Doğrusal voltaj stabilizatörleri — amaç, temel parametreler ve anahtarlama devreleri

Belki de bugün, hiçbir elektronik kart en az bir sabit sabit voltaj kaynağı olmadan yapamaz. Ve çoğu zaman mikro devreler şeklindeki doğrusal voltaj regülatörleri bu tür kaynaklar olarak hizmet eder. Gerilimin bir şekilde yük akımına bağlı olduğu ve çeşitli nedenlerle biraz değişebildiği transformatörlü bir doğrultucunun aksine, entegre bir mikro devre - bir dengeleyici (regülatör), kesin olarak tanımlanmış bir aralıkta sabit bir voltaj sağlayabilir. yük akımları

Bu mikro devreler, sürekli olarak aktif modda çalışan alan etkili veya iki kutuplu transistörler temelinde inşa edilmiştir. Düzenleyici transistöre ek olarak, lineer stabilizatörün mikro devresinin kristaline bir kontrol devresi de kurulur.

Tarihsel olarak, bu tür stabilizatörleri mikro devreler şeklinde üretmek mümkün hale gelmeden önce, parametrelerin sıcaklık stabilitesi problemini çözme sorunu vardı, çünkü çalışma sırasında ısıtma ile mikro devre düğümlerinin parametreleri değişecektir.

Çözüm, 1967'de Amerikalı elektronik mühendisi Robert Widlar, düzenlenmemiş bir giriş voltajı kaynağı ile bir yük arasına bir düzenleyici transistörün bağlanacağı ve sıcaklık telafili referans voltajına sahip bir hata yükselticisinin mevcut olacağı bir dengeleyici devre önerdiğinde geldi. kontrol devresi. Sonuç olarak, lineer entegre stabilizatörlerin pazardaki popülaritesi hızla arttı.

Aşağıdaki fotoğrafa göz atın. Burada bir doğrusal voltaj regülatörünün (LM310 veya 142ENxx gibi) basitleştirilmiş bir diyagramı gösterilmektedir. Bu şemada, ters çevirmeyen bir negatif voltaj geri besleme işlemsel amplifikatör, çıkış akımını kullanarak, ortak bir toplayıcı - yayıcı takipçisi ile bir devreye bağlı düzenleyici transistör VT1'in kilit açma derecesini kontrol eder.

Op-amp'in kendisi, tek kutuplu bir pozitif voltaj biçimindeki giriş kaynağı tarafından desteklenmektedir. Ve negatif voltaj burada besleme için uygun olmasa da, op-amp'in besleme voltajı aşırı yük veya hasar korkusu olmadan sorunsuz bir şekilde iki katına çıkarılabilir.

Sonuç, derin negatif geri beslemenin, bu devrede değeri 30 volta ulaşabilen giriş voltajının dengesizliğini etkisiz hale getirmesidir. Bu nedenle, çip modeline bağlı olarak sabit çıkış voltajları 1,2 ila 27 volt arasında değişir.

Stabilizatör mikro devresinin geleneksel olarak üç pimi vardır: giriş, ortak ve çıkış.Şekil, bir referans voltajı elde etmek için bir mikro devrenin parçası olarak bir diferansiyel amplifikatörün tipik bir devresini göstermektedir. Zener diyot uygulandı.

Düşük voltaj regülatörlerinde, Widlar'ın ilk lineer entegre regülatörü olan LM109'da önerdiği gibi, voltaj referansı boşlukta elde edilir. R1 ve R2 dirençlerinin negatif geri besleme devresine, Uout = Uvd (1 + R2 / R1) formülüne göre çıkış voltajının referans voltajıyla basitçe orantılı olduğu ortaya çıkan bir bölücü kurulur.

Stabilizatöre yerleşik direnç R3 ve transistör VT2, çıkış akımını sınırlamaya hizmet eder, bu nedenle akım sınırlama direncindeki voltaj 0,6 volt'u aşarsa, o zaman transistör VT2 hemen açılır ve bu da ana kontrol transistörü VT1'in temel akımına neden olur. sınırlı. Dengeleyicinin normal çalışma modundaki çıkış akımının 0,6 / R3 ile sınırlı olduğu ortaya çıktı. Düzenleyici transistör tarafından dağıtılan güç, giriş voltajına bağlı olacak ve 0,6 (Uin - Uout) / R3'e eşit olacaktır.

Herhangi bir nedenle entegre stabilizatörün çıkışında bir kısa devre meydana gelirse, kristal üzerindeki dağılan güç, voltaj farkıyla orantılı ve direnç R3'ün direnciyle ters orantılı olarak eskisi gibi bırakılmamalıdır. Bu nedenle devre, çalışması Uin-Uout voltajındaki farka bağlı olarak akım koruma seviyesini ayarlayan koruyucu elemanlar - zener diyot VD2 ve direnç R5 içerir.

Yukarıdaki grafikte, maksimum çıkış akımının çıkış voltajına bağlı olduğunu görebilirsiniz, bu nedenle lineer stabilizatörün mikro devresi aşırı yükten güvenilir bir şekilde korunmaktadır.Uin-Uout voltaj farkı, zener diyot VD2'nin stabilizasyon voltajını aştığında, direnç R4 ve R5'in bölücüsü, transistör VT2'nin tabanında onu kapatmak için yeterli akım yaratacak ve bu da temel akım sınırına neden olacaktır. düzenleyici transistör VT1'in arttırılması.

ADP3303 gibi en yeni lineer regülatör modelleri, kristal 165 ° C'ye ısıtıldığında çıkış akımı keskin bir şekilde düştüğünde termal aşırı yük koruması ile donatılmıştır. Frekansı eşitlemek için yukarıdaki şemadaki kapasitör gereklidir.

Bu arada, kapasitörler hakkında. Mikro devrenin iç devrelerinin yanlış aktivasyonunu önlemek için entegre stabilizatörlerin girişine ve çıkışına minimum 100 nf kapasiteli kapasitörler bağlamak gelenekseldir. Bu arada, giriş ve çıkışta dengeleyici kapasitörler kurmaya gerek olmayan REG103 gibi kapaksız dengeleyiciler vardır.

Sabit çıkış voltajına sahip lineer stabilizatörlere ek olarak, stabilizasyon için ayarlanabilir çıkış voltajına sahip stabilizatörler de vardır. Bunlarda, R1 ve R2 dirençlerinin bölücüsü eksiktir ve VT4 transistörünün tabanı, 142EN4 çipinde olduğu gibi harici bir bölücüyü bağlamak için çipin ayrı bir ayağına getirilir.

LM317 gibi kontrol devresinin mevcut tüketiminin onlarca mikroampere düşürüldüğü daha modern stabilizatörlerin yalnızca üç pimi vardır.Adil olmak gerekirse, bugün TPS70151 gibi, birkaç ek pimin varlığı nedeniyle bağlantı kablolarına voltaj düşüşü koruması, yük boşaltma kontrolü vb. uygulamayı mümkün kılan yüksek hassasiyetli voltaj regülatörlerinin de bulunduğunu not ediyoruz. .

Yukarıda, ortak kabloya göre pozitif voltaj stabilizatörlerinden bahsettik. Negatif voltajları dengelemek için benzer şemalar da kullanılır, girişin çıkış voltajını yalnızca ortak noktadan galvanik olarak izole etmek yeterlidir. Çıkış pimi daha sonra ortak çıkış noktasına bağlanır ve negatif çıkış noktası, dengeleyici çipin ortak noktasına bağlı giriş eksi noktası olacaktır. 1168ENxx gibi negatif polarite voltaj regülatörleri çok kullanışlıdır.

Aynı anda iki voltaj (pozitif ve negatif polarite) elde etmek gerekiyorsa, bu amaçla aynı anda simetrik olarak stabilize pozitif ve negatif voltaj veren özel stabilizatörler vardır, sadece pozitif ve negatif giriş voltajları uygulamak yeterlidir girişlere. Böyle bir çift kutuplu stabilizatörün bir örneği KR142EN6'dır.

Yukarıdaki şekil bunun basitleştirilmiş bir diyagramıdır. Burada diferansiyel amplifikatör # 2, transistör VT2'yi çalıştırır, bu nedenle -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop eşitliği gözlenir. Ve amplifikatör #1, transistör VT1'i kontrol eder, böylece R2 ve R4 dirençlerinin birleşimindeki potansiyel sıfır kalır. Aynı zamanda R2 ve R4 dirençleri eşitse, çıkış voltajı (pozitif ve negatif) simetrik kalacaktır.

İki (pozitif ve negatif) çıkış voltajı arasındaki dengenin bağımsız olarak ayarlanması için, mikro devrenin özel pinlerine ek düzeltme dirençleri bağlayabilirsiniz.

Yukarıdaki doğrusal düzenleyici devrelerin en küçük voltaj düşüşü özelliği 3 volttur. Bu, pil veya pille çalışan cihazlar için oldukça fazladır ve genellikle voltaj düşüşünü en aza indirmek istenir. Bu amaçla, çıkış transistörü pnp tipi yapılır, böylece diferansiyel katın kollektör akımı, düzenleyici transistör VT1'in taban akımı ile eş zamanlı olur. Minimum voltaj düşüşü şimdi 1 volt mertebesinde olacaktır.

Negatif voltaj regülatörleri, minimum sarkma ile benzer şekilde çalışır. Örneğin 1170ENxx serisi regülatörler, yaklaşık 0,6 voltluk bir voltaj düşüşüne sahiptir ve 100 mA'e kadar olan yük akımlarında TO-92 kasasında yapıldığında aşırı ısınmaz. Stabilizatörün kendisi 1,2 mA'dan fazla tüketmez.

Bu tür stabilizatörler, düşük sarkma olarak sınıflandırılır. MAX8865 yongası gibi MOSFET tabanlı düzenleyicilerde (1 mA yonga akım tüketiminde yaklaşık 55 mV) daha da düşük voltaj düşüşü elde edilir.

Bazı sabitleyici modelleri, bekleme modundaki cihazların güç tüketimini azaltmak için kapatma pimleri ile donatılmıştır — bu pime bir mantık düzeyi uygulandığında, dengeleyicinin tüketimi neredeyse sıfıra düşürülür (hat LT176x).

Entegre lineer stabilizatörlerden bahsetmişken, özelliklerinin yanı sıra dinamik ve doğru parametreleri not ederler.

Doğruluk parametreleri stabilizasyon faktörü, çıkış voltajı ayar doğruluğu, çıkış empedansı ve voltaj sıcaklık katsayısıdır. Bu parametrelerin her biri belgelerde listelenmiştir; giriş voltajına ve kristalin mevcut sıcaklığına bağlı olarak çıkış voltajının doğruluğu ile ilgilidir.

Dalgalanma bastırma oranı ve çıkış empedansı gibi dinamik parametreler, farklı yük akımı ve giriş voltajı frekansları için ayarlanır.

Giriş voltajı aralığı, nominal çıkış voltajı, maksimum yük akımı, maksimum güç dağılımı, maksimum yük akımında maksimum giriş ve çıkış voltajı farkı, yüksüz akım, çalışma sıcaklık aralığı gibi performans özellikleri, tüm bu parametreler bir veya belirli bir devre için diğer.stabilizatör.

Lineer voltaj regülatörlerinin özellikleri

Lineer stabilizatörleri dahil etmek için tipik ve en popüler devreler şunlardır:

Sabit bir çıkış voltajına sahip bir lineer stabilizatörün çıkış voltajını artırmak gerekirse, ortak terminale seri olarak bir zener diyot eklenir:

İzin verilen çıkış akımını en üst düzeye çıkarmak için, dengeleyiciye paralel olarak daha güçlü bir transistör bağlanır ve mikro devre içindeki düzenleyici transistörü bir kompozit transistörün bir parçasına dönüştürür:

Akımı dengelemek gerekirse, voltaj dengeleyici aşağıdaki şemaya göre açılır.

Bu durumda direnç üzerindeki voltaj düşüşü, stabilizasyon voltajına eşit olacaktır ve bu, stabilizasyon voltajının yüksek olması durumunda önemli kayıplara yol açacaktır.Bu bakımdan 1.2 volt için KR142EN12 gibi mümkün olan en düşük çıkış voltajı için bir dengeleyici seçmek daha uygun olacaktır.