosināja savā pirmajā lineārajā integrētajā regulatorā LM109. Rezistoru R1 un R2 negatīvās atgriezeniskās saites ķēdē ir uzstādīts dalītājs, ar kura darbību izejas spriegums izrādās vienkārši proporcionāls atsauces spriegumam saskaņā ar formulu Uout = Uvd (1 + R2 / R1).
Stabilizatorā iebūvētais rezistors R3 un tranzistors VT2 kalpo izejas strāvas ierobežošanai, tādēļ, ja spriegums uz strāvu ierobežojošā rezistora pārsniedz 0,6 voltus, nekavējoties atvērsies tranzistors VT2, kas izraisīs galvenā vadības tranzistora VT1 bāzes strāvu. ierobežots. Izrādās, ka izejas strāva normālā stabilizatora darbības režīmā ir ierobežota līdz 0,6 / R3. Regulējošā tranzistora izkliedētā jauda būs atkarīga no ieejas sprieguma un būs vienāda ar 0,6 (Uin - Uout) / R3.
Ja kāda iemesla dēļ integrētā stabilizatora izejā rodas īssavienojums, tad kristāla izkliedēto jaudu nedrīkst atstāt kā iepriekš, proporcionālu sprieguma starpībai un apgriezti proporcionālu rezistora R3 pretestībai. Tāpēc ķēdē ir aizsargelementi — zenera diode VD2 un rezistors R5, kuru darbība nosaka strāvas aizsardzības līmeni atkarībā no sprieguma starpības Uin -Uout.
Augšējā grafikā var redzēt, ka maksimālā izejas strāva ir atkarīga no izejas sprieguma, līdz ar to lineārā stabilizatora mikroshēma ir droši aizsargāta no pārslodzes.Kad sprieguma starpība Uin-Uout pārsniedz Zenera diodes VD2 stabilizācijas spriegumu, rezistoru R4 un R5 dalītājs radīs pietiekami daudz strāvas tranzistora VT2 pamatnē, lai to izslēgtu, kas savukārt izraisīs bāzes strāvas ierobežojumu. regulējošā tranzistora VT1 palielināšanai.
Jaunākie lineāro regulatoru modeļi, piemēram, ADP3303, ir aprīkoti ar termiskās pārslodzes aizsardzību, kad izejas strāva strauji samazinās, kad kristāls tiek uzkarsēts līdz 165 ° C. Iepriekš redzamajā diagrammā esošais kondensators ir nepieciešams, lai izlīdzinātu frekvenci.
Starp citu, par kondensatoriem. Lai izvairītos no nepareizas mikroshēmas iekšējo ķēžu aktivizēšanas, ir ierasts pieslēgt kondensatorus ar minimālo jaudu 100 nf ar integrēto stabilizatoru ieeju un izeju. Tikmēr ir tā sauktie bezvāciņu stabilizatori, piemēram, REG103, kuriem nav nepieciešams uzstādīt stabilizējošus kondensatorus pie ieejas un izejas.
Papildus lineārajiem stabilizatoriem ar fiksētu izejas spriegumu stabilizācijai ir arī stabilizatori ar regulējamu izejas spriegumu. Tajos trūkst rezistoru R1 un R2 sadalītāja, un tranzistora VT4 pamatne tiek izvadīta uz atsevišķu mikroshēmas kāju, lai savienotu ārējo dalītāju, piemēram, 142EN4 mikroshēmā.
Mūsdienīgākiem stabilizatoriem, kuros vadības ķēdes strāvas patēriņš ir samazināts līdz vairākiem desmitiem mikroampēru, piemēram, LM317, ir tikai trīs tapas.Taisnības labad jāatzīmē, ka mūsdienās ir pieejami arī augstas precizitātes sprieguma regulatori, piemēram, TPS70151, kas vairāku papildu tapu klātbūtnes dēļ ļauj pieslēgt savienojuma vadiem aizsardzību pret sprieguma kritumu, slodzes izlādes kontroli utt. .
Iepriekš mēs runājām par pozitīvajiem sprieguma stabilizatoriem attiecībā pret kopējo vadu. Līdzīgas shēmas tiek izmantotas arī negatīvo spriegumu stabilizēšanai, pietiek tikai ar to, ka galvaniski izolē ieejas izejas spriegumu no kopējā punkta. Pēc tam izvades tapa tiek savienota ar kopējo izvades punktu, un negatīvais izvades punkts būs ieejas mīnus punkts, kas savienots ar stabilizatora mikroshēmas kopējo punktu. Negatīvās polaritātes sprieguma regulatori, piemēram, 1168ENxx, ir ļoti ērti.
Ja nepieciešams iegūt divus spriegumus uzreiz (pozitīvo un negatīvo polaritāti), tad šim nolūkam ir speciāli stabilizatori, kas vienlaikus dod simetriski stabilizētu pozitīvo un negatīvo spriegumu, pietiek tikai pielikt pozitīvo un negatīvo ieejas spriegumu. uz ieejām. Šāda bipolāra stabilizatora piemērs ir KR142EN6.
Augšējā attēlā ir tā vienkāršota diagramma. Šeit diferenciālais pastiprinātājs # 2 vada tranzistoru VT2, tāpēc tiek ievērota vienādība -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. Un pastiprinātājs #1 kontrolē tranzistoru VT1 tā, ka potenciāls rezistoru R2 un R4 krustojumā paliek nulle. Ja tajā pašā laikā rezistori R2 un R4 ir vienādi, tad izejas spriegums (pozitīvs un negatīvs) paliks simetrisks.
Lai neatkarīgi noregulētu līdzsvaru starp diviem (pozitīviem un negatīviem) izejas spriegumiem, jūs varat pievienot papildu apgriešanas rezistorus pie īpašajām mikroshēmas tapām.
Iepriekšminēto lineāro regulēšanas ķēžu mazākais sprieguma krituma raksturlielums ir 3 volti. Tas ir diezgan daudz ar akumulatoru vai akumulatoru darbināmām ierīcēm, un parasti ir vēlams samazināt sprieguma kritumu. Šim nolūkam izejas tranzistors ir izgatavots pnp tipa tā, lai diferenciālpakāpes kolektora strāva būtu vienlaikus ar regulējošā tranzistora VT1 bāzes strāvu. Minimālais sprieguma kritums tagad būs aptuveni 1 volts.
Negatīvā sprieguma regulatori darbojas līdzīgi ar minimālu kritumu. Piemēram, sērijas 1170ENxx regulatoriem sprieguma kritums ir aptuveni 0,6 volti, un tie nepārkarst, ja tie tiek izgatavoti TO-92 korpusā pie slodzes strāvām līdz 100 mA. Pats stabilizators patērē ne vairāk kā 1,2 mA.
Šādi stabilizatori tiek klasificēti kā zema nokarība. Vēl mazāks sprieguma kritums tiek sasniegts uz MOSFET balstītiem regulatoriem (apmēram 55 mV pie 1 mA mikroshēmas strāvas patēriņa), piemēram, MAX8865 mikroshēmā.
Daži stabilizatora modeļi ir aprīkoti ar izslēgšanas tapām, lai samazinātu ierīču enerģijas patēriņu gaidstāves režīmā — ja šai tapai tiek piemērots loģiskais līmenis, stabilizatora patēriņš tiek samazināts līdz gandrīz nullei (rindiņa LT176x).
Runājot par integrētajiem lineārajiem stabilizatoriem, viņi atzīmē to īpašības, kā arī dinamiskos un precīzos parametrus.
Precizitātes parametri ir stabilizācijas koeficients, izejas sprieguma iestatīšanas precizitāte, izejas pretestība un sprieguma temperatūras koeficients. Katrs no šiem parametriem ir norādīts dokumentācijā; tie ir saistīti ar izejas sprieguma precizitāti atkarībā no ieejas sprieguma un kristāla pašreizējās temperatūras.
Dinamiskie parametri, piemēram, pulsācijas slāpēšanas koeficients un izejas pretestība, ir iestatīti dažādām slodzes strāvas un ieejas sprieguma frekvencēm.
Veiktspējas raksturlielumi, piemēram, ieejas sprieguma diapazons, nominālais izejas spriegums, maksimālā slodzes strāva, maksimālā jaudas izkliede, maksimālā ieejas un izejas sprieguma starpība pie maksimālās slodzes strāvas, tukšgaitas strāva, darba temperatūras diapazons, visi šie parametri ietekmē izvēli par vienu vai otrs.stabilizators noteiktai ķēdei.
Lineāro sprieguma regulatoru raksturojums
Šeit ir tipiskās un populārākās shēmas lineāro stabilizatoru iekļaušanai:
Ja ir nepieciešams palielināt lineārā stabilizatora izejas spriegumu ar fiksētu izejas spriegumu, kopējam spailem sērijveidā tiek pievienota Zenera diode:
Lai maksimāli palielinātu pieļaujamo izejas strāvu, paralēli stabilizatoram tiek pieslēgts jaudīgāks tranzistors, pārvēršot regulējošo tranzistoru mikroshēmas iekšpusē par kompozītmateriāla tranzistora daļu:
Ja ir nepieciešams stabilizēt strāvu, sprieguma stabilizators tiek ieslēgts saskaņā ar šādu shēmu.
Šajā gadījumā sprieguma kritums pāri rezistoram būs vienāds ar stabilizācijas spriegumu, kas, ja stabilizācijas spriegums ir augsts, radīs ievērojamus zudumus.Šajā sakarā pareizāk būs izvēlēties stabilizatoru pēc iespējas zemākam izejas spriegumam, piemēram, KR142EN12 1,2 voltiem.