Lineáris feszültségstabilizátorok – cél, alapvető paraméterek és kapcsolóáramkörök

Talán ma már egyetlen elektronikus kártya sem nélkülözheti legalább egy állandó állandó feszültségforrást. És nagyon gyakran a lineáris feszültségszabályozók mikroáramkörök formájában szolgálnak ilyen forrásként. Ellentétben a transzformátoros egyenirányítóval, ahol a feszültség így vagy úgy függ a terhelési áramtól, és különféle okok miatt kissé változhat, az integrált mikroáramkör - egy stabilizátor (szabályozó) képes állandó feszültséget biztosítani egy pontosan meghatározott tartományban. terhelési áramok.

Ezek a mikroáramkörök térhatású vagy bipoláris tranzisztorokra épülnek, folyamatosan aktív üzemmódban működnek. A szabályozó tranzisztor mellett egy vezérlő áramkör is fel van szerelve a lineáris stabilizátor mikroáramkörének kristályára.

Történelmileg, mielőtt lehetővé vált volna az ilyen stabilizátorok mikroáramkörök formájában történő gyártása, felmerült a paraméterek hőmérsékleti stabilitásának problémájának megoldása, mivel a működés közbeni melegítéssel a mikroáramkörök csomópontjainak paraméterei megváltoznak.

A megoldás 1967-ben jelent meg, amikor Robert Widlar amerikai elektronikai mérnök olyan stabilizátor áramkört javasolt, amelyben egy szabályozatlan bemeneti feszültségforrás és egy terhelés közé egy szabályozó tranzisztort kötnének, és egy hőmérséklet-kompenzált referenciafeszültségű hibaerősítő lenne jelen. a vezérlő áramkört. Ennek eredményeként a lineáris integrált stabilizátorok népszerűsége gyorsan megugrott a piacon.

Nézze meg az alábbi fotót. Itt egy lineáris feszültségszabályozó (például LM310 vagy 142ENxx) egyszerűsített diagramja látható. Ebben a sémában egy nem invertáló negatív feszültségű visszacsatoló műveleti erősítő a kimeneti áramával szabályozza a VT1 szabályozó tranzisztor feloldásának mértékét, amely egy közös kollektor - emitter követővel van összekötve.

Magát az op-erősítőt a bemeneti forrás táplálja egy unipoláris pozitív feszültség formájában. És bár a negatív feszültség itt nem alkalmas a táplálásra, az op-amp tápfeszültsége probléma nélkül megduplázható, nem kell félni a túlterheléstől vagy a sérüléstől.

A következtetés az, hogy a mély negatív visszacsatolás semlegesíti a bemeneti feszültség instabilitását, amelynek értéke ebben az áramkörben elérheti a 30 voltot. Tehát a rögzített kimeneti feszültségek 1,2 és 27 volt között mozognak, a chip típusától függően.

A stabilizátor mikroáramkörnek hagyományosan három érintkezője van: bemeneti, közös és kimeneti.Az ábra egy differenciálerősítő tipikus áramkörét mutatja egy mikroáramkör részeként referenciafeszültség előállításához Zener dióda alkalmazva.

Az alacsony feszültségű szabályozókban a feszültség referenciaértékét a résnél kapják meg, ahogyan Widlar először javasolta az első lineáris integrált szabályozójában, az LM109-ben. Az R1 és R2 ellenállások negatív visszacsatoló áramkörébe egy osztó van beépítve, amelynek hatására a kimeneti feszültség egyszerűen arányos a referenciafeszültséggel az Uout = Uvd (1 + R2 / R1) képlet szerint.

A stabilizátorba épített R3 ellenállás és VT2 tranzisztor a kimeneti áram korlátozását szolgálja, így ha az áramkorlátozó ellenállás feszültsége meghaladja a 0,6 voltot, akkor a VT2 tranzisztor azonnal kinyílik, ami a VT1 fő vezérlőtranzisztor bázisáramának csökkenését okozza. korlátozott. Kiderül, hogy a kimeneti áram a stabilizátor normál üzemmódjában 0,6 / R3-ra korlátozódik. A szabályozó tranzisztor által disszipált teljesítmény a bemeneti feszültségtől függ, és egyenlő lesz 0,6 (Uin - Uout) / R3.

Ha valamilyen okból rövidzárlat lép fel az integrált stabilizátor kimenetén, akkor a kristály disszipált teljesítményét nem szabad úgy hagyni, mint korábban, arányosan a feszültségkülönbséggel és fordítottan arányosan az R3 ellenállás ellenállásával. Ezért az áramkör védőelemeket tartalmaz - VD2 zener-diódát és R5 ellenállást, amelyek működése beállítja az áramvédelem szintjét az Uin -Uout feszültség különbségétől függően.

A fenti grafikonon látható, hogy a maximális kimeneti áram a kimeneti feszültségtől függ, így a lineáris stabilizátor mikroáramköre megbízhatóan védett a túlterheléstől.Amikor az Uin-Uout feszültségkülönbség meghaladja a VD2 zener-dióda stabilizáló feszültségét, az R4 és R5 ellenállások osztója elegendő áramot hoz létre a VT2 tranzisztor alapjában ahhoz, hogy kikapcsolja, ami viszont az alapáram határértékét okozza. a VT1 szabályozó tranzisztor növelésére.

A lineáris szabályozók legújabb modelljei, mint például az ADP3303, termikus túlterhelés elleni védelemmel vannak felszerelve, amikor a kimenő áram erősen leesik, amikor a kristályt 165 ° C-ra melegítik. A fenti diagramban szereplő kondenzátor szükséges a frekvencia kiegyenlítéséhez.

Egyébként a kondenzátorokról. Az integrált stabilizátorok bemenetére és kimenetére általában legalább 100 nf kapacitású kondenzátorokat csatlakoztatnak, hogy elkerüljék a mikroáramkör belső áramköreinek téves aktiválását. Eközben léteznek úgynevezett kupak nélküli stabilizátorok, például a REG103, amelyek bemenetére és kimenetére nem kell stabilizáló kondenzátort szerelni.

A rögzített kimeneti feszültségű lineáris stabilizátorok mellett léteznek állítható kimeneti feszültségű stabilizátorok is a stabilizálás érdekében. Ezekben hiányzik az R1 és R2 ellenállások osztója, és a VT4 tranzisztor alapja a chip különálló lábára kerül kihelyezésre egy külső elosztó csatlakoztatásához, például a 142EN4 chipben.

A modernebb stabilizátorok, amelyekben a vezérlőáramkör áramfelvétele több tíz mikroamperre csökken, mint például az LM317, csak három érintkezőt tartalmaznak.Az igazság kedvéért megjegyezzük, hogy ma már léteznek olyan nagy pontosságú feszültségszabályozók is, mint például a TPS70151, amelyek több kiegészítő érintkező jelenléte miatt lehetővé teszik a csatlakozó vezetékek feszültségesés elleni védelmét, a terheléskisülés szabályozását stb. .

Fentebb a pozitív feszültségstabilizátorokról beszéltünk, a közös vezetékhez képest. Hasonló sémákat használnak a negatív feszültségek stabilizálására is, elegendő csak a bemenet kimeneti feszültségének galvanikus leválasztása a közös ponttól. A kimeneti érintkező ezután a közös kimeneti ponthoz csatlakozik, a negatív kimeneti pont pedig a stabilizátor chip közös pontjához csatlakoztatott bemeneti mínusz pont lesz. A negatív polaritású feszültségszabályozók, mint például az 1168ENxx, nagyon kényelmesek.

Ha egyszerre két feszültséget kell szerezni (pozitív és negatív polaritás), akkor erre a célra speciális stabilizátorok vannak, amelyek szimmetrikusan stabilizált pozitív és negatív feszültséget adnak egyszerre, elegendő csak pozitív és negatív bemeneti feszültséget alkalmazni. a bemenetekhez. Ilyen bipoláris stabilizátor például a KR142EN6.

A fenti ábra ennek egyszerűsített diagramja. Itt a 2. differenciálerősítő meghajtja a VT2 tranzisztort, így az -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop egyenlőség figyelhető meg. Az 1-es erősítő pedig úgy vezérli a VT1 tranzisztort, hogy az R2 és R4 ellenállások találkozásánál a potenciál nulla maradjon. Ha ugyanakkor az R2 és R4 ellenállások egyenlőek, akkor a kimeneti feszültség (pozitív és negatív) szimmetrikus marad.

A két (pozitív és negatív) kimeneti feszültség közötti egyensúly független beállításához további vágóellenállásokat csatlakoztathat a mikroáramkör speciális érintkezőihez.

A fenti lineáris szabályozó áramkörök legkisebb feszültségesése 3 volt. Ez elég sok az akkumulátoros vagy akkumulátoros készülékeknél, és általában kívánatos a feszültségesés minimalizálása. Ebből a célból a kimeneti tranzisztort pnp típusúra készítik úgy, hogy a differenciálfokozat kollektorárama egyidejűleg legyen a VT1 szabályozó tranzisztor bázisáramával. A minimális feszültségesés most 1 V nagyságrendű lesz.

A negatív feszültségszabályozók hasonló módon működnek, minimális leeséssel. Például az 1170ENxx sorozatú szabályozók feszültségesése körülbelül 0,6 V, és nem melegszik túl, amikor a TO-92 tokban készül 100 mA terhelési áram mellett. Maga a stabilizátor legfeljebb 1,2 mA-t fogyaszt.

Az ilyen stabilizátorok alacsony lelógásúnak minősülnek. Még kisebb feszültségesés érhető el a MOSFET alapú szabályozókon (körülbelül 55 mV 1 mA chip áramfelvétel mellett), mint például a MAX8865 chip.

Egyes stabilizátormodellek leállító tűkkel vannak felszerelve, hogy csökkentsék az eszközök energiafogyasztását készenléti üzemmódban – ha logikai szintet alkalmaznak erre a tűre, a stabilizátor fogyasztása majdnem nullára csökken (LT176x sor).

Az integrált lineáris stabilizátorokról beszélve megjegyzik jellemzőiket, valamint dinamikus és pontos paramétereiket.

A pontossági paraméterek a stabilizációs tényező, a kimeneti feszültség beállítási pontossága, a kimeneti impedancia és a feszültség hőmérsékleti együtthatója. Ezen paraméterek mindegyike megtalálható a dokumentációban; a bemeneti feszültségtől és a kristály aktuális hőmérsékletétől függően a kimeneti feszültség pontosságára vonatkoznak.

A dinamikus paraméterek, például a hullámzáscsökkentési arány és a kimeneti impedancia a terhelőáram és a bemeneti feszültség különböző frekvenciáihoz vannak beállítva.

A teljesítményjellemzők, mint a bemeneti feszültség tartomány, névleges kimeneti feszültség, maximális terhelési áram, maximális teljesítmény disszipáció, maximális bemeneti és kimeneti feszültségkülönbség maximális terhelési áram mellett, üresjárati áram, üzemi hőmérséklet tartomány, ezek a paraméterek mind befolyásolják az egyik ill. a másik.stabilizátor egy bizonyos áramkörhöz.

Lineáris feszültségszabályozók jellemzői

Íme a tipikus és legnépszerűbb áramkörök a lineáris stabilizátorok beépítéséhez:

Ha meg kell növelni egy rögzített kimeneti feszültségű lineáris stabilizátor kimeneti feszültségét, akkor a zener-diódát sorosan adják hozzá a közös terminálhoz:

A megengedett kimeneti áram maximalizálása érdekében a stabilizátorral párhuzamosan egy erősebb tranzisztort csatlakoztatunk, amely a mikroáramkörben lévő szabályozó tranzisztort egy kompozit tranzisztor részévé alakítja:

Ha szükséges az áram stabilizálása, a feszültségstabilizátort a következő séma szerint kapcsolják be.

Ebben az esetben az ellenálláson lévő feszültségesés megegyezik a stabilizációs feszültséggel, ami jelentős veszteségekhez vezet, ha a stabilizáló feszültség magas.Ebben a tekintetben célszerűbb egy stabilizátort választani a lehető legalacsonyabb kimeneti feszültséghez, például a KR142EN12-t 1,2 volthoz.