Γραμμικοί σταθεροποιητές τάσης — σκοπός, βασικές παράμετροι και κυκλώματα μεταγωγής
Ίσως σήμερα, καμία ηλεκτρονική πλακέτα δεν μπορεί να κάνει χωρίς τουλάχιστον μία πηγή σταθερής σταθερής τάσης. Και πολύ συχνά γραμμικοί ρυθμιστές τάσης με τη μορφή μικροκυκλωμάτων χρησιμεύουν ως τέτοιες πηγές. Σε αντίθεση με έναν ανορθωτή με μετασχηματιστή, όπου η τάση με τον ένα ή τον άλλο τρόπο εξαρτάται από το ρεύμα φορτίου και μπορεί να ποικίλλει ελαφρώς για διάφορους λόγους, ένα ενσωματωμένο μικροκύκλωμα - ένας σταθεροποιητής (ρυθμιστής) είναι σε θέση να παρέχει σταθερή τάση σε ένα με ακρίβεια καθορισμένο εύρος ρεύματα φορτίου.
Αυτά τα μικροκυκλώματα είναι κατασκευασμένα με βάση τα πεδία ή διπολικά τρανζίστορ, που λειτουργούν συνεχώς σε ενεργή λειτουργία. Εκτός από το ρυθμιστικό τρανζίστορ, ένα κύκλωμα ελέγχου είναι επίσης εγκατεστημένο στον κρύσταλλο του μικροκυκλώματος του γραμμικού σταθεροποιητή.
Ιστορικά, προτού καταστεί δυνατή η κατασκευή τέτοιων σταθεροποιητών με τη μορφή μικροκυκλωμάτων, υπήρχε ζήτημα επίλυσης του προβλήματος της σταθερότητας της θερμοκρασίας των παραμέτρων, καθώς με τη θέρμανση κατά τη λειτουργία, οι παράμετροι των κόμβων μικροκυκλωμάτων θα αλλάξουν.
Η λύση ήρθε το 1967, όταν ο Αμερικανός μηχανικός ηλεκτρονικών Robert Widlar πρότεινε ένα κύκλωμα σταθεροποιητή στο οποίο ένα ρυθμιστικό τρανζίστορ θα συνδεόταν μεταξύ μιας μη ρυθμιζόμενης πηγής τάσης εισόδου και ενός φορτίου και ένας ενισχυτής σφάλματος με αντισταθμισμένη από τη θερμοκρασία τάση αναφοράς θα υπήρχε το κύκλωμα ελέγχου. Ως αποτέλεσμα, η δημοτικότητα των γραμμικών ενσωματωμένων σταθεροποιητών στην αγορά εκτινάχθηκε γρήγορα.
Δείτε την παρακάτω φωτογραφία. Εδώ φαίνεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα ενός γραμμικού ρυθμιστή τάσης (όπως ο LM310 ή ο 142ENxx). Σε αυτό το σχήμα, ένας λειτουργικός ενισχυτής ανάδρασης αρνητικής τάσης χωρίς αναστροφή, χρησιμοποιώντας το ρεύμα εξόδου του, ελέγχει τον βαθμό ξεκλειδώματος του ρυθμιστικού τρανζίστορ VT1, που είναι συνδεδεμένο σε ένα κύκλωμα με κοινό συλλέκτη - ακολουθητή εκπομπού.
Το ίδιο το op-amp τροφοδοτείται από την πηγή εισόδου με τη μορφή μονοπολικής θετικής τάσης. Και παρόλο που η αρνητική τάση δεν είναι κατάλληλη για τροφοδοσία εδώ, η τάση τροφοδοσίας του op-amp μπορεί να διπλασιαστεί χωρίς προβλήματα, χωρίς φόβο υπερφόρτωσης ή ζημιάς.
Το συμπέρασμα είναι ότι η βαθιά αρνητική ανάδραση εξουδετερώνει την αστάθεια της τάσης εισόδου, η τιμή της οποίας σε αυτό το κύκλωμα μπορεί να φτάσει τα 30 βολτ. Έτσι, οι σταθερές τάσεις εξόδου κυμαίνονται από 1,2 έως 27 βολτ, ανάλογα με το μοντέλο του τσιπ.
Το μικροκύκλωμα σταθεροποιητή έχει παραδοσιακά τρεις ακίδες: είσοδο, κοινή και έξοδο.Το σχήμα δείχνει ένα τυπικό κύκλωμα ενός διαφορικού ενισχυτή ως μέρος ενός μικροκυκλώματος για να ληφθεί μια τάση αναφοράς Εφαρμόστηκε δίοδος Zener.
Στους ρυθμιστές χαμηλής τάσης, η αναφορά τάσης λαμβάνεται στο διάκενο, όπως πρότεινε για πρώτη φορά ο Widlar στον πρώτο του γραμμικό ολοκληρωμένο ρυθμιστή, τον LM109. Ένας διαιρέτης εγκαθίσταται στο κύκλωμα αρνητικής ανάδρασης των αντιστάσεων R1 και R2, με τη δράση των οποίων η τάση εξόδου αποδεικνύεται απλώς ανάλογη με την τάση αναφοράς σύμφωνα με τον τύπο Uout = Uvd (1 + R2 / R1).
Η αντίσταση R3 και το τρανζίστορ VT2 που είναι ενσωματωμένα στον σταθεροποιητή χρησιμεύουν για τον περιορισμό του ρεύματος εξόδου, επομένως εάν η τάση στην αντίσταση περιορισμού ρεύματος υπερβαίνει τα 0,6 βολτ, τότε το τρανζίστορ VT2 θα ανοίξει αμέσως, γεγονός που θα προκαλέσει το ρεύμα βάσης του κύριου τρανζίστορ ελέγχου VT1 περιορισμένος. Αποδεικνύεται ότι το ρεύμα εξόδου στον κανονικό τρόπο λειτουργίας του σταθεροποιητή περιορίζεται σε 0,6 / R3. Η ισχύς που καταναλώνεται από το ρυθμιστικό τρανζίστορ θα εξαρτηθεί από την τάση εισόδου και θα είναι ίση με 0,6 (Uin — Uout) / R3.
Εάν για κάποιο λόγο προκύψει βραχυκύκλωμα στην έξοδο του ενσωματωμένου σταθεροποιητή, τότε η ισχύς που διαχέεται στον κρύσταλλο δεν πρέπει να παραμείνει όπως πριν, ανάλογη με τη διαφορά τάσης και αντιστρόφως ανάλογη με την αντίσταση της αντίστασης R3. Επομένως, το κύκλωμα περιέχει προστατευτικά στοιχεία — δίοδο zener VD2 και αντίσταση R5, η λειτουργία των οποίων καθορίζει το επίπεδο προστασίας ρεύματος ανάλογα με τη διαφορά τάσης Uin -Uout.
Στο παραπάνω γράφημα, μπορείτε να δείτε ότι το μέγιστο ρεύμα εξόδου εξαρτάται από την τάση εξόδου, επομένως το μικροκύκλωμα του γραμμικού σταθεροποιητή προστατεύεται αξιόπιστα από υπερφόρτωση.Όταν η διαφορά τάσης Uin-Uout υπερβαίνει την τάση σταθεροποίησης της διόδου zener VD2, ο διαχωριστής των αντιστάσεων R4 και R5 θα δημιουργήσει αρκετό ρεύμα στη βάση του τρανζίστορ VT2 για να το απενεργοποιήσει, το οποίο με τη σειρά του θα προκαλέσει το όριο ρεύματος βάσης για αύξηση του ρυθμιστικού τρανζίστορ VT1.
Τα τελευταία μοντέλα γραμμικών ρυθμιστών, όπως ο ADP3303, είναι εξοπλισμένα με προστασία θερμικής υπερφόρτωσης όταν το ρεύμα εξόδου πέφτει απότομα όταν ο κρύσταλλος θερμαίνεται στους 165 ° C. Ο πυκνωτής στο παραπάνω διάγραμμα είναι απαραίτητος για την εξίσωση της συχνότητας.
Παρεμπιπτόντως, για τους πυκνωτές. Συνηθίζεται να συνδέετε πυκνωτές με ελάχιστη χωρητικότητα 100 nf στην είσοδο και την έξοδο των ενσωματωμένων σταθεροποιητών για την αποφυγή λανθασμένης ενεργοποίησης των εσωτερικών κυκλωμάτων του μικροκυκλώματος. Εν τω μεταξύ, υπάρχουν οι λεγόμενοι σταθεροποιητές χωρίς καπάκι, όπως ο REG103, για τους οποίους δεν υπάρχει ανάγκη εγκατάστασης πυκνωτών σταθεροποίησης στην είσοδο και στην έξοδο.
Εκτός από τους γραμμικούς σταθεροποιητές με σταθερή τάση εξόδου, υπάρχουν και σταθεροποιητές με ρυθμιζόμενη τάση εξόδου για σταθεροποίηση. Σε αυτά, λείπει ο διαχωριστής των αντιστάσεων R1 και R2 και η βάση του τρανζίστορ VT4 βγαίνει σε ένα ξεχωριστό σκέλος του τσιπ για τη σύνδεση ενός εξωτερικού διαχωριστή, όπως στο τσιπ 142EN4.
Πιο σύγχρονοι σταθεροποιητές, στους οποίους η κατανάλωση ρεύματος του κυκλώματος ελέγχου μειώνεται σε αρκετές δεκάδες μικροαμπέρ, όπως ο LM317, έχουν μόνο τρεις ακίδες.Για να είμαστε δίκαιοι, σημειώνουμε ότι σήμερα υπάρχουν επίσης ρυθμιστές τάσης υψηλής ακρίβειας όπως ο TPS70151, οι οποίοι, λόγω της παρουσίας πολλών πρόσθετων ακίδων, καθιστούν δυνατή την εφαρμογή προστασίας από πτώση τάσης στα καλώδια σύνδεσης, έλεγχο εκφόρτισης φορτίου κ.λπ. .
Παραπάνω μιλήσαμε για σταθεροποιητές θετικής τάσης, σε σχέση με το κοινό καλώδιο. Παρόμοια σχήματα χρησιμοποιούνται επίσης για τη σταθεροποίηση αρνητικών τάσεων, αρκεί μόνο να απομονωθεί γαλβανικά η τάση εξόδου της εισόδου από το κοινό σημείο. Ο ακροδέκτης εξόδου συνδέεται στη συνέχεια στο κοινό σημείο εξόδου και το αρνητικό σημείο εξόδου θα είναι το σημείο εισόδου μείον το συνδεδεμένο στο κοινό σημείο του τσιπ σταθεροποιητή. Οι ρυθμιστές τάσης αρνητικής πολικότητας όπως ο 1168ENxx είναι πολύ βολικοί.
Εάν είναι απαραίτητο να ληφθούν δύο τάσεις ταυτόχρονα (θετική και αρνητική πολικότητα), τότε για το σκοπό αυτό υπάρχουν ειδικοί σταθεροποιητές που δίνουν μια συμμετρικά σταθεροποιημένη θετική και αρνητική τάση ταυτόχρονα, αρκεί απλώς να εφαρμόσετε θετικές και αρνητικές τάσεις εισόδου στις εισροές. Ένα παράδειγμα τέτοιου διπολικού σταθεροποιητή είναι ο KR142EN6.
Το παραπάνω σχήμα είναι ένα απλοποιημένο διάγραμμα του. Εδώ, ο διαφορικός ενισχυτής # 2 οδηγεί το τρανζίστορ VT2, οπότε παρατηρείται η ισότητα -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. Και ο ενισχυτής #1 ελέγχει το τρανζίστορ VT1 έτσι ώστε το δυναμικό στη διασταύρωση των αντιστάσεων R2 και R4 να παραμένει μηδέν. Εάν ταυτόχρονα οι αντιστάσεις R2 και R4 είναι ίσες, τότε η τάση εξόδου (θετική και αρνητική) θα παραμείνει συμμετρική.
Για ανεξάρτητη ρύθμιση της ισορροπίας μεταξύ δύο (θετικών και αρνητικών) τάσεων εξόδου, μπορείτε να συνδέσετε πρόσθετες αντιστάσεις κοπής στις ειδικές ακίδες του μικροκυκλώματος.
Το μικρότερο χαρακτηριστικό πτώσης τάσης των παραπάνω γραμμικών ρυθμιστικών κυκλωμάτων είναι 3 βολτ. Αυτό είναι αρκετά για συσκευές με μπαταρία ή μπαταρία και είναι γενικά επιθυμητό να ελαχιστοποιηθεί η πτώση τάσης. Για το σκοπό αυτό, το τρανζίστορ εξόδου είναι κατασκευασμένο τύπου pnp έτσι ώστε το ρεύμα συλλέκτη της διαφορικής βαθμίδας να είναι ταυτόχρονα με το ρεύμα βάσης του ρυθμιστικού τρανζίστορ VT1. Η ελάχιστη πτώση τάσης θα είναι τώρα της τάξης του 1 βολτ.
Οι ρυθμιστές αρνητικής τάσης λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο με ελάχιστη πτώση. Για παράδειγμα, οι ρυθμιστές της σειράς 1170ENxx έχουν πτώση τάσης περίπου 0,6 βολτ και δεν υπερθερμαίνονται όταν κατασκευάζονται στη θήκη TO-92 σε ρεύματα φορτίου έως 100 mA. Ο ίδιος ο σταθεροποιητής δεν καταναλώνει περισσότερο από 1,2 mA.
Τέτοιοι σταθεροποιητές ταξινομούνται ως χαμηλής πτώσης. Ακόμη χαμηλότερη πτώση τάσης επιτυγχάνεται σε ρυθμιστές που βασίζονται σε MOSFET (περίπου 55 mV σε κατανάλωση ρεύματος τσιπ 1 mA) όπως το τσιπ MAX8865.
Ορισμένα μοντέλα σταθεροποιητών είναι εξοπλισμένα με ακροδέκτες τερματισμού λειτουργίας για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας των συσκευών σε κατάσταση αναμονής — όταν εφαρμόζεται ένα λογικό επίπεδο σε αυτόν τον ακροδέκτη, η κατανάλωση του σταθεροποιητή μειώνεται σχεδόν στο μηδέν (γραμμή LT176x).
Μιλώντας για ενσωματωμένους γραμμικούς σταθεροποιητές, σημειώνουν τα χαρακτηριστικά τους, καθώς και τις δυναμικές και ακριβείς παραμέτρους.
Οι παράμετροι ακρίβειας είναι ο συντελεστής σταθεροποίησης, η ακρίβεια ρύθμισης της τάσης εξόδου, η αντίσταση εξόδου και ο συντελεστής θερμοκρασίας τάσης. Κάθε μία από αυτές τις παραμέτρους παρατίθεται στην τεκμηρίωση. σχετίζονται με την ακρίβεια της τάσης εξόδου ανάλογα με την τάση εισόδου και την τρέχουσα θερμοκρασία του κρυστάλλου.
Οι δυναμικές παράμετροι όπως ο λόγος καταστολής κυματισμού και η σύνθετη αντίσταση εξόδου έχουν ρυθμιστεί για διαφορετικές συχνότητες του ρεύματος φορτίου και της τάσης εισόδου.
Χαρακτηριστικά απόδοσης όπως εύρος τάσης εισόδου, ονομαστική τάση εξόδου, μέγιστο ρεύμα φορτίου, μέγιστη διασπορά ισχύος, μέγιστη διαφορά τάσης εισόδου και εξόδου στο μέγιστο ρεύμα φορτίου, ρεύμα χωρίς φορτίο, εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας, όλες αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν την επιλογή ενός ή ο άλλος.σταθεροποιητής για ένα ορισμένο κύκλωμα.
Χαρακτηριστικά γραμμικών ρυθμιστών τάσης
Ακολουθούν τα τυπικά και πιο δημοφιλή κυκλώματα για τη συμπερίληψη γραμμικών σταθεροποιητών:
Εάν είναι απαραίτητο να αυξηθεί η τάση εξόδου ενός γραμμικού σταθεροποιητή με σταθερή τάση εξόδου, μια δίοδος zener προστίθεται σε σειρά στον κοινό ακροδέκτη:
Για να μεγιστοποιηθεί το επιτρεπόμενο ρεύμα εξόδου, ένα πιο ισχυρό τρανζίστορ συνδέεται παράλληλα με τον σταθεροποιητή, μετατρέποντας το ρυθμιστικό τρανζίστορ μέσα στο μικροκύκλωμα σε μέρος ενός σύνθετου τρανζίστορ:
Εάν είναι απαραίτητο να σταθεροποιηθεί το ρεύμα, ο σταθεροποιητής τάσης ενεργοποιείται σύμφωνα με το ακόλουθο σχήμα.
Σε αυτή την περίπτωση, η πτώση τάσης στην αντίσταση θα είναι ίση με την τάση σταθεροποίησης, η οποία θα οδηγήσει σε σημαντικές απώλειες εάν η τάση σταθεροποίησης είναι υψηλή.Από αυτή την άποψη, θα είναι πιο κατάλληλο να επιλέξετε έναν σταθεροποιητή για τη χαμηλότερη δυνατή τάση εξόδου, όπως ο KR142EN12 για 1,2 βολτ.