Lineaarsed pingestabilisaatorid — otstarve, põhiparameetrid ja lülitusahelad

Võib-olla ei saa tänapäeval ükski elektrooniline plaat hakkama ilma vähemalt ühe püsiva pideva pinge allikata. Ja väga sageli on sellisteks allikateks lineaarsed pingeregulaatorid mikroskeemide kujul. Erinevalt trafoga alaldist, kus pinge sõltub ühel või teisel viisil koormusvoolust ja võib erinevatel põhjustel veidi erineda, suudab integreeritud mikroskeem - stabilisaator (regulaator) tagada konstantse pinge täpselt määratletud vahemikus. koormusvoolud.

Need mikroskeemid on ehitatud välja- või bipolaarsete transistoride baasil, töötades pidevalt aktiivses režiimis. Lineaarse stabilisaatori mikroskeemi kristallile on lisaks reguleerivale transistorile paigaldatud ka juhtahel.

Ajalooliselt, enne kui sai võimalikuks selliste stabilisaatorite tootmine mikroskeemide kujul, tekkis küsimus parameetrite temperatuuristabiilsuse probleemi lahendamisest, kuna töö ajal kuumutamisel muutuvad mikroskeemide sõlmede parameetrid.

Lahendus tuli 1967. aastal, kui Ameerika elektroonikainsener Robert Widlar pakkus välja stabilisaatorahela, milles reguleerimata sisendpingeallika ja koormuse vahele oleks ühendatud reguleeriv transistor ning temperatuurikompenseeritud tugipingega veavõimendi oleks olemas. juhtimisahel. Selle tulemusena hüppas lineaarsete integreeritud stabilisaatorite populaarsus turul kiiresti.

Vaadake allolevat fotot. Siin on näidatud lineaarse pingeregulaatori (näiteks LM310 või 142ENxx) lihtsustatud diagramm. Selles skeemis kontrollib mitteinverteeriv negatiivse pinge tagasisidega töövõimendi, kasutades oma väljundvoolu, reguleerimistransistori VT1 lukust vabastamise astet, mis on ühendatud ühise kollektori-emitteri järgijaga ahelasse.

Operatsioonivõimendit toidab sisendallikas unipolaarse positiivse pinge kujul. Ja kuigi negatiivne pinge siin toiteks ei sobi, saab op-amp toitepinget probleemideta kahekordistada, kartmata ülekoormust või kahjustusi.

Järeldus on, et sügav negatiivne tagasiside neutraliseerib sisendpinge ebastabiilsuse, mille väärtus selles vooluringis võib ulatuda 30 voltini. Seega on fikseeritud väljundpinged olenevalt kiibi mudelist vahemikus 1,2 kuni 27 volti.

Stabilisaatori mikroskeemil on traditsiooniliselt kolm kontakti: sisend, ühine ja väljund.Joonisel on kujutatud diferentsiaalvõimendi tüüpilist vooluringi mikroskeemi osana võrdluspinge saamiseks Rakendatud Zeneri diood.

Madalpinge regulaatorites saadakse pinge etalonväärtus lünka, nagu Widlar esmakordselt oma esimeses lineaarses integreeritud regulaatoris LM109 pakkus. Takistite R1 ja R2 negatiivse tagasiside ahelasse on paigaldatud jagaja, mille toimel osutub väljundpinge lihtsalt võrdeliseks võrdluspingega vastavalt valemile Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Stabilisaatorisse sisseehitatud takisti R3 ja transistor VT2 piiravad väljundvoolu, nii et kui voolu piirava takisti pinge ületab 0,6 volti, avaneb transistor VT2 kohe, mis põhjustab põhijuhttransistori VT1 baasvoolu katkemise. piiratud. Selgub, et väljundvool stabilisaatori normaalses töörežiimis on piiratud 0,6 / R3-ga. Reguleeriva transistori hajutatud võimsus sõltub sisendpingest ja on 0,6 (Uin - Uout) / R3.

Kui integreeritud stabilisaatori väljundis tekib mingil põhjusel lühis, siis ei tohiks kristalli hajutatud võimsust jätta nii, nagu varem, võrdeliselt pinge erinevusega ja pöördvõrdeliselt takisti R3 takistusega. Seetõttu sisaldab vooluahel kaitseelemente — zeneri dioodi VD2 ja takistit R5, mille töö määrab voolukaitse taseme sõltuvalt pinge erinevusest Uin -Uout.

Ülaltoodud graafikul on näha, et maksimaalne väljundvool sõltub väljundpingest, seega on lineaarse stabilisaatori mikroskeem usaldusväärselt kaitstud ülekoormuse eest.Kui pingeerinevus Uin-Uout ületab zeneri dioodi VD2 stabiliseerimispinge, tekitab takistite R4 ja R5 jagaja transistori VT2 aluses piisavalt voolu, et see välja lülitada, mis omakorda põhjustab baasvoolu piiri. Reguleeriva transistori VT1 suurendamiseks.

Lineaarsete regulaatorite uusimad mudelid, näiteks ADP3303, on varustatud termilise ülekoormuskaitsega, kui väljundvool langeb järsult, kui kristall kuumutatakse temperatuurini 165 ° C. Ülaltoodud diagrammil olevat kondensaatorit on vaja sageduse võrdsustamiseks.

Muide, kondensaatorite kohta. Integreeritud stabilisaatorite sisendisse ja väljundisse on tavaks ühendada kondensaatorid minimaalse võimsusega 100 nf, et vältida mikrolülituse sisemiste ahelate vale aktiveerimist. Vahepeal on olemas nn korgita stabilisaatorid, näiteks REG103, mille sisendisse ja väljundisse pole vaja paigaldada stabiliseerivaid kondensaatoreid.

Lisaks fikseeritud väljundpingega lineaarsetele stabilisaatoritele on stabiliseerimiseks ka reguleeritava väljundpingega stabilisaatoreid. Nendes puudub takistite R1 ja R2 jagur ning transistori VT4 alus on välja toodud kiibi eraldi jala külge välise jagaja ühendamiseks, näiteks 142EN4 kiibil.

Moodsamatel stabilisaatoritel, milles juhtimisahela voolutarve on vähendatud mitmekümne mikroamprini, nagu näiteks LM317, on ainult kolm kontakti.Ausalt öeldes märgime, et tänapäeval on olemas ka ülitäpsed pingeregulaatorid nagu TPS70151, mis tänu mitme lisatihvti olemasolule võimaldavad rakendada ühendusjuhtmetele pingelanguse kaitset, koormuse tühjenemise juhtimist jne. .

Eespool rääkisime positiivsetest pinge stabilisaatoritest, võrreldes ühise juhtmega. Sarnaseid skeeme kasutatakse ka negatiivsete pingete stabiliseerimiseks, piisab ainult sisendi väljundpinge galvaanilisest isoleerimisest ühispunktist. Seejärel ühendatakse väljundpistik ühise väljundpunktiga ja negatiivne väljundpunkt on sisendi miinuspunkt, mis on ühendatud stabilisaatori kiibi ühise punktiga. Negatiivse polaarsusega pingeregulaatorid, nagu 1168ENxx, on väga mugavad.

Kui on vaja saada korraga kaks pinget (positiivne ja negatiivne polaarsus), siis selleks on spetsiaalsed stabilisaatorid, mis annavad samaaegselt sümmeetriliselt stabiliseeritud positiivse ja negatiivse pinge, piisab vaid positiivse ja negatiivse sisendpinge rakendamisest. sisenditele. Sellise bipolaarse stabilisaatori näide on KR142EN6.

Ülaltoodud joonis on selle lihtsustatud diagramm. Siin juhib diferentsiaalvõimendi nr 2 transistori VT2, seega täheldatakse võrdsust -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. Ja võimendi nr 1 juhib transistori VT1 nii, et takistite R2 ja R4 ristmikul jääb potentsiaal nulliks. Kui samal ajal on takistid R2 ja R4 võrdsed, jääb väljundpinge (positiivne ja negatiivne) sümmeetriliseks.

Kahe (positiivse ja negatiivse) väljundpinge vahelise tasakaalu sõltumatuks reguleerimiseks saate mikrolülituse spetsiaalsete tihvtidega ühendada täiendavad trimmitakistid.

Ülaltoodud lineaarsete reguleerimisahelate väikseim pingelangus on 3 volti. Seda on aku- või akutoitel seadmete puhul üsna palju ja üldiselt on soovitav pingelangust minimeerida. Selleks tehakse väljundtransistor pnp-tüüpi nii, et diferentsiaalastme kollektorivool oleks samaaegselt reguleeriva transistori VT1 baasvooluga. Minimaalne pingelang on nüüd suurusjärgus 1 volt.

Negatiivse pinge regulaatorid töötavad sarnaselt minimaalse langusega. Näiteks seeria 1170ENxx regulaatoritel on pingelangus umbes 0,6 volti ja need ei kuumene üle TO-92 korpuses tehes koormusvoolude juures kuni 100 mA. Stabilisaator ise ei tarbi rohkem kui 1,2 mA.

Sellised stabilisaatorid on klassifitseeritud madala rippumisega. Veelgi väiksem pingelang saavutatakse MOSFET-põhistel regulaatoritel (umbes 55 mV 1 mA kiibi voolutarbimisel), näiteks MAX8865 kiibil.

Mõned stabilisaatorimudelid on varustatud väljalülitustihvtidega, et vähendada ooterežiimis olevate seadmete energiatarbimist — kui sellele kontaktile rakendatakse loogilist taset, väheneb stabilisaatori tarbimine peaaegu nullini (rida LT176x).

Integreeritud lineaarsetest stabilisaatoritest rääkides märgivad nad ära nende omadused, aga ka dünaamilised ja täpsed parameetrid.

Täpsusparameetrid on stabilisatsioonitegur, väljundpinge seadistamise täpsus, väljundtakistus ja pinge temperatuurikoefitsient. Kõik need parameetrid on loetletud dokumentatsioonis; need on seotud väljundpinge täpsusega sõltuvalt sisendpingest ja kristalli hetketemperatuurist.

Dünaamilised parameetrid, nagu pulsatsiooni summutamise suhe ja väljundtakistus, on seatud koormusvoolu ja sisendpinge erinevatele sagedustele.

Tööomadused, nagu sisendpinge vahemik, nimiväljundpinge, maksimaalne koormusvool, maksimaalne võimsuse hajumine, maksimaalne sisend- ja väljundpinge erinevus maksimaalse koormusvoolu korral, tühivooluvool, töötemperatuuri vahemik, kõik need parameetrid mõjutavad ühe või teine.stabilisaator teatud vooluringi jaoks.

Lineaarsete pingeregulaatorite omadused

Siin on tüüpilised ja kõige populaarsemad ahelad lineaarsete stabilisaatorite lisamiseks:

Kui on vaja suurendada fikseeritud väljundpingega lineaarse stabilisaatori väljundpinget, lisatakse ühisele klemmile järjestikku zeneri diood:

Lubatud väljundvoolu maksimeerimiseks ühendatakse stabilisaatoriga paralleelselt võimsam transistor, mis muudab mikroskeemi sees oleva reguleerimistransistori komposiittransistori osaks:

Kui on vaja voolu stabiliseerida, lülitatakse pinge stabilisaator sisse vastavalt järgmisele skeemile.

Sel juhul on takisti pingelang võrdne stabiliseerimispingega, mis põhjustab kõrge stabiliseerimispinge korral olulisi kadusid.Sellega seoses on sobivam valida madalaima võimaliku väljundpinge stabilisaator, näiteks KR142EN12 1,2 volti jaoks.