Linjära spänningsstabilisatorer — syfte, grundläggande parametrar och kopplingskretsar

Kanske idag kan inget elektroniskt kort klara sig utan minst en källa med konstant konstant spänning. Och mycket ofta fungerar linjära spänningsregulatorer i form av mikrokretsar som sådana källor. Till skillnad från en likriktare med transformator, där spänningen på ett eller annat sätt beror på belastningsströmmen och kan variera något av olika anledningar, kan en integrerad mikrokrets - en stabilisator (regulator) ge en konstant spänning i ett exakt definierat område av belastningsströmmar.

Dessa mikrokretsar är byggda på basis av fälteffekt- eller bipolära transistorer, som kontinuerligt arbetar i aktivt läge. Förutom regleringstransistorn är en styrkrets också installerad på kristallen av mikrokretsen i den linjära stabilisatorn.

Historiskt sett, innan det blev möjligt att tillverka sådana stabilisatorer i form av mikrokretsar, var det fråga om att lösa problemet med temperaturstabilitet för parametrar, eftersom parametrarna för mikrokretsnoder kommer att förändras med uppvärmning under drift.

Lösningen kom 1967, då den amerikanske elektronikingenjören Robert Widlar föreslog en stabilisatorkrets där en reglertransistor skulle kopplas mellan en oreglerad inspänningskälla och en last, och en felförstärkare med en temperaturkompenserad referensspänning skulle finnas i styrkretsen. Som ett resultat ökade populariteten för linjära integrerade stabilisatorer snabbt på marknaden.

Kolla in bilden nedan. Här visas ett förenklat diagram över en linjär spänningsregulator (som LM310 eller 142ENxx). I detta schema styr en icke-inverterande operationsförstärkare med negativ spänningsåterkoppling, med hjälp av sin utström, graden av upplåsning av reglertransistorn VT1, ansluten i en krets med en gemensam kollektor-emitterföljare.

Själva op-ampen drivs av ingångskällan i form av en unipolär positiv spänning. Och även om den negativa spänningen inte är lämplig för matning här, kan matningsspänningen för op-ampen fördubblas utan problem, utan rädsla för överbelastning eller skada.

Slutsatsen är att den djupa negativa återkopplingen neutraliserar instabiliteten hos ingångsspänningen, vars värde i denna krets kan nå 30 volt. Så, fasta utspänningar sträcker sig från 1,2 till 27 volt, beroende på chipmodellen.

Stabilisatormikrokretsen har traditionellt tre stift: ingång, gemensam och utgång.Figuren visar en typisk krets av en differentialförstärkare som en del av en mikrokrets för att erhålla en referensspänning Zenerdiod applicerad.

I lågspänningsregulatorer erhålls spänningsreferensen vid gapet, som Widlar först föreslog i sin första linjära integrerade regulator, LM109. En delare är installerad i den negativa återkopplingskretsen av motstånden R1 och R2, genom vars verkan utspänningen visar sig vara helt enkelt proportionell mot referensspänningen i enlighet med formeln Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Motstånd R3 och transistor VT2 inbyggd i stabilisatorn tjänar till att begränsa utströmmen, så om spänningen på det strömbegränsande motståndet överstiger 0,6 volt, kommer transistorn VT2 att öppnas omedelbart, vilket gör att basströmmen för huvudstyrtransistorn VT1 blir begränsad. Det visar sig att utströmmen i stabilisatorns normala driftläge är begränsad till 0,6 / R3. Effekten som förbrukas av den reglerande transistorn kommer att bero på ingångsspänningen och kommer att vara lika med 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Om det av någon anledning uppstår en kortslutning vid utgången av den integrerade stabilisatorn, bör den förbrukade effekten på kristallen inte lämnas som tidigare, proportionell mot spänningsskillnaden och omvänt proportionell mot motståndet hos motståndet R3. Därför innehåller kretsen skyddselement - zenerdiod VD2 och motstånd R5, vars funktion ställer in nivån på strömskyddet beroende på skillnaden i spänning Uin -Uout.

I grafen ovan kan du se att den maximala utströmmen beror på utspänningen, så mikrokretsen hos den linjära stabilisatorn är tillförlitligt skyddad från överbelastning.När spänningsskillnaden Uin-Uout överstiger stabiliseringsspänningen för zenerdioden VD2, kommer delaren av motstånden R4 och R5 att skapa tillräckligt med ström i basen av transistorn VT2 för att stänga av den, vilket i sin tur kommer att orsaka basströmgränsen för att öka den reglerande transistorn VT1.

De senaste modellerna av linjära regulatorer, som ADP3303, är utrustade med termiskt överbelastningsskydd när utströmmen sjunker kraftigt när kristallen värms upp till 165 ° C. Kondensatorn i diagrammet ovan behövs för att utjämna frekvensen.

Förresten, om kondensatorerna. Det är vanligt att ansluta kondensatorer med en minsta kapacitet på 100 nf till ingången och utgången på de integrerade stabilisatorerna för att undvika falsk aktivering av mikrokretsens interna kretsar. Samtidigt finns det så kallade capless stabilisatorer, såsom REG103, för vilka det inte finns något behov av att installera stabiliserande kondensatorer vid ingången och utgången.

Förutom linjära stabilisatorer med fast utspänning finns det även stabilisatorer med justerbar utspänning för stabilisering. I dem saknas delaren av motstånden R1 och R2, och basen av transistorn VT4 förs ut till ett separat ben på chipet för att ansluta en extern delare, såsom i 142EN4-chipet.

Modernare stabilisatorer, där styrkretsens strömförbrukning reduceras till flera tiotals mikroampere, som LM317, har bara tre stift.För att vara rättvis noterar vi att det idag även finns högprecisionsspänningsregulatorer såsom TPS70151, som, på grund av närvaron av flera ytterligare stift, gör det möjligt att applicera spänningsfallsskydd på anslutningskablarna, lasturladdningskontroll, etc. .

Ovan pratade vi om positiva spänningsstabilisatorer, i förhållande till den gemensamma ledningen. Liknande scheman används också för att stabilisera negativa spänningar, det räcker bara att galvaniskt isolera utspänningen från ingången från den gemensamma punkten. Utgångsstiftet ansluts sedan till den gemensamma utgångspunkten, och den negativa utgångspunkten kommer att vara ingångsminuspunkten ansluten till stabilisatorchippets gemensamma punkt. Spänningsregulatorer med negativ polaritet som 1168ENxx är mycket bekväma.

Om det är nödvändigt att erhålla två spänningar samtidigt (positiv och negativ polaritet), så finns det för detta ändamål speciella stabilisatorer som ger en symmetriskt stabiliserad positiv och negativ spänning samtidigt, det räcker bara att applicera positiva och negativa inspänningar till ingångarna. Ett exempel på en sådan bipolär stabilisator är KR142EN6.

Bilden ovan är ett förenklat diagram av det. Här driver differentialförstärkaren #2 transistorn VT2, så likheten -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop observeras. Och förstärkare #1 styr transistorn VT1 så att potentialen vid förbindelsen mellan motstånden R2 och R4 förblir noll. Om samtidigt motstånden R2 och R4 är lika, kommer utspänningen (positiv och negativ) att förbli symmetrisk.

För oberoende justering av balansen mellan två (positiva och negativa) utspänningar kan du ansluta ytterligare trimningsmotstånd till mikrokretsens speciella stift.

Den minsta spänningsfallskarakteristiken för ovanstående linjära regleringskretsar är 3 volt. Detta är ganska mycket för batteri- eller batteridrivna enheter och det är i allmänhet önskvärt att minimera spänningsfallet. För detta ändamål är utgångstransistorn gjord av pnp-typ så att kollektorströmmen för differentialsteget är samtidigt med basströmmen för reglertransistorn VT1. Minsta spänningsfall kommer nu att vara i storleksordningen 1 volt.

Negativa spänningsregulatorer fungerar på liknande sätt med minimal sänkning. Till exempel har regulatorerna i 1170ENxx-serien ett spänningsfall på cirka 0,6 volt och överhettas inte när de tillverkas i TO-92-höljet vid belastningsströmmar upp till 100 mA. Själva stabilisatorn förbrukar inte mer än 1,2 mA.

Sådana stabilisatorer klassificeras som låg hängande. Ännu lägre spänningsfall uppnås på MOSFET-baserade regulatorer (ca 55 mV vid strömförbrukning på 1 mA) som MAX8865-chipet.

Vissa stabilisatormodeller är utrustade med avstängningsstift för att minska strömförbrukningen för enheterna i standby-läge — när en logisk nivå appliceras på detta stift reduceras förbrukningen av stabilisatorn till nästan noll (linje LT176x).

På tal om integrerade linjära stabilisatorer noterar de deras egenskaper, såväl som dynamiska och exakta parametrar.

Noggrannhetsparametrarna är stabiliseringsfaktor, utgångsspänningsinställningsnoggrannhet, utgångsimpedans och spänningstemperaturkoefficient. Var och en av dessa parametrar listas i dokumentationen; de är relaterade till utgångsspänningens noggrannhet beroende på inspänningen och kristallens aktuella temperatur.

Dynamiska parametrar såsom rippelundertryckningsförhållande och utgångsimpedans ställs in för olika frekvenser av lastström och inspänning.

Prestandaegenskaper såsom inspänningsområde, nominell utspänning, maximal lastström, maximal effektförlust, maximal in- och utspänningsskillnad vid maximal lastström, tomgångsström, driftstemperaturområde, alla dessa parametrar påverkar valet av en eller den andra.stabilisatorn för en viss krets.

Egenskaper för linjära spänningsregulatorer

Här är de typiska och mest populära kretsarna för att inkludera linjära stabilisatorer:

Om det är nödvändigt att öka utspänningen för en linjär stabilisator med en fast utspänning, läggs en zenerdiod till i serie till den gemensamma terminalen:

För att maximera den tillåtna utgångsströmmen ansluts en kraftigare transistor parallellt med stabilisatorn, vilket gör att den reglerande transistorn inuti mikrokretsen blir en del av en sammansatt transistor:

Om det är nödvändigt att stabilisera strömmen, slås spänningsstabilisatorn på enligt följande schema.

I detta fall kommer spänningsfallet över motståndet att vara lika med stabiliseringsspänningen, vilket kommer att leda till betydande förluster om stabiliseringsspänningen är hög.I detta avseende kommer det att vara mer lämpligt att välja en stabilisator för lägsta möjliga utspänning, till exempel KR142EN12 för 1,2 volt.