Estabilitzadors de tensió lineals: finalitat, paràmetres bàsics i circuits de commutació

Potser avui dia, cap placa electrònica pot prescindir d'almenys una font de tensió constant constant. I molt sovint els reguladors de tensió lineals en forma de microcircuits serveixen com a fonts. A diferència d'un rectificador amb transformador, on la tensió d'una manera o una altra depèn del corrent de càrrega i pot variar lleugerament per diverses raons, un microcircuit integrat: un estabilitzador (regulador) és capaç de proporcionar una tensió constant en un rang definit amb precisió. corrents de càrrega.

Aquests microcircuits es construeixen a partir de transistors d'efecte de camp o bipolars, que funcionen contínuament en mode actiu. A més del transistor regulador, també s'instal·la un circuit de control al cristall del microcircuit de l'estabilitzador lineal.

Històricament, abans que fos possible fabricar aquests estabilitzadors en forma de microcircuits, es va plantejar resoldre el problema de l'estabilitat de la temperatura dels paràmetres, ja que amb l'escalfament durant el funcionament, els paràmetres dels nodes del microcircuit canviaran.

La solució va arribar l'any 1967, quan l'enginyer electrònic nord-americà Robert Widlar va proposar un circuit estabilitzador en el qual es connectaria un transistor regulador entre una font de tensió d'entrada no regulada i una càrrega, i un amplificador d'error amb una tensió de referència compensada per temperatura estaria present en el circuit de control. Com a resultat, la popularitat dels estabilitzadors lineals integrats al mercat va augmentar ràpidament.

Mireu la foto de sota. Aquí es mostra un diagrama simplificat d'un regulador de tensió lineal (com ara el LM310 o el 142ENxx). En aquest esquema, un amplificador operacional de retroalimentació negativa de voltatge no inversor, utilitzant el seu corrent de sortida, controla el grau de desbloqueig del transistor regulador VT1, connectat en un circuit amb un col·lector comú - seguidor emissor.

El propi amplificador operatiu està alimentat per la font d'entrada en forma de tensió positiva unipolar. I encara que la tensió negativa no és adequada per al subministrament aquí, la tensió d'alimentació de l'amplificador operatiu es pot duplicar sense problemes, sense por de sobrecàrrega o dany.

La conclusió és que la retroalimentació negativa profunda neutralitza la inestabilitat de la tensió d'entrada, el valor de la qual en aquest circuit pot arribar als 30 volts. Així, les tensions de sortida fixes oscil·len entre 1,2 i 27 volts, depenent del model de xip.

El microcircuit estabilitzador té tradicionalment tres pins: entrada, comú i sortida.La figura mostra un circuit típic d'un amplificador diferencial com a part d'un microcircuit per obtenir una tensió de referència Díode Zener aplicat.

En els reguladors de baixa tensió, la referència de tensió s'obté al buit, tal com va proposar per primera vegada Widlar en el seu primer regulador lineal integrat, el LM109. S'instal·la un divisor al circuit de retroalimentació negativa de les resistències R1 i R2, per l'acció del qual la tensió de sortida resulta ser simplement proporcional a la tensió de referència d'acord amb la fórmula Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

La resistència R3 i el transistor VT2 integrats a l'estabilitzador serveixen per limitar el corrent de sortida, de manera que si la tensió de la resistència limitadora de corrent supera els 0,6 volts, el transistor VT2 s'obrirà immediatament, cosa que farà que el corrent base del transistor de control principal VT1 sigui. limitada. Resulta que el corrent de sortida en el mode de funcionament normal de l'estabilitzador està limitat a 0,6 / R3. La potència dissipada pel transistor regulador dependrà de la tensió d'entrada i serà igual a 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Si per algun motiu es produeix un curtcircuit a la sortida de l'estabilitzador integrat, la potència dissipada al cristall no s'ha de deixar com abans, proporcional a la diferència de tensió i inversament proporcional a la resistència de la resistència R3. Per tant, el circuit conté elements de protecció: díode zener VD2 i resistència R5, el funcionament dels quals estableix el nivell de protecció actual en funció de la diferència de tensió Uin -Uout.

Al gràfic anterior, podeu veure que el corrent de sortida màxim depèn de la tensió de sortida, de manera que el microcircuit de l'estabilitzador lineal està protegit de manera fiable de la sobrecàrrega.Quan la diferència de tensió Uin-Uout supera la tensió d'estabilització del díode zener VD2, el divisor de les resistències R4 i R5 crearà prou corrent a la base del transistor VT2 per apagar-lo, que al seu torn provocarà el límit de corrent base. per augmentar el transistor regulador VT1.

Els últims models de reguladors lineals, com l'ADP3303, estan equipats amb protecció de sobrecàrrega tèrmica quan el corrent de sortida cau bruscament quan el cristall s'escalfa a 165 ° C. El condensador del diagrama anterior és necessari per igualar la freqüència.

Per cert, sobre els condensadors. És habitual connectar condensadors amb una capacitat mínima de 100 nf a l'entrada i sortida dels estabilitzadors integrats per evitar una activació falsa dels circuits interns del microcircuit. Mentrestant, hi ha els anomenats estabilitzadors sense tapa, com el REG103, per als quals no cal instal·lar condensadors estabilitzadors a l'entrada i la sortida.

A més dels estabilitzadors lineals amb una tensió de sortida fixa, també hi ha estabilitzadors amb una tensió de sortida ajustable per a l'estabilització. En ells, falta el divisor de les resistències R1 i R2 i la base del transistor VT4 es porta a una pota separada del xip per connectar un divisor extern, com ara el xip 142EN4.

Els estabilitzadors més moderns, en què el consum actual del circuit de control es redueix a diverses desenes de microamperes, com el LM317, només tenen tres pins.Per ser justos, observem que avui dia també hi ha reguladors de tensió d'alta precisió com el TPS70151, que, a causa de la presència de diversos pins addicionals, permeten aplicar protecció contra caigudes de tensió als cables de connexió, control de descàrrega de càrrega, etc. .

Més amunt hem parlat dels estabilitzadors de tensió positiva, en relació amb el cable comú. També s'utilitzen esquemes similars per estabilitzar tensions negatives, només n'hi ha prou amb aïllar galvànicament la tensió de sortida de l'entrada del punt comú. Aleshores, el pin de sortida es connecta al punt de sortida comú i el punt de sortida negatiu serà el punt menys d'entrada connectat al punt comú del xip estabilitzador. Els reguladors de tensió de polaritat negativa com el 1168ENxx són molt convenients.

Si cal obtenir dues tensions alhora (polaritat positiva i negativa), per a això hi ha estabilitzadors especials que donen una tensió positiva i negativa simètricament estabilitzades alhora, n'hi ha prou amb aplicar tensions d'entrada positives i negatives. a les entrades. Un exemple d'aquest estabilitzador bipolar és el KR142EN6.

La figura de dalt és un diagrama simplificat. Aquí, l'amplificador diferencial # 2 impulsa el transistor VT2, de manera que s'observa la igualtat -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. I l'amplificador #1 controla el transistor VT1 de manera que el potencial a la unió de les resistències R2 i R4 es mantingui zero. Si al mateix temps les resistències R2 i R4 són iguals, la tensió de sortida (positiva i negativa) romandrà simètrica.

Per a l'ajust independent de l'equilibri entre dos voltatges de sortida (positiu i negatiu), podeu connectar resistències de retall addicionals als pins especials del microcircuit.

La caiguda de tensió més petita característica dels circuits reguladors lineals anteriors és de 3 volts. Això és bastant per a dispositius amb bateria o bateria i, en general, és desitjable minimitzar la caiguda de tensió. Amb aquesta finalitat, el transistor de sortida es fa del tipus pnp de manera que el corrent del col·lector de l'etapa diferencial sigui simultània amb el corrent base del transistor regulador VT1. La caiguda de tensió mínima serà ara de l'ordre d'1 volt.

Els reguladors de tensió negativa funcionen de manera similar amb una caiguda mínima. Per exemple, els reguladors de la sèrie 1170ENxx tenen una caiguda de tensió d'uns 0,6 volts i no es sobreescalfen quan es fan a la caixa TO-92 a corrents de càrrega de fins a 100 mA. El propi estabilitzador no consumeix més d'1,2 mA.

Aquests estabilitzadors es classifiquen com a baixa inclinació. S'aconsegueix una caiguda de tensió encara més baixa als reguladors basats en MOSFET (uns 55 mV a 1 mA de consum de corrent del xip) com el xip MAX8865.

Alguns models estabilitzadors estan equipats amb pins d'apagada per reduir el consum d'energia dels dispositius en mode d'espera; quan s'aplica un nivell lògic a aquest pin, el consum de l'estabilitzador es redueix gairebé a zero (línia LT176x).

Parlant d'estabilitzadors lineals integrals, destaquen les seves característiques, així com els paràmetres dinàmics i precisos.

Els paràmetres de precisió són el factor d'estabilització, la precisió de configuració de la tensió de sortida, la impedància de sortida i el coeficient de temperatura de voltatge. Cadascun d'aquests paràmetres està llistat a la documentació; estan relacionades amb la precisió de la tensió de sortida en funció de la tensió d'entrada i la temperatura actual del cristall.

Els paràmetres dinàmics, com ara la relació de supressió d'ondulació i la impedància de sortida, s'estableixen per a diferents freqüències de corrent de càrrega i tensió d'entrada.

Característiques de rendiment, com ara el rang de tensió d'entrada, la tensió de sortida nominal, el corrent de càrrega màxima, la dissipació de potència màxima, la diferència màxima de tensió d'entrada i sortida al corrent de càrrega màxima, corrent sense càrrega, rang de temperatura de funcionament, tots aquests paràmetres afecten l'elecció d'un o l'altre.estabilitzador per a un circuit determinat.

Característiques dels reguladors lineals de tensió

Aquests són els circuits típics i més populars per incloure estabilitzadors lineals:

Si és necessari augmentar la tensió de sortida d'un estabilitzador lineal amb una tensió de sortida fixa, s'afegeix un díode zener en sèrie al terminal comú:

Per maximitzar el corrent de sortida admissible, es connecta un transistor més potent en paral·lel amb l'estabilitzador, convertint el transistor regulador dins del microcircuit en una part d'un transistor compost:

Si cal estabilitzar el corrent, l'estabilitzador de tensió s'activa segons l'esquema següent.

En aquest cas, la caiguda de tensió a través de la resistència serà igual a la tensió d'estabilització, la qual cosa comportarà pèrdues significatives si la tensió d'estabilització és alta.En aquest sentit, serà més adequat triar un estabilitzador per a la tensió de sortida més baixa possible, com el KR142EN12 per a 1,2 volts.