Mga linear na stabilizer ng boltahe — layunin, pangunahing mga parameter at switching circuit

Marahil ngayon, walang electronic board ang magagawa nang walang kahit isang pinagmumulan ng pare-pareho ang pare-pareho ang boltahe. At madalas na ang mga linear na regulator ng boltahe sa anyo ng mga microcircuits ay nagsisilbing mga mapagkukunan. Hindi tulad ng isang rectifier na may isang transpormer, kung saan ang boltahe sa isang paraan o iba pa ay nakasalalay sa kasalukuyang pag-load at maaaring bahagyang mag-iba para sa iba't ibang mga kadahilanan, ang isang pinagsamang microcircuit - isang stabilizer (regulator) ay maaaring magbigay ng isang pare-pareho ang boltahe sa isang tiyak na tinukoy na hanay ng load currents.

Ang mga microcircuit na ito ay binuo batay sa field-effect o bipolar transistors, na patuloy na gumagana sa active mode. Bilang karagdagan sa regulating transistor, ang isang control circuit ay naka-install din sa kristal ng microcircuit ng linear stabilizer.

Sa kasaysayan, bago naging posible ang paggawa ng mga naturang stabilizer sa anyo ng mga microcircuits, nagkaroon ng tanong sa paglutas ng problema ng katatagan ng temperatura ng mga parameter, dahil sa pag-init sa panahon ng operasyon, magbabago ang mga parameter ng microcircuit node.

Ang solusyon ay dumating noong 1967, nang iminungkahi ng American electronics engineer na si Robert Widlar ang isang stabilizer circuit kung saan ang isang regulating transistor ay ikokonekta sa pagitan ng isang unregulated input voltage source at isang load, at isang error amplifier na may temperature-compensated reference voltage ay makikita sa ang control circuit. Bilang isang resulta, ang katanyagan ng mga linear integrated stabilizer sa merkado ay mabilis na tumalon.

Tingnan ang larawan sa ibaba. Ipinapakita dito ang isang pinasimple na diagram ng isang linear voltage regulator (tulad ng LM310 o 142ENxx). Sa scheme na ito, ang isang non-inverting negative-voltage feedback operational amplifier, gamit ang kasalukuyang output nito, ay kumokontrol sa antas ng pag-unlock ng regulating transistor VT1, na konektado sa isang circuit na may isang karaniwang kolektor - tagasunod ng emitter.

Ang op-amp mismo ay pinapagana ng input source sa anyo ng isang unipolar na positibong boltahe. At kahit na ang negatibong boltahe ay hindi angkop para sa supply dito, ang supply boltahe ng op-amp ay maaaring madoble nang walang mga problema, nang walang takot sa labis na karga o pinsala.

Ang konklusyon ay ang malalim na negatibong feedback ay neutralisahin ang kawalang-tatag ng input boltahe, ang halaga ng kung saan sa circuit na ito ay maaaring umabot sa 30 volts. Kaya, ang mga nakapirming boltahe ng output ay mula 1.2 hanggang 27 volts, depende sa modelo ng chip.

Ang stabilizer microcircuit ay tradisyonal na may tatlong pin: input, common at output.Ang figure ay nagpapakita ng isang tipikal na circuit ng isang differential amplifier bilang bahagi ng isang microcircuit upang makakuha ng isang reference na boltahe Inilapat ang Zener diode.

Sa mga regulator na mababa ang boltahe, ang sanggunian ng boltahe ay nakuha sa puwang, gaya ng unang iminungkahi ni Widlar sa kanyang unang linear integrated regulator, ang LM109. Ang isang divider ay naka-install sa negatibong feedback circuit ng mga resistors R1 at R2, sa pamamagitan ng pagkilos kung saan ang output boltahe ay lumalabas na proporsyonal lamang sa boltahe ng sanggunian alinsunod sa formula na Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Ang risistor R3 at transistor VT2 na nakapaloob sa stabilizer ay nagsisilbing limitahan ang kasalukuyang output, kaya kung ang boltahe sa kasalukuyang naglilimita sa risistor ay lumampas sa 0.6 volts, ang transistor VT2 ay magbubukas kaagad, na magiging sanhi ng base kasalukuyang ng pangunahing control transistor VT1 upang maging. limitado. Ito ay lumalabas na ang kasalukuyang output sa normal na mode ng pagpapatakbo ng stabilizer ay limitado sa 0.6 / R3. Ang kapangyarihang mawawala ng nagre-regulate na transistor ay depende sa input voltage at magiging katumbas ng 0.6 (Uin — Uout) / R3.

Kung sa ilang kadahilanan ang isang maikling circuit ay nangyayari sa output ng integrated stabilizer, kung gayon ang nawala na kapangyarihan sa kristal ay hindi dapat iwanang tulad ng dati, proporsyonal sa pagkakaiba ng boltahe at inversely proporsyonal sa paglaban ng risistor R3. Samakatuwid, ang circuit ay naglalaman ng mga elemento ng proteksiyon - zener diode VD2 at risistor R5, ang operasyon na nagtatakda ng antas ng kasalukuyang proteksyon depende sa pagkakaiba sa boltahe Uin -Uout.

Sa graph sa itaas, makikita mo na ang pinakamataas na kasalukuyang output ay nakasalalay sa boltahe ng output, kaya ang microcircuit ng linear stabilizer ay mapagkakatiwalaan na protektado mula sa labis na karga.Kapag ang pagkakaiba ng boltahe na Uin-Uout ay lumampas sa boltahe ng stabilization ng zener diode VD2, ang divider ng resistors R4 at R5 ay lilikha ng sapat na kasalukuyang sa base ng transistor VT2 upang patayin ito, na magiging sanhi ng limitasyon ng kasalukuyang base. upang madagdagan ang regulating transistor VT1.

Ang pinakabagong mga modelo ng mga linear regulator, tulad ng ADP3303, ay nilagyan ng thermal overload na proteksyon kapag ang kasalukuyang output ay bumaba nang husto kapag ang kristal ay pinainit sa 165 ° C. Ang kapasitor sa itaas na diagram ay kinakailangan upang equalize ang dalas.

Sa pamamagitan ng paraan, tungkol sa mga capacitor. Nakaugalian na ikonekta ang mga capacitor na may pinakamababang kapasidad na 100 nf sa input at output ng integrated stabilizers upang maiwasan ang maling pag-activate ng mga panloob na circuit ng microcircuit. Samantala, mayroong mga tinatawag na capless stabilizer, tulad ng REG103, kung saan hindi na kailangang mag-install ng mga stabilizing capacitor sa input at output.

Bilang karagdagan sa mga linear stabilizer na may nakapirming output boltahe, mayroon ding mga stabilizer na may adjustable na output boltahe para sa stabilization. Sa kanila, ang divider ng resistors R1 at R2 ay nawawala, at ang base ng transistor VT4 ay inilabas sa isang hiwalay na binti ng chip para sa pagkonekta sa isang panlabas na divider, tulad ng sa 142EN4 chip.

Ang mas modernong mga stabilizer, kung saan ang kasalukuyang pagkonsumo ng control circuit ay nabawasan sa ilang sampu ng microamps, tulad ng LM317, ay mayroon lamang tatlong pin.Upang maging patas, tandaan namin na ngayon ay mayroon ding mga high-precision na regulator ng boltahe tulad ng TPS70151, na, dahil sa pagkakaroon ng maraming karagdagang mga pin, ginagawang posible na mag-aplay ng proteksyon sa pagbaba ng boltahe sa mga wire sa pagkonekta, kontrol sa paglabas ng pagkarga, atbp. .

Sa itaas napag-usapan namin ang tungkol sa mga positibong stabilizer ng boltahe, na nauugnay sa karaniwang wire. Ang mga katulad na scheme ay ginagamit din upang patatagin ang mga negatibong boltahe, sapat lamang na galvanically ihiwalay ang output boltahe ng input mula sa karaniwang punto. Ang output pin ay pagkatapos ay konektado sa karaniwang output point, at ang negatibong output point ay ang input minus point na konektado sa karaniwang punto ng stabilizer chip. Ang mga negatibong polarity voltage regulator tulad ng 1168ENxx ay napaka-maginhawa.

Kung kinakailangan upang makakuha ng dalawang boltahe nang sabay-sabay (positibo at negatibong polarity), kung gayon para sa layuning ito mayroong mga espesyal na stabilizer na nagbibigay ng isang simetriko na nagpapatatag na positibo at negatibong boltahe sa parehong oras, sapat lamang na mag-aplay ng positibo at negatibong mga boltahe ng input. sa mga input. Ang isang halimbawa ng naturang bipolar stabilizer ay ang KR142EN6.

Ang figure sa itaas ay isang pinasimple na diagram nito. Dito, ang differential amplifier # 2 ay nagtutulak sa transistor VT2, kaya ang pagkakapantay-pantay -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop ay sinusunod. At kinokontrol ng amplifier #1 ang transistor VT1 upang ang potensyal sa junction ng resistors R2 at R4 ay nananatiling zero. Kung sa parehong oras ang mga resistors R2 at R4 ay pantay, kung gayon ang output boltahe (positibo at negatibo) ay mananatiling simetriko.

Para sa independiyenteng pagsasaayos ng balanse sa pagitan ng dalawang (positibo at negatibo) na mga boltahe ng output, maaari mong ikonekta ang mga karagdagang trimming resistors sa mga espesyal na pin ng microcircuit.

Ang pinakamaliit na katangian ng pagbaba ng boltahe sa itaas na mga linear na regulatory circuit ay 3 volts. Ito ay medyo marami para sa baterya o mga aparatong pinapagana ng baterya at sa pangkalahatan ay kanais-nais na mabawasan ang pagbaba ng boltahe. Para sa layuning ito, ang output transistor ay ginawang pnp type upang ang collector current ng differential stage ay sabay-sabay sa base current ng regulating transistor VT1. Ang pinakamababang pagbaba ng boltahe ay nasa 1 volt na ngayon.

Ang mga negatibong regulator ng boltahe ay gumagana sa isang katulad na paraan na may kaunting pagbagsak. Halimbawa, ang mga regulator ng serye ng 1170ENxx ay may pagbaba ng boltahe na humigit-kumulang 0.6 volts at hindi nag-overheat kapag ginawa sa TO-92 case sa load currents hanggang 100 mA. Ang stabilizer mismo ay kumonsumo ng hindi hihigit sa 1.2 mA.

Ang mga naturang stabilizer ay inuri bilang mababang droop. Kahit na ang mas mababang pagbaba ng boltahe ay nakakamit sa MOSFET-based regulators (mga 55 mV sa 1 mA chip current consumption) tulad ng MAX8865 chip.

Ang ilang modelo ng stabilizer ay nilagyan ng mga shutdown pin upang bawasan ang pagkonsumo ng kuryente ng mga device sa standby mode — kapag ang isang logic level ay inilapat sa pin na ito, ang pagkonsumo ng stabilizer ay nababawasan sa halos zero (linya LT176x).

Sa pagsasalita tungkol sa integral linear stabilizer, napapansin nila ang kanilang mga katangian, pati na rin ang mga dynamic at tumpak na mga parameter.

Ang mga parameter ng katumpakan ay stabilization factor, katumpakan ng setting ng boltahe ng output, impedance ng output at koepisyent ng temperatura ng boltahe. Ang bawat isa sa mga parameter na ito ay nakalista sa dokumentasyon; ang mga ito ay may kaugnayan sa katumpakan ng output boltahe depende sa input boltahe at ang kasalukuyang temperatura ng kristal.

Ang mga dynamic na parameter tulad ng ripple suppression ratio at output impedance ay nakatakda para sa iba't ibang frequency ng load current at input voltage.

Mga katangian ng pagganap tulad ng saklaw ng boltahe ng input, na-rate na boltahe ng output, kasalukuyang maximum na load, maximum na pagwawaldas ng kuryente, maximum na pagkakaiba ng input at output boltahe sa pinakamataas na kasalukuyang load, kasalukuyang walang load, saklaw ng operating temperatura, lahat ng mga parameter na ito ay nakakaapekto sa pagpili ng isa o ang isa.stabilizer para sa isang tiyak na circuit.

Mga katangian ng linear voltage regulators

Narito ang mga tipikal at pinakasikat na circuit para sa pagsasama ng mga linear stabilizer:

Kung kinakailangan upang madagdagan ang output boltahe ng isang linear stabilizer na may isang nakapirming output boltahe, isang zener diode ay idinagdag sa serye sa karaniwang terminal:

Upang ma-maximize ang pinahihintulutang kasalukuyang output, ang isang mas malakas na transistor ay konektado sa parallel sa stabilizer, na ginagawang isang bahagi ng isang composite transistor ang regulating transistor sa loob ng microcircuit:

Kung kinakailangan upang patatagin ang kasalukuyang, ang boltahe stabilizer ay naka-on ayon sa sumusunod na pamamaraan.

Sa kasong ito, ang pagbaba ng boltahe sa risistor ay magiging katumbas ng boltahe ng pagpapapanatag, na hahantong sa mga makabuluhang pagkalugi kung mataas ang boltahe ng pagpapapanatag.Kaugnay nito, mas angkop na pumili ng stabilizer para sa pinakamababang posibleng output boltahe, tulad ng KR142EN12 para sa 1.2 volts.