Linijiniai įtampos stabilizatoriai – paskirtis, pagrindiniai parametrai ir perjungimo grandinės

Galbūt šiandien nė viena elektroninė plokštė negali išsiversti be bent vieno nuolatinės nuolatinės įtampos šaltinio. Ir labai dažnai tokie šaltiniai yra linijiniai įtampos reguliatoriai mikroschemų pavidalu. Skirtingai nuo lygintuvo su transformatoriumi, kur įtampa vienaip ar kitaip priklauso nuo apkrovos srovės ir dėl įvairių priežasčių gali šiek tiek skirtis, integruota mikroschema – stabilizatorius (reguliatorius) gali užtikrinti pastovią įtampą tiksliai apibrėžtame diapazone. apkrovos srovės.

Šios mikroschemos yra sukurtos lauko efekto arba bipolinių tranzistorių pagrindu, nuolat veikiančiais aktyviu režimu. Be reguliavimo tranzistoriaus, ant linijinio stabilizatoriaus mikroschemos kristalo taip pat yra sumontuota valdymo grandinė.

Istoriškai, kol nebuvo įmanoma gaminti tokius stabilizatorius mikroschemų pavidalu, kilo klausimas, kaip išspręsti parametrų temperatūros stabilumo problemą, nes kaitinant veikimo metu mikroschemų mazgų parametrai pasikeis.

Sprendimas atsirado 1967 m., kai amerikiečių elektronikos inžinierius Robertas Widlaras pasiūlė stabilizatoriaus grandinę, kurioje tarp nereguliuojamo įvesties įtampos šaltinio ir apkrovos būtų prijungtas reguliuojantis tranzistorius, o paklaidos stiprintuvas su temperatūros kompensuojama etalonine įtampa. valdymo grandinė. Dėl to linijinių integruotų stabilizatorių populiarumas rinkoje sparčiai šoktelėjo.

Peržiūrėkite žemiau esančią nuotrauką. Čia parodyta supaprastinta linijinio įtampos reguliatoriaus schema (pvz., LM310 arba 142ENxx). Šioje schemoje neinvertuojantis neigiamos įtampos grįžtamojo ryšio operacinis stiprintuvas, naudodamas savo išėjimo srovę, kontroliuoja reguliavimo tranzistoriaus VT1 atrakinimo laipsnį, sujungtą į grandinę su bendru kolektoriaus - emiterio sekikliu.

Pats operatyvinis stiprintuvas maitinamas iš įvesties šaltinio vienpolio teigiamos įtampos pavidalu. Ir nors neigiama įtampa čia netinka maitinimui, operacinio stiprintuvo maitinimo įtampą galima be problemų padvigubinti, nebijant perkrovos ar sugadinimo.

Peršasi išvada, kad gilus neigiamas grįžtamasis ryšys neutralizuoja įėjimo įtampos nestabilumą, kurios vertė šioje grandinėje gali siekti 30 voltų. Taigi, fiksuota išėjimo įtampa svyruoja nuo 1,2 iki 27 voltų, priklausomai nuo lusto modelio.

Stabilizatoriaus mikroschema tradiciškai turi tris kaiščius: įvestį, bendrą ir išvestį.Paveikslėlyje parodyta tipinė diferencialinio stiprintuvo grandinė kaip mikroschemos dalis, skirta atskaitos įtampai gauti Taikomas Zenerio diodas.

Žemos įtampos reguliatoriuose įtampos atskaitos taškas gaunamas ties tarpais, kaip Widlar pirmą kartą pasiūlė savo pirmajame linijiniame integruotame reguliatoriuje LM109. Rezistorių R1 ir R2 neigiamo grįžtamojo ryšio grandinėje yra sumontuotas skirstytuvas, kurį veikiant išėjimo įtampa pasirodo tiesiog proporcinga etaloninei įtampai pagal formulę Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Rezistorius R3 ir tranzistorius VT2, įmontuoti į stabilizatorių, riboja išėjimo srovę, taigi, jei srovės ribojimo rezistoriaus įtampa viršija 0,6 volto, tranzistorius VT2 iškart atsidarys, o tai sukels pagrindinio valdymo tranzistoriaus VT1 bazinę srovę. ribotas. Pasirodo, išėjimo srovė įprastu stabilizatoriaus veikimo režimu yra apribota iki 0,6 / R3. Reguliuojančio tranzistoriaus išsklaidoma galia priklausys nuo įėjimo įtampos ir bus lygi 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Jei dėl kokių nors priežasčių integruoto stabilizatoriaus išvestyje įvyksta trumpasis jungimas, tada kristalo išsklaidyta galia neturėtų būti palikta kaip anksčiau, proporcinga įtampos skirtumui ir atvirkščiai proporcinga rezistoriaus R3 varžai. Todėl grandinėje yra apsauginiai elementai - zenerio diodas VD2 ir rezistorius R5, kurių veikimas nustato srovės apsaugos lygį, priklausomai nuo įtampos skirtumo Uin -Uout.

Aukščiau pateiktame grafike matote, kad maksimali išėjimo srovė priklauso nuo išėjimo įtampos, todėl linijinio stabilizatoriaus mikroschema yra patikimai apsaugota nuo perkrovos.Kai įtampos skirtumas Uin-Uout viršija zenerio diodo VD2 stabilizavimo įtampą, rezistorių R4 ir R5 daliklis sukurs pakankamai srovės tranzistoriaus VT2 bazėje, kad jį išjungtų, o tai savo ruožtu sukels bazinės srovės ribą. padidinti reguliavimo tranzistorių VT1.

Naujausiuose linijinių reguliatorių modeliuose, tokiuose kaip ADP3303, yra šiluminės perkrovos apsauga, kai išėjimo srovė smarkiai sumažėja, kai kristalas įkaista iki 165 ° C. Aukščiau pateiktoje diagramoje esantis kondensatorius reikalingas dažniui išlyginti.

Beje, apie kondensatorius. Į integruotų stabilizatorių įvestį ir išvestį įprasta jungti ne mažesnės kaip 100 nf talpos kondensatorius, kad būtų išvengta klaidingo mikroschemos vidinių grandinių įjungimo. Tuo tarpu yra vadinamieji bedangteliai stabilizatoriai, tokie kaip REG103, kurių įėjime ir išėjime nereikia montuoti stabilizavimo kondensatorių.

Be linijinių stabilizatorių su fiksuota išėjimo įtampa, taip pat yra stabilizatorių su reguliuojama išėjimo įtampa stabilizavimui. Juose trūksta rezistorių R1 ir R2 daliklio, o tranzistoriaus VT4 pagrindas išvedamas į atskirą lusto koją, skirtą išoriniam skirstytuvui prijungti, pvz., 142EN4 mikroschemoje.

Modernesni stabilizatoriai, kuriuose valdymo grandinės srovės suvartojimas sumažintas iki kelių dešimčių mikroamperų, ​​pavyzdžiui, LM317, turi tik tris kaiščius.Teisybės dėlei atkreipiame dėmesį, kad šiandien yra ir didelio tikslumo įtampos reguliatorių, tokių kaip TPS70151, kurie dėl kelių papildomų kaiščių suteikia galimybę jungiamiesiems laidams pritaikyti apsaugą nuo įtampos kritimo, apkrovos iškrovos valdymą ir kt. .

Aukščiau mes kalbėjome apie teigiamus įtampos stabilizatorius, palyginti su bendru laidu. Panašios schemos naudojamos ir neigiamoms įtampoms stabilizuoti, pakanka tik galvaniškai izoliuoti įėjimo išėjimo įtampą nuo bendro taško. Tada išvesties kaištis prijungiamas prie bendro išvesties taško, o neigiamas išvesties taškas bus įvesties minuso taškas, prijungtas prie bendro stabilizatoriaus lusto taško. Neigiamo poliškumo įtampos reguliatoriai, tokie kaip 1168ENxx, yra labai patogūs.

Jei reikia iš karto gauti dvi įtampas (teigiamas ir neigiamas poliškumas), tai tam yra specialūs stabilizatoriai, kurie vienu metu suteikia simetriškai stabilizuotą teigiamą ir neigiamą įtampą, pakanka tik pritaikyti teigiamą ir neigiamą įėjimo įtampą. prie įvadų. Tokio dvipolio stabilizatoriaus pavyzdys yra KR142EN6.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje yra supaprastinta jo schema. Čia diferencialinis stiprintuvas # 2 varo tranzistorių VT2, todėl stebima lygybė -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. O stiprintuvas #1 valdo tranzistorių VT1 taip, kad potencialas rezistorių R2 ir R4 sandūroje liktų lygus nuliui. Jei tuo pačiu metu rezistoriai R2 ir R4 yra lygūs, tada išėjimo įtampa (teigiama ir neigiama) išliks simetriška.

Norėdami savarankiškai reguliuoti balansą tarp dviejų (teigiamų ir neigiamų) išėjimo įtampų, prie specialių mikroschemos kaiščių galite prijungti papildomus apipjaustymo rezistorius.

Mažiausia aukščiau nurodytų linijinių reguliavimo grandinių įtampos kritimo charakteristika yra 3 voltai. Tai yra gana daug baterijų ar baterijų maitinamiems įrenginiams ir paprastai pageidautina sumažinti įtampos kritimą. Šiuo tikslu išvesties tranzistorius pagamintas pnp tipo, kad diferencialinės pakopos kolektoriaus srovė būtų vienu metu su reguliavimo tranzistoriaus VT1 bazine srove. Mažiausias įtampos kritimas dabar bus maždaug 1 voltas.

Neigiamos įtampos reguliatoriai veikia panašiai su minimaliu kritimu. Pavyzdžiui, serijos 1170ENxx reguliatoriai turi apie 0,6 volto įtampos kritimą ir neperkaista, kai gaminami TO-92 korpuse esant apkrovos srovėms iki 100 mA. Pats stabilizatorius sunaudoja ne daugiau kaip 1,2 mA.

Tokie stabilizatoriai priskiriami prie mažo kritimo. Dar mažesnis įtampos kritimas pasiekiamas naudojant MOSFET pagrindu veikiančius reguliatorius (apie 55 mV esant 1 mA lusto srovės suvartojimui), pvz., MAX8865 lustą.

Kai kurie stabilizatorių modeliai turi išjungimo kaiščius, kad sumažintų prietaisų energijos sąnaudas budėjimo režimu - kai šiam kaiščiui taikomas loginis lygis, stabilizatoriaus suvartojimas sumažėja beveik iki nulio (LT176x eilutė).

Kalbėdami apie integruotus linijinius stabilizatorius, jie atkreipia dėmesį į jų charakteristikas, taip pat dinamiškus ir tikslius parametrus.

Tikslumo parametrai yra stabilizavimo koeficientas, išėjimo įtampos nustatymo tikslumas, išėjimo varža ir įtampos temperatūros koeficientas. Kiekvienas iš šių parametrų yra nurodytas dokumentacijoje; jie yra susiję su išėjimo įtampos tikslumu priklausomai nuo įėjimo įtampos ir esamos kristalo temperatūros.

Dinaminiai parametrai, tokie kaip pulsacijos slopinimo koeficientas ir išėjimo varža, nustatomi skirtingiems apkrovos srovės ir įėjimo įtampos dažniams.

Veikimo charakteristikos, tokios kaip įėjimo įtampos diapazonas, vardinė išėjimo įtampa, maksimali apkrovos srovė, didžiausias galios sklaidymas, didžiausias įėjimo ir išėjimo įtampos skirtumas esant didžiausiai apkrovos srovei, tuščiosios eigos srovė, darbinės temperatūros diapazonas, visi šie parametrai turi įtakos pasirenkant vieną arba kitas.stabilizatorius tam tikrai grandinei.

Linijinių įtampos reguliatorių charakteristikos

Čia yra tipinės ir populiariausios linijinių stabilizatorių įtraukimo grandinės:

Jei reikia padidinti linijinio stabilizatoriaus išėjimo įtampą su fiksuota išėjimo įtampa, prie bendro gnybto nuosekliai pridedamas zenerio diodas:

Norint maksimaliai padidinti leistiną išėjimo srovę, lygiagrečiai su stabilizatoriumi prijungiamas galingesnis tranzistorius, paverčiantis reguliavimo tranzistorių mikroschemos viduje į sudėtinio tranzistoriaus dalį:

Jei reikia stabilizuoti srovę, įtampos stabilizatorius įjungiamas pagal šią schemą.

Tokiu atveju įtampos kritimas rezistoriuje bus lygus stabilizavimo įtampai, o tai sukels didelius nuostolius, jei stabilizavimo įtampa yra didelė.Šiuo atžvilgiu bus tikslingiau pasirinkti stabilizatorių, kad būtų galima mažiausia išėjimo įtampa, pavyzdžiui, KR142EN12 1,2 volto.