Lineaire spanningsstabilisatoren - doel, basisparameters en schakelcircuits

Misschien kan tegenwoordig geen enkel elektronisch bord zonder minstens één bron van constant constant voltage. En heel vaak dienen lineaire spanningsregelaars in de vorm van microschakelingen als dergelijke bronnen. In tegenstelling tot een gelijkrichter met een transformator, waarbij de spanning op de een of andere manier afhangt van de belastingsstroom en om verschillende redenen enigszins kan variëren, kan een geïntegreerde microschakeling - een stabilisator (regelaar) een constante spanning leveren in een nauwkeurig gedefinieerd bereik van laadstromen.

Deze microschakelingen zijn gebouwd op basis van veldeffect- of bipolaire transistors, die continu in actieve modus werken. Naast de regeltransistor is er ook een regelcircuit geïnstalleerd op het kristal van de microschakeling van de lineaire stabilisator.

Historisch gezien, voordat het mogelijk werd om dergelijke stabilisatoren in de vorm van microschakelingen te vervaardigen, was er een kwestie van het oplossen van het probleem van temperatuurstabiliteit van parameters, aangezien bij verwarming tijdens bedrijf de parameters van microschakelingsknooppunten zullen veranderen.

De oplossing kwam in 1967, toen de Amerikaanse elektronica-ingenieur Robert Widlar een stabilisatorcircuit voorstelde waarin een regeltransistor zou worden geschakeld tussen een ongeregelde ingangsspanningsbron en een belasting, en een foutversterker met een temperatuurgecompenseerde referentiespanning aanwezig zou zijn in het regelcircuit. Als gevolg hiervan nam de populariteit van lineair geïntegreerde stabilisatoren in de markt snel toe.

Bekijk de foto hieronder. Hier wordt een vereenvoudigd diagram weergegeven van een lineaire spanningsregelaar (zoals de LM310 of 142ENxx). In dit schema regelt een niet-inverterende operationele versterker met negatieve spanningsfeedback, met behulp van zijn uitgangsstroom, de mate van ontgrendeling van de regeltransistor VT1, verbonden in een circuit met een gemeenschappelijke collector - emittervolger.

De op-amp zelf wordt gevoed door de invoerbron in de vorm van een unipolaire positieve spanning. En hoewel de negatieve spanning hier niet geschikt is voor voeding, kan de voedingsspanning van de op-amp zonder problemen worden verdubbeld, zonder angst voor overbelasting of schade.

De conclusie is dat de diepe negatieve feedback de instabiliteit van de ingangsspanning neutraliseert, waarvan de waarde in dit circuit 30 volt kan bereiken. Vaste uitgangsspanningen variëren dus van 1,2 tot 27 volt, afhankelijk van het chipmodel.

De microschakeling van de stabilisator heeft traditioneel drie pinnen: input, common en output.De afbeelding toont een typische schakeling van een verschilversterker als onderdeel van een microschakeling om een ​​referentiespanning te verkrijgen Zenerdiode toegepast.

In laagspanningsregelaars wordt de spanningsreferentie verkregen bij de opening, zoals Widlar voor het eerst voorstelde in zijn eerste lineaire geïntegreerde regelaar, de LM109. In het negatieve feedbackcircuit van weerstanden R1 en R2 is een deler geïnstalleerd, waardoor de uitgangsspanning eenvoudigweg evenredig blijkt te zijn met de referentiespanning in overeenstemming met de formule Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Weerstand R3 en in de stabilisator ingebouwde transistor VT2 dienen om de uitgangsstroom te begrenzen, dus als de spanning op de stroombegrenzingsweerstand hoger is dan 0,6 volt, dan zal transistor VT2 onmiddellijk openen, waardoor de basisstroom van de hoofdstuurtransistor VT1 zal worden beperkt. Het blijkt dat de uitgangsstroom in de normale werkingsmodus van de stabilisator beperkt is tot 0,6 / R3. Het door de regeltransistor gedissipeerde vermogen is afhankelijk van de ingangsspanning en zal gelijk zijn aan 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Als er om de een of andere reden kortsluiting optreedt aan de uitgang van de geïntegreerde stabilisator, mag het gedissipeerde vermogen op het kristal niet zoals voorheen blijven, evenredig met het spanningsverschil en omgekeerd evenredig met de weerstand van de weerstand R3. Daarom bevat het circuit beschermende elementen - zenerdiode VD2 en weerstand R5, waarvan de werking het niveau van stroombeveiliging bepaalt afhankelijk van het spanningsverschil Uin -Uout.

In de bovenstaande grafiek kunt u zien dat de maximale uitgangsstroom afhankelijk is van de uitgangsspanning, waardoor de microschakeling van de lineaire stabilisator betrouwbaar wordt beschermd tegen overbelasting.Wanneer het spanningsverschil Uin-Uout de stabilisatiespanning van de zenerdiode VD2 overschrijdt, zal de deler van de weerstanden R4 en R5 voldoende stroom in de basis van de transistor VT2 creëren om deze uit te schakelen, wat op zijn beurt de basisstroomlimiet zal veroorzaken verhoging van de regeltransistor VT1.

De nieuwste modellen lineaire regelaars, zoals de ADP3303, zijn uitgerust met thermische overbelastingsbeveiliging wanneer de uitgangsstroom sterk daalt wanneer het kristal wordt verwarmd tot 165 ° C. De condensator in het bovenstaande diagram is nodig om de frequentie gelijk te maken.

Trouwens, over de condensatoren. Het is gebruikelijk om condensatoren met een minimale capaciteit van 100 nf aan te sluiten op de ingang en uitgang van de geïntegreerde stabilisatoren om valse activering van de interne circuits van de microschakeling te voorkomen. Inmiddels zijn er zogenaamde capless stabilisatoren, zoals de REG103, waarbij het niet nodig is om stabiliserende condensatoren aan de in- en uitgang te installeren.

Naast lineaire stabilisatoren met een vaste uitgangsspanning zijn er ook stabilisatoren met een instelbare uitgangsspanning voor stabilisatie. Daarin ontbreekt de deler van de weerstanden R1 en R2 en wordt de basis van de transistor VT4 naar een apart been van de chip gebracht om een ​​externe deler aan te sluiten, zoals in de 142EN4-chip.

Modernere stabilisatoren, waarbij het stroomverbruik van het regelcircuit wordt teruggebracht tot enkele tientallen microampères, zoals de LM317, hebben slechts drie pinnen.Om eerlijk te zijn, merken we op dat er tegenwoordig ook zeer nauwkeurige spanningsregelaars zijn, zoals de TPS70151, die door de aanwezigheid van verschillende extra pinnen het mogelijk maken om spanningsvalbeveiliging toe te passen op de verbindingsdraden, belastingontladingsregeling, enz. .

Hierboven hadden we het over positieve spanningsstabilisatoren ten opzichte van de gemeenschappelijke draad. Soortgelijke schema's worden ook gebruikt om negatieve spanningen te stabiliseren, het volstaat alleen om de uitgangsspanning van de ingang galvanisch te isoleren van het gemeenschappelijke punt. De uitgangspin is dan verbonden met het gemeenschappelijke uitgangspunt en het negatieve uitgangspunt is het ingangsminpunt dat is verbonden met het gemeenschappelijke punt van de stabilisatorchip. Spanningsregelaars met negatieve polariteit zoals de 1168ENxx zijn erg handig.

Als het nodig is om twee spanningen tegelijk te verkrijgen (positieve en negatieve polariteit), dan zijn er voor dit doel speciale stabilisatoren die tegelijkertijd een symmetrisch gestabiliseerde positieve en negatieve spanning geven, het volstaat om alleen positieve en negatieve ingangsspanningen toe te passen naar de ingangen. Een voorbeeld van zo'n bipolaire stabilisator is de KR142EN6.

De figuur hierboven is een vereenvoudigd diagram ervan. Hier stuurt de verschilversterker # 2 de transistor VT2 aan, dus de gelijkheid -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop wordt waargenomen. En versterker #1 stuurt de transistor VT1 zodat de potentiaal op het knooppunt van de weerstanden R2 en R4 nul blijft. Als tegelijkertijd de weerstanden R2 en R4 gelijk zijn, blijft de uitgangsspanning (positief en negatief) symmetrisch.

Voor het onafhankelijk instellen van de balans tussen twee (positieve en negatieve) uitgangsspanningen kunt u extra trimweerstanden aansluiten op de speciale pinnen van de microschakeling.

De kleinste spanningsvalkarakteristiek van de bovenstaande lineaire regelcircuits is 3 volt. Dit is vrij veel voor apparaten die op batterijen of batterijen werken en het is over het algemeen wenselijk om de spanningsval tot een minimum te beperken. Voor dit doel is de uitgangstransistor van het pnp-type gemaakt, zodat de collectorstroom van de differentiële trap gelijktijdig is met de basisstroom van de regeltransistor VT1. De minimale spanningsval zal nu in de orde van grootte van 1 volt liggen.

Negatieve spanningsregelaars werken op een vergelijkbare manier met minimale droop. De regelaars uit de 1170ENxx-serie hebben bijvoorbeeld een spanningsval van ongeveer 0,6 volt en raken niet oververhit wanneer ze in de TO-92-behuizing worden gemaakt bij belastingsstromen tot 100 mA. De stabilisator zelf verbruikt niet meer dan 1,2 mA.

Dergelijke stabilisatoren worden geclassificeerd als lage droop. Een nog lagere spanningsval wordt bereikt op MOSFET-gebaseerde regelaars (ongeveer 55 mV bij 1 mA chipstroomverbruik), zoals de MAX8865-chip.

Sommige stabilisatormodellen zijn uitgerust met uitschakelpinnen om het stroomverbruik van de apparaten in de stand-bymodus te verminderen - wanneer een logisch niveau op deze pin wordt toegepast, wordt het verbruik van de stabilisator teruggebracht tot bijna nul (lijn LT176x).

Over integrale lineaire stabilisatoren gesproken, ze noteren hun kenmerken, evenals dynamische en nauwkeurige parameters.

De nauwkeurigheidsparameters zijn stabilisatiefactor, nauwkeurigheid van de uitgangsspanningsinstelling, uitgangsimpedantie en spanningstemperatuurcoëfficiënt. Elk van deze parameters wordt vermeld in de documentatie; ze zijn gerelateerd aan de nauwkeurigheid van de uitgangsspanning, afhankelijk van de ingangsspanning en de huidige temperatuur van het kristal.

Dynamische parameters zoals rimpelonderdrukkingsverhouding en uitgangsimpedantie worden ingesteld voor verschillende frequenties van belastingsstroom en ingangsspanning.

Prestatiekenmerken zoals ingangsspanningsbereik, nominale uitgangsspanning, maximale belastingsstroom, maximale vermogensdissipatie, maximaal ingangs- en uitgangsspanningsverschil bij maximale belastingsstroom, nullaststroom, bedrijfstemperatuurbereik, al deze parameters zijn van invloed op de keuze van één of de andere.stabilisator voor een bepaald circuit.

Kenmerken van lineaire spanningsregelaars

Hier zijn de typische en meest populaire circuits voor het opnemen van lineaire stabilisatoren:

Als het nodig is om de uitgangsspanning van een lineaire stabilisator te verhogen met een vaste uitgangsspanning, wordt een zenerdiode in serie toegevoegd aan de gemeenschappelijke klem:

Om de toegestane uitgangsstroom te maximaliseren, is parallel aan de stabilisator een krachtigere transistor geschakeld, waardoor de regeltransistor in de microschakeling een onderdeel van een samengestelde transistor wordt:

Als het nodig is om de stroom te stabiliseren, wordt de spanningsstabilisator ingeschakeld volgens het volgende schema.

In dit geval zal de spanningsval over de weerstand gelijk zijn aan de stabilisatiespanning, wat zal leiden tot aanzienlijke verliezen als de stabilisatiespanning hoog is.In dit opzicht zal het passender zijn om een ​​stabilisator te kiezen voor de laagst mogelijke uitgangsspanning, zoals de KR142EN12 voor 1,2 volt.