Stabilizzatori di tensione lineari: scopo, parametri di base e circuiti di commutazione

Forse oggi nessuna scheda elettronica può fare a meno di almeno una fonte di tensione costante costante. E molto spesso i regolatori di tensione lineari sotto forma di microcircuiti fungono da tali fonti. A differenza di un raddrizzatore con trasformatore, in cui la tensione in un modo o nell'altro dipende dalla corrente di carico e può variare leggermente per vari motivi, un microcircuito integrato - uno stabilizzatore (regolatore) è in grado di fornire una tensione costante in un intervallo definito con precisione di correnti di carico.

Questi microcircuiti sono costruiti sulla base di transistor ad effetto di campo o bipolari, che funzionano continuamente in modalità attiva. Oltre al transistor di regolazione, sul cristallo del microcircuito dello stabilizzatore lineare è installato anche un circuito di controllo.

Storicamente, prima che diventasse possibile produrre tali stabilizzatori sotto forma di microcircuiti, si trattava di risolvere il problema della stabilità della temperatura dei parametri, poiché con il riscaldamento durante il funzionamento, i parametri dei nodi del microcircuito cambieranno.

La soluzione arrivò nel 1967, quando l'ingegnere elettronico americano Robert Widlar propose un circuito stabilizzatore in cui un transistor di regolazione sarebbe stato collegato tra una sorgente di tensione di ingresso non regolata e un carico, e un amplificatore di errore con una tensione di riferimento compensata in temperatura sarebbe stato presente in il circuito di controllo. Di conseguenza, la popolarità degli stabilizzatori integrati lineari nel mercato è aumentata rapidamente.

Guarda la foto qui sotto. Qui è mostrato uno schema semplificato di un regolatore di tensione lineare (come LM310 o 142ENxx). In questo schema, un amplificatore operazionale con retroazione di tensione negativa non invertente, utilizzando la sua corrente di uscita, controlla il grado di sblocco del transistor di regolazione VT1, collegato in un circuito con un collettore comune - inseguitore di emettitore.

L'amplificatore operazionale stesso è alimentato dalla sorgente di ingresso sotto forma di una tensione unipolare positiva. E sebbene la tensione negativa non sia adatta per l'alimentazione qui, la tensione di alimentazione dell'amplificatore operazionale può essere raddoppiata senza problemi, senza timore di sovraccarichi o danni.

La conclusione è che il profondo feedback negativo neutralizza l'instabilità della tensione di ingresso, il cui valore in questo circuito può raggiungere i 30 volt. Quindi, le tensioni di uscita fisse vanno da 1,2 a 27 volt, a seconda del modello di chip.

Il microcircuito stabilizzatore ha tradizionalmente tre pin: ingresso, comune e uscita.La figura mostra un circuito tipico di un amplificatore differenziale come parte di un microcircuito per ottenere una tensione di riferimento Diodo Zener applicato.

Nei regolatori a bassa tensione, il riferimento di tensione è ottenuto al gap, come Widlar propose per la prima volta nel suo primo regolatore integrato lineare, l'LM109. Nel circuito di feedback negativo dei resistori R1 e R2 è installato un divisore, per azione del quale la tensione di uscita risulta essere semplicemente proporzionale alla tensione di riferimento secondo la formula Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Il resistore R3 e il transistor VT2 integrati nello stabilizzatore servono a limitare la corrente di uscita, quindi se la tensione sul resistore di limitazione della corrente supera 0,6 volt, il transistor VT2 si aprirà immediatamente, causando la corrente di base del transistor di controllo principale VT1 limitato. Si scopre che la corrente di uscita nella normale modalità di funzionamento dello stabilizzatore è limitata a 0,6 / R3. La potenza dissipata dal transistor di regolazione dipenderà dalla tensione di ingresso e sarà pari a 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Se per qualche motivo si verifica un cortocircuito all'uscita dello stabilizzatore integrato, allora la potenza dissipata sul cristallo non dovrebbe essere lasciata come prima, proporzionale alla differenza di tensione e inversamente proporzionale alla resistenza del resistore R3. Pertanto, il circuito contiene elementi protettivi: il diodo zener VD2 e il resistore R5, il cui funzionamento imposta il livello di protezione corrente in base alla differenza di tensione Uin -Uout.

Nel grafico sopra, puoi vedere che la corrente di uscita massima dipende dalla tensione di uscita, quindi il microcircuito dello stabilizzatore lineare è protetto in modo affidabile dal sovraccarico.Quando la differenza di tensione Uin-Uout supera la tensione di stabilizzazione del diodo zener VD2, il divisore dei resistori R4 e R5 creerà una corrente sufficiente nella base del transistor VT2 per spegnerlo, il che a sua volta causerà il limite della corrente di base all'aumento del transistor di regolazione VT1.

Gli ultimi modelli di regolatori lineari, come l'ADP3303, sono dotati di protezione da sovraccarico termico quando la corrente di uscita diminuisce bruscamente quando il cristallo viene riscaldato a 165 ° C. Il condensatore nel diagramma sopra è necessario per equalizzare la frequenza.

A proposito, sui condensatori. È consuetudine collegare condensatori con una capacità minima di 100 nf all'ingresso e all'uscita degli stabilizzatori integrati per evitare false attivazioni dei circuiti interni del microcircuito. Nel frattempo, ci sono i cosiddetti stabilizzatori senza cappuccio, come il REG103, per i quali non è necessario installare condensatori stabilizzatori all'ingresso e all'uscita.

Oltre agli stabilizzatori lineari con tensione di uscita fissa, esistono anche stabilizzatori con tensione di uscita regolabile per la stabilizzazione. In essi manca il divisore dei resistori R1 e R2 e la base del transistor VT4 viene portata su una gamba separata del chip per il collegamento di un divisore esterno, come nel chip 142EN4.

Stabilizzatori più moderni, in cui il consumo di corrente del circuito di controllo è ridotto a diverse decine di microampere, come l'LM317, hanno solo tre pin.Ad onor del vero, segnaliamo che oggi esistono anche regolatori di tensione ad alta precisione come il TPS70151, che grazie alla presenza di diversi pin aggiuntivi, consentono di applicare la protezione contro la caduta di tensione ai fili di collegamento, il controllo della scarica del carico, ecc. .

Sopra abbiamo parlato di stabilizzatori di tensione positivi, relativi al filo comune. Schemi simili vengono utilizzati anche per stabilizzare tensioni negative, è sufficiente isolare galvanicamente la tensione di uscita dell'ingresso dal punto comune. Il pin di uscita viene quindi collegato al punto di uscita comune e il punto di uscita negativo sarà il punto negativo di ingresso collegato al punto comune del chip stabilizzatore. I regolatori di tensione a polarità negativa come il 1168ENxx sono molto convenienti.

Se è necessario ottenere due tensioni contemporaneamente (polarità positiva e negativa), a tale scopo esistono speciali stabilizzatori che forniscono contemporaneamente una tensione positiva e negativa stabilizzata simmetricamente, è sufficiente applicare tensioni di ingresso positive e negative agli ingressi. Un esempio di tale stabilizzatore bipolare è il KR142EN6.

La figura sopra ne è uno schema semplificato. Qui, l'amplificatore differenziale n. 2 guida il transistor VT2, quindi si osserva l'uguaglianza -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. E l'amplificatore #1 controlla il transistor VT1 in modo che il potenziale alla giunzione dei resistori R2 e R4 rimanga zero. Se allo stesso tempo i resistori R2 e R4 sono uguali, la tensione di uscita (positiva e negativa) rimarrà simmetrica.

Per la regolazione indipendente del bilanciamento tra due tensioni di uscita (positiva e negativa), è possibile collegare resistenze di regolazione aggiuntive agli appositi pin del microcircuito.

La più piccola caduta di tensione caratteristica dei suddetti circuiti regolatori lineari è di 3 volt. Questo è abbastanza per dispositivi a batteria o alimentati a batteria ed è generalmente desiderabile ridurre al minimo la caduta di tensione. A tale scopo, il transistor di uscita è realizzato di tipo pnp in modo che la corrente di collettore dello stadio differenziale sia simultanea con la corrente di base del transistor di regolazione VT1. La caduta di tensione minima sarà ora dell'ordine di 1 volt.

I regolatori di tensione negativa funzionano in modo simile con un abbassamento minimo. Ad esempio, i regolatori della serie 1170ENxx hanno una caduta di tensione di circa 0,6 volt e non si surriscaldano se realizzati nella custodia TO-92 con correnti di carico fino a 100 mA. Lo stabilizzatore stesso non consuma più di 1,2 mA.

Tali stabilizzatori sono classificati come abbassamento basso. Una caduta di tensione ancora più bassa si ottiene sui regolatori basati su MOSFET (circa 55 mV con un consumo di corrente del chip di 1 mA) come il chip MAX8865.

Alcuni modelli di stabilizzatore sono dotati di pin di spegnimento per ridurre il consumo energetico dei dispositivi in ​​modalità standby: quando viene applicato un livello logico a questo pin, il consumo dello stabilizzatore si riduce quasi a zero (linea LT176x).

Parlando di stabilizzatori lineari integrali, notano le loro caratteristiche, nonché parametri dinamici e accurati.

I parametri di precisione sono il fattore di stabilizzazione, la precisione di impostazione della tensione di uscita, l'impedenza di uscita e il coefficiente di temperatura della tensione. Ciascuno di questi parametri è elencato nella documentazione; sono legati alla precisione della tensione di uscita in funzione della tensione di ingresso e della temperatura attuale del cristallo.

I parametri dinamici come il rapporto di soppressione del ripple e l'impedenza di uscita sono impostati per diverse frequenze di corrente di carico e tensione di ingresso.

Caratteristiche prestazionali come intervallo di tensione di ingresso, tensione di uscita nominale, corrente di carico massima, massima dissipazione di potenza, differenza massima di tensione di ingresso e di uscita alla massima corrente di carico, corrente a vuoto, intervallo di temperatura operativa, tutti questi parametri influiscono sulla scelta di uno o l'altro.stabilizzatore per un certo circuito.

Caratteristiche dei regolatori di tensione lineari

Ecco i circuiti tipici e più popolari per l'inclusione di stabilizzatori lineari:

Se è necessario aumentare la tensione di uscita di uno stabilizzatore lineare con una tensione di uscita fissa, viene aggiunto un diodo zener in serie al terminale comune:

Per massimizzare la corrente di uscita consentita, un transistor più potente è collegato in parallelo con lo stabilizzatore, trasformando il transistor di regolazione all'interno del microcircuito in una parte di un transistor composito:

Se è necessario stabilizzare la corrente, lo stabilizzatore di tensione viene attivato secondo lo schema seguente.

In questo caso, la caduta di tensione attraverso il resistore sarà uguale alla tensione di stabilizzazione, che porterà a perdite significative se la tensione di stabilizzazione è elevata.A questo proposito, sarà più appropriato scegliere uno stabilizzatore per la tensione di uscita più bassa possibile, come il KR142EN12 per 1,2 volt.