Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В электронике , А линейный регулятор представляет собой систему , используемую для поддержания стабильного напряжения. Сопротивление регулятора изменяется в соответствии как с входным напряжением, так и с нагрузкой, что приводит к постоянному выходному напряжению. Регулирующее устройство действует как переменный резистор , непрерывно регулируя сеть делителя напряжения для поддержания постоянного выходного напряжения и непрерывно рассеивая разницу между входным и регулируемым напряжениями в виде отработанного тепла . Напротив, импульсный регуляториспользует активное устройство, которое включается и выключается для поддержания среднего значения выходной мощности. Поскольку регулируемое напряжение линейного регулятора всегда должно быть ниже, чем входное напряжение, эффективность ограничена, и входное напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы активное устройство всегда теряло некоторое напряжение.

Линейные регуляторы могут размещать регулирующее устройство параллельно нагрузке ( шунтирующий регулятор) или могут размещать регулирующее устройство между источником и регулируемой нагрузкой (последовательный регулятор). Простые линейные регуляторы могут содержать всего лишь стабилитрон и последовательный резистор; более сложные стабилизаторы включают в себя отдельные этапы опорного напряжения, усилитель мощности и ошибки прохода элемента. Поскольку линейный регулятор напряжения является общим элементом многих устройств, регуляторы однокристальных ИС очень распространены. Линейные регуляторы также могут состоять из сборок дискретных твердотельных или вакуумных ламповых компонентов.

Обзор [ править ]

Транзистор (или другое устройство) используется как половина делителя потенциала для установления регулируемого выходного напряжения. Выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением, чтобы создать управляющий сигнал для транзистора, который будет управлять его затвором или базой. При отрицательной обратной связи и хорошем выборе компенсации выходное напряжение остается достаточно постоянным. Линейные регуляторы часто неэффективны: поскольку транзистор действует как резистор, он будет растрачивать электрическую энергию, преобразовывая ее в тепло. Фактически, потеря мощности из-за нагрева в транзисторе - это ток, умноженный на разницу напряжений между входным и выходным напряжением. Эту же функцию часто может выполнять гораздо более эффективноимпульсный источник питания , но линейный регулятор может быть предпочтительным для легких нагрузок или там, где желаемое выходное напряжение приближается к напряжению источника. В этих случаях линейный регулятор может рассеивать меньше энергии, чем коммутатор. Линейный регулятор также имеет то преимущество, что не требует наличия магнитных устройств (катушек индуктивности или трансформаторов), которые могут быть относительно дорогими или громоздкими, часто имеют более простую конструкцию и вызывают меньше электромагнитных помех . В некоторых конструкциях линейных регуляторов используются только транзисторы, диоды и резисторы, которые легче встроить в интегральную схему, что еще больше снижает их вес, площадь на печатной плате и цену.

Все линейные регуляторы требуют входного напряжения, по крайней мере, на некоторую минимальную величину выше желаемого выходного напряжения. Эта минимальная величина называется падением напряжения . Например, обычный стабилизатор, такой как 7805, имеет выходное напряжение 5 В, но может поддерживать его только в том случае, если входное напряжение остается выше примерно 7 В, прежде чем выходное напряжение начнет опускаться ниже номинального выходного напряжения. Таким образом, его падение напряжения составляет 7-5 В = 2 В. Когда напряжение питания примерно на 2 В выше желаемого выходного напряжения, как в случае низковольтных микропроцессорных источников питания, так называемых стабилизаторов с малым падением напряжения (LDO) ) должны быть использованы.

Когда выходное регулируемое напряжение должно быть выше доступного входного напряжения, никакой линейный регулятор работать не будет (даже регулятор с малым падением напряжения ). В этой ситуации необходимо использовать повышающий преобразователь или зарядный насос . Большинство линейных регуляторов будут продолжать обеспечивать некоторое выходное напряжение, приблизительно равное падению напряжения ниже входного напряжения для входов ниже номинального выходного напряжения до тех пор, пока входное напряжение не упадет значительно.

Линейные регуляторы существуют в двух основных формах: шунтирующие регуляторы и последовательные регуляторы. Большинство линейных регуляторов имеют максимальный номинальный выходной ток. Обычно это ограничивается либо способностью рассеивания мощности, либо пропускной способностью выходного транзистора по току.

Шунтирующие регуляторы [ править ]

Шунтирующий стабилизатор работает, обеспечивая путь от напряжения питания до земли через переменное сопротивление (главный транзистор находится в «нижней половине» делителя напряжения). Ток через шунтирующий регулятор отводится от нагрузки и течет прямо на землю, что делает эту форму, как правило, менее эффективной, чем последовательный регулятор. Это, однако, проще, иногда состоящее только из напряжения опорного диода , и используется в очень маломощных цепях , где ток впустую слишком мал , чтобы быть беспокойство. Эта форма очень часто для эталонного напряжения цепей. Шунтирующий регулятор обычно может только поглощать (поглощать) ток.

Регуляторы серии [ править ]

Регуляторы серии являются более распространенной формой; они более эффективны, чем шунтирующие конструкции. Последовательный стабилизатор работает, обеспечивая путь от напряжения питания к нагрузке через переменное сопротивление, обычно транзистор (в этой роли его обычно называют последовательным транзистором ); он находится в «верхней половине» делителя напряжения, а нижняя половина является нагрузкой. Мощность, рассеиваемая регулирующим устройством, равна выходному току источника питания, умноженному на падение напряжения в регулирующем устройстве. Для повышения эффективности и снижения нагрузки на проходной транзистор разработчики стараются минимизировать падение напряжения, но не все схемы хорошо регулируют, когда входное (нерегулируемое) напряжение приближается к требуемому выходному напряжению; те, которые делают это, называются Low Dropout регуляторы, регулятор серии A обычно может только подавать (питать) ток, в отличие от шунтирующих регуляторов.

Простой шунтирующий регулятор [ править ]

Простой шунтирующий регулятор напряжения

На изображении показан простой шунтирующий стабилизатор напряжения, который работает за счет действия стабилитрона, поддерживая постоянное напряжение на самом себе, когда проходящего через него тока достаточно, чтобы перевести его в область пробоя стабилитрона . Резистор R 1 поставляет ток стабилитрона , а также ток нагрузки I R2 ( R 2 представляет собой нагрузку). R 1 можно рассчитать как , где - напряжение стабилитрона, а I R2 - требуемый ток нагрузки.

Этот регулятор используется для очень простых приложений с низким энергопотреблением , где токи , участвующие очень малы и нагрузка постоянно соединена через диод Зенера (например, опорное напряжение или источника напряжения цепей). После расчета R 1 удаление R 2 позволит пропустить через диод ток полной нагрузки (плюс ток Зенера) и может превысить максимальный номинальный ток диода, тем самым повредив его. Регулирование этой схемы также не очень хорошее, потому что ток Зенера (и, следовательно, напряжение Зенера) будет варьироваться в зависимости оти обратно в зависимости от тока нагрузки. В некоторых конструкциях стабилитрон может быть заменен другим аналогично функционирующим устройством, особенно в сценарии сверхнизкого напряжения, например (при прямом смещении) несколько обычных диодов или светодиодов, соединенных последовательно. [1]

Регулятор простой серии [ править ]

Простой последовательный регулятор напряжения

Добавление каскада эмиттерного повторителя к простому шунтирующему регулятору формирует простой последовательный регулятор напряжения и существенно улучшает регулирование цепи. Здесь ток нагрузки I R2 подается транзистором, база которого теперь подключена к стабилитрону. Таким образом, базовый ток транзистора (I B ) формирует ток нагрузки для стабилитрона и намного меньше, чем ток через R 2 . Этот регулятор классифицируется как «последовательный», потому что регулирующий элемент, а именно транзистор, включен последовательно с нагрузкой. R 1 устанавливает ток Зенера (I Z ) и определяется как где, V Z - напряжение Зенера, I B- ток базы транзистора, K = от 1,2 до 2 (для обеспечения того, чтобы R 1 был достаточно низким для адекватного I B ), и где I R2 - требуемый ток нагрузки, а также ток эмиттера транзистора (предполагается, что он равен току коллектора. ток), а h FE (min) - минимально допустимое усиление постоянного тока для транзистора.

Эта схема имеет гораздо лучшее регулирование, чем простой шунтирующий стабилизатор, поскольку базовый ток транзистора создает очень небольшую нагрузку на стабилитрон, тем самым сводя к минимуму колебания напряжения стабилитрона из-за колебаний нагрузки. Обратите внимание, что выходное напряжение всегда будет примерно на 0,65 В меньше стабилитрона из-за падения V BE на транзисторе . Хотя эта схема имеет хорошее регулирование, она все же чувствительна к колебаниям нагрузки и питания. Это можно решить, включив в него схему отрицательной обратной связи. Этот регулятор часто используется в качестве «предварительного регулятора» в более совершенных схемах последовательного регулятора напряжения.

Схема легко настраивается путем добавления потенциометра через стабилитрон, перемещая соединение базы транзистора от верхней части стабилитрона к очистителю потенциометра. Его можно сделать ступенчато регулируемым путем переключения разных стабилитронов. Наконец, его иногда делают микрорегулируемым, добавляя последовательно с стабилитроном низкоуровневый горшок; это позволяет небольшую регулировку напряжения, но ухудшает регулировку (см. также множитель емкости ).

Фиксированные регуляторы [ править ]

Ассортимент микросхем серии 78xx

«Фиксированные» три-концевые линейные стабилизаторы обычно доступны для генерации фиксированных напряжений +3,3 В и плюс или минус 5 В, 6 В, 9 В, 12 В или 15 В, когда нагрузка составляет менее 1,5 А .

Серия « 78xx » (7805, 7812 и т. Д.) Регулирует положительное напряжение, а серия « 79xx » (7905, 7912 и т. Д.) Регулирует отрицательное напряжение. Часто последние две цифры номера устройства представляют собой выходное напряжение (например, 7805 - это стабилизатор +5 В, а 7915 - стабилизатор -15 В). Существуют варианты ИС серии 78xx, такие как 78L и 78S, некоторые из которых могут обеспечивать ток до 2 А. [2]

Регулировка фиксированных регуляторов [ править ]

Добавляя еще один элемент схемы к стабилизатору постоянного напряжения IC, можно регулировать выходное напряжение. Вот два примера методов:

  1. Между клеммой заземления ИС и землей можно добавить стабилитрон или резистор. Резисторы приемлемы при постоянном токе заземления, но не подходят для регуляторов с переменным током заземления. Путем включения различных стабилитронов, диодов или резисторов выходное напряжение можно регулировать ступенчато.
  2. потенциометр можно разместить последовательно с клеммой заземления для переменного увеличения выходного напряжения. Однако этот метод ухудшает регулирование и не подходит для регуляторов с переменным током заземления.

Регулируемые регуляторы [ править ]

Регулируемый регулятор генерирует фиксированное низкое номинальное напряжение между своим выходом и своей регулирующей клеммой (эквивалентно клемме заземления в фиксированном регуляторе). Это семейство устройств включает устройства малой мощности, такие как LM723, и устройства средней мощности, такие как LM317 и L200 . Некоторые из регулируемых регуляторов доступны в корпусах с более чем тремя контактами, включая двухрядные . Они позволяют регулировать выходное напряжение с помощью внешних резисторов определенных номиналов.

Схема регулируемого регулятора напряжения с выводом регулировки

Для выходных напряжений, не обеспечиваемых стандартными фиксированными регуляторами, и токов нагрузки менее 7 А можно использовать общедоступные регулируемые трехконтактные линейные регуляторы. LM317 ряд (+1,25 В) регулирует положительное напряжение в то время как LM337 ряд (-1,25 В) регулирует отрицательное напряжение. Регулировка выполняется путем создания делителя потенциала, концы которого находятся между выходом регулятора и землей, а его центральный отвод соединен с клеммой «Adjust» регулятора. Соотношение сопротивлений определяет выходное напряжение с использованием тех же механизмов обратной связи, которые описаны ранее.

Регулируемые стабилизаторы с двойным отслеживанием на одной ИС доступны для таких приложений, как схемы операционных усилителей, требующие согласованных положительных и отрицательных источников постоянного тока. У некоторых также есть выбираемое ограничение тока. Некоторые регуляторы требуют минимальной нагрузки. [ необходима цитата ]

Защита [ править ]

Линейные стабилизаторы напряжения IC могут включать в себя различные методы защиты:

  • Ограничение тока, такое как ограничение постоянного тока или обратная связь
  • Тепловое отключение
  • Безопасная защита рабочей зоны

Иногда используется внешняя защита, например, защита от лома .

Использование линейного регулятора [ править ]

Линейные регуляторы могут быть построены с использованием дискретных компонентов, но обычно встречаются в формах интегральных схем . Наиболее распространенными линейными регуляторами являются трехконтактные интегральные схемы в корпусе ТО-220 .

Распространенными регуляторами напряжения являются серия LM 78xx (для положительного напряжения) и серия LM79xx (для отрицательного напряжения). Надежные автомобильные регуляторы напряжения, такие как LM2940 / MIC2940A / AZ2940, могут справиться с обратным подключением аккумуляторной батареи, а также с кратковременными переходными процессами + 50 / -50 В. Некоторый регулятор с низким падением напряжения (LDO) альтернатива, такими как MCP1700 / MCP1711 / TPS7A05 / XC6206, имеет очень низкий ток покоя менее 5 мкА (примерно в 1000 раз меньше , чем серии LM78xx) , что делает их лучше подходят для аккумуляторных батарей устройств .

Общие фиксированные напряжения составляют 1,8 В, 2,5 В, 3,3 В (для низковольтных логических схем CMOS ), 5 В (для транзисторно-транзисторных логических схем) и 12 В (для цепей связи и периферийных устройств, таких как дисководы ).

В стабилизаторах постоянного напряжения опорный вывод связан с землей , тогда как в регулируемых регуляторах опорный вывод подключается к центральной точке фиксированного или переменного делителя напряжения, питаемого от выхода регулятора. Переменный делитель напряжения, такой как потенциометр, позволяет пользователю регулировать регулируемое напряжение.

См. Также [ править ]

  • Ссылка на запрещенную зону Brokaw
  • Список интегральных схем серии LM
  • Регулятор с малым падением напряжения
  • Регулятор напряжения

Ссылки [ править ]

  1. ^ Когда я [ кто? ] разработал мою карманную радиостанцию ​​AM с питанием от литий-ионной батареи 3,7 В, питание 1,5–1,8 В, необходимое для микросхемы TA7642, обеспечивалось с помощью стабилизатора Зенера с красным светодиодом (с прямым напряжением 1,7 В) в прямом направлении. место стабилитрона. Этот светодиод также служит индикатором питания.
  2. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 13 июня 2015 года . Проверено 11 июня 2015 .CS1 maint: archived copy as title (link), Техническое описание L78xx Показывает модель, которая может выдавать 2 А

Внешние ссылки [ править ]

  • ECE 327: Лаборатория по процедурам для регуляторов напряжения - Дает схемы, пояснения и анализы для шунтового стабилитронного стабилизатора, последовательного регулятора, последовательного регулятора обратной связи, последовательного регулятора обратной связи с ограничением тока и последовательного регулятора обратной связи с обратной связью. Также рассматривается надлежащее использование LM317 интегральной схемы запрещенной зона опорного напряжения и обходные конденсаторов .
  • ECE 327: Стратегии отчетов для лаборатории регуляторов напряжения - дает более подробный количественный анализ поведения нескольких шунтирующих и последовательных регуляторов в нормальных рабочих диапазонах и за их пределами.
  • ЕСЕ 327: LM317 напряжение запрещенной зоны Справочный пример - Краткое объяснение не зависящей от температуры зонного опорного контура в пределах LM317.
  • « Стабилизатор Зенера» в Hyperphysics