Lineární stabilizátory napětí — účel, základní parametry a spínací obvody

Snad se dnes žádná elektronická deska neobejde bez alespoň jednoho zdroje konstantního konstantního napětí. A velmi často jako takové zdroje slouží lineární regulátory napětí ve formě mikroobvodů. Na rozdíl od usměrňovače s transformátorem, kde napětí tak či onak závisí na zatěžovacím proudu a může se z různých důvodů mírně lišit, je integrovaný mikroobvod - stabilizátor (regulátor) schopen zajistit konstantní napětí v přesně definovaném rozsahu zatěžovací proudy.

Tyto mikroobvody jsou postaveny na bázi polních nebo bipolárních tranzistorů, nepřetržitě pracujících v aktivním režimu. Kromě regulačního tranzistoru je na krystalu mikroobvodu lineárního stabilizátoru instalován také řídicí obvod.

Historicky, než bylo možné vyrábět takové stabilizátory ve formě mikroobvodů, existovala otázka řešení problému teplotní stability parametrů, protože při zahřívání během provozu se parametry uzlů mikroobvodů změní.

Řešení přišlo v roce 1967, kdy americký elektronik Robert Widlar navrhl obvod stabilizátoru, ve kterém by byl mezi neregulovaný zdroj vstupního napětí a zátěž zapojen regulační tranzistor a v něm by byl přítomen chybový zesilovač s teplotně kompenzovaným referenčním napětím. řídicí obvod. V důsledku toho popularita lineárních integrovaných stabilizátorů na trhu rychle vyskočila.

Podívejte se na fotografii níže. Zde je znázorněno zjednodušené schéma lineárního regulátoru napětí (jako je LM310 nebo 142ENxx). V tomto schématu neinvertující operační zesilovač se zpětnou vazbou se záporným napětím pomocí svého výstupního proudu řídí stupeň odblokování regulačního tranzistoru VT1, zapojeného do obvodu se společným sledovačem kolektor - emitor.

Samotný operační zesilovač je napájen vstupním zdrojem ve formě unipolárního kladného napětí. A přestože záporné napětí zde není vhodné pro napájení, napájecí napětí operačního zesilovače lze bez problémů zdvojnásobit, bez obav z přetížení nebo poškození.

Závěrem je, že hluboká negativní zpětná vazba neutralizuje nestabilitu vstupního napětí, jehož hodnota v tomto obvodu může dosáhnout 30 voltů. Pevná výstupní napětí se tedy pohybují od 1,2 do 27 voltů, v závislosti na modelu čipu.

Stabilizační mikroobvod má tradičně tři piny: vstupní, společný a výstupní.Obrázek ukazuje typický obvod diferenciálního zesilovače jako součást mikroobvodu pro získání referenčního napětí Použita Zenerova dioda.

U nízkonapěťových regulátorů se referenční napětí získává v mezeře, jak Widlar poprvé navrhl ve svém prvním lineárním integrovaném regulátoru LM109. V obvodu záporné zpětné vazby rezistorů R1 a R2 je instalován dělič, jehož působením se výstupní napětí ukáže jako jednoduše úměrné referenčnímu napětí podle vzorce Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Rezistor R3 a tranzistor VT2 zabudovaný ve stabilizátoru slouží k omezení výstupního proudu, takže pokud napětí na rezistoru omezujícím proud překročí 0,6 voltu, tranzistor VT2 se okamžitě otevře, což způsobí, že základní proud hlavního řídicího tranzistoru VT1 bude omezený. Ukazuje se, že výstupní proud v normálním režimu provozu stabilizátoru je omezen na 0,6 / R3. Výkon rozptýlený regulačním tranzistorem bude záviset na vstupním napětí a bude roven 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Pokud z nějakého důvodu dojde ke zkratu na výstupu integrovaného stabilizátoru, pak by neměl být rozptýlený výkon na krystalu ponechán jako dříve, úměrný rozdílu napětí a nepřímo úměrný odporu rezistoru R3. Obvod proto obsahuje ochranné prvky — zenerovu diodu VD2 a rezistor R5, jejichž činnost nastavuje úroveň proudové ochrany v závislosti na rozdílu napětí Uin -Uout.

Na výše uvedeném grafu můžete vidět, že maximální výstupní proud závisí na výstupním napětí, takže mikroobvod lineárního stabilizátoru je spolehlivě chráněn před přetížením.Když rozdíl napětí Uin-Uout překročí stabilizační napětí zenerovy diody VD2, dělič rezistorů R4 a R5 vytvoří dostatečný proud v bázi tranzistoru VT2 k jeho vypnutí, což zase způsobí omezení proudu báze. ke zvýšení regulačního tranzistoru VT1.

Nejnovější modely lineárních regulátorů, jako je ADP3303, jsou vybaveny tepelnou ochranou proti přetížení, když výstupní proud prudce klesne při zahřátí krystalu na 165 ° C. Kondenzátor ve výše uvedeném schématu je potřebný pro vyrovnání frekvence.

Mimochodem, o kondenzátorech. Na vstup a výstup integrovaných stabilizátorů je zvykem připojovat kondenzátory s minimální kapacitou 100 nf, aby nedocházelo k falešné aktivaci vnitřních obvodů mikroobvodu. Mezitím existují tzv. bezcapless stabilizátory, jako je REG103, u kterých není potřeba instalovat stabilizační kondenzátory na vstup a výstup.

Kromě lineárních stabilizátorů s pevným výstupním napětím existují i ​​stabilizátory s nastavitelným výstupním napětím pro stabilizaci. V nich chybí dělič rezistorů R1 a R2 a báze tranzistoru VT4 je vyvedena na samostatnou nohu čipu pro připojení externího děliče, jako je tomu u čipu 142EN4.

Modernější stabilizátory, u kterých je proudový odběr řídicího obvodu snížen na několik desítek mikroampérů, jako např. LM317, mají pouze tři piny.Abychom byli spravedliví, poznamenáváme, že dnes existují také vysoce přesné regulátory napětí, jako je TPS70151, které díky přítomnosti několika dalších kolíků umožňují použít ochranu proti poklesu napětí na spojovací vodiče, kontrolu vybíjení zátěže atd. .

Výše jsme hovořili o kladných stabilizátorech napětí vzhledem ke společnému drátu. Podobná schémata se používají i pro stabilizaci záporných napětí, stačí pouze galvanicky izolovat výstupní napětí vstupu od společného bodu. Výstupní kolík je pak připojen ke společnému výstupnímu bodu a záporný výstupní bod bude vstupní mínus bod připojený ke společnému bodu stabilizačního čipu. Regulátory napětí se zápornou polaritou, jako je 1168ENxx, jsou velmi pohodlné.

Pokud je nutné získat dvě napětí najednou (kladná a záporná polarita), pak pro tento účel existují speciální stabilizátory, které dávají symetricky stabilizované kladné a záporné napětí současně, stačí pouze použít kladné a záporné vstupní napětí ke vstupům. Příkladem takového bipolárního stabilizátoru je KR142EN6.

Výše uvedený obrázek je jeho zjednodušené schéma. Zde diferenciální zesilovač # 2 řídí tranzistor VT2, takže je dodržena rovnost -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. A zesilovač #1 řídí tranzistor VT1 tak, aby potenciál na přechodu rezistorů R2 a R4 zůstal nulový. Pokud jsou současně odpory R2 a R4 stejné, pak výstupní napětí (kladné a záporné) zůstane symetrické.

Pro nezávislé nastavení rovnováhy mezi dvěma (kladným a záporným) výstupním napětím můžete ke speciálním kolíkům mikroobvodu připojit další trimovací odpory.

Nejmenší charakteristika poklesu napětí výše uvedených lineárních regulačních obvodů je 3 volty. To je u baterií nebo bateriových zařízení poměrně hodně a obecně je žádoucí minimalizovat pokles napětí. Pro tento účel je výstupní tranzistor vyroben typu pnp tak, aby kolektorový proud diferenciálního stupně byl současně s proudem báze regulačního tranzistoru VT1. Minimální pokles napětí bude nyní řádově 1 volt.

Záporné regulátory napětí fungují podobným způsobem s minimálním poklesem. Například regulátory řady 1170ENxx mají úbytek napětí asi 0,6 voltu a při zatěžovacích proudech do 100 mA se nepřehřívají, jsou-li vyrobeny v pouzdře TO-92. Samotný stabilizátor nespotřebovává více než 1,2 mA.

Takové stabilizátory jsou klasifikovány jako nízké. Ještě nižšího úbytku napětí je dosaženo u regulátorů na bázi MOSFET (asi 55 mV při spotřebě proudu čipu 1 mA), jako je čip MAX8865.

Některé modely stabilizátorů jsou vybaveny vypínacími kolíky pro snížení spotřeby energie zařízení v pohotovostním režimu — při aplikaci logické úrovně na tento kolík se spotřeba stabilizátoru sníží téměř na nulu (řádek LT176x).

Když už mluvíme o integrálních lineárních stabilizátorech, zaznamenávají jejich vlastnosti, stejně jako dynamické a přesné parametry.

Parametry přesnosti jsou stabilizační faktor, přesnost nastavení výstupního napětí, výstupní impedance a teplotní koeficient napětí. Každý z těchto parametrů je uveden v dokumentaci; souvisí s přesností výstupního napětí v závislosti na vstupním napětí a aktuální teplotě krystalu.

Dynamické parametry jako poměr potlačení zvlnění a výstupní impedance jsou nastaveny pro různé frekvence zátěžového proudu a vstupního napětí.

Výkonové charakteristiky jako rozsah vstupního napětí, jmenovité výstupní napětí, maximální zatěžovací proud, maximální ztrátový výkon, maximální rozdíl vstupního a výstupního napětí při maximálním zatěžovacím proudu, proud naprázdno, rozsah provozních teplot, všechny tyto parametry ovlivňují volbu jednoho popř. druhý.stabilizátor pro určitý okruh.

Charakteristika lineárních regulátorů napětí

Zde jsou typické a nejoblíbenější obvody pro zahrnutí lineárních stabilizátorů:

Pokud je nutné zvýšit výstupní napětí lineárního stabilizátoru s pevným výstupním napětím, je na společnou svorku sériově přidána zenerova dioda:

Pro maximalizaci přípustného výstupního proudu je paralelně se stabilizátorem zapojen výkonnější tranzistor, který mění regulační tranzistor uvnitř mikroobvodu na součást kompozitního tranzistoru:

Pokud je potřeba stabilizovat proud, zapne se stabilizátor napětí podle následujícího schématu.

V tomto případě se úbytek napětí na rezistoru bude rovnat stabilizačnímu napětí, což povede k významným ztrátám, pokud je stabilizační napětí vysoké.V tomto ohledu bude vhodnější zvolit stabilizátor pro co nejnižší výstupní napětí, např. KR142EN12 pro 1,2 voltu.