Линейный стабилизатор что это
Данные микросхемы строятся на основе полевых или биполярных транзисторов, непрерывно работающих в активном режиме. Кроме регулирующего транзистора, на кристалле микросхемы линейного стабилизатора установлена еще и схема управления им.
Исторически, прежде чем появилась возможность изготавливать такие стабилизаторы в виде микросхем, стоял вопрос о решении проблемы температурной стабильности параметров, ведь с нагревом в процессе работы, параметры узлов микросхемы изменялись бы.
Решение пришло в 1967 году, когда американский инженер-электронщик Роберт Видлар предложил такую схему стабилизатора, в которой регулировочный транзистор включался бы между источником нестабилизированного входного напряжения и нагрузкой, а в схеме управления присутствовал бы усилитель ошибки с термокомпенсированным источником опорного напряжения. В итоге популярность линейных интегральных стабилизаторов на рынке электронных компонентов взлетела до небес.
Взгляните на рисунок ниже. Здесь изображена упрощенная схема линейного стабилизатора напряжения (такого как например LM310 или 142ЕНхх). В данной схеме неинвертирующий операционный усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению, с помощью своего выходного тока управляет степенью отпирания регулирующего транзистора VT1, включенного по схеме с общим коллектором — эмиттерный повторитель.
Сам операционный усилитель получает питание от входного источника в форме однополярного положительного напряжения. И хотя отрицательное напряжение здесь для питания не подойдет, напряжение питания ОУ можно без проблем удвоить, не опасаясь перегрузки или пробоя.
Суть в том, что глубокая отрицательная обратная связь нивелирует нестабильность входного напряжения, величина которого в данной схеме может достигать 30 вольт. Так, фиксированные выходные напряжения варьируются от 1,2 до 27 вольт, в зависимости от модели микросхемы.
Микросхема стабилизатора традиционно имеет три вывода: вход, общий и выход. На рисунке приведена типичная схема дифференциального усилителя в составе микросхемы, где для получения опорного напряжения применен стабилитрон.
В низковольтных стабилизаторах опорное напряжение получают на ширине запрещенной зоны, как это и предложил впервые Видлар в своем первом линейном интегральном стабилизаторе LM109. В цепи отрицательной обратной связи установлен делитель на резисторах R1 и R2, посредством действия которого выходное напряжение оказывается как раз пропорциональным опорному в соответствии с формулой Uвых= Uvd(1 + R2/R1).
Встроенные в стабилизатор резистор R3 и транзистор VT2 служат для ограничения выходного тока, так что если напряжение на токоограничительном резисторе превысит 0,6 вольт, то транзистор VT2 мгновенно откроется, чем вызовет ограничение тока базы главного регулировочного транзистора VT1. Получается, что выходной ток в нормальном рабочем режиме стабилизатора ограничен величиной 0,6/R3. А рассеиваемая регулировочным транзистором мощность будет зависеть от входного напряжения, и окажется равна 0,6(Uвх — Uвых)/R3.
На приведенном графике можно видеть, что максимальный выходной ток зависит от напряжения выхода, таким образом микросхема линейного стабилизатора надежно защищена от перегрузки. Когда разность напряжений Uвх-Uвых превысит напряжение стабилизации стабилитрона VD2, делитель на резисторах R4 и R5 создаст в базе транзистора VT2 достаточный ток для его отпирания, что в свою очередь приведет к усилению ограничения тока базы регулировочного транзистора VT1.
Самые новые модели линейных стабилизаторов, такие как ADP3303, оснащены тепловой защитой от перегрузок, когда при нагреве кристалла до 165°С выходной ток резко снижается. Конденсатор на приведенной выше схеме необходим для частотной коррекции.
Кстати, о конденсаторах. Ко входу и выходу интегральных стабилизаторов принято подключать конденсаторы минимальной емкости 100нф, чтобы избежать ложного срабатывания внутренних цепей микросхемы. Между тем, существуют так называемые бесконденсаторные стабилизаторы (cap-free), наподобие REG103, для которых нет необходимости в установке стабилизирующих конденсаторов на входе и выходе.
Помимо линейных стабилизаторов с фиксированным напряжением выхода, встречаются и стабилизаторы с регулируемым выходным напряжением стабилизации. В них делитель на резисторах R1 и R2 отсутствует, а база транзистора VT4 выведена на отдельную ножку микросхемы для присоединения внешнего делителя, как например у микросхемы 142ЕН4.
Более совершенные стабилизаторы, у которых ток потребления схемы управления снижен до нескольких десятков микроампер, такие как LM317, имеют всего три вывода. Справедливости ради отметим, что встречаются сегодня и высокоточные регуляторы напряжения вроде TPS70151, которые благодаря наличию нескольких дополнительных выводов позволяют реализовать защиту от падения напряжения на соединительных проводах, управление отключением нагрузки и т. д.
Выше мы поговорили о стабилизаторах положительного, относительно общего провода, напряжения. Подобные схемы используются и для стабилизации отрицательных напряжений, достаточно лишь изолировать гальванически вывод входного напряжения от общей точки. Вывод выхода соединяется тогда с общей точкой выхода, а точка отрицательного выхода будет точкой минуса входа, соединенной с общей точкой микросхемы стабилизатора. Весьма удобны стабилизаторы напряжения отрицательной полярности наподобие 1168ЕНхх.
Если необходимо получить сразу два напряжения (положительной и отрицательной полярности), то и для этой цели существуют специальные стабилизаторы, дающие симметричные стабилизированные положительное и отрицательное напряжения одновременно, достаточно лишь подать на входы положительное и отрицательное входные напряжения. Примером такого двухполярного стабилизатора может служить КР142ЕН6.
Для независимой регулировки баланса между двумя (положительным и отрицательным) выходными напряжениями, можно подключить к специальным выводам микросхемы дополнительные подстроечные резисторы.
Наименьшее падение напряжения, характерное для приведенных выше схем линейных стабилизаторов, составляет 3 вольта. Это достаточно много для устройств, питаемых от аккумуляторов или батареек, и желательно вообще падение напряжения минимизировать. Для данной цели выходной транзистор делается pnp-типа, чтобы ток коллектора дифференциального каскада был бы одновременно базовым током регулирующего транзистора VT1. Минимальное падение напряжения теперь составит порядка 1 вольта.
Аналогичным образом работают стабилизаторы отрицательного напряжения с минимальным падением. К примеру, стабилизаторы серии 1170ЕНхх имеют на себе падение напряжения около 0,6 вольт, и не перегреваются будучи выполнены в корпусе ТО-92 при токах нагрузки до 100 мА. Сам стабилизатор расходует при этом не более 1,2 мА.
Подобные стабилизаторы относятся к категории low-drop. Еще меньшее падение напряжения достигнуто на стабилизаторах на базе МОП-транзисторов (порядка 55 мВ при токе потребления микросхемы 1 мА) вроде микросхемы MAX8865.
Некоторые модели стабилизаторов с целью снижения энергопотребления устройств в режиме ожидания оснащены выводами Shutdown – при подаче на этот вывод логического уровня — потребление стабилизатора снижается практически до нуля (линейка LT176x).
Говоря об интегральных линейных стабилизаторах, отмечают их эксплуатационные характеристики, а также динамические и точностные параметры.
Параметры точности — это коэффициент стабилизации, точность установления выходного напряжения, выходное сопротивление и температурный коэффициент напряжения. Каждый из этих параметров указан в документации, с ними связана точность выходного напряжения в зависимости от входного напряжения и от текущей температуры кристалла.
Динамические параметры, такие как коэффициент подавления пульсаций и полное выходное сопротивление задаются для различных частот изменения тока нагрузки и входного напряжения.
Вот типовые и наиболее популярные схемы включения линейных стабилизаторов:
Если необходимо повысить выходное напряжение линейного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением, к общему выводу добавляют последовательно стабилитрон:
Для повышения максимально допустимого выходного тока, параллельно стабилизатору включают более мощный транзистор, превращая регулировочный транзистор внутри микросхемы в часть составного транзистора:
При необходимости стабилизировать ток, стабилизатор напряжения включают по следующей схеме.
В этом случае падение напряжения на резисторе окажется равным напряжению стабилизации, что приведет к значительным потерям если напряжение стабилизации велико. В связи с этим более целесообразным станет выбор в пользу стабилизатора на возможно меньшее выходное напряжение, как КР142ЕН12 на 1,2 вольта.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Нужен стабилизатор тока? Используйте стабилизатор напряжения!
В данной статье показано, как линейные стабилизаторы напряжения могут быть полезны и в приложениях стабилизации тока.
Линейные стабилизаторы напряжения, также (несколько неточно) называемые LDO, являются одними из наиболее распространенных электронных компонентов. Например, LM7805 приобрел почти легендарный статус и непременно был бы включен в зал славы интегральных микросхем, если бы такой зал существовал. В примечании к применению от Texas Instruments хорошо сказано: микросхемы линейных стабилизаторов «настолько просты в использовании», что они настолько «надежны» и «недороги», что обычно являются одними из самых дешевых компонентов в проекте.
Действительно, линейные стабилизаторы удобны, эффективны и универсальны. И на самом деле они могут быть даже более универсальными, чем вы думаете. Схемы линейных стабилизаторов построены на использовании отрицательной обратной связи, как показано на следующей диаграмме, взятой из того же примечания к применению:
Рисунок 1 – Схема линейного стабилизатора напряжения
Отрицательная обратная связь – очень полезная вещь, особенно в сочетании с источником фиксированного тока, как в случае со стабилизатором напряжения LT3085 от Linear Tech. На следующей диаграмме показана внутренняя структура этого устройства.
Рисунок 2 – Схема взята из технического описания LT3085
В предыдущей статье (исследование преобразователя напряжения в ток) мы исследовали использование отрицательной обратной связи в преобразователях напряжения в ток, которые могут точно контролировать яркость светодиода. Если вы знакомы с этими методами, для вас не будет сюрпризом, что для получения стабилизированного тока мы можем использовать стабилизатор напряжения, такой как LT3085.
В данной статье мы рассмотрим простой светодиодный драйвер на базе LT3085.
Линейный стабилизатор против операционного усилителя
Прежде чем мы проанализируем саму схему, мы должны обсудить преимущества подхода с линейным стабилизатором для получения стабилизированного тока. Методы с операционным усилителем, представленные в предыдущих статьях, несомненно, эффективны, так зачем возиться с новым методом?
Вот некоторые моменты, которые следует учитывать:
LT3085 как стабилизатор напряжения
Давайте вкратце рассмотрим работу стабилизации напряжения LT3085. Эта информация поможет нам понять реализацию источника тока.
Ниже типовая конфигурация стабилизатора напряжения:
Рисунок 3 – Схема взята из технического описания LT3085
Источник тока (10 мкА) создает напряжение на Rнастр. Это напряжение появляется на неинвертирующем входе усилителя. Действие отрицательной обратной связи гарантирует, что напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе; другими словами, выходное напряжение равно напряжению на Rнастр. Выходной конденсатор необходим для обеспечения стабильности, а транзистор, подключенный к выходу усилителя, будет выглядеть очень знакомым, если вы читали мою статью «Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока».
От напряжения к току
Назначение стабилизатора напряжения – обеспечить неизменное выходное напряжение независимо от сопротивления нагрузки. Другими словами, идеальный стабилизатор будет выдавать напряжение, которое (например) равно 3,3 В при подключении к нагрузке 100 кОм и ровно 3,3 В при подключении к нагрузке 5 Ом. Что, конечно, меняется, так это ток нагрузки, который полностью определяется сопротивлением нагрузки (потому что напряжение на нагрузке не изменяется).
Что же произойдет, если мы дадим идеальному стабилизатору напряжения фиксированное сопротивление нагрузки? Если напряжение нагрузки не меняется и сопротивление нагрузки не меняется, и если закон Ома всё еще действует, то ток тоже не изменится.
Вуаля: источник тока.
На следующей диаграмме показано, как использовать LT3085 для решения задач, связанных с управлением светодиодами.
Рисунок 4 – Схема взята из технического описания LT3085
Вот как это работает:
Ток через светодиод можно изменить, изменив значение R1 или R2; как показано в следующем уравнении, ток через светодиод – это просто значение силы тока внутреннего источника тока, умноженное на отношение R1 к R2.
Я бы назвал это довольно удобной схемой: процесс проектирования чрезвычайно прост, и требуется лишь несколько компонентов. Если вы замените один из резисторов потенциометром, результатом станет высокоточный светодиодный драйвер с регулируемым током с широким диапазоном входных напряжений и защитой от перегрева, который может обеспечивать ток до 500 мА.
И, конечно, эта схема не ограничивается светодиодами; вы могли бы так же легко использовать ее, скажем, с резистивным нагревательным элементом. Это позволит вам, несмотря на колебания напряжения питания, генерировать постоянное тепло (потому что P = I 2 R).
Заключение
Мы обсудили простой, но высокопроизводительный источник тока на базе микросхемы стабилизатора напряжения от Linear Tech. Я предполагаю, что аналогичные схемы на стабилизаторах доступны и у других производителей.
Мне нравится всегда включать моделирование SPICE в статьи, но в данном случае это казалось действительно ненужным. Однако прежде чем я написал статью, я проверил, что в LTspice действительно есть компонент LT3085 (в папке » [PowerProducts] «). Поэтому, если вы захотите исследовать эту схему дальше, то сможете легко это сделать.
Линейный стабилизатор что это
Назначение и принцип работы
Принцип работы интегральных стабилизаторов понятен на примере последовательного компенсационного стабилизатора с применением операционного усилителя (рисунок LVR.2).
Опорное напряжение задается маломощным параметрическим стабилизатором на стабилитроне VDz. Выходное напряжение через резисторный делитель R1R2 сравнивается с опорным. Разность напряжений усиливается операционным усилителем, который управляет ключом, включенным последовательно с нагрузкой. Если выходное напряжение ниже заданного уровня – ключ приоткрывается, пропуская больше тока, соответственно падение напряжения на нем уменьшается. Если выходное напряжение становится больше некоторого уровня – ключ закрывается. Таким образом, осуществляется стабилизация выходного напряжения. Интегральные стабилизаторы напряжения работают по аналогичному принципу. Нестабильность выходного напряжения определяется, прежде всего, нестабильностью опорного напряжения параметрического стабилизатора.
Основная функция интегральных стабилизаторов напряжения:
— получение стабилизированного выходного напряжения в некотором диапазоне токов нагрузки.
Также интегральные стабилизаторы могут использоваться в качестве генераторов стабилизированного тока, при изменении схемы включения.
Сам принцип компенсационной стабилизации напряжения несет неизбежные потери энергии, поскольку избыточное напряжение, между входом и выходом стабилизатора умноженное на проходящий через него ток дает мощность рассеиваемую стабилизатором впустую, в тепло. Меньшими потерями характеризуются так называемые «low-drop» стабилизаторы (LDO Linear Regulators) имеющие малое падение напряжения на полностью открытом стабилизаторе.
Поэтому использование линейных интегральных стабилизаторов целесообразно в ряде случаев:
— если мощность потребляемая нагрузкой мала, например внутренние цепи питания управляющих микросхем;
— если необходим высокий коэффициент стабилизации и малые пульсации, например, при организации питания операционных усилителей, прецизионных измерительных схем, аудиофильских решений и т.д.;
— если необходимо обеспечить малые значения электромагнитного фона в окружающем пространстве, для обеспечения высокой ЭМС-совместимости;
— если не жалко энергии, много места для алюминиевого радиатора, и нужно сделать быстро;
— если нужна высокая надежность работы. Линейные стабилизаторы проще, содержат меньше элементов, а потому функционально надежнее импульсных.
Во всех прочих случаях целесообразно использовать импульсные стабилизаторы, обеспечивающие более эффективное преобразование энергии.
Некоторые интегральные стабилизаторы имеют встроенную защиту от короткого замыкания и перегрева.
Существуют стабилизаторы напряжения с фиксированным напряжением и регулируемые. У стабилизаторов с фиксированным напряжением величина выходного напряжения определяется самим стабилизатором. Для получения нужного выходного напряжения выбирают конкретный подтип стабилизатора. Выпускаются стабилизаторы со следующими фиксированными значениями выходного напряжения: 3,3 В, 5 В, 9 В, 12 В, 15 В и др.
Основные параметры интегральных стабилизаторов
5. Максимальный выходной ток Imax (Current Limit, Output Current) – максимальная величина выходного тока стабилизатора.
6. Ток покоя стабилизатора Iq (Quiescent Current) – ток, протекающий через 3-й («земляной», ADJ) вывод стабилизатора. Ток покоя равен разности входного и выходного токов стабилизатора.
8. Нестабильность выходного напряжения в зависимости от входного напряжения (Line Regulation) – показывает относительное изменение выходного напряжения, вызванное изменением напряжения на входе стабилизатора:
9. Нестабильность выходного напряжения в зависимости от нагрузки (Load Regulation) – показывает относительное изменение выходного напряжения вызванное изменением нагрузки;
11. Напряжение шума (Output Noise Voltage) – среднеквадратичная величина напряжения шумового сигнала на выходе стабилизатора (в диапазоне частот 10 Гц- 100 кГц) при условии отсутствия шума на входе и постоянном уровне напряжения;
12. Температурная нестабильность (Temperature Stability) – изменение выходного напряжения под действием температуры. Измеряется в % при изменении температуры от минимального до максимального значения.
13. Рассеиваемая мощность PD (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеиваемая корпусом интегрального стабилизатора. Определяется согласно температурным условиям эксплуатации в соответствии с выражением:
TJmax – максимальная температура кристалла стабилизатора;
RθJA – тепловое сопротивление «кристалл-корпус-окружающая среда»;
TA – температура окружающей среды.
Типовые схемы включения линейных стабилизаторов
Схема включения стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением
Электролитические конденсаторы необходимы для обеспечения стабильной работы схемы при быстрых изменениях входного напряжения или тока нагрузки (улучшения отклика). Минимальные величины емкости входного и выходного конденсаторов указываются в справочных листках на интегральные стабилизаторы. Вот значения емкостей конденсаторов для некоторых из них:
LT1083-1085: C1=10 мкФ, C2 = 150 мкФ (алюминиевый) или 22 мкФ (танталовый);
78xx: С1-0,33 мкФ неполярный (необходимо, если микросхема стабилизатора находится на значительном удалении от основного фильтра источника питания), С2 – 0,1 мкФ неполярный (необходимо для улучшения временного отклика);
78Lxx С1-0,33 мкФ неполярный (необходимо, если микросхема стабилизатора находится на значительном удалении от основного фильтра источника питания), С2 – 0,01 мкФ неполярный (необходимо для снижения высокочастотного шума).
Схема включения стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением
В схеме на основе регулируемого линейного стабилизатора (рисунок LVR.5) обеспечивается возможность регулировки выходного напряжения. Это осуществляется изменением коэффициента деления резисторного делителя R1R2. Выходное напряжение определяется по формуле:
Опорное напряжение VREF для большинства интегральных стабилизаторов, в том числе популярных стабилизаторов серии LM317, LT1083-LT1085 составляет 1,25 В.
Выбор величины резистора R1 обусловлен необходимостью обеспечения минимального тока через выход OUT стабилизатора при отключенной нагрузке IOUT_min :
Минимальная величина тока через выход OUT стабилизатора при отключенной нагрузке IOUT_min (Minimum Load Current) указывается в справочных листках. Для стабилизаторов серии LT1083-LT1085 она равна 10 мА и таким образом R1, равно 125 Ом. Реально типовое значение R1 – 100, 110 Ом или 120 Ом. Для серии LM317 типовым R1 является значение 240 Ом.
Типовой ток через вывод ADJ (Adjust Pin Current) IADJ указывается в справочных листках, но, как правило, он составляет достаточно малую величину. В большинстве практических случаев абсолютная погрешность расчета напряжения равная IADJ·R2 составляет менее 0,2 В. По этой причине второе слагаемое в вышеприведенной формуле можно не учитывать. Таким образом:
Откуда следует выражение для расчета R2:
Обвязка с помощью электролитических конденсаторов необходима для обеспечения стабильной работы схемы при быстрых изменениях входного напряжения или тока нагрузки. Для сглаживания пульсаций на выводе ADJ в схему можно включить конденсатор С3. Величина его емкости определяется исходя из частоты пульсаций с условием, что постоянная цепочки R1C3 будет больше половины периода пульсаций. Для LT1083/ LT1084/LT1085 при частоте пульсаций 50 Гц и R1 = 100 Ом минимальная величина С3 равна 100 мкФ.
Защита линейных стабилизаторов с помощью обратного диода
При нормальном режиме эксплуатации линейный стабилизатор не нуждается в дополнительных защитных элементах. Однако в случае больших значений выходной емкости C2 составляющей несколько тысяч мкФ резкое снижение входного напряжения (или короткое замыкание на выходе) способно вызвать бросок обратного тока через стабилизатор, что приведет к его выходу из строя. Для предотвращения этого в схему вводят защитный диод VD, подключенный между входом и выходом в обратном направлении (рисунок LVR.6). Диод может иметь сравнительно небольшой рабочий ток (порядка 1 А), но его кристалл должен выдерживать энергию, запасенную в выходном конденсаторе С2. При возникновении аварийной ситуации импульс тока пройдет через диод, и стабилизатор останется цел.
Для реализации функции защиты у большинства регулируемых стабилизаторов необходимо использовать два защитных диода (рисунок LVR.7).
Схема включения стабилизатора напряжения как стабилизатора тока
На рисунке LVR.8 представлена схема источника постоянного тока на интегральном стабилизаторе напряжения. Целесообразно использование регулируемого стабилизатора напряжения, поскольку опорное напряжение VREF для большинства регулируемых стабилизаторов составляет 1,25 В. Это обеспечит высокую эффективность схемы и малый уровень потерь.
Схема включения линейного стабилизатора с увеличением выходного тока и с защитой от короткого замыкания
На рисунке LVR.9 представлена схема включения линейного стабилизатора L78Lхх обеспечивающая увеличение выходного тока стабилизатора. Увеличение тока достигается за счет использования внешнего p-n-p транзистора, работающего в линейном режиме. Управление силовым транзистором осуществляется интегральным стабилизатором. Через транзистор протекает основная часть выходного тока. Защита от короткого замыкания обеспечивается самим интегральным стабилизатором L78Lхх.
Рисунок LVR.9 Схема включения с увеличением выходного тока и с защитой от короткого замыкания
Справочные данные и расчет максимального тока для популярных линейных стабилизаторов напряжения серий 78Lxx и 79Lxx
Интегральные стабилизаторы положительного напряжения 78Lxx
Тип | Напряжение стабилизации | Максимальный ток | Рекомендуемый диапазон входного напряжения |
78L05 | 5 | | 7-20 |
78L62 | 6,2 | | 8,5-20 |
78L82 | 8,2 | | 10,5-23 |
78L09 | 9 | | 11,5-24 |
78L12 | 12 | | 14,5-24 |
78L15 | 15 | | 17,5-30 |
Максимальная рассеиваемая мощность стабилизаторов серии 78lxx рассчитывается исходя из теплового сопротивления кристалл-воздух корпуса (Thermal Resistance, Junction-Air).
Так, при температуре воздуха 25° С и полагая максимальную рабочую температуру 125 ° С при нормальных условиях конвективного теплообмена получим максимальные рассеиваемые мощности Pmax для различных корпусов (по данным Fairchild Semiconductor)
Интегральные стабилизаторы отрицательного напряжения L79Lxx
Тип | Напряжение стабилизации | Максимальный ток | Рекомендуемый диапазон входного напряжения |
79L05 | -5 | | 7-20 |
79L06 | -6 | | 8,5-20 |
79L08 | -8 | | 10,5-23 |
79L09 | -9 | | 11,5-24 |
79L12 | -12 | | 14,5-24 |
79L15 | -15 | | 17,5-30 |
Максимальная рассеиваемая мощность стабилизаторов серии 78lxx рассчитывается исходя из теплового сопротивления кристалл-воздух корпуса (Thermal Resistance, Junction-Air).
Так, при температуре воздуха 25° С и полагая максимальную рабочую температуру 125 ° С при нормальных условиях конвективного теплообмена получим максимальные рассеиваемые мощности для различных корпусов (по данным справочных листов ON Semiconductors и STMicroelectronics)
* использовано значение теплового сопротивления (кристалл-корпус), применимо при хорошем теплоотводе.