Линейный регулятор - Linear regulator

В электроника, а линейный регулятор это система, используемая для поддержания постоянного напряжения. Сопротивление регулятора изменяется в зависимости от входного напряжения и нагрузки, в результате чего выходное напряжение остается постоянным. Регулирующее устройство действует как переменная резистор, непрерывно регулируя делитель напряжения сеть для поддержания постоянного выходного напряжения и постоянного рассеивания разницы между входным и регулируемым напряжениями, как отходящее тепло. Напротив, регулятор переключения использует 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 (шунт регулятор) или можно разместить 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 однокристальных регуляторов ИС очень распространены. Линейные регуляторы могут также состоять из сборок дискретных твердотельных или вакуумная труба составные части.

Обзор

Транзистор (или другое устройство) используется как половина потенциальный делитель установить регулируемое выходное напряжение. Выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением, чтобы создать управляющий сигнал для транзистора, который будет управлять его затвором или базой. С отрицательными отзывами и хорошим выбором компенсация, 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 составляет Текущий умноженный на Напряжение разница между входным и выходным напряжением. Эту же функцию часто может выполнять гораздо более эффективно импульсный 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 магнитных устройств (индукторов или трансформаторов), которые могут быть относительно дорогими или громоздкими, часто имеют более простую конструкцию и вызывают меньшую электромагнитная интерференция. В некоторых конструкциях линейных регуляторов используются только транзисторы, диоды и резисторы, которые легче встроить в интегральную схему, что дополнительно снижает их вес, занимаемую площадь на печатной плате и цену.

Все линейные регуляторы требуют входного напряжения, по крайней мере, на некоторую минимальную величину, превышающую желаемое выходное напряжение. Эта минимальная сумма называется падение напряжения. Например, обычный регулятор, 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 значения. Следовательно, его падение напряжения составляет 7-5 В = 2 В. Когда напряжение питания менее чем примерно на 2 В выше желаемого выходного напряжения, как в случае с низковольтным оборудованием. микропроцессор блоки питания, так называемые регуляторы с низким падением напряжения (LDO) должны использоваться.

Когда выходное регулируемое напряжение должно быть выше, чем доступное входное напряжение, ни один линейный регулятор не будет работать (даже Регулятор с низким падением напряжения ). В этой ситуации повышающий преобразователь или зарядный насос должны быть использованы. Большинство линейных регуляторов будут продолжать обеспечивать некоторое выходное напряжение, приблизительно равное падению напряжения ниже входного напряжения для входов ниже номинального выходного напряжения, 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 рассеивать мощность, либо пропускной способностью выходного транзистора по току.

Шунтовые регуляторы

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 непосредственно на землю, что делает эту форму обычно менее эффективной, чем последовательный регулятор. Это, однако, проще, иногда состоящее только из напряжения ссылок диод, и используется в очень маломощный схемы, в которых потери тока слишком малы, чтобы вызывать беспокойство. Эта форма очень часто для эталонного напряжения цепей. Шунтирующий регулятор обычно может только поглощать (поглощать) ток.

Регуляторы серии

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 пройти транзистор); 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 уменьшения нагрузки на проходной транзистор разработчики стараются минимизировать падение напряжения, но не все схемы хорошо регулируются, когда входное (нерегулируемое) напряжение приближается к требуемому выходному напряжению; те, которые делают, называются Низкий отсев регуляторы, регулятор серии A обычно может только подавать (питать) ток, в отличие от шунтирующих регуляторов.

Простой шунтирующий регулятор

Простой шунтирующий регулятор напряжения

На изображении показан простой шунтирующий регулятор напряжения, работающий от Стабилитрон действие по поддержанию постоянного напряжения на самом себе, когда ток через него достаточен для передачи его в Пробой стабилитрона область, край. В резистор р₁ обеспечивает ток Зенера ${ displaystyle I _ { mathrm {Z}}}$ а также ток нагрузки я_R2 (р₂ это нагрузка). р₁ можно рассчитать как ${ displaystyle R1 = { frac {V _ { mathrm {S}} -V _ { mathrm {Z}}} {I _ { mathrm {Z}} + I _ { mathrm {R2}}}}}$ , куда ${ Displaystyle V _ { mathrm {Z}}}$ - напряжение стабилитрона, а я_R2 - требуемый ток нагрузки.

Этот регулятор используется для очень простых приложений с низким энергопотреблением, где задействованные токи очень малы, а нагрузка постоянно подключена через стабилитрон (например, опорное напряжение или же источник напряжения схемы). Один раз р₁ был рассчитан, удаление р₂ пропускает ток полной нагрузки (плюс ток Зенера) через диод и может превысить максимальный номинальный ток диода, тем самым повредив его. Регулировка этой схемы также не очень хорошая, потому что ток Зенера (и, следовательно, напряжение Зенера) будет варьироваться в зависимости от ${ Displaystyle V _ { mathrm {S}}}$ и обратно в зависимости от тока нагрузки. В некоторых конструкциях стабилитрон может быть заменен другим аналогичным функционирующим устройством, особенно в сценарии сверхнизкого напряжения, например (при прямом смещении) несколько обычных диодов или светодиодов, соединенных последовательно.^[1]

Регулятор серии Simple

Простой последовательный регулятор напряжения

Добавление эмиттер-повторитель каскад к простому шунтирующему регулятору образует простой последовательный регулятор напряжения и существенно улучшает регулирование цепи. Здесь ток нагрузки I_R2 питание осуществляется транзистором, база которого теперь подключена к стабилитрону. Таким образом, ток базы транзистора (I_B) формирует ток нагрузки для стабилитрона и намного меньше, чем ток через р₂. Этот регулятор классифицируется как "последовательный", потому что регулирующий элемент, а именно транзистор, включен последовательно с нагрузкой.р₁ устанавливает ток Зенера (I_Z) и определяется как ${ displaystyle R1 = { frac {V _ { mathrm {S}} -V _ { mathrm {Z}}} {I _ { mathrm {Z}} + K cdot I _ { mathrm {B}}}} }$ где, V_Z - напряжение стабилитрона, I_B ток базы транзистора, K = от 1,2 до 2 (чтобы гарантировать, что р₁ достаточно низкий для адекватного я_B) и ${ displaystyle I _ { mathrm {B}} = { frac {I _ { mathrm {R2}}} {h _ { mathrm {FE (мин)}}}}}$ где я_R2 - требуемый ток нагрузки, а также ток эмиттера транзистора (предполагается, что он равен току коллектора) и h_{FE (мин)} - 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 транзистора. V_БЫТЬ уронить. 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 как «предварительный регулятор» 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, переключая разные стабилитроны. Наконец, его иногда делают микрокорректируемым, добавляя последовательно с стабилитроном низкую емкость; это позволяет немного регулировать напряжение, но ухудшает регулирование (см. также умножитель емкости ).

Фиксированные регуляторы

Ассортимент 78xx серии ИС

«Фиксированные» трехконтактные линейные регуляторы обычно доступны для генерации фиксированного напряжения +3,3 В и плюс-минус 5 В, 6 В, 9 В, 12 В или 15 В, когда нагрузка меньше 1,5. А.

"78xx "серии (7805, 7812 и т. д.) регулируют положительное напряжение, в то время как"79xx серии (7905, 7912 и т. д.) регулируют отрицательное напряжение. Часто последние две цифры номера устройства являются выходным напряжением (например, 7805 - стабилизатор +5 В, а 7915 - стабилизатор -15 В). На ИС серии 78xx существуют варианты, такие как 78L и 78S, некоторые из которых могут обеспечивать ток до 2 А.^[2]

Регулировка фиксированных регуляторов

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

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. Посредством включения различных стабилитронов, диодов или резисторов выходное напряжение можно регулировать ступенчато.
потенциометр можно установить 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

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 с низким энергопотреблением, 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 пакеты. Они предлагают возможность регулировки выходного напряжения 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. В LM317 серия (+1,25 В) регулирует положительные напряжения, а LM337 серия (-1,25 В) регулирует отрицательные напряжения. 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.^{[нужна цитата ]}

Защита

Линейные стабилизаторы напряжения IC могут включать различные методы защиты:

Ограничение тока Такие как постоянный ток ограничение или складной
Тепловое отключение
Безопасная рабочая зона защита

Иногда используется внешняя защита, например ломовая защита.

Использование линейного регулятора

Линейные регуляторы могут быть построены с использованием дискретных компонентов, но обычно встречаются в Интегральная схема формы. Самые распространенные линейные регуляторы - трехполюсные. интегральные схемы в К-220 упаковка.

Распространенные твердотельные регуляторы напряжения серии LM78xx (для положительных напряжений) и LM79xx (для отрицательных напряжений). Альтернативы регуляторы с малым падением напряжения как AMS1117 и Холтек Серия HT7xxx, обе также доступны для напряжений ниже поддерживаемых серией LM78xx. Регуляторы Holtek имеют ток покоя <5 мкА (примерно в 1000 раз меньше, чем у серии LM78xx), что делает их более подходящими для устройств с батарейным питанием.

Общие фиксированные напряжения: 1,8 В, 2,5 В, 3,3 В (оба для низкого напряжения CMOS логика цепей), 5 В (для транзисторно-транзисторная логика цепей) и 12 В (для цепей связи и периферийных устройств, таких как Дисковый привод ).

В стабилизаторах постоянного напряжения опорный вывод привязан к земля, в то время как в регулируемых регуляторах опорный вывод подключен к центральной точке фиксированного или переменного делителя напряжения, питаемого от выхода регулятора. Переменный делитель напряжения, такой как потенциометр позволяет пользователю регулировать регулируемое напряжение.

Смотрите также

внешняя ссылка

ECE 327: Процедуры для лаборатории регуляторов напряжения - Дает схемы, объяснения и анализ для стабилитронного шунтирующего стабилизатора, последовательного регулятора, последовательного регулятора обратной связи, последовательного регулятора обратной связи с ограничением тока и последовательного регулятора обратной связи с обратной связью. Также обсуждается правильное использование LM317 Интегральная схема бандгап и обойти конденсаторы.
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 ширина запрещенной зоны опорного напряжения Пример - Краткое объяснение температурно-независимой эталонной схемы ширины запрещенной зоны в LM317.
«Стабилитрон» в Гиперфизика

[1] Когда я^{[ВОЗ? ]} спроектировал свою 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) впереди на месте стабилитрона. Этот светодиод также служит индикатором питания.

[2] «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-06-13. Получено 2015-06-11.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь), Техническое описание L78xx Показывает модель, которая может выдавать 2 А

[1]

[2]