Stabilisator tegangan linier — tujuan, parameter dasar, dan sirkuit switching

Mungkin hari ini, tidak ada papan elektronik yang dapat melakukannya tanpa setidaknya satu sumber tegangan konstan konstan. Dan sangat sering regulator tegangan linier dalam bentuk sirkuit mikro berfungsi sebagai sumber tersebut. Tidak seperti penyearah dengan trafo, di mana tegangan dalam satu atau lain cara bergantung pada arus beban dan dapat sedikit berbeda karena berbagai alasan, sirkuit mikro terintegrasi - penstabil (pengatur) mampu memberikan tegangan konstan dalam kisaran yang ditentukan secara tepat. arus beban.

Sirkuit mikro ini dibangun berdasarkan transistor efek medan atau bipolar, yang terus beroperasi dalam mode aktif. Selain transistor pengatur, rangkaian kontrol juga dipasang pada kristal rangkaian mikro penstabil linier.

Secara historis, sebelum dimungkinkan untuk membuat penstabil semacam itu dalam bentuk sirkuit mikro, ada pertanyaan untuk memecahkan masalah stabilitas suhu parameter, karena dengan pemanasan selama operasi, parameter simpul sirkuit mikro akan berubah.

Solusinya datang pada tahun 1967, ketika insinyur elektronik Amerika Robert Widlar mengusulkan sirkuit penstabil di mana transistor pengatur akan dihubungkan antara sumber tegangan input yang tidak diatur dan beban, dan penguat kesalahan dengan tegangan referensi kompensasi suhu akan hadir di sirkuit kontrol. Akibatnya, popularitas stabilisator terintegrasi linier di pasar melonjak pesat.

Lihat foto di bawah ini. Ditampilkan di sini adalah diagram sederhana dari regulator tegangan linier (seperti LM310 atau 142ENxx). Dalam skema ini, penguat operasional umpan balik tegangan negatif non-pembalik, menggunakan arus keluarannya, mengontrol tingkat pembukaan kunci transistor pengatur VT1, yang terhubung dalam rangkaian dengan kolektor umum - pengikut emitor.

Op-amp sendiri ditenagai oleh sumber input berupa tegangan positif unipolar. Dan meskipun tegangan negatif tidak cocok untuk disuplai di sini, tegangan suplai op-amp dapat digandakan tanpa masalah, tanpa takut kelebihan beban atau kerusakan.

Kesimpulannya adalah umpan balik negatif yang dalam menetralkan ketidakstabilan tegangan input, yang nilainya di sirkuit ini bisa mencapai 30 volt. Jadi, tegangan keluaran tetap berkisar antara 1,2 hingga 27 volt, tergantung pada model chip.

Sirkuit mikro stabilizer secara tradisional memiliki tiga pin: input, umum dan output.Gambar tersebut menunjukkan rangkaian tipikal penguat diferensial sebagai bagian dari rangkaian mikro untuk mendapatkan tegangan referensi Dioda zener diterapkan.

Dalam regulator tegangan rendah, referensi tegangan diperoleh pada celah, seperti yang pertama kali diusulkan Widlar dalam regulator terintegrasi linier pertamanya, LM109. Sebuah pembagi dipasang di rangkaian umpan balik negatif resistor R1 dan R2, dengan tindakan yang tegangan keluarannya ternyata sebanding dengan tegangan referensi sesuai dengan rumus Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

Resistor R3 dan transistor VT2 yang terpasang pada stabilizer berfungsi untuk membatasi arus keluaran, jadi jika tegangan pada resistor pembatas arus melebihi 0,6 volt, maka transistor VT2 akan langsung terbuka, yang akan menyebabkan arus basis transistor kontrol utama VT1 menjadi terbatas. Ternyata arus keluaran dalam mode operasi normal stabilizer dibatasi hingga 0,6 / R3. Daya yang dihamburkan oleh transistor pengatur akan bergantung pada tegangan input dan akan sama dengan 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Jika karena alasan tertentu korsleting terjadi pada output dari stabilizer terintegrasi, maka daya yang hilang pada kristal tidak boleh dibiarkan seperti sebelumnya, sebanding dengan perbedaan tegangan dan berbanding terbalik dengan resistansi resistor R3. Oleh karena itu, sirkuit berisi elemen pelindung - dioda zener VD2 dan resistor R5, yang pengoperasiannya mengatur tingkat perlindungan arus tergantung pada perbedaan tegangan Uin -Uout.

Pada grafik di atas, Anda dapat melihat bahwa arus keluaran maksimum bergantung pada tegangan keluaran, sehingga rangkaian mikro penstabil linier dilindungi dari kelebihan beban.Ketika perbedaan tegangan Uin-Uout melebihi tegangan stabilisasi dioda zener VD2, pembagi resistor R4 dan R5 akan menciptakan arus yang cukup di basis transistor VT2 untuk mematikannya, yang pada gilirannya akan menyebabkan batas arus basis untuk meningkatkan transistor pengatur VT1.

Model regulator linier terbaru, seperti ADP3303, dilengkapi dengan perlindungan kelebihan beban termal saat arus keluaran turun tajam saat kristal dipanaskan hingga 165 ° C. Kapasitor pada diagram di atas diperlukan untuk menyamakan frekuensi.

Omong-omong, tentang kapasitor. Merupakan kebiasaan untuk menghubungkan kapasitor dengan kapasitas minimum 100 nf ke input dan output dari stabilisator terintegrasi untuk menghindari aktivasi sirkuit internal sirkuit mikro yang salah. Sementara itu, ada yang disebut penstabil tanpa tutup, seperti REG103, yang tidak perlu memasang kapasitor penstabil pada input dan output.

Selain stabilisator linier dengan tegangan keluaran tetap, ada juga stabilisator dengan tegangan keluaran yang dapat disesuaikan untuk stabilisasi. Di dalamnya, pembagi resistor R1 dan R2 tidak ada, dan basis transistor VT4 dibawa keluar ke kaki terpisah dari chip untuk menghubungkan pembagi eksternal, seperti pada chip 142EN4.

Stabilisator yang lebih modern, di mana konsumsi rangkaian kontrol saat ini dikurangi menjadi beberapa puluh mikroamp, seperti LM317, hanya memiliki tiga pin.Agar adil, kami mencatat bahwa saat ini ada juga pengatur tegangan presisi tinggi seperti TPS70151, yang, karena adanya beberapa pin tambahan, memungkinkan untuk menerapkan perlindungan penurunan tegangan ke kabel penghubung, kontrol pelepasan muatan, dll. .

Di atas kami berbicara tentang stabilisator tegangan positif, relatif terhadap kabel biasa. Skema serupa juga digunakan untuk menstabilkan voltase negatif, cukup dengan mengisolasi voltase keluaran input secara galvanis dari titik umum. Pin keluaran kemudian dihubungkan ke titik keluaran umum, dan titik keluaran negatif akan menjadi titik minus masukan yang dihubungkan ke titik umum chip stabilizer. Regulator tegangan polaritas negatif seperti 1168ENxx sangat nyaman.

Jika perlu untuk mendapatkan dua tegangan sekaligus (polaritas positif dan negatif), maka untuk tujuan ini ada penstabil khusus yang memberikan tegangan positif dan negatif yang distabilkan secara simetris pada saat yang sama, cukup menerapkan tegangan input positif dan negatif saja ke input. Contoh dari penstabil bipolar semacam itu adalah KR142EN6.

Gambar di atas adalah diagram yang disederhanakan. Di sini, penguat diferensial # 2 menggerakkan transistor VT2, sehingga persamaan -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop diamati. Dan amplifier #1 mengontrol transistor VT1 sehingga potensi sambungan resistor R2 dan R4 tetap nol. Jika pada saat yang sama resistor R2 dan R4 sama, maka tegangan keluaran (positif dan negatif) akan tetap simetris.

Untuk penyesuaian independen keseimbangan antara dua tegangan keluaran (positif dan negatif), Anda dapat menghubungkan resistor pemangkas tambahan ke pin khusus sirkuit mikro.

Karakteristik penurunan tegangan terkecil dari rangkaian pengatur linier di atas adalah 3 volt. Ini cukup banyak untuk baterai atau perangkat bertenaga baterai dan umumnya diinginkan untuk meminimalkan penurunan tegangan. Untuk tujuan ini, transistor keluaran dibuat tipe pnp sehingga arus kolektor tahap diferensial bersamaan dengan arus basis transistor pengatur VT1. Penurunan tegangan minimum sekarang akan berada di urutan 1 volt.

Regulator tegangan negatif beroperasi dengan cara yang sama dengan droop minimal. Misalnya, regulator seri 1170ENxx memiliki penurunan tegangan sekitar 0,6 volt dan tidak terlalu panas saat dibuat dalam casing TO-92 pada arus beban hingga 100 mA. Stabilizer itu sendiri mengkonsumsi tidak lebih dari 1,2 mA.

Stabilisator semacam itu diklasifikasikan sebagai droop rendah. Bahkan penurunan tegangan yang lebih rendah dicapai pada regulator berbasis MOSFET (sekitar 55 mV pada konsumsi arus chip 1 mA) seperti chip MAX8865.

Beberapa model stabilizer dilengkapi dengan pin shutdown untuk mengurangi konsumsi daya perangkat dalam mode siaga — ketika level logika diterapkan ke pin ini, konsumsi stabilizer dikurangi hingga hampir nol (baris LT176x).

Berbicara tentang stabilisator linier integral, mereka mencatat karakteristiknya, serta parameter dinamis dan akurat.

Parameter akurasi adalah faktor stabilisasi, akurasi pengaturan tegangan keluaran, impedansi keluaran dan koefisien suhu tegangan. Masing-masing parameter ini tercantum dalam dokumentasi; mereka terkait dengan keakuratan tegangan output tergantung pada tegangan input dan suhu kristal saat ini.

Parameter dinamis seperti rasio penekan riak dan impedansi keluaran diatur untuk frekuensi arus beban dan tegangan masukan yang berbeda.

Karakteristik kinerja seperti rentang tegangan input, tegangan output pengenal, arus beban maksimum, disipasi daya maksimum, perbedaan tegangan input dan output maksimum pada arus beban maksimum, arus tanpa beban, kisaran suhu pengoperasian, semua parameter ini memengaruhi pilihan satu atau yang lain.stabilizer untuk rangkaian tertentu.

Karakteristik regulator tegangan linier

Berikut adalah sirkuit tipikal dan paling populer untuk menyertakan stabilisator linier:

Jika perlu untuk meningkatkan tegangan keluaran dari penstabil linier dengan tegangan keluaran tetap, dioda zener ditambahkan secara seri ke terminal umum:

Untuk memaksimalkan arus keluaran yang diizinkan, transistor yang lebih kuat dihubungkan secara paralel dengan stabilizer, mengubah transistor pengatur di dalam rangkaian mikro menjadi bagian dari transistor komposit:

Jika perlu untuk menstabilkan arus, penstabil tegangan dihidupkan sesuai dengan skema berikut.

Dalam hal ini, penurunan tegangan pada resistor akan sama dengan tegangan stabilisasi, yang akan menyebabkan kerugian yang signifikan jika tegangan stabilisasi tinggi.Dalam hal ini, akan lebih tepat untuk memilih stabilizer untuk tegangan keluaran serendah mungkin, seperti KR142EN12 untuk 1,2 volt.