Стабилизатор напряжения на одном транзисторе: схема и расчет параметрического стабилизатора

Во многих приложениях линейные источники питания были заменены импульсными источниками.Показанный на Рис. 2 — типичный изолированный импульсный источник питания.

Рис. 2. Импульсный источник питания включает и выключает входной постоянный ток, а затем выпрямляет его для получения выходного постоянного тока.

Один из широко используемых подходов использует время включения и выключения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления выходным напряжением переключателя мощности. Отношение времени включения к времени периода переключения — это рабочий цикл. Чем выше рабочий цикл, тем выше выходная мощность переключателя силового MOSFET.Фильтр нижних частот, подключенный к выходному трансформатору, обеспечивает напряжение, пропорциональное времени включения и выключения ШИМ-контроллера. Во время работы часть выходного постоянного напряжения возвращается в усилитель ошибки, который заставляет компаратор управлять временем включения и выключения ШИМ. Если выходное напряжение изменяется, обратная связь регулирует рабочий цикл, чтобы поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне.

Для генерации сигнала ШИМ усилитель ошибки принимает входной сигнал обратной связи и стабильное опорное напряжение для создания выходного сигнала, соответствующего разнице двух входов.Компаратор сравнивает выходное напряжение усилителя ошибки с пилообразной характеристикой генератора, создавая модулированную ширину импульса. Выход компаратора подается на драйвер, выход которого идет на силовой полевой МОП-транзистор.

Выходной фильтр нижних частот индуктора-конденсатора преобразует коммутируемое напряжение переключающего трансформатора в постоянное напряжение. Фильтр не идеален, поэтому всегда есть некоторый остаточный выходной шум, называемый пульсацией. Величина пульсации зависит от эффективности фильтра нижних частот на частоте переключения.Частоты переключения источника питания могут находиться в диапазоне от 100 кГц до более 1 МГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньшего номинала в выходном фильтре нижних частот. Однако более высокие частоты также могут увеличивать потери в силовых полупроводниках, что снижает эффективность источника питания.

Что касается рассеиваемой мощности, выключатель питания является ключевым компонентом импульсного источника питания. Переключатель обычно представляет собой силовой полевой МОП-транзистор, который работает только в двух состояниях — включенном и выключенном.В выключенном состоянии переключатель питания потребляет очень мало тока и рассеивает очень мало энергии. Во включенном состоянии переключатель питания потребляет максимальное количество тока, но его сопротивление во включенном состоянии невелико, поэтому в большинстве случаев его рассеиваемая мощность минимальна. При переходе из включенного состояния в выключенное и выключенного во включенное состояние переключатель питания проходит через свою линейную область, где он потребляет некоторую мощность. Таким образом, общие потери для переключателя мощности складываются из потерь во включенном и выключенном состояниях плюс потери при переходе через его линейную область.

ИС ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ИС для импульсных источников питания бывают двух основных конфигураций: ИС преобразователя и ИС контроллера.

ИС преобразователя представляют собой полный преобразователь постоянного тока в постоянный в одном корпусе. Единственными необходимыми внешними компонентами обычно являются пассивные устройства. Переключатели питания могут быть биполярными или полевыми МОП-транзисторами, способными обрабатывать требуемый ток и мощность. Обычно силовой полупроводниковый переключатель включается и выключается с частотой от 100 кГц до 1 МГц, в зависимости от типа ИС.Большинство переключателей мощности используют широтно-импульсную модуляцию для управления выходным напряжением, поэтому рабочий цикл изменяется в соответствии с желаемым выходным напряжением.

Для ИС контроллера требуется внешний переключатель питания, либо биполярный транзистор, либо силовой полевой МОП-транзистор. Схема контроллера, в которой используется внешний переключатель питания, обычно имеет более высокий КПД, чем преобразователь со встроенным силовым полевым МОП-транзистором, поскольку интегрированные полевые МОП-транзисторы имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии (более высокие потери). Сопротивление во включенном состоянии внешнего силового MOSFET ниже, и MOST обычно имеет более высокую выходную мощность, чем IC со встроенным MOSFET.

И для преобразователя, и для ИС контроллера частота коммутации определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра. Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и стоимость компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. То есть материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

Преобразователи постоянного тока в постоянный принимают входной и вырабатывают постоянный ток. Они могут быть изолированными или неизолированными, в зависимости от того, есть ли прямой путь постоянного тока от входа к выходу. Изолированный преобразователь ( Рис. 2, ) использует трансформатор для обеспечения изоляции между входным и выходным напряжением. В неизолированном преобразователе используется индукторно-конденсаторный фильтр, а оптопара обычно обеспечивает изоляцию между выходной обратной связью и входом. Для многих приложений подходят неизолированные преобразователи.Преимущество трансформаторного преобразователя заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений с использованием нескольких вторичных обмоток.

Первоначально в преобразователях с интегрированным переключателем мощности использовались биполярные переключатели питания, но практически во всех новых устройствах используются переключатели питания на полевых МОП-транзисторах, которые повышают эффективность. Еще одно повышение эффективности — использование интегрированных синхронных выпрямителей, состоящих из переключателей силовых полевых МОП-транзисторов, которые выпрямляют выход источника питания и обеспечивают выход постоянного тока.

Среди функций, имеющихся в ИС преобразователя и контроллера:

• Постоянное или регулируемое выходное напряжение

• Несимметричные или синхронные выходы

• Плавный пуск, обеспечивающий постепенное увеличение мощности

• Блокировка минимального напряжения

• Тепловое отключение

• Максимальная токовая защита

• Защита от перенапряжения

НАСОС НАСОС ICS

Зарядные насосы на самом деле представляют собой другую форму переключения питания.Они переключают конденсаторы, чтобы обеспечить преобразование постоянного напряжения, используя сеть переключателей для зарядки и разрядки одного или нескольких конденсаторов. Сеть переключателей переключает между состояниями заряда и разряда конденсаторов. Как показано на рис. 3 , «летающий конденсатор» (C1) перемещает заряд, а «накопительный конденсатор» (C2) удерживает заряд и фильтрует выходное напряжение.

Рис. 3. Преимуществом зарядового насоса является устранение магнитных полей и электромагнитных помех, которые возникают с помощью индуктора или трансформатора.

В базовом насосе заряда отсутствует регулирование, которое обычно добавляется с использованием либо линейного регулирования, либо модуляции насоса заряда. Линейное регулирование обеспечивает наименьший выходной шум и, следовательно, лучшую производительность. Модуляция подкачки заряда обеспечивает больший выходной ток для данного размера (или стоимости) кристалла, потому что ИС регулятора не обязательно должна включать в себя транзистор с последовательным проходом.

Основным преимуществом зарядового насоса является устранение магнитных полей и электромагнитных помех, которые возникают с индуктором или трансформатором.Существует один возможный источник электромагнитных помех — высокий зарядный ток, который течет к «летающему конденсатору», когда он подключается к входному источнику или другому конденсатору с другим напряжением.

MOSFET, потому что интегрированные MOSFET имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии (более высокие потери). Сопротивление во включенном состоянии внешнего силового MOSFET ниже, и MOST обычно имеет более высокую выходную мощность, чем IC со встроенным MOSFET.

И для преобразователя, и для ИС контроллера частота коммутации определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра.Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и стоимость компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. То есть материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

Преобразователи постоянного тока в постоянный принимают входной и вырабатывают постоянный ток. Они могут быть изолированными или неизолированными, в зависимости от того, есть ли прямой путь постоянного тока от входа к выходу.В изолированном преобразователе (рис. 2) используется трансформатор, обеспечивающий изоляцию между входным и выходным напряжением. В неизолированном преобразователе используется индукторно-конденсаторный фильтр, а оптопара обычно обеспечивает изоляцию между выходной обратной связью и входом. Для многих приложений подходят неизолированные преобразователи. Преимущество трансформаторного преобразователя заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений с использованием нескольких вторичных обмоток.

МНОГОКРАТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / РЕГУЛЯТОР ICS

ИС контроллеров с несколькими выходами состоят из двух или более регуляторов в одном корпусе.Это могут быть два импульсных преобразователя или два регулятора LDO.

Примером двойного импульсного регулятора является понижающий DC-DC преобразователь с двойным током в режиме ШИМ с внутренними переключателями питания 2 А, эта ИС работает от входного напряжения от 3,6 В до 25 В, что позволяет регулировать широкий диапазон мощности. такие источники, как четырехэлементные батареи, логические шины 5 В, нерегулируемые настенные трансформаторы, свинцово-кислотные батареи и распределенные источники питания. Два регулятора имеют общую схему, включая источник входного сигнала, источник опорного напряжения и генератор, но в остальном они независимы.Их контур обратной связи контролирует пиковый ток в переключателе во время каждого цикла. В этом режиме управления током улучшается динамика контура и обеспечивается поэтапное ограничение тока.

Пример микросхемы стабилизатора напряжения с двумя выходами и малым падением напряжения имеет встроенные функции сброса, сброса при включении (POR) и стабилизации питания (PG). Дифференцированные функции, такие как точность, быстрая переходная характеристика, схема контроля (сброс при включении питания), ввод ручного сброса и независимые функции включения, обеспечивают полное системное решение.Эти регуляторы напряжения имеют чрезвычайно низкий уровень шума на выходе без использования каких-либо дополнительных байпасных конденсаторов фильтра и разработаны для обеспечения быстрой переходной характеристики и обычно стабильны с конденсаторами с низким ESR.

Это семейство LDO также может иметь спящий режим; подача высокого сигнала на разрешающий вход отключает Регулятор 1 или Регулятор 2 соответственно. Перевод регуляторов в спящий режим снижает входной ток до TJ = 25 ° C. Каждый регулятор имеет внутренний разрядный транзистор для разрядки выходного конденсатора, когда регулятор выключен (отключен).

Микросхемы контроллеров с несколькими выходами также могут состоять из двух или более преобразователей накачки заряда в одном корпусе. Это могут быть контроллеры с внешними переключателями питания или регуляторы с внутренним переключателем питания. Одна из возможностей — это выход 5 В и выход 3,3 В для процессоров и логических приложений.

Например, типичные микросхемы контроллера накачки заряда с несколькими выходами могут понижать преобразователи постоянного тока в постоянный, которые производят два регулируемых регулируемых выхода из одного 2.Вход от 7 В до 5,5 В. В ИС используется дробное преобразование переключаемых конденсаторов для достижения типичного повышения эффективности на 50% по сравнению с линейным регулятором. Никаких индукторов не требуется.

ИС имеет два переключаемых насоса заряда конденсаторов для понижения VIN до двух регулируемых выходных напряжений. Два нагнетательных насоса работают со сдвигом по фазе на 180 °, чтобы уменьшить входную пульсацию. Регулировка достигается путем измерения каждого выходного напряжения через внешний резистивный делитель и модуляции выходного тока накачки заряда на основе сигнала ошибки.Двухфазный, неперекрывающийся тактовый сигнал активирует два зарядных насоса, запускающих их в противофазе друг от друга.

СИНХРОННАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ

КПД — важный критерий при проектировании преобразователей постоянного тока, требующих малой мощности. Эти потери вызваны переключателем мощности, магнитными элементами и выходным выпрямителем. Для уменьшения потерь в переключателе мощности и магнитных потерь требуются компоненты, которые могут эффективно работать на высоких частотах переключения. Выходные выпрямители могут быть диодами Шоттки, но с синхронным выпрямлением ( рис.4 ), состоящие из силовых МОП-транзисторов, обеспечивают более высокий КПД.

Рис. 4. Синхронный выпрямитель более эффективен, чем диодный выпрямитель Шоттки.

МОП-транзисторы демонстрируют более низкие потери прямой проводимости, чем диоды Шоттки. В отличие от обычных самокоммутирующихся диодов, полевые МОП-транзисторы включаются и выключаются с помощью управляющего сигнала затвора, синхронизированного с работой преобразователя. Основным недостатком синхронного выпрямления является дополнительная сложность и стоимость, связанные с устройствами MOSFET и соответствующей управляющей электроникой.Однако при низких выходных напряжениях результирующее повышение эффективности более чем компенсирует недостаток стоимости в большинстве приложений.

ПРЕДСТОЯЩИЕ ТЕМЫ

Существуют и другие ключевые топологии регуляторов. В следующем месяце мы обсудим две основные топологии ИС, используемые в источниках питания постоянного тока: понижающий или понижающий преобразователь и повышающий или повышающий преобразователь. Топология Buck — это неизолированная конфигурация управления питанием, преимуществами которой являются простота и низкая стоимость. В повышающем преобразователе используется метод переключения, который вызывает нарастание тока в катушке индуктивности, а затем сохраняет полученное напряжение в выходном конденсаторе.Несколько циклов переключения создают напряжение выходного конденсатора, так что выходное напряжение выше входного.

Телефонное реле, регуляторы LM317, зарядное устройство для лития

LM317T Регулятор переменного напряжения

Выходное напряжение устанавливается двумя резисторами R1 и R2, подключенными, как показано ниже. Напряжение на R1 составляет постоянное 1,25 В, а клемма регулировки ток меньше 100uA. Выходное напряжение может быть близко приблизительно от Vout = 1,25 * (1+ (R2 / R1)), который игнорирует клемму настройки ток », но будет близок, если ток через R1 и R2 во много раз больше.Требуется минимальная нагрузка около 10 мА, поэтому значение R1 может должно быть выбрано падение 1,25 В при 10 мА или 120 Ом. Что-то меньшее, чем 120 Ом можно использовать для обеспечения минимального тока более 10 мА. В приведенном ниже примере показан LM317, используемый в качестве регулятора на 13,6 В. 988 Резистор для R2 можно получить стандартным 910 и 75 Ом последовательно.

При отключении питания регулятора выходное напряжение должно упасть. быстрее, чем ввод.В противном случае диод можно подключить через клеммы входа / выхода для защиты регулятора от возможного обратного напряжения. Танталовый конденсатор емкостью 1 мкФ или электролитический конденсатор емкостью 25 мкФ на выходе улучшает переходную характеристику, а небольшой танталовый конденсатор емкостью 0,1 мкФ рекомендуется на входе, если регулятор расположен на значительном расстояние от фильтра блока питания. Силовой трансформатор должен быть достаточно большой, чтобы входное напряжение регулятора оставалось 3 вольта выше выхода при полной нагрузке, или 16.6 вольт для выхода 13,6 вольт.

LM317T Регулятор напряжения с проходным транзистором

Сильноточные регулируемые источники питания

Простой регулируемый источник напряжения

Зарядное устройство для 2-элементных литий-ионных аккумуляторов

Зарядное устройство работает путем подачи короткого импульса тока через серию резистора, а затем отслеживая напряжение батареи, чтобы определить, есть ли другой требуется пульс. Ток можно отрегулировать, изменив последовательный резистор. или регулировка входного напряжения. Когда батарея разряжена, ток импульсы расположены близко друг к другу, так что постоянный ток настоящее время. Когда аккумуляторы полностью заряжены, импульсы разнесены. дальше друг от друга, и состояние полного заряда отображается светодиодом мигает медленнее.

TL431, опорное напряжение запрещенной зоны (2,5 В) используется на выводе 6 компаратора. поэтому выход компаратора переключится на низкий уровень, срабатывая таймер 555, когда напряжение на выводе 7 меньше 2,5 вольт. Выход 555 включается 2 транзистора и батареи заряжаются примерно 30 миллисекунд. Когда импульс заряда заканчивается, напряжение батареи измеряется и делится. вниз комбинацией резисторов 20 кОм, 8,2 кОм и 620 Ом, поэтому, когда Напряжение аккумулятора достигает 8.2 вольта, вход на выводе 7 компаратора поднимется чуть выше 2,5 вольт, и цепь перестанет заряжаться.

Схема может использоваться для зарядки других типов батарей, таких как как Ni-Cad, NiMh или свинцово-кислотный, но напряжение отключения должно быть можно отрегулировать, заменив резисторы 8,2 кОм и 620 Ом так, чтобы на входе компаратора остается 2,5 вольта, когда клемма аккумуляторной батареи напряжение достигнуто.

Например, чтобы зарядить свинцово-кислотную батарею на 6 В до предела 7 В, ток через резистор 20K будет (7-2.5) / 20К = 225 мкА. Это означает комбинацию двух других резисторов (8,2 кОм и 620). должно быть R = E / I = 2,5 / 225 мкА = 11111 Ом. Но это не стандартное значение, так что вы можете использовать 10K последовательно с 1,1K или другими значениями, которые всего 11.11K

Будьте осторожны, чтобы не перезарядить батареи. Я бы рекомендовал использовать большой конденсатор вместо батареи для проверки цепи и убедитесь, что он отключается при правильном напряжении.

Зарядное устройство для одно- или двухэлементных литий-ионных аккумуляторов

Можно добавить светодиодный индикатор зарядного тока, как показано в нижнем левом углу. чертежа. Светодиод гаснет, когда ток заряда меньше около 35 мА, а падение напряжения на резисторе 18 Ом составляет около 600 мВ или менее. Тестовый запуск потребовал 260 минут, чтобы светодиод погас, что должен указывать примерно 85% полной мощности, но не уверен.Более информацию можно найти по адресу:

Литий-ионная статья на Battery University.com

Напряжение Емкость Время зарядки Емкость с
                                        полная насыщенность
-------------------------------------------------- -------
3,8 60% 120 мин. 65%
3,9 70% 135 мин. 76%
4,0 75% 150 мин. 82%
4,1 80% 165 Мин. 87%
4.2 85% 180 мин. 100%
-------------------------------------------------- -------
 

Детали схемы:

Когда батарея разряжена, напряжение на опорном контакте TL431 будет меньше 2,5 вольт, что приведет к отключению TL431, увеличивая напряжение базы транзистора и ток заряда. Текущий ограничен до 300 мА резистором 18 Ом (двухэлементная установка). Когда батарея приближается к полной зарядке, контрольный вывод TL431 подходы 2.5 вольт, увеличивая ток TL431 и уменьшая напряжение базы транзистора и ток заряда. Использование 2-х ячеек (8,2 вольт, 1000 мАч), ток падает с 300 мА до примерно 100 мА при заряд достигает 75% емкости за 200 минут. Еще час необходимо довести заряд до 85% Обратите внимание, значение 4,1, а не 4.2 был выбран за чуть больший запас и меньшую нагрузку на аккумулятор при полной зарядке. Судя по приведенным выше данным, это всего лишь 5% емкости. потерян.Диод предотвращает обратное напряжение на переход э / б транзистора в случае подключения блока питания закорочены при подключенной батарее. Резистор 220 Ом был выбран для базового тока около 20 мА. Минимальное усиление транзистора — 30, поэтому 20 мА должны давать не менее 600 мА. Выходное напряжение холостого хода составляет установить с делителем напряжения на 4,1 или 8,2 вольт. Две перемычки используются для выбора желаемого ограничения напряжения и тока.

Например, чтобы зарядить одну литий-ионную батарею до 4,1 вольт, ток через резистор 10К будет
(4,1-2,5) / 10К = 160 мкА. Сериал Комбинация двух других резисторов должна составлять 2,5 / 160 мкА = 15625 Ом. Можно использовать 15K последовательно с 620, а 620 отрегулировать для компенсации для 15K немного больше или меньше. Я закончил 15K и 750, так как 15К было немного мало.

В корпусе с 2 ячейками (8,2 В) два дополнительных резистора добавляются параллельно. с 15625 (с помощью перемычки), чтобы увеличить выходное напряжение с 4.1 к 8.2. В итоге я получил 5,6 кОм последовательно с 430 Ом. 430 можно отрегулировать чтобы понять это правильно.

Вторая перемычка используется (через резистор 12 Ом) для поддержания примерно одинаковый зарядный ток с одной или двумя ячейками операция. Обе перемычки устанавливаются на работу от 8,2 В и снимаются. для работы на 4,1 В. Примечание: на изображении печатной платы показаны два 5-ваттных Резисторы на 12 Ом. Один из резисторов выходит за допустимые пределы и неисправен. собственно 17 ом.

Осторожно: будьте осторожны, чтобы не установить перемычки на работу от 8,2 В. подключен к одноэлементной батарее (4,1 В). Используйте цифровой мультиметр для проверки Напряжение холостого хода — это то, что вы хотите, прежде чем подключать аккумулятор.

Индикатор использования телефона

Используемый релейный контроллер телефона

Мультивибратор нестабильный

Что такое регулятор напряжения? | EAGLE

Регуляторы, монтаж:

Будь то ваш автомобиль, ноутбук или смартфон, каждое электронное устройство нуждается в защите от скачков напряжения.В наши дни, когда устройства становятся плотнее, чем когда-либо, с такими чувствительными компонентами, как микропроцессоры и интегральные схемы (ИС), даже малейшее изменение напряжения может нанести ущерб вашей тщательно спроектированной схеме. Итак, что может сделать чувствительный компонент, когда он требует защиты? Ему нужен регулятор, чтобы поддерживать стабильное и плавное напряжение от входа к выходу.

В мире электронных компонентов регулятор напряжения — один из наиболее широко используемых, но что делает эта ИС? Он обеспечивает схему с предсказуемым и фиксированным выходным напряжением в любое время, независимо от входного напряжения.

LM7805 — один из самых популярных линейных регуляторов напряжения. (Источник изображения)

Как регулятор напряжения решает эту задачу, в конечном итоге зависит от разработчика. Некоторое напряжение можно контролировать с помощью более простого стабилитрона, в то время как для других приложений требуется продвинутая топология линейных или импульсных стабилизаторов. В конце концов, у каждого регулятора напряжения есть первичная и вторичная цель:

Первичный: Для создания постоянного выходного напряжения цепи в ответ на изменения условий входного напряжения.У вас может быть 9 В на входе, но если вы хотите только 5 В на выходе, вам нужно будет понизить его (Бак) с помощью регулятора напряжения.

Вторичный : Регуляторы напряжения также служат для экранирования и защиты вашей электронной схемы от любого потенциального повреждения. Меньше всего вам нужно сжечь микроконтроллер, потому что он не справляется с скачком напряжения.

Когда дело доходит до добавления регулятора напряжения в вашу схему, вы обычно работаете с одним из двух типов — линейными регуляторами напряжения или импульсными регуляторами напряжения.Давайте посмотрим, как они работают.

Линейные регуляторы напряжения

Этот тип регулятора действует как делитель напряжения в вашей цепи и представляет собой тип регулятора, обычно используемый при разработке маломощных и недорогих приложений. С линейным регулятором вы получите преимущество силового транзистора (BJT или MOSFET), который играет роль переменного резистора, повышая и понижая выходное напряжение вашей схемы при изменении входного питания.

Независимо от того, какая нагрузка находится в вашей цепи, линейный регулятор напряжения всегда будет идти в ногу, чтобы обеспечить вам постоянное стабильное выходное напряжение.Например, трехконтактный линейный стабилизатор напряжения, такой как LM7805, обеспечивает постоянный выходной сигнал 5 вольт на 1 ампер, пока входное напряжение не превышает 36 вольт.

LM705 подключен последовательно для обеспечения стабильного выходного напряжения. (Источник изображения)

Обратной стороной этого типа регулятора в конечном итоге является принцип его работы. Поскольку он ведет себя как резистор для стабилизации напряжения, он в конечном итоге тратит массу энергии на преобразование тока сопротивления в тепло. Вот почему линейные регуляторы напряжения идеально подходят для приложений, в которых требования к мощности невысоки, а разница между входным и выходным напряжениями минимальна.Давайте сравним две разные ситуации регулирования напряжения, чтобы увидеть, как складывается линейный регулятор:

С входным источником 10 В, который понижается до 5 В с помощью LM7805, вы в конечном итоге потратите 5 Вт и получите только 50% эффективности от ваших усилий.

Возьмите тот же регулятор LM7805 и подайте на него входное напряжение 7 В, пониженное до 5 В, и в итоге вы потратите только 2 Вт и получите КПД 71%.

Как видите, чем ниже начальная потребляемая мощность, тем эффективнее может быть линейный стабилизатор напряжения.При работе с этими регуляторами в вашей собственной схеме вы обычно столкнетесь с двумя вариантами: последовательным или шунтирующим.

В этом стандартном стабилизаторе последовательно с нагрузкой установлен транзистор, управляемый стабилитроном. Здесь стабилизатор использует в качестве переменного элемента (в данном случае транзистор), плавно увеличивая и уменьшая сопротивление в зависимости от переменного входного напряжения, чтобы обеспечить стабильное и стабильное выходное напряжение.

Простая схема последовательного регулятора напряжения, обеспечивающая регулируемый выход постоянного тока.(Источник изображения)

Шунтирующий регулятор напряжения

Это приложение работает аналогично последовательному регулятору напряжения, но не подключено последовательно. Все избыточное напряжение по-прежнему отправляется на землю через тот же процесс переменного сопротивления, что снова приводит к потере энергии. Чаще всего шунтирующие регуляторы используются в:

• Прецизионные ограничители тока
• Контроль напряжения
• Источники питания с регулируемым напряжением
• Усилители ошибок
• Цепи источника и потребителя тока
• Импульсные источники питания с низким выходным напряжением

Шунтирующий регулятор напряжения не подключен последовательно, но по-прежнему посылает избыточный ток на землю.(Источник изображения)

В целом, если вы работаете с маломощным и недорогим приложением, в котором эффективность преобразования энергии не является основным приоритетом, то линейный стабилизатор напряжения будет вашим выбором. Вот некоторые окончательные преимущества и недостатки, о которых следует помнить перед выбором линейного регулятора для вашего следующего проекта:

Импульсные регуляторы напряжения

идеально подходят, когда у вас большая разница между входным и выходным напряжениями.По сравнению с линейными регуляторами напряжения переключение выигрывает в эффективности преобразования энергии. Однако вся эта дополнительная эффективность также делает вашу схему более сложной.

Вы обнаружите, что импульсные регуляторы имеют совершенно другую внутреннюю схему, в которой для регулирования напряжения используется управляемый переключатель. Вот почему он называется импульсным регулятором.

Как работает импульсный регулятор? Вместо того, чтобы постоянно сопротивляться входному напряжению и посылать его на землю в качестве стока, импульсные регуляторы вместо этого накапливают и затем доставляют заряд меньшими частями к выходному напряжению на основе обратной связи.Подавая выходное напряжение обратно в переключатель, регулятор постоянно проверяет, нужно ли ему увеличивать или уменьшать синхронизацию порций напряжения для вывода.

Переключение регуляторов становится немного сложнее. (Источник изображения)

Импульсный стабилизатор поддерживает уровень заряда с помощью транзистора, который включается, когда для его накопителя требуется больше энергии, и выключается, когда он достигает желаемого выходного напряжения. Это помогает обеспечить гораздо более энергоэффективный метод управления уровнями выходного напряжения с помощью своего рода плотиноподобной системы, которая не просто сопротивляется потоку входного напряжения, но вместо этого реагирует на изменения напряжения и включение / выключение как нужный.

Однако у этого процесса включения / выключения есть некоторые недостатки. Чем быстрее ваш импульсный регулятор переключается, тем больше времени он потратит на переход из проводящего в непроводящее состояние, что приводит к общему снижению эффективности преобразования. Вы также получите намного больше шума в своей цепи с импульсным стабилизатором, чем с линейным регулятором напряжения.

Однако, в отличие от линейных регуляторов напряжения, импульсные регуляторы гораздо более разнообразны в своих доступных приложениях.Эти регуляторы не просто понижают или повышают ваше напряжение, но также могут инвертировать его. Вот три метода, которыми известны импульсные регуляторы напряжения:

Boosting (Повышающий)

Этот метод обеспечивает более высокое регулируемое выходное напряжение за счет увеличения входного напряжения.

Эта схема увеличивает входное напряжение 5 В до 12 В на выходе. (Источник изображения)

Bucking (понижающий)

Этот метод обеспечивает более низкое регулируемое выходное напряжение на основе переменного входного напряжения, аналогично тому, как работает линейный регулятор.

Эта схема понижает вход 8-40 В, до 5 В на выходе. (Источник изображения)

Повышающий / понижающий (инвертор)

Этот метод представляет собой своего рода гибрид, предоставляющий разработчику возможность повышать, понижать или инвертировать выходное напряжение по мере необходимости.

В целом, если вы работаете со сложной конструкцией, в которой важна эффективность преобразования мощности, а разница между входным и выходным напряжениями велика, тогда вам подойдут импульсные стабилизаторы.Вот некоторые окончательные преимущества и недостатки, о которых следует помнить, прежде чем выбирать этот регулятор для вашего следующего проекта:

Оставаясь простым — стабилитрон

Многим разработчикам может не понадобиться иметь дело со сложными линейными или импульсными регуляторами напряжения. В этих ситуациях мы можем полагаться на еще более простое решение для регулирования напряжения с помощью стабилитрона. Один только этот компонент может в некоторых случаях обеспечить все необходимое регулирование напряжения, не требуя каких-либо специальных деталей.

Стабилитрон выполняет свою работу, шунтируя все избыточное напряжение выше его порогового значения на землю.Однако вся эта простота имеет ограниченные возможности, и вы обычно будете использовать стабилитроны только в качестве регуляторов напряжения для приложений с очень низким энергопотреблением.

Какой регулятор вам нужен?

Все конструкции уникальны, и нет ни одного универсального регулятора, который удовлетворит потребности каждого инженера. Лучше оценивать каждый новый проект в индивидуальном порядке и задавать себе следующие вопросы:

• Требует ли ваша конструкция низкого уровня шума на выходе и низкого уровня электромагнитных помех? Если это так, то линейные регуляторы — это то, что вам нужно.
• Требуется ли ваша конструкция максимально быстрого реагирования на помехи на входе и выходе? Линейные регуляторы снова побеждают.
• Есть ли у вашего проекта строгие ограничения по стоимости, и вам нужно учитывать каждый доллар? Линейные регуляторы — это экономичный выбор.
• Ваша конструкция работает на уровне мощности выше нескольких ватт? В этой ситуации импульсные стабилизаторы дешевле, поскольку не требуют радиатора.
• Требуется ли для вашей конструкции высокий КПД преобразования мощности? Импульсные регуляторы — это лучший выбор, предлагающий КПД 85% + для повышающих и понижающих применений.
• Ваше устройство работает только от источника постоянного тока, и вам нужно увеличить выходное напряжение? Регуляторы переключения справятся с этим.

Все еще не уверены, какого риэлтора выбрать? Вот некоторые другие детали, которые следует учитывать в разделе Как выбрать лучший стабилизатор напряжения для моей схемы? от Силовой Электроники.

, монтаж вверх

Какое бы устройство вы ни проектировали, ему потребуется серьезная защита от колебаний напряжения.Стабилизаторы напряжения — идеальный инструмент для этой задачи, способный обеспечить стабильное выходное напряжение, чтобы ваша схема работала должным образом. В конечном итоге, выбор регулятора напряжения зависит от требований вашей конструкции. Работаете с малопотребляющим и недорогим приложением, где преобразование энергоэффективности не имеет значения? Возможно, вам подойдут линейные регуляторы. Или, может быть, вы работаете над более сложной конструкцией, требующей повышения и понижения напряжения по мере необходимости. Если это так, подумайте о переключении регуляторов.Какой бы регулятор вы ни выбрали, вы защитите свою электрическую цепь от опасностей, связанных с этими напряжениями в дикой природе.

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE включает в себя массу бесплатных библиотек регуляторов напряжения, готовых для использования в вашем следующем проекте? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

8.3: Линейные регуляторы — Разработка LibreTexts

Если управляющий элемент регулятора работает в линейной области, регулятор называется линейным регулятором. Большинство ИС линейных регуляторов относятся к последовательному типу.Основными преимуществами линейных регуляторов являются простота использования и точность регулирования. Их главный недостаток — невысокий КПД.

Базовый линейный регулятор показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Управляющим элементом серии является транзистор \ (Q_1 \). Этот компонент чаще всего называют проходным транзистором, поскольку он позволяет току проходить через нагрузку. Пропускной транзистор управляется операционным усилителем. Работа проходного транзистора заключается в усилении выходного тока операционного усилителя. Операционный усилитель постоянно контролирует свои два входа.Неинвертирующий вход видит напряжение стабилитрона устройства \ (D_1 \). \ (R_1 \) используется для правильного смещения \ (D_1 \). Инвертирующий вход операционного усилителя видит падение напряжения на \ (R_3 \). Обратите внимание, что \ (R_2 \) и \ (R_3 \) составляют делитель напряжения с \ (V_ {load} \) в качестве источника делителя. Помня основы отрицательной обратной связи, вспомните, что операционный усилитель вырабатывает достаточно тока, чтобы поддерживать два своих входа примерно на одном уровне, таким образом сохраняя \ (V_ {error} \) на нуле. Другими словами, напряжение на \ (R_3 \) должно быть равно потенциалу Зенера.Это равенство сохраняется до тех пор, пока операционный усилитель имеет достаточно высокий выходной ток. Обратите внимание, что падение \ (V_ {BE} \), создаваемое \ (Q_1 \), компенсируется, поскольку оно находится в контуре обратной связи. Разница между отфильтрованным входным сигналом и окончательным \ (V_ {load} \) пропускается через коллектор / эмиттер \ (Q_1 \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Базовый линейный стабилизатор операционного усилителя.

По сути, схема на рисунке \ (\ PageIndex {1} \) представляет собой неинвертирующий усилитель.\ (V_ {zener} \) — входной потенциал, а \ (R_2 \) и \ (R_3 \) заменяют резисторы \ (R_f \) и \ (R_i \) соответственно. \ (V_ {load} \) находится с использованием варианта основной формулы усиления:

\ [V_ {load} = V_ {zener} \ frac {R_2 + R_3} {R_3} \ label {8.3} \]

Путем выбора подходящего соотношения резисторов и подходящего стабилитрона можно достичь широкого диапазона выходных потенциалов. Обратите внимание, что операционный усилитель питается от нерегулируемого входа. Любая пульсация на этой линии вряд ли повлияет на работу операционного усилителя.Пульсации будут уменьшены PSRR операционного усилителя (коэффициент отклонения источника питания). Резистор смещения стабилитрона \ (R_1 \) выбирается таким образом, чтобы он создавал ток, гарантирующий проводимость стабилитрона. Обычно это низкий диапазон миллиампер.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Определите вывод рисунка \ (\ PageIndex {1} \), если \ (R_1 = 5 k \ Omega \), \ (R_2 = 20 k \ Omega \), \ (R_3 = 10 k \ Omega \) и \ (V_ {стабилитрон} = 3,9 В \). Предположим, что отфильтрованный вход составляет 20 В постоянного тока с размахом пульсации не более 3 В.

Во-первых, обратите внимание, что входной сигнал варьируется от минимум 18,5 В до максимум 21,5 В (20 В \ (\ pm \) 1,5 В пиковое). Пока схема не пытается производить больше минимального входного напряжения и пока соблюдаются все ограничения по току и рассеиваемой мощности, все должно работать правильно.

\ [V_ {load} = V_ {zener} \ frac {R_2 + R_3} {R_3} \ notag \]

\ [V_ {load} = 3,9 V \ times \ frac {20 k + 10 k} {10 k} \ notag \]

\ [V_ {нагрузка} = 11,7 В \ notag \]

Из-за падения \ (V_ {BE} \) операционный усилитель должен производить около 0.На 7 В больше этого. Также обратите внимание, что теперь можно найти стабилитрон.

\ [I_ {zener} = \ frac {V_ {load} — V_ {zener}} {R_1} \ notag \]

\ [I_ {стабилитрон} = \ frac {11,7 В − 3,9 В} {5 k} \ notag \]

\ [I_ {стабилитрон} = 1,56 мА \ notag \]

Это разумное значение.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Определите рассеиваемую мощность для \ (Q_1 \) и КПД схемы для примера \ (\ PageIndex {1} \), если эффективное сопротивление нагрузки составляет 20 \ (\ Omega \).

Сначала необходимо определить \ (I_ {load} \).

\ [I_ {load} = \ frac {V_ {load}} {R_ {load}} \ notag \]

\ [I_ {load} = \ frac {11,7 В} {20} \ notag \]

\ [I_ {load} = 0,585A \ notag \]

Рассеивание \ (Q_1 \) — это произведение тока, проходящего через него, и напряжения на нем. Ток через \ (Q_1 \) — это ток нагрузки. Напряжение на \ (Q_1 \) — это разница между выходным напряжением фильтра и напряжением нагрузки. Поскольку на выходе фильтра присутствует относительно небольшой сигнал переменного тока, поступающий на постоянный ток, среднее значение будет равно значению постоянного тока, в данном случае 20 В.

\ [V_ {CE} = V_C — V_E \ notag \]

\ [V_ {CE} = 20 В — 11,7 В \ notag \]

\ [V_ {CE} = 8,3 В \ notag \]

\ [P_D = I_C V_ {CE} \ notag \]

\ [P_D = 0,585 А \ умножить на 8,3 В \ notag \]

\ [P_D = 4.86 Вт \ notag \]

Итак, проходной транзистор должен рассеивать 4,86 ​​Вт и выдерживать ток 0,585 А. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер возникает при пиковом входном напряжении 21,5 В. Следовательно, максимальный дифференциал составляет 9,8 В.

Наконец, обратите внимание, что для выхода 0,585 ампер потребуется минимум \ (\ beta \)

\ [\ beta = \ frac {I_C} {I_B} \ notag \]

\ [\ beta = \ frac {585 мА} {20 мА} \ notag \]

\ [\ beta = 29.25 \ notag \]

Это предполагает, что операционный усилитель может вырабатывать 20 мА, а также игнорирует малые токи стабилитрона и делителя напряжения на выходе.

Что касается эффективности, необходимо рассчитать входную мощность и мощность нагрузки. Для мощности нагрузки,

\ [P_ {load} = I_ {load} V_ {load} \ notag \]

\ [P_ {load} =.585 А \ умножить на 11,7 В \ notag \]

\ [P_ {нагрузка} = 6,844 Вт \ notag \]

Игнорируя требования к току операционного усилителя, стабилитрона и делителя \ (R_2 / R_3 \), подаваемый ток равен 0,585 А. Среднее входное напряжение составляет 20 В.

\ [P_ {in} = I_ {in} V_ {in} \ notag \]

\ [P_ {in} = 0,585 А \ умножить на 20 В \ notag \]

\ [P_ {in} = 11,7 Вт \ notag \]

Эффективность, \ (\ eta \), определяется как отношение полезного выхода к требуемому входу, поэтому

\ [\ eta = \ frac {P_ {load}} {P_ {in}} \ notag \]

\ [\ eta = \ frac {6.844 Вт} {11,7 Вт} \ notag \]

\ [\ eta = 0,585 \ или \ 58,5 \% \ notag \]

Таким образом, 41,5% входной мощности теряется. Чтобы свести к минимуму потери и максимизировать эффективность, дифференциальное напряжение на входе / выходе должно быть как можно меньшим. Для правильной работы операционного усилителя и проходного транзистора это обычно означает, что дифференциал ниже 2–3 В невозможен. Следовательно, эта форма регулирования очень неэффективна, когда источник питания должен обеспечивать низкие уровни выходного напряжения.

Компьютерное моделирование

Моделирование Multisim линейного регулятора на базе ОУ, такого как показанное на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Входной сигнал составляет в среднем 20 В, а пиковая синусоидальная волна 2 В с частотой 120 Гц на нем представляет собой пульсации. Операционный усилитель 741 используется в качестве элемента сравнения вместе с обычным транзистором для проходного устройства. В качестве эталона используется стабилитрон 5,2 В. Учитывая значения схемы, ручной расчет показывает

\ [V_ {out} = V_ {стабилитрон} (1+ \ frac {R_f} {R_i}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 5.2 V \ times (1+ \ frac {14k} {11k}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 11,8 В \ notag \]

График выходного сигнала показывает постоянный выходной сигнал примерно при 12,6 В. Расхождение может быть связано с неидеальной природой стабилитрона (например, его внутренним сопротивлением). Действительно, первоначальное решение показывает, что потенциал стабилитрона (узел 5) составляет приблизительно 5,5 В. Более точное определение стабилитрона (в частности, параметров BV и IBV) привело бы к гораздо более точному предсказанию.Другой способ взглянуть на это — сказать, что спецификация стабилитрона 5,2 В слишком сильно ниже фактической точки смещения стабилитрона для максимальной точности (т. Е. Ручные вычисления несколько неаккуратны и, следовательно, являются ошибочными). Помимо этого незначительного несоответствия, график во временной области действительно показывает стабильность выходного сигнала, несмотря на значительные колебания входного сигнала.

Рисунок \ (\ PageIndex {2a} \): Регулятор операционного усилителя в Multisim.

Рисунок \ (\ PageIndex {2b} \): формы сигналов на входе и выходе из Multisim.

8.3.1: Три оконечных устройства

Стремясь упростить работу проектировщика, производители предоставляют схемы, подобные показанной на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), в одном корпусе. Если вы заметили, схеме действительно нужны только три контакта для подключения к внешнему миру: вход от фильтра, земля и выход. Эти устройства широко известны как трехконтактные регуляторы — вряд ли можно назвать креативным названием, но, по крайней мере, описательным. Доступно несколько различных устройств для различных требований по току и рассеиваемой мощности.

Типичное семейство «3-контактных» устройств — это LM340-XX / LM78XX и LM360-XX / LM79XX. Серия LM340-XX / LM78XX предназначена для положительных выходов, а серия LM360-XX / LM79XX — для отрицательных выходов. «XX» указывает номинальное напряжение нагрузки. Например, LM340-05 — стабилизатор +5 В, а LM7912 — блок -12 В. Самые популярные типоразмеры — это блоки на 5, 12 и 15 В. Для простоты далее серия будет называться LM78XX.

Лист данных серии LM78XX показан на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).Этот регулятор выпускается в нескольких вариантах, включая ТО-3, ТО-220 и версии для поверхностного монтажа. Версия с корпусом TO-3 предлагает несколько более высокую рассеиваемую мощность. Доступны выходные токи более 1 А. В качестве дополнительного примечания, для более легких нагрузок с более низким потреблением тока можно использовать LM78LXX. Этот регулятор предлагает выход 100 мА и поставляется в различных корпусах.

Рисунок \ (\ PageIndex {3a} \): лист данных LM78XX.

Рисунок \ (\ PageIndex {3b} \): лист данных LM78XX (продолжение).Перепечатано с любезного разрешения Texas Instrutments

Практический предел рассеиваемой мощности серии LM78XX, как и любого другого устройства питания, сильно зависит от типа используемого радиатора. Из графиков видно, что в корпусе ТО-3 она может достигать 20 Вт. Типичное выходное напряжение находится в пределах примерно 5 процентов от номинального значения. Это указывает на присущую IC точность и не является мерой ее регулирующих способностей. Значения для регулирования нагрузки и линии приведены в листе технических данных.При отклонении линейного напряжения более 2: 1 мы можем видеть, что выходное напряжение изменяется не более чем на 1 процент от номинального выходного значения. Регулирование нагрузки в наихудшем случае так же хорошо, показывая отклонение не более 1 процента при изменении тока нагрузки от 5 мА до 1,5 А. Также можно увидеть, что регулятор потребляет очень небольшой ток в режиме ожидания, всего 8,5 мА в широком диапазоне температур. диапазон.

Выход серии LM78XX довольно чистый. LM7815 показывает выходное напряжение шума обычно 90 мкВ и среднее подавление пульсаций 70 дБ.Это означает, что пульсации на входе регулятора уменьшаются на 70 дБ на выходе. Поскольку 70 дБ переводятся в коэффициент более 3000, это означает, что входной сигнал пульсации 1 В будет уменьшен до менее одной трети милливольта на выходе. Стоит отметить, что этот показатель зависит от частоты, как показано на графике подавления пульсаций. К счастью, максимальное значение находится в желаемом диапазоне от 60 до 120 Гц.

Последний важный пункт в техническом паспорте является чрезвычайно важным: входное напряжение, необходимое для поддержания регулирования линии.Это значение примерно на 2,5–2,7 В больше номинального значения регулятора. Без этого запаса регулятор перестанет нормально работать. Хотя желательно поддерживать низкое дифференциальное напряжение на входе / выходе, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность устройства и максимизировать эффективность, слишком низкое значение приведет к выходу из строя регулятора. Как видно на графике пикового выходного тока, самые высокие токи нагрузки достигаются, когда дифференциал находится в диапазоне от 5 до 10 В.

Во всех случаях устройства обеспечивают тепловое отключение и защиту от короткого замыкания на выходе.Максимальное входное напряжение ограничено до 35 В. Помимо серии LM78XX доступны специальные сильноточные типы с выходами в диапазоне 3 А и выше.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Двойное питание для схем операционного усилителя.

В качестве примера на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан биполярный источник питания. Трансформатор с центральным отводом используется для создания необходимой положительной / отрицательной полярности. \ (C_1 \) и \ (C_2 \) служат конденсаторами фильтра. Положительный пик на каждом конденсаторе не должен превышать 35 В, иначе регуляторы могут быть повреждены.Минимальное напряжение на конденсаторах должно быть как минимум на 3 В выше желаемого выходного уровня. Точный размер конденсатора зависит от ожидаемого тока нагрузки. Аналогичным образом величина тока нагрузки будет определять, какой стиль корпуса будет использоваться. Конденсаторы \ (C_3 \) и \ (C_4 \) емкостью 220 нФ и требуются только в том случае, если регуляторы расположены на расстоянии нескольких дюймов или более от конденсаторов фильтра. Если требуется их использование, \ (C_3 \) и \ (C_4 \) должны располагаться очень близко к регулятору.\ (C_5 \) и \ (C_6 \) используются для улучшения переходной характеристики регулятора. Они не используются для фильтрации или стабилизации цепи. Из-за частого неправильного использования \ (C_5 \) и \ (C_6 \) часто называют «конденсаторами стабильности», хотя это не их функция. Наконец, диоды \ (D_1 \) и \ (D_2 \) защищают регуляторы от условий перенапряжения на выходе, например, от индуктивных нагрузок.

Как видите, проектирование умеренных источников питания с фиксированным напряжением с помощью этого шаблона может быть очень простым делом.После того, как основной источник питания настроен, все, что нужно добавить, — это регуляторы, несколько конденсаторов и диодов. Проще говоря, стабилизатор «прикрепляется» к базовому нерегулируемому источнику питания с конденсаторным фильтром. Для простого источника питания с одной полярностью дополнительные компоненты могут быть сведены к одной ИС регулятора, при этом дополнительные конденсаторы и диод игнорируются.

8.3.2: Повышение тока

Для очень высоких выходных токов можно использовать внешние проходные транзисторы в дополнение к основным ИС линейного регулятора.Пример показан на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Когда входной ток возрастает до определенного уровня, падение напряжения на \ (R_1 \) будет достаточно большим, чтобы включить транзистор \ (Q_1 \). Когда \ (Q_1 \) начинает проводить, ток течет через \ (R_3 \). По мере увеличения этого тока потенциал на \ (R_3 \) увеличится до точки, в которой силовой транзистор \ (Q_2 \) включится. \ (Q_2 \) будет обрабатывать любое дальнейшее увеличение тока нагрузки. Обычно \ (R_1 \) устанавливается так, чтобы регулятор работал на уровне, превышающем половину своего максимального номинала, прежде чем произойдет переключение.Типичное значение — 22 \ (\ Omega \). Например, если переключение происходит при 1 А, регулятор будет обеспечивать все потребности нагрузки до 1 А. Если нагрузке требуется более 1 А, стабилизатор подаст 1 А, а остальное будет обеспечивать силовой транзистор. Для правильной работы схемам этого типа часто требуется минимальный ток нагрузки. Такой «утечки» можно добиться, добавив один резистор параллельно нагрузке.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): пропускные транзисторы для увеличения тока нагрузки.

Другая возможность увеличения выходного тока — это параллельное соединение устройств и добавление небольших балластных резисторов. Пример этого показан на рисунке \ (\ PageIndex {6} \). Балластные резисторы используются для создания локальной обратной связи. Это снижает потребление тока и заставляет регуляторы равномерно распределять ток нагрузки. (Это тот же метод, который обычно используется в усилителях большой мощности, так что несколько выходных транзисторов могут быть подключены параллельно.) Размер балластных резисторов довольно невелик, обычно 0.5 \ (\ Omega \) или меньше.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Параллельные устройства для повышенного тока нагрузки

8.3.3: Регуляторы с малым падением напряжения

Регуляторы с малым падением напряжения (обычно сокращенно LDO) — это особый подкласс обычных линейных регуляторов. Как правило, они работают одинаково, но с одним важным исключением. В отличие от обычных линейных регуляторов, LDO не требуют большого дифференциального напряжения на входе-выходе в несколько вольт. Вместо этого LDO будут регулировать дифференциал всего в несколько десятых вольта.Этот минимальный дифференциал ввода-вывода известен как падение напряжения. При меньшем запасе мощности LDO намного более эффективен, чем стандартный стабилизатор, особенно с низковольтными выходами. Примером может служить LM2940. Как и LM78XX, этот регулятор доступен для многих популярных выходных потенциалов, включая 5, 12 и 15 В. Он рассчитан на выходной ток 1 А. При максимальном токе падение напряжения обычно составляет 0,5 В. На выходе 100 мА падение напряжения обычно составляет 110 мВ.

8.3.4: Программируемые и отслеживающие регуляторы

Наряду с простыми трехконтактными фиксированными регуляторами доступен ряд регулируемых или программируемых устройств. Некоторые устройства также включают в себя такие функции, как программируемое ограничение тока. Кроме того, можно настроить несколько регуляторов так, чтобы они отслеживали или следовали друг за другом.

Один из популярных регулируемых регуляторов — LM317. Это устройство функционально похоже на серию 340, описанную в предыдущем разделе.По сути, он имеет внутреннее опорное напряжение 1,25 В. При использовании внешнего делителя напряжения доступен широкий диапазон выходных потенциалов. LM317 будет производить максимальный ток 1,5 А и максимальное напряжение 37 В. Базовая схема подключения показана на рисунке \ (\ PageIndex {7} \). Делитель \ (R_1 / R_2 \) устанавливает выходное напряжение по формуле

\ [V_ {out} = 1,25 В (1+ \ frac {R_2} {R_1}) + I_ {adj} R_2 \ notag \]

\ (I_ {adj} \) — ток, протекающий через нижний регулировочный штифт.\ (I_ {adj} \) составляет около 100 мкА, и, поскольку он такой маленький, в первом приближении им можно пренебречь. \ (R_1 \) установлен на 240 \ (\ Omega \). D1 служит устройством защиты от выходных перенапряжений, как было показано в предыдущем разделе. Конденсатор на 10 мкФ используется для увеличения подавления пульсаций устройством. Добавление этого конденсатора увеличит подавление пульсаций как минимум на 10 дБ. Диод \ (D_2 \) используется для предотвращения возможных деструктивных разрядов конденсатора 10 мкФ. На практике \ (R_2 \) устанавливается на резистор фиксированного размера для статических источников питания или представляет собой потенциометр для источников питания, регулируемых пользователем.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Базовый регулятор LM317.

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Определите значение для \ (R_2 \), чтобы выход можно было регулировать от минимального 1,25 В до максимального 15 В.

Для минимального значения \ (R_2 \) должно быть 0 \ (\ Omega \). Игнорируя эффект \ (I_ {adj} \), максимальное значение находится на

\ [V_ {out} = 1,25 В (1+ \ frac {R_2} {R_1}) \ notag \]

\ [R_2 = R_1 \ times (\ frac {V_ {out}} {1.25 В} −1) \ notag \]

\ [R_2 = 240 \ times (\ frac {15 В} {1,25 В} -1) \ notag \]

\ [R_2 = 2,64 к \ нотаг \]

Обычно такое значение недоступно для стандартных потенциометров. Блок 2,5 k \ (\ Omega \) может быть легко доступен, поэтому \ (R_1 \) можно немного уменьшить для компенсации.

Компьютерное моделирование

На рисунке \ (\ PageIndex {8} \) показано моделирование регулятора, разработанного в примере \ (\ PageIndex {3} \). Используемая модель LM117 очень похожа на LM317.Максимальное значение потенциометра 2,5 k \ (\ Omega \) используется здесь, чтобы увидеть, насколько далека конструкция от целевого значения 15 вольт. Как и в моделировании в предыдущей главе, синусоидальная волна на смещении постоянного тока используется в качестве входа для имитации пульсации на нерегулируемом источнике питания. Анализ переходных процессов Multisim используется для построения графиков входных и выходных сигналов. При желании схема выдает очень стабильный выход постоянного тока. Кроме того, уровень составляет всего несколько десятых вольт от желаемого максимума в 15 вольт, как и ожидалось.Моделирование достаточно хорошо проверяет ручные расчеты.

Рисунок \ (\ PageIndex {8a} \): моделирование LM317 / LM117.

При использовании LM317, если требуется минимальное значение более 1,25 В, потенциометр можно подключить последовательно с фиксированным резистором. В качестве альтернативы, точные предустановленные значения могут быть получены с помощью поворотного переключателя и набора постоянных резисторов, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {9} \). Фактически, эти методы также могут быть применены к фиксированным трехконтактным устройствам, представленным в предыдущем разделе.Например, LM7805 можно использовать в качестве стабилизатора 15 В, просто добавив внешний делитель, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {10} \). Вы можете думать о LM7805 как о LM317 с опорным напряжением 5 В. Точные значения не важны; Важно то, что соотношение двух резисторов составляет 2: 1.

Рисунок \ (\ PageIndex {8b} \): осциллограммы из Multisim.

Одна из основных проблем регулируемых линейных регуляторов — это ограничение «нижнего конца». Стабилизатору этого типа легче генерировать большой ток нагрузки при высоком напряжении нагрузки, чем генерировать большой ток нагрузки при низком напряжении нагрузки.Причина этого в том, что при низких выходных напряжениях внутренний проходной транзистор видит очень высокое дифференциальное напряжение. Это приводит к очень большому рассеянию мощности. Если устройство станет слишком горячим, могут сработать схемы тепловой защиты. С точки зрения пользователя это означает, что источник питания может выдавать выходное напряжение 15 В, 1 А, но не может обеспечивать выходное напряжение 5 В, 1 А.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Регулируемое регулирование.

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): Изменение выходного напряжения с фиксированным регулятором.

Еще одна популярная микросхема стабилизатора — LM723. Это устройство имеет более модульную конструкцию и позволяет задавать ограничение тока. Эквивалентная схема 723 показана на рисунке \ (\ PageIndex {11} \). Сам по себе LM723 способен выдавать только 150 мА. При использовании транзисторов с внешним проходом стабилизатор на основе LM723 может выдавать ток нагрузки в несколько ампер. Внутреннее опорное напряжение составляет примерно 7,15 В. Из-за этого существуют две основные конфигурации: одна для выходов ниже 7 В и одна для выходов выше 7 В.Эти конфигурации и их формулы вывода показаны на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Эквивалентная схема LM723. Перепечатано с любезного разрешения Texas Instrutments

Объединив рисунок \ (\ PageIndex {10} \) с рисунком \ (\ PageIndex {11} \) и перерисовав результаты в рисунках \ (\ PageIndex {13a} \) и \ (\ PageIndex {13b} \), вы можно увидеть сильное сходство с обычным регулятором операционного усилителя, встреченным ранее. Рисунок \ (\ PageIndex {13a} \) используется для выходных значений больше 7.Опорное напряжение 15 В. Таким образом, резисторы \ (R_1 \) и \ (R_2 \) используются для установки коэффициента усиления внутреннего усилителя (т. Е. Величины, на которую будет умножаться опорное значение). Резистор \ (R_3 \) просто служит для компенсации смещения постоянного тока для \ (R_1 \) и \ (R_2 \). Для выходов меньше эталонного, \ (R_1 \) и \ (R_2 \) служат делителем напряжения, который эффективно уменьшает эталон, тогда как усилитель работает с коэффициентом усиления, равным единице. Опять же, R3 служит для компенсации смещения. Короче говоря, выходное напряжение снова определяется опорным напряжением в сочетании с парой резисторов.В обоих случаях предел выходного тока устанавливается на

\ [I_ {limit} = \ frac {V_ {sense}} {R_ {sc}} \ notag \]

Где \ (V_ {sense} \) составляет примерно 0,65 В при комнатной температуре (для других температур график \ (V_ {sense} \) приведен в листе данных LM723). Это уравнение можно найти в паспорте производителя, но его можно легко получить, проверив рисунок \ (\ PageIndex {13} \). Резистор \ (R_ {sc} \) включен последовательно с нагрузкой, и, таким образом, ток через него является током нагрузки (без учета небольшого тока, необходимого для регулировочных резисторов).Транзистор ограничения тока подключен так, что напряжение на \ (R_ {sc} \) прикладывается к переходу база-эмиттер этого транзистора. Коллектор транзистора ограничения тока соединен с базой выходного транзистора. Если выходной ток возрастает до точки, где напряжение на \ (R_ {sc} \) превышает примерно 0,65 В, транзистор ограничения тока включается, тем самым шунтируя выходной ток возбуждения от транзистора выходного прохода. Как видите, формула для \ (I_ {limit} \) немного больше, чем прямое применение закона Ома.Эта схема аналогична методу, рассмотренному в главе 2, для безопасного ограничения выходного тока операционного усилителя.

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): LM723 «подключения». Перепечатано с любезного разрешения Texas Instrutments

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \) (продолжение): LM723 «подключения». Перепечатано с любезного разрешения Texas Instrutments

Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): Две основные конфигурации регулятора LM723. а. Выход> 7,15 В (вверху). б. Выход <7.15 вольт (внизу).

Пример \ (\ PageIndex {4} \)

Разработайте стабилизатор +12 В с использованием LM723 с ограничением тока 50 мА.

Базовая форма для этого — версия, показанная в \ (\ PageIndex {12.2} \). Соответствующее выходное уравнение:

\ [V_ {out} = V_ {ref} \ frac {R_1 + R_2} {R_2} \ notag \]

Выбор произвольного значения для \ (R_2 \) из 10 k \ (\ Omega \), а затем решение для \ (R_1 \),

\ [R_1 = \ frac {V_ {out}} {V_ {ref}} R_2 — R_2 \ notag \]

\ [R_1 = \ frac {12V} {7.15 В} 10 кОм — 10 кОм \ notag \]

\ [R_1 = 6,78 к \ нотаг \]

Для резистора считывания тока,

\ [I_ {limit} = \ frac {V_ {sense}} {R_ {sc}} \ notag \]

\ [R_ {sc} = \ frac {V_ {sense}} {I_ {limit}} \ notag \]

\ [R_ {sc} = \ frac {0,65 В} {50 мА} \ notag \]

\ [R_ {sc} = 13 \ Omega \ notag \]

Наконец, для минимального температурного дрейфа, \ (R_3 \) включен и установлен на \ (R_1 || R_2 \)

\ [R_3 = R_1 || R_2 \ notag \]

\ [R_3 = 10 к || 6.78 к \ нотаг \]

\ [R_3 = 4,04 к \ нотаг \]

Завершенная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {14} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {14} \): Завершенная цепь 12 В для примера \ (\ PageIndex {4} \).

Пример \ (\ PageIndex {5} \)

Используя LM723, спроектируйте источник питания с плавной регулировкой от 2 В до 5 В с ограничением тока 1,0 А.

Базовая форма для этого — версия, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {12.1} \). Соответствующее выходное уравнение:

\ [V_ {out} = V_ {ref} \ frac {R_2} {R_1 + R_2} \ notag \]

Нам необходимо внести несколько изменений в основную форму, чтобы приспособиться к высокому выходному току и регулировке выходного напряжения.Одна из возможностей показана на рисунке \ (\ PageIndex {15} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {15} \): Пример схемы \ (\ PageIndex {5} \): регулятор от 2 до 5 В, 1 ампер.

Для создания тока нагрузки 1 А будет использоваться внешний проходной транзистор. Для получения желаемой регулировки напряжения резистор \ (R_1 \) заменяется последовательной комбинацией потенциометр / резистор (\ (R_ {1a}, R_ {1b} \)). Таким образом, минимальное значение для R1 будет R1b, а максимальное значение будет \ (R_ {1a} + R_ {1b} \).Есть несколько способов подойти к расчету этих трех резисторов. Возможно, самый простой — выбрать значение для \ (R_2 \), а затем определить значения для \ (R_ {1a} \) и \ (R_ {1b} \). Хотя это довольно просто, это не очень практично, потому что вы, скорее всего, получите нестандартный размер для потенциометра. Более лучший, хотя, по общему признанию, более сложный подход заключается в выборе разумной стоимости банка, например 10 к \ (\ Omega \). При желаемых выходных потенциалах можно найти два других резистора.

Прежде всего, обратите внимание, что эти три резистора являются не более чем делителем напряжения. Уравнение выходного напряжения можно переписать как

\ [\ frac {R_1 + R_2} {R_2} = \ frac {V_ {ref}} {V_ {out}} \ notag \]

Для максимального случая имеем

\ [\ frac {R_ {1b} + R_2} {R_2} = \ frac {V_ {ref}} {V_ {out}} \ notag \]

\ [\ frac {R_ {1b} + R_2} {R_2} = \ frac {7,15 В} {5 В} \ notag \]

\ [\ frac {R_ {1b} + R_2} {R_2} = 1,43 \ notag \]

Если мы считаем \ (R_2 \) равным единице, мы можем сказать, что отношение двух резисторов к \ (R_2 \) равно 1.43: 1, или, что отношение \ (R_ {1b} \) к \ (R_2 \) составляет 0,43: 1.
Для минимального случая имеем

\ [\ frac {R_ {1a} + R_ {1b} + R_2} {R_2} = \ frac {V_ {ref}} {V_ {out}} \ notag \]

\ [\ frac {R_ {1a} + R_ {1b} + R_2} {R_2} = \ frac {7.15 V} {2 V} \ notag \]

\ [\ frac {R_ {1a} + R_ {1b} + R_2} {R_2} = 3,575 \ notag \]

Мы можем сказать, что отношение трех резисторов к \ (R_2 \) составляет 3,575: 1, или что отношение \ (R_ {1a} + R_ {1b} \) к \ (R_2 \) составляет 2,575: 1. . Потому что мы уже знаем, что отношение \ (R_ {1b} \) к \ (R_2 \) равно 0.43: 1, соотношение \ (R_ {1a} \) к \ (R_2 \) должно быть разницей, или 2,145: 1. Поскольку мы выбрали 10 k \ (\ Omega \) для \ (R_ {1a} \),

\ [R_2 = \ frac {R_ {1a}} {2.145} \ notag \]

\ [R_2 = \ frac {10 k} {2.145} \ notag \]

\ [R_2 = 4,66 к \ нотаг \]

Аналогично

\ [R_ {1b} = R_2 \ times 0,43 \ notag \]

\ [R_ {1b} = 4.66k \ times 0.43 \ notag \]

\ [R_ {1b} = 2k \ notag \]

Для резистора считывания тока,

\ [I_ {limit} = \ frac {V_ {sense}} {R_ {sc}} \ notag \]

\ [R_ {sc} = \ frac {V_ {sense}} {I_ {limit}} \ notag \]

\ [R_ {sc} = \ frac {0.65V} {1.0 A} \ notag \]

\ [R_ {sc} = 0,65 \ Omega \ notag \]

Для минимального температурного дрейфа, \ (R_3 \) включен и установлен на \ (R_1 || R_2 \). Поскольку \ (R_1 \) настраивается, будет использоваться среднее значение.

\ [R_3 = R_1 || R_2 \ notag \]

\ [R_3 = 6k || 4.66к \ notag \]

\ [R_3 = 2,62 к \ нотаг \]

Окончательный расчет включает внешний проходной транзистор. В этой конструкции используется выход 1 А, поэтому данное устройство должно выдерживать этот ток непрерывно.Кроме того, требуется минимальная спецификация \ (\ beta \). Поскольку LM723 будет управлять проходным транзистором, LM723 должен только генерировать базовый ток возбуждения. При максимальном выходном сигнале 150 мА это соответствует минимальному значению \ (\ beta \)

\ [\ beta_ {min} = \ frac {I_c} {I_b} \ notag \]

\ [\ beta_ {min} = \ frac {1 A} {150 мА} \ notag \]

\ [\ beta_ {min} = 6,67 \ notag \]

Это значение не должно создавать проблем для силового транзистора.

Помимо приложений, которые мы только что рассмотрели, LM723 может также использоваться для создания отрицательных регуляторов, импульсных регуляторов и других типов.Одним из полезных вариантов базовой темы является использование ограничения тока смещения, как показано на Рисунке \ (\ PageIndex {12.6} \). В отличие от обычной формы ограничения тока, обратное ограничение фактически приводит к уменьшению выходного тока при достижении предельной точки. На рисунке \ (\ PageIndex {16a} \) показан эффект обычного ограничения. По достижении предельной точки дальнейшие запросы нагрузки игнорируются. Проблема с этой компоновкой заключается в том, что в условиях короткого замыкания проходной транзистор будет испытывать большие нагрузки.Поскольку нагрузка закорочена, \ (V_ {load} \) = 0, и, следовательно, большой потенциал будет падать на проходном транзисторе. Это устройство уже полностью потребляет ток, поэтому рассеиваемая мощность может быть очень высокой. Ограничение обратной связи позволяет обойти эту проблему за счет снижения выходного тока по мере увеличения напряжения проходного транзистора. Обратите внимание, как на рисунке \ (\ PageIndex {16b} \) кривая ограничения тока не опускается прямо до точки ограничения, а скорее, когда потребность в нагрузке увеличивается, ток снова падает до \ (I_ {sc} \) .За счет ограничения тока таким образом достигается гораздо меньшее рассеивание мощности.

Рисунок \ (\ PageIndex {16} \): ограничение тока. а. Обычный (вверху). б. Отогните (внизу).

Наш последний интересный предмет в этом разделе — серия двойных регуляторов LT3032. Эти устройства представляют особый интерес для техников и разработчиков операционных усилителей. LT3032 доступен как фиксированный биполярный регулятор с выходами \ (\ pm \) 3.3, \ (\ pm \) 5, \ (\ pm \) 12 или \ (\ pm \) 15 вольт. Другой вариант предлагает настраиваемый вывод из \ (\ pm \) 1.22 вольт до \ (\ pm \) 20 вольт. Выходной ток до 150 мА. Эти устройства идеально подходят для питания схем операционных усилителей общего назначения.

Схема на рисунке \ (\ PageIndex {17} \) представляет собой двойной стабилизатор с минимальной конфигурацией частей, требующий только два резистора и конденсатор на каждую сторону. Все, что требуется перед этой схемой, — это стандартный трансформатор, выпрямитель и конденсатор фильтра. расположение, такое как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Максимальный выходной (ненагруженный) конденсатор фильтра должен быть не более 20 В, чтобы предотвратить повреждение LT3032.Эта схема, безусловно, проще, чем регулятор на основе LM317, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {7} \), и мало чем отличается от конструкции на основе LM340. Фактически, обратите внимание на сходство расчетных уравнений, представленных для LM317 и LT3032. Опять же, мы видим, что выходной потенциал находится, по существу, путем умножения опорного напряжения на коэффициент усиления последовательно-параллельного напряжения. Обратной стороной является то, что его рассеиваемая мощность и максимальные токи значительно ниже, чем у его аналогов LM340 или LM317. Тем не менее, выходного сигнала 150 мА достаточно для управления большим количеством операционных усилителей и других небольших сигнальных устройств.

Рисунок \ (\ PageIndex {17} \): распиновка и формулы LT3032. Перепечатано с разрешения Linear Technology

Встроены токоограничение и тепловое отключение. Другие конструктивные особенности включают тот факт, что LT3032 представляет собой стабилизатор с малым падением напряжения, для которого требуется только дифференциал 300 милливольт на канал. Защита от электростатического разряда (ESD) включена, диоды защиты от обратной полярности на выходе не требуются. Кроме того, добавление небольшого конденсатора емкостью 10 нФ на каждом выходе снизит напряжение шума регулятора до среднеквадратичного диапазона от 20 до 30 микровольт.

Есть много других ИС линейных регуляторов, доступных для разработчиков, чем было представлено здесь. Многие из этих устройств довольно специализированы, и кажется, что все устройства имеют свой особый набор рабочих формул и графиков. Однако среди них есть несколько общих тем. Во-первых, из-за относительной внутренней сложности производители часто дают очень конкретные инструкции по применению для своих конкретных ИС. Получающаяся в результате последовательность дизайна похожа на следование кулинарной книге и значительно облегчает жизнь дизайнера.Во-вторых, как упоминалось вначале, все линейные регуляторы имеют тенденцию быть довольно неэффективными. Эта неэффективность присуща конструкции и реализации схем линейного регулирования, и ее нельзя избежать. В лучшем случае можно минимизировать неэффективность данного приложения. Для достижения высокой эффективности необходимо рассмотреть другую топологию. Альтернативой является импульсный регулятор.