Как работает линейный регулятор напряжения. Какие бывают типы и схемы линейных стабилизаторов. Где применяются линейные регуляторы напряжения в электронике. Преимущества и недостатки по сравнению с импульсными регуляторами.
Что такое регулятор напряжения
Регулятор напряжения — это устройство или схема, обеспечивающая постоянное выходное напряжение постоянного тока при изменениях входного напряжения или нагрузки. Это важнейшая часть многих электронных устройств, выполняющая роль буфера для защиты компонентов от повреждений. В зависимости от конструкции регулятор может стабилизировать как переменное, так и постоянное напряжение.
Основные типы регуляторов напряжения:
- Линейные регуляторы напряжения
- Импульсные регуляторы напряжения
Оба типа выполняют функцию стабилизации напряжения, но линейные регуляторы работают с меньшей эффективностью по сравнению с импульсными.
Из каких основных частей состоит регулятор напряжения?
Регулятор напряжения обычно включает в себя три ключевых компонента:
- Цепь обратной связи
- Источник опорного напряжения
- Управляющий элемент (проходной транзистор)
Принцип работы линейного регулятора напряжения
Линейный регулятор напряжения — это устройство, которое используется для поддержания постоянного уровня напряжения. Он работает по принципу переменного сопротивления, автоматически подстраивающегося для поддержания постоянного напряжения на выходе.
Основные компоненты линейного регулятора:
- Проходной элемент (транзистор)
- Схема управления
- Источник опорного напряжения
- Цепь обратной связи
Проходной транзистор работает в активном режиме, действуя как переменный резистор. Схема управления сравнивает выходное напряжение с опорным и регулирует сопротивление транзистора для поддержания постоянного напряжения на выходе.
Типы линейных регуляторов напряжения
1. Последовательный регулятор
Это наиболее распространенный тип. Проходной элемент включен последовательно с нагрузкой. Преимущества:
- Простота схемы
- Низкий уровень пульсаций
- Хорошая стабилизация
Недостаток — низкий КПД из-за рассеивания мощности на проходном элементе.
2. Параллельный регулятор
Проходной элемент подключен параллельно нагрузке. Преимущества:
- Защита от короткого замыкания
- Возможность работы с малыми токами нагрузки
Недостаток — постоянное потребление тока даже без нагрузки.
3. Низковольтный регулятор (LDO)
Работает при малой разнице между входным и выходным напряжением. Преимущества:
- Высокий КПД
- Малые габариты
- Низкое падение напряжения
Схемы линейных регуляторов напряжения
Простейшая схема на стабилитроне
Простейший линейный регулятор можно реализовать с помощью стабилитрона и резистора. Стабилитрон поддерживает постоянное напряжение на своих выводах. Недостатки такой схемы:
- Низкая нагрузочная способность
- Плохая стабилизация при изменении входного напряжения
Схема с эмиттерным повторителем
Добавление транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя, позволяет увеличить нагрузочную способность. Транзистор работает как усилитель тока.
Схема с обратной связью
Введение цепи обратной связи позволяет улучшить стабилизацию выходного напряжения. Часть выходного напряжения через делитель подается на вход схемы управления для сравнения с опорным напряжением.
Схема с операционным усилителем
Использование операционного усилителя в цепи управления позволяет значительно улучшить характеристики регулятора:
- Повышается коэффициент стабилизации
- Уменьшаются пульсации выходного напряжения
- Улучшается температурная стабильность
Применение линейных регуляторов напряжения
Линейные регуляторы напряжения широко используются в различных электронных устройствах:
- Бытовая электроника (телевизоры, аудиосистемы)
- Компьютерная техника
- Мобильные устройства
- Автомобильная электроника
- Измерительное оборудование
- Медицинская техника
Они применяются везде, где требуется стабильное питающее напряжение для электронных схем.
Преимущества и недостатки линейных регуляторов
Преимущества:
- Простота схемы
- Низкий уровень шумов и пульсаций
- Быстрый отклик на изменение нагрузки
- Отсутствие высокочастотных помех
Недостатки:
- Низкий КПД (особенно при большой разнице входного и выходного напряжений)
- Значительное тепловыделение
- Невозможность повышения напряжения
Сравнение с импульсными регуляторами
По сравнению с импульсными регуляторами, линейные имеют следующие особенности:
- Более низкий КПД
- Меньший уровень электромагнитных помех
- Более простая схема
- Лучшие шумовые характеристики
- Меньшие габариты при малой мощности
Выбор между линейным и импульсным регулятором зависит от конкретного применения и требований к устройству.
Заключение
Линейные регуляторы напряжения остаются важным элементом многих электронных устройств, несмотря на меньшую эффективность по сравнению с импульсными. Их простота, надежность и хорошие шумовые характеристики обеспечивают широкое применение в различных областях электроники. Понимание принципов работы и особенностей линейных регуляторов позволяет разработчикам выбирать оптимальные решения для конкретных задач.
Простой регулятор мощности на тиристорах
| Схема регулятора мощности |
Устройство на схеме предназначено для регулирования мощности в
нагрузке. Способ регулирования путём
изменение числа периодов подаваемого на нагрузку питающего напряжения, число полупериодов всегда остается
чётным, что исключает появление постоянной составляющей потребляемого
тока. Всё это позволяет подключать нагрузку большой мощности.
Питание низковольтной части регулятора выполнено на бестрансформаторной основе, через балластный
конденсатор С1. Резистор R1 ограничивает ток через диодный
мост VD2—VD5 при включении устройства в
сеть, чем повышается надёжность. Ограниченное по амплитуде балластным
конденсатором С1 и выпрямленное диодным мостом VD2—VD5 напряжение
стабилизируется цепью HL1VD6 на уровне 9…9,5 В. Конденсатор С2 отфильтровывает низкочастотную составляющую
выпрямленного напряжения, СЗ уменьшает высокочастотные составляющие и
коммутационные помехи, возникающие при работе компараторов и цифровой
микросхемы, чем предотвращает возможные сбои при работе устройства. На DA1.1 выполнен формирователь тактовых импульсов. Резисторы R2, R3
выполняют ещё одну функцию — через них разряжается конденсатор С1 после
отключения от сети, чем повышается электробезопасность устройства.
Стабилитрон VD1 ограничивает амплитуду напряжения на резисторе R3 на
безопасном для DA1.1 уровне. При включении в сеть на резисторе
R3 образуются импульсы напряжения частотой 50 Гц.
Конденсатор С1 — плёночный помехоподавляющий (заменим двумя включёнными последовательно конденсаторами К73-17 ёмкостью 0,47мк с номинальным напряжением 630 В), С2 — оксидный, СЗ — керамический любого типа. Резисторы R1 и R2 — МЛТ-0,5. Резисторы такой мощности рассеяния выбраны из соображений электрической прочности, так как к ним прикладывается амплитудное напряжение сети, а это свыше 300 В.
Остальные
резисторы — любых типа и мощности рассеяния. Переменный резистор R19 —
проволочный ППЗ-40, но можно применить и не проволочный СП или СПО
сопротивлением 15…51 кОм. Стабилитроны VD1 и VD6 могут быть любого типа (первый с напряжением
стабилизации в пределах 3…6 В, а второй — 6…7,5 В). Светодиоды HL1 и
HL2 — любые красного или зелёного цвета свечения, главное чтобы их
прямое падение напряжения не превышало 1,7…2 В. Симистор оптопары U1
должен включаться при токе через излучающий диод не более 10 мА, а
допускаемое напряжение на закрытом симисторе должно быть не менее 400 В.
Этим требованиям отвечают приборы МОС3042, МОС3043, МОС3062, МОС3063,
МОС3082, МОС3083. Максимальная мощность нагрузки описываемого регулятора — 4 кВт, поэтому
тиристоры установлены на пластинчатых теплоотводах с площадью
охлаждающей поверхности 150 см2 каждый.Простой регулятор мощности — RadioRadar
Основное преимущество регуляторов мощности, в которых коммутация тринисторов происходит в момент перехода сетевого напряжения через нуль — малый уровень помех.
Для упрощения схемы в этих регуляторах применяют ступенчатое регулирование выходной мощности.
В описанном ниже устройстве в качестве регулирующего элемента использован переменный резистор. Число ступеней регулирования можно изменять от четырех до шестнадцати с дискретностью соответственно от 25 до 6,25%. Минимум коммутационных помех во всем диапазоне регулирования мощности обеспечивает включение тринистора при мгновенном напряжении сети около 5 В.
Принципиальная схема регулятора мощности на восемь ступеней (т.е. с дискретностью 12,5%) изображена на рис. 1, временные диаграммы — на рис. 2 Импульсы частотой следования 100 Гц формируют из сетевого напряжения диодный мост VD5…VD8, цепь R4VD3R3 и элемент DD2.1, а делитель частоты DD1 понижает ее до 12,5 Гц. Для изменения дискретности регулирования нужно увеличить (или уменьшить) коэффициент деления делителя и во столько же раз соответственно изменить величину емкости С1.
Рис.1. Принципиальная схема регулятора мощности
Рис.
2. Временные диаграммы
Импульсы с делителя переключают RS-триггер на элементах DD2.2, DD2.3. Напряжение на выводе 6 элемента DD2.3 будет возрастать по экспоненциальному закону. При появлении единичного сигнала на этом выводе триггер установится в нулевое состояние (на выводе 4 элемента DD2.3 — сигнал 0). На выводе 10 элемента DD2.4 будет сигнал высокого уровня, который откроет транзистор VT1 и тринистор VS1. Переключение RS-тригера в нулевое состояние будет происходить в момент перехода сетевого напряжения через нуль. При появлении единичного напряжения на выводе 5 счетчика DD1 через цепь R1VD2R2 начинает заряжаться конденсатор С1. При появлении сигнала низкого уровня на выходе счетчика DD1 конденсатор С1 начинает разряжаться через цепь R2-VD1-R1. Напряжение на входе элемента DD2.3 уменьшается, и когда оно станет меньше порогового, триггер перестанет переключаться. Таким образом, регулируя резистором R2 соотношение скорости зарядки и разрядки конденсатора С1, изменяют число импульсов, поступающих на базу транзистора VT1, тем самым, регулируя мощность в нагрузке от нуля (движок резистора R2 в верхнем по схеме положении) до 100% (движок в нижнем положении).
По спаду импульса на выводе 6 элемента DD2.3 RS-триггер возвращается в исходное состояние, и транзистор VT1 закрывается. Тринистор VS1 закроется тогда, когда ток нагрузки станет меньше тока удержания тринистора, т.е. в момент, близкий к переходу сетевого напряжения через нуль.
В устройстве использованы резисторы МЛТ-0,125, R2 — СП-1. Резистор R4 составляют из четырех параллельно включенных резисторов МЛТ-2. Конденсатор С1 — КМ-5б, С2 — К50-16. Диоды VD5… VD8 — кремниевые с обратным напряжением не менее 300 В и средним прямым током 10 А. Печатная плата устройства изображена на рис. 3.
Рис.3. Печатная плата регулятора
Процесс настройки можно контролировать по лампе накаливания, включенной на выход устройства. Однако необходимо учесть, что для 4-, 8- и 16-ступенчатых регуляторов частота коммутации тока в нагрузке составит 25, 12.5, 6.25 Гц соответственно, поэтому в качестве нагрузки можно использовать лишь устройства с близкой тепловой инерцией (паяльники, электроплиты и т.
п.)
Автор: С. ЗОЛОТАРЕВ, г. Добруш
Рассмотрены простые схемы регуляторов напряжения и тока
В этой статье мы анализируем некоторые важные схемы регуляторов напряжения с использованием дискретных компонентов, таких как транзисторы, стабилитроны, резисторы и т. д. Эти регуляторы очень гибки благодаря своим конструктивным характеристикам и могут быть настроены для создания любых уровень постоянного напряжения и постоянного тока, по желанию.
Что такое регулятор
Основная функция схемы регулятора постоянного тока — генерировать фиксированное и постоянное напряжение и ток на определенных заданных уровнях. Таким образом, регулятор используется в источнике питания для поддержания выходного напряжения или тока в определенных фиксированных пределах.
Также рекомендуется для вас: Схемы регулятора напряжения с использованием транзистора и стабилитрона выходное напряжение или ток не зависят от нагрузки.
Эти источники должны были бы быть в состоянии производить бесконечное количество энергии, и они, очевидно, просто существовали бы только в теории.
Когда требуется действительно чистый источник постоянного тока, часто становятся полезными линейные стабилизаторы, поскольку они производят меньший шум, пульсации и лучшее управление. Эти стабилизаторы, как правило, представляют собой устройства с тремя клеммами (вход, общая земля и выход), поэтому требуется лишь несколько внешних компонентов (для популярных микросхем регуляторов серий 7800 и 7900 требуется всего пара конденсаторов емкостью от 0,01 мкФ до 1 мкФ, и только при определенных условиях.)
Эти регуляторы могут буквально демонстрировать регулирование намного ниже 1%, а также обеспечивать значительное ограничение тока и встроенную функцию предотвращения отказов. Существуют также импульсные стабилизаторы и микросхемы преобразователей напряжения, которым действительно требуется очень мало внешних конденсаторов и ничего больше.
Эти недорогие регуляторы и преобразователи делают возможным и простым обеспечение дискретных цепей напряжениями, которые не могут быть поданы через основной источник питания системы. Такие конфигурации часто позволяют избежать ограничений по питанию, предоставляя большую свободу проектирования.
Простейший регулятор
В простейшем регуляторе используется устройство с двумя выводами, такое как стабилитрон, с характеристикой поддержания постоянного напряжения на нем. На рисунке 1 ниже показана базовая схема.
Зенеровские диоды могут быть соединены последовательно в любой конфигурации для получения еще более высоких напряжений. Должен быть встроен токоограничивающий (балластный) резистор, поскольку эти устройства будут пытаться поддерживать постоянное напряжение на клеммах, вытягивая любой ток, доступный от источника питания.
Эффективность важна.
Полное сопротивление регулирующего устройства может быть очень низким, и оно может быстро потреблять катастрофические количества тока при отсутствии ограничительного резистора и выйти из строя.
Поэтому для стабилитрона необходим ограничительный резистор. Поскольку регулирующий компонент шунтирован поперек нагрузки, этот тип схемы стабилитрона (рис. 1) часто называют стабилизатором шунтирующего типа.
Этот метод очень хорошо работает для приложений с низким энергопотреблением, когда требуется ток всего в несколько миллиампер, а регулирования (% изменения напряжения или тока при различных нагрузках) достаточно всего на несколько процентов.
Поскольку весь ток, протекающий через ограничительный резистор, представляет собой сумму тока нагрузки и тока регулятора, необходимого для поддержания напряжения, эффективность часто бывает низкой, особенно при малых нагрузках.
Большой ток может проходить через регулятор при отключении или изменении нагрузки. Хотя это не проблема для крошечных схем, таких как схема генератора , которая потребляет всего несколько миллиампер, это может быть проблемой в схеме, такой как крошечное цифровое устройство, для которого может потребоваться около 1 ампера при 5 вольтах.
В некоторых случаях (светодиодные индикаторы, выключатели) система может потреблять менее 50 миллиампер в режиме ожидания и 1 ампер в активном режиме. В таких случаях стабилизатор на стабилитроне будет крайне неэффективен, так как ему придется пропускать примерно 1 А через стабилитрон, пока система простаивает и, следовательно, не потребляет свой рабочий ток.
В таком сценарии, если входное напряжение составляло 12 вольт, эффективность стабилизатора 12 В на 5 В могла бы быть крайне низкой из-за наличия постоянной нагрузки более 1 ампера на источнике 12 вольт, даже если нагрузка на 5 сторона питания вольта была маленькой.
Это эквивалентно 12 Вт или даже больше выделению тепла, что является крайне неэффективным условием.
Простым решением является использование активного регулятора, который может не потреблять столько тока для работы.
Следует, однако, отметить, что всегда будет некоторая потеря напряжения на регуляторе. Поскольку схема регулятора представляет собой усилитель, для ее работы требуется некоторое напряжение.
Напряжение база-эмиттер проходного транзистора составляет от 0,6 до 0,7 вольт, и в резисторах смещения будут некоторые потери напряжения. Входное напряжение должно быть постоянно как минимум на 2–5 вольт выше максимального ожидаемого выходного напряжения; он никогда не должен опускаться ниже этого уровня, иначе это повлияет на управление выходом.
Это минимальное напряжение должно всегда поддерживаться при минимальном входном линейном напряжении при полной нагрузке. Ниже этого порога мгновенные изменения из-за пульсаций входного питания, переходных процессов нагрузки и т. д. приведут к потере регулирования («пропаданию»).
Регулятор с использованием транзисторного эмиттерного повторителя
На рис. 2 ниже транзистор эмиттерного повторителя используется для минимизации тока, потребляемого устройством регулятора. На стабилитрон поступает 10 или 20 мА. Это напряжение подается на базу транзистора, который называется «проходным» транзистором, поскольку он предназначен для прохождения тока нагрузки.
Это может быть мощный транзистор, рассчитанный на многоамперный ток.
Ток нагрузки состоит из тока коллектора, составляющего основную часть тока, и тока базы. Ток базы равен току коллектора, деленному на коэффициент усиления транзистора по постоянному току (или бета, которая обычно равна 50).
Предполагая, что транзистор имеет усиление по току β, равное 50, и ток нагрузки 1 ампер, ток коллектора можно рассчитать, как указано ниже
Ток коллектора = β/(β+1) = 1 ампер или 50/51 ампер.
Базовый ток можно рассчитать по следующей формуле:
Базовый ток = 1/(β +1) или 1/51 ампер.
Это несколько меньше 20 миллиампер. На рис. 2 выше показана базовая конструкция регулятора.
Использование транзистора Дарлингтона с проходным транзистором
На рисунке 3 ниже показано, как можно использовать вспомогательный транзистор в качестве промежуточного каскада, если проходной транзистор является устройством с очень высоким током и низким значением hFE.
Промежуточный транзистор сконфигурирован как пара Дарлингтона с проходным транзистором, что значительно увеличивает коэффициент усиления по току, а также повышает его способность передавать ток.
Следует отметить, что при отсутствии нагрузки единственным током, потребляемым схемой, является ток только стабилитрона.
Создание регулируемого регулятора
Также можно присоединить переменный резистор или потенциометр к стабилитрону, и если вы подсоедините движок потенциометра к базе транзистора, вы можете получить переменное выходное напряжение, как показано на рис. Рис. 4 ниже.
Проблема с этой схемой в том, что она не лучше (на самом деле, несколько хуже), чем стабилитрон в качестве регулятора. Не существует системы, гарантирующей, что выходное напряжение на нагрузке остается постоянным.
Кроме того, падение напряжения между базой и эмиттером проходного транзистора приводит к небольшому снижению выходного напряжения (обычно от 0,6 до 0,7 В на транзистор).
Если потенциометр используется для изменения выходного напряжения, вы можете обнаружить дополнительные потери из-за сопротивления потенциометра.
Это сопротивление приводит к снижению регулирования. Регулятор не может узнать, упало ли выходное напряжение. Что действительно необходимо, так это средство для измерения выходного напряжения, сравнения его с заданным эталоном и автоматического изменения выходного напряжения на соответствующее значение.
Это требует использования механизма обратной связи для регулирования выходного напряжения. С еще несколькими элементами мы покажем вам действительно простой способ добиться этого.
Регулятор с обратной связью для повышения точности выходного сигнала
На рис. 5 ниже показан очень простой регулятор с обратной связью, в котором выходное напряжение имеет некоторый контроль над своим точным уровнем. R1 и R2 образуют делитель напряжения, который измеряет выходное напряжение и посылает его на базу транзистора Q1.
Падение напряжения на стабилитроне D1 удерживает на эмиттере транзистора Q1 заданное и регулируемое напряжение.
Ток смещения от R3 и ток эмиттера от Q1 вызывают этот провал.
Это падение создается током смещения R3 и током эмиттера Q1.
Если выходное напряжение падает, транзистор Q1 отключается, позволяя меньшему току течь через резистор смещения R4. Напряжение на коллекторе увеличится, увеличивая напряжение на базе проходного транзистора Q2 и, следовательно, на эмиттере Q2, который, как правило, является выходным выводом регулятора питания.
Это увеличение напряжения будет отправлено на базу Q1, компенсируя первоначальный провал. Общее воздействие приведет к повышению стабильности выходного напряжения.
100% Совершенство невозможно
Эта настройка, однако, не идеальна. Схема регулятора представляет собой усилитель с обратной связью с ограниченным коэффициентом усиления. Поскольку усиление по напряжению в основном обеспечивается Q1, схема может иметь чистое усиление по напряжению без обратной связи, которое может составлять около 20-100, в зависимости от усиления Q1, нагрузки источника питания, импеданса стабилитрона и других параметров.
Усиление контура можно определить как произведение общего усиления на коэффициент обратной связи.
В этой ситуации коэффициентом обратной связи является отношение R2 /(R1 + R2). При прочих равных, чем больше коэффициент усиления контура, тем лучше регулирование. На самом деле эта схема будет предлагать улучшение регулирования в 10 или более раз по сравнению с более ранними схемами. Однако эта схема имеет определенные ограничения, некоторые из которых следующие:
- В Q1 выходное напряжение не может быть ниже, чем напряжение стабилитрона + потери база-эмиттер.
- Нет ограничения тока или защиты от короткого замыкания. Поскольку на резисторе R4 всегда будет потеря напряжения, максимальное регулируемое выходное напряжение ограничено.
- Поскольку коэффициент обратной связи R2 /(R1 + R2) снижается с увеличением выходного напряжения, регулирование постепенно ухудшается.
- Поскольку часть токов смещения (через R3 и R4) возникает с нерегулируемой стороны, на выход будут влиять колебания входного напряжения, что ухудшит регулирование.
Эти проблемы могут быть решены путем настройки схемы и установки нескольких дополнительных компонентов. Первую проблему можно решить с помощью низковольтного стабилитрона, хотя самые надежные стабилитроны рассчитаны примерно на 5–8 вольт.
Можно использовать вторичную плавающую цепь источника питания для подачи напряжения ниже (отрицательного) заземления и переключения R2 на отрицательное напряжение, а не на землю.
Подключите сопротивление к входу, и падение напряжения на нем может работать как функция тока нагрузки, которая может влиять на выход регулятора. Дополнительный коэффициент усиления без обратной связи можно получить, используя дополнительные транзисторы или операционный усилитель.
Ограничение тока
На рис. 6 ниже показан один из способов включения ограничения тока. Резистор R4 соединен последовательно с PNP-транзистором Q1, который служит источником тока.
Этот резистор необходим для ограничения тока, подаваемого на D1.
На базе транзистора Q1 диоды D2 и D3 генерируют очень постоянное напряжение, которое на 1,4 В ниже входного напряжения регулятора.
Q1 проводит ток до тех пор, пока падение напряжения, вызванное током коллектора проходного транзистора, составляет менее 0,7 В на выборочном резисторе R5. По мере нарастания тока нагрузки падение на резисторе R5 возрастает до такой степени, что оно начинает отключать транзистор Q1.
Резистор R4 теперь может вызывать падение базового напряжения проходного транзистора Q2, вызывая уменьшение выходного напряжения регулятора. Поскольку этот ток также смещает эталонный стабилитрон D1, опорное напряжение падает, снижая выходное напряжение. Таким образом, ток, отбираемый от регулятора, может быть ограничен таким образом.
Падение на 0,7 В на резисторе R5 инициирует ограничение тока, поэтому сопротивление резистора R5 должно быть равно 0,7/(Предел тока) или около 0,7 Ом для 1 ампера, 0,35 Ом для 2 ампер и т. д.
Использование операционного усилителя
На рис.
7 ниже показано, как можно использовать операционный усилитель для улучшения управления. Обратите внимание, что прирост теперь резко увеличится. Тем не менее, в определенных обстоятельствах почти наверняка потребуется частотная коррекция, так как фазовый сдвиг контура может вызывать колебания на некоторых или всех стадиях нагрузки.
Хотя напряжение смещения для операционного усилителя может подаваться напрямую от стабилизатора, обычно желателен дополнительный вспомогательный источник малой мощности.
Для операционного усилителя может потребоваться отрицательный источник, особенно в том случае, если регулятор предназначен для регулировки или понижения выходного напряжения до нуля вольт, как в лабораторном источнике питания.
На этом мы завершаем нашу статью о простых схемах стабилизаторов напряжения. Если у вас есть какие-либо вопросы или изменения, связанные с вышеуказанными концепциями, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать ниже для быстрого ответа.
Простая схема переключаемого регулятора напряжения
Ссылаясь на рисунок выше, можно построить трехступенчатый источник питания, управляемый напряжением, путем последовательного соединения трех стабилитронов с переключателем и несколькими другими легкодоступными компонентами.
Источник питания может быть 12 В или 15 В постоянного тока.
Когда переключатель S1 установлен в режим 6 В, 6 В постоянного тока от источника питания, проходящего через резистор R1, смещает входной транзистор T1. Те же 6В воспроизводятся на выходе схемы.
Поскольку T1 сконфигурирован как эмиттерный повторитель, прямое напряжение выводов база/эмиттер транзистора, равное 0,6 В, будет вычтено из 6 В, а окончательный выходной сигнал будет равен 6 — 0,6 = 5,4 В.
Выходной сигнал увеличивается на 3 вольта, когда в цепь вводится 3-вольтовый стабилитрон (D2), когда переключатель S1 перемещается в положение 9 вольт. При включении второго 3-вольтового стабилитрона транзистор будет смещен на 12 вольт, когда переключатель будет переведен в положение 12 вольт. Выход схемы фильтруется конденсатором C1.
Линейный регулятор напряжения — схема, типы и применение
СтатьиСиловая электроника
Basanta SubediПоследнее обновление: 18 сентября 2022 г.
0 6,019 Прочитано 4 минуты
Содержание
Регулятор напряженияФиксированный или линейный регулятор напряжения представляет собой устройство или схему, обеспечивающую постоянное выходное напряжение постоянного тока при любых изменениях входного напряжения или условий нагрузки. Это самая важная часть электронных устройств. Он действует как буфер для защиты компонентов схемы от повреждений. В зависимости от конструкции он может регулировать как переменное, так и постоянное напряжение.
Регуляторы напряжения в основном бывают двух типов. Они
- Линейный регулятор напряжения
- Импульсный регулятор напряжения
Оба типа регуляторов напряжения регулируют напряжение в системе, но линейный регулятор напряжения работает с меньшей эффективностью, чем импульсный регулятор напряжения.
Регуляторы напряжения в основном состоят из трех компонентов. Это: цепь обратной связи, стабильное опорное напряжение и цепь управления проходным элементом.
Здесь мы собираемся подробно обсудить линейный регулятор напряжения.
Линейный регулятор напряжения
Линейный регулятор напряжения — это регулирующее устройство, которое используется для поддержания заданного выходного напряжения, которое остается постоянным, несмотря на изменения входного напряжения и состояния нагрузки. В нем используется активное проходное устройство (такое как BJT или MOSFET), которое управляется усилителем с высоким коэффициентом усиления. Переменная проводимость активного проходного элемента отвечает за поддержание выходного напряжения. Функционал линейного регулятора напряжения заключается в том, что он действует как делитель напряжения для создания регулируемого выходного напряжения.
В линейном регуляторе напряжения линейная составляющая (например, резистивная нагрузка) используется для регулирования выходного напряжения. Транзистор остается в активной области или омической области или линейной области своей работы во время регулирования напряжения.
Для поддержания постоянного выходного напряжения можно изменять внутреннее сопротивление. Переменное сопротивление обеспечивается за счет использования транзистора, который управляется контуром обратной связи усилителя.
Линейный стабилизатор напряжения также называют понижающим преобразователем, в котором выходное напряжение всегда меньше входного. Он потребляет часть энергии и преобразует ее в тепло для создания постоянного выходного напряжения.
Линейные регуляторы напряжения обычно состоят из трех контактов: входного контакта, выходного контакта и контакта заземления. Схема выводов регулятора напряжения LM 7805 показана на рисунке ниже.
Типы линейных регуляторов напряжения
В зависимости от подключения нагрузки существует два основных типа линейных регуляторов напряжения. Это:
- Регулятор напряжения серии
- Шунтирующий регулятор напряжения
9Регулятор напряжения серии 0010
В последовательном регуляторе напряжения переменный элемент или активный проходной элемент, такой как транзистор, подключается последовательно с подключенной нагрузкой.
Постоянное выходное напряжение на нагрузке достигается за счет изменения сопротивления последовательного элемента по отношению к нагрузке.
является наиболее распространенной формой регулятора напряжения. Он более эффективен, чем шунтирующий регулятор напряжения.
Принципиальная схема типичного последовательного регулятора напряжения показана на рисунке ниже.
В этой схеме выходное напряжение измеряется через делитель напряжения между R_1 и R_2. Это напряжение сравнивается с опорным напряжением V_REF. Результирующий сигнал ошибки будет управлять проводимостью проходного элемента, такого как транзистор. Следовательно, напряжение на транзисторе изменяется, и, следовательно, выходное напряжение на нагрузке поддерживается постоянным.
Регулятор напряжения на стабилитроне представляет собой тип последовательного регулятора напряжения. Это может минимизировать пульсации напряжения питания и улучшить регулирование. КПД этого типа регулятора напряжения низок из-за ненулевого сопротивления Зенера и может быть повышен за счет ограничения тока Зенера.
Принципиальная схема стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рисунке ниже.
Основное преимущество последовательного регулятора напряжения заключается в том, что величина потребляемого тока эффективно используется нагрузкой. Он не потребляет полный ток, даже если нагрузка не требует никакого тока. В результате последовательный регулятор напряжения значительно более эффективен, чем шунтирующий регулятор напряжения.
Эффективность последовательного регулятора напряжения относительно низкая по сравнению с импульсным регулятором напряжения. Но у него есть преимущества простоты, а также их выходной сигнал без скачков переключения.
Шунтовой регулятор напряжения
В шунтирующем регуляторе напряжения регулирующий элемент или активный проходной элемент, такой как транзистор, подключается параллельно подключенной нагрузке. Далее последовательно с нагрузкой подключается ограничительный резистор напряжения. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение на нагрузке, уровень тока должен проходить через последовательный резистор.
Принципиальная схема типичного шунтирующего регулятора напряжения показана на рисунке ниже.
В этой схеме проводимость транзистора управляется на основе обратной связи и опорного напряжения. Схема спроектирована таким образом, что ток через последовательный резистор остается постоянным. При изменении тока через транзистор выходное напряжение на нагрузке остается постоянным.
По сравнению с последовательным регулятором напряжения шунтирующий регулятор напряжения несколько менее эффективен, но имеет более простую реализацию. Шунтовой регулятор напряжения используется в очень маломощных цепях, где потери тока очень малы. Этот тип регулятора напряжения очень распространен в схемах опорного напряжения.
Преимущества
Преимущества линейных регуляторов напряжения:
- Очень просто реализовать и легко использовать
- Дает низкие пульсации выходного напряжения
- Имеет быстрое время отклика на загрузку
- Имеет меньший уровень шума и низкий уровень электромагнитных помех
- Экономичнее
Недостатки
К недостаткам линейных регуляторов напряжения относятся:
- Его эффективность относительно низкая.
- Выдает выходное напряжение всегда меньше входного напряжения, т.е. выполняет только операцию понижения.
- Требуется радиатор, так как он рассеивает избыточную мощность в виде тепла и сильно нагревается во время регулирования.
- Требуется большое пространство.
Области применения
Существует множество применений линейного регулятора напряжения. Вот некоторые из них:
- Одним из наиболее распространенных примеров является мобильное зарядное устройство. Адаптер поставляется с сигналом переменного тока. Однако сигнал выходного напряжения представляет собой регулируемый сигнал постоянного тока.
- В каждом источнике питания в мире используется регулятор напряжения для обеспечения желаемого выходного напряжения. Компьютеры, телевизоры, ноутбуки и всевозможные устройства питаются с использованием этой концепции.
- Работа небольших электронных схем зависит от регуляторов. Даже малейшее колебание сигнала напряжения может повредить компоненты схемы, такие как микросхемы.
