Линейный регулятор

Блок-схема регулятора напряжения в электронной схеме

В электронике линейный регулятор — это регулятор напряжения, используемый для поддержания постоянного напряжения. ^[1] Сопротивление регулятора изменяется в зависимости как от входного напряжения, так и от нагрузки, что приводит к постоянному выходному напряжению. Схема регулирования изменяет свое сопротивление , непрерывно регулируя сеть делителя напряжения для поддержания постоянного выходного напряжения и постоянно рассеивая разницу между входным и регулируемым напряжениями в виде отходящего тепла . , напротив, Импульсный регулятор использует активное устройство, которое включается и выключается для поддержания среднего значения выходного сигнала. Поскольку регулируемое напряжение линейного стабилизатора всегда должно быть ниже входного напряжения, эффективность ограничена, а входное напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы всегда позволить активному устройству снизить напряжение на некоторую величину.

В линейных регуляторах регулирующее устройство может располагаться параллельно нагрузке ( шунтирующий регулятор) или между источником и регулируемой нагрузкой (последовательный регулятор). Простые линейные регуляторы могут содержать всего лишь стабилитрон и последовательный резистор; более сложные стабилизаторы включают отдельные каскады опорного напряжения, усилитель ошибки и элемент пропускания мощности. Поскольку линейный стабилизатор напряжения однокристальных стабилизаторов является обычным элементом многих устройств, микросхемы очень распространены. Линейные регуляторы также могут состоять из сборок дискретных полупроводниковых или ламповых компонентов.

Несмотря на свое название, линейные стабилизаторы представляют собой нелинейные схемы , поскольку они содержат нелинейные компоненты (такие как стабилитроны, как показано ниже в простом шунтирующем стабилизаторе ) и поскольку выходное напряжение в идеале постоянное (а схема с постоянным выходным сигналом, не зависит от его входа (это нелинейная схема). ^[2]

Обзор

Транзистор (или другое устройство) используется как половина делителя напряжения для установления регулируемого выходного напряжения. Выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением для подачи управляющего сигнала на транзистор, который будет управлять его затвором или базой. Благодаря отрицательной обратной связи и правильному выбору компенсации выходное напряжение остается достаточно постоянным. Линейные регуляторы часто неэффективны: поскольку транзистор действует как резистор, он будет тратить электроэнергию впустую, преобразуя ее в тепло. Фактически потери мощности из-за нагрева в транзисторе — это ток, умноженный на разность напряжений между входным и выходным напряжением. Эту же функцию часто можно выполнить гораздо эффективнее с помощью импульсного источника питания , но линейный стабилизатор может быть предпочтителен для небольших нагрузок или там, где желаемое выходное напряжение приближается к напряжению источника. В этих случаях линейный регулятор может рассеивать меньшую мощность, чем коммутатор. Преимущество линейного регулятора также заключается в том, что он не требует магнитных устройств (индукторов или трансформаторов), которые могут быть относительно дорогими или громоздкими, часто имеют более простую конструкцию и вызывают меньше электромагнитные помехи . В некоторых конструкциях линейных регуляторов используются только транзисторы, диоды и резисторы, которые легче изготовить в интегральную схему, что еще больше снижает их вес, занимаемую 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 падать ниже номинального выходного напряжения. Таким образом, его падение напряжения составляет 7 В - 5 В = 2 В. Когда напряжение питания менее чем на 2 В превышает желаемое выходное напряжение, как это имеет место в низковольтных источниках питания микропроцессоров , используются так называемые стабилизаторы с низким падением напряжения (LDO). ) необходимо использовать.

Когда выходное регулируемое напряжение должно быть выше доступного входного напряжения, ни один линейный регулятор не будет работать (даже регулятор с низким падением напряжения). В этой ситуации повышающий преобразователь или подкачивающий насос необходимо использовать . Большинство линейных стабилизаторов будут продолжать обеспечивать некоторое выходное напряжение, примерно 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 рассеиваемой мощности, либо способностью пропускания тока выходного транзистора.

Шунтирующие регуляторы

Шунтирующий стабилизатор работает, обеспечивая путь от напряжения питания к земле через переменное сопротивление (основной транзистор находится в «нижней половине» делителя напряжения). Ток через шунтирующий стабилизатор отводится от нагрузки и течет непосредственно на землю, что делает этот тип стабилизатора обычно менее эффективным, чем последовательный стабилизатор. Однако он проще, иногда состоит только из диода опорного напряжения и используется в цепях с очень малой мощностью , где потери тока слишком малы, чтобы вызывать беспокойство. Эта форма очень распространена для цепей опорного напряжения. Шунтирующий стабилизатор обычно может только поглощать (поглощать) ток.

Серийные регуляторы

Последовательные регуляторы являются более распространенной формой; они более эффективны, чем шунтирующие конструкции. Последовательный регулятор работает, обеспечивая путь от напряжения питания к нагрузке через переменное сопротивление, обычно транзистор (в этой роли его обычно называют транзистором последовательного прохода ); он находится в «верхней половине» делителя напряжения, причем 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 проектировщики стараются минимизировать падение напряжения, но не все схемы хорошо регулируют напряжение, когда входное (нестабилизированное) напряжение приближается к требуемому выходному напряжению; те, которые это делают, называются стабилизаторами с низким падением напряжения . Последовательный стабилизатор обычно может только генерировать (подавать) ток, в отличие от шунтирующих регуляторов.

Простой шунтирующий регулятор

На изображении показан простой шунтирующий стабилизатор напряжения, который работает за счет действия стабилитрона , поддерживающего постоянное напряжение на себе, когда ток через него достаточен, чтобы перевести его в область пробоя стабилитрона . Резистор . R ₁ обеспечивает ток Зенера $I_{\mathrm {Z} }$ а также ток нагрузки I _R2 ( R ₂ – нагрузка). R ₁ можно рассчитать как $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ , где $V_{\mathrm {Z} }$ – напряжение Зенера, а I _R2 – необходимый ток нагрузки.

Этот стабилизатор используется для очень простых приложений с низким энергопотреблением, где задействованные токи очень малы, а нагрузка постоянно подключена к стабилитрону (например, в цепях опорного напряжения или источника напряжения ). После R ₁ расчета удаление R ₂ позволит пропустить ток полной нагрузки (плюс ток Зенера) через диод и может превысить максимальный номинальный ток диода, тем самым повредив его. Регулирование этой схемы также не очень хорошее, поскольку ток Зенера (и, следовательно, напряжение Зенера) будет меняться в зависимости от $V_{\mathrm {S} }$ и обратно в зависимости от тока нагрузки. В некоторых конструкциях стабилитрон можно заменить другим аналогично функционирующим устройством, особенно в условиях сверхнизкого напряжения, например (при прямом смещении) несколькими обычными диодами или светодиодами, включенными последовательно. ^[3]

Простой серийный регулятор

Простой последовательный регулятор напряжения

Добавление эмиттерного повторителя к простому шунтирующему стабилизатору образует простой последовательный стабилизатор напряжения и существенно улучшает регулирование схемы. Здесь ток нагрузки I _R2 подается от транзистора, база которого теперь подключена к стабилитрону. Таким образом, ток базы транзистора (I _B ) формирует ток нагрузки стабилитрона и намного меньше тока через R ₂ . Этот регулятор классифицируется как «последовательный», поскольку регулирующий элемент, а именно транзистор, включен последовательно с нагрузкой. R ₁ задает ток Зенера (I _Z ) и определяется как $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}$ где V _Z — напряжение Зенера, I _B — ток базы транзистора, K = от 1,2 до 2 (чтобы гарантировать, что R ₁ достаточно низкий для адекватного I _B ) и $I_{\mathrm {B} }={\frac {I_{\mathrm {R2} }}{h_{\mathrm {FE(min)} }}}$ где I _R2 — требуемый ток нагрузки, а также ток эмиттера транзистора (предполагается равным току коллектора), а h _FE(min) — минимально допустимый коэффициент усиления по постоянному току для транзистора.

Эта схема имеет гораздо лучшее регулирование, чем простой шунтирующий стабилизатор, поскольку базовый ток транзистора образует очень небольшую нагрузку на стабилитрон, тем самым сводя к минимуму изменение напряжения стабилитрона из-за изменения нагрузки. на транзисторе VBE _{Обратите внимание, что выходное напряжение всегда будет примерно на 0,65 В меньше, чем стабилитрон, из-за падения напряжения} . Хотя эта схема имеет хорошее регулирование, она по-прежнему чувствительна к изменениям нагрузки и напряжения питания. Эту проблему можно решить, включив в него схему отрицательной обратной связи. Этот регулятор часто используется в качестве «предварительного регулятора» в более совершенных схемах последовательных регуляторов напряжения.

Схему можно легко настроить, добавив потенциометр к стабилитрону, переместив соединение базы транзистора с верхней части стабилитрона на стеклоочиститель. Его можно сделать ступенчатым, переключая разные стабилитроны. Наконец, иногда его делают микрорегулируемым, добавляя последовательно с стабилитроном маломощный потенциометр; это позволяет немного регулировать напряжение, но ухудшает регулирование (см. также множитель емкости ).

Фиксированные регуляторы

Трехполюсные линейные регуляторы, используемые для генерации «фиксированного» напряжения, легко доступны. Они могут генерировать напряжение плюс-минус 3,3 В, 5 В, 6 В, 9 В, 12 В или 15 В, при этом их производительность обычно достигает пика при нагрузке в 1,5 Ампер.

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 обозначают выходное напряжение (например, 7805 — это стабилизатор +5 В, а 7915 — стабилизатор −15 В). Существуют варианты микросхем серии 78xx, такие как 78L и 78S, некоторые из которых могут выдавать ток до 2 А. ^[4]

Настройка фиксированных регуляторов

Добавив еще один элемент схемы к стабилизатору IC с фиксированным напряжением, можно регулировать выходное напряжение. Два примера метода:

Между заземляющим выводом микросхемы и землей можно добавить стабилитрон или резистор. Резисторы приемлемы там, где ток заземления постоянный, но плохо подходят для стабилизаторов с переменным током заземления. Путем включения различных стабилитронов, диодов или резисторов выходное напряжение можно регулировать ступенчато.
Потенциометр можно подключить последовательно с клеммой заземления, чтобы плавно увеличивать выходное напряжение. Однако этот метод ухудшает регулирование и не подходит для регуляторов с изменяющимся током заземления.

Переменные регуляторы

Регулируемый регулятор генерирует фиксированное низкое номинальное напряжение между своим выходом и регулировочной клеммой (эквивалентно заземляющей клемме в фиксированном регуляторе). В это семейство устройств входят устройства малой мощности, такие как LM723 , и устройства средней мощности, такие как LM317 и L200 . Некоторые регулируемые регуляторы доступны в корпусах с числом контактов более трех, включая двухрядные корпуса . Они предлагают возможность регулировать выходное напряжение с помощью внешних резисторов определенных номиналов.

Для выходных напряжений, не обеспечиваемых стандартными фиксированными стабилизаторами, и токов нагрузки менее 7 А можно использовать общедоступные регулируемые трехполюсные линейные стабилизаторы. Серия LM317 (+1,25 В) регулирует положительное напряжение, а серия LM337 (-1,25 В) регулирует отрицательное напряжение. Регулировка выполняется путем создания делителя потенциала, концы которого соединяются между выходом регулятора и землей, а его центральный отвод подключается к клемме «регулировки» регулятора. Соотношение сопротивлений определяет выходное напряжение с использованием тех же механизмов обратной связи, описанных ранее.

Двойные регуляторы слежения

Регулируемые стабилизаторы с одной интегральной схемой и двойным отслеживанием доступны для таких приложений, как схемы операционных усилителей, требующие согласованного положительного и отрицательного источника постоянного тока. Некоторые из них также имеют возможность выбора ограничения тока. Некоторые регуляторы требуют минимальной нагрузки.

Одним из примеров регулируемого стабилизатора с двойным отслеживанием и одной микросхемой является LM125 , который представляет собой прецизионный монолитный стабилизатор напряжения с двойным отслеживанием. Он обеспечивает отдельные положительные и отрицательные регулируемые выходы, упрощая конструкции с двумя источниками питания. Для работы требуется небольшое количество внешних компонентов или вообще их не требуется, в зависимости от применения. Внутренние настройки обеспечивают фиксированное выходное напряжение ±15 В. ^[5]

Защита

Линейные регуляторы напряжения на интегральных схемах могут включать в себя различные методы защиты:

Ограничение тока, например, ограничение постоянного тока или обратная связь.
Тепловое отключение
рабочей зоны Надежная защита

Иногда используется внешняя защита, например защита ломом .

Использование линейного регулятора

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

Распространенными стабилизаторами напряжения являются серии LM 78xx (для положительного напряжения) и серия LM79xx (для отрицательного напряжения). Надежные автомобильные стабилизаторы напряжения, такие как LM2940 / MIC2940A / AZ2940, также могут выдерживать обратное подключение аккумуляторов и кратковременные переходные процессы +50/-50 В. Некоторые альтернативы стабилизатора с низким падением напряжения (LDO), такие как MCP1700 / MCP1711 / TPS7A05 / XC6206, имеют очень низкий ток покоя менее 5 мкА (примерно в 1000 раз меньше, чем серия LM78xx), что делает их более подходящими для устройств с батарейным питанием. .

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

В стабилизаторах с фиксированным напряжением опорный вывод привязан к земле , тогда как в регулируемых стабилизаторах опорный вывод подключен к центральной точке фиксированного или переменного делителя напряжения, питаемого от выхода стабилизатора. Делитель переменного напряжения, например потенциометр, позволяет пользователю регулировать регулируемое напряжение.

См. также

Ссылки

^ «Понимание линейного регулятора и его ключевых характеристик» .
^ Апте, Шейла Динкар (2016). Сигналы и системы: принципы и приложения . Издательство Кембриджского университета. п. 183. ИСБН 978-1-107-14624-2 .
^ Когда я ^{[ ВОЗ? ]} спроектировал свою карманную АМ-радио с питанием от литий-ионной батареи напряжением 3,7 В, питание 1,5–1,8 В, необходимое для микросхемы ТА7642, обеспечивалось с помощью стабилитрона с использованием красного светодиода (с прямым напряжением 1,7 В) в прямом направлении на месте стабилитрона. Этот светодиод также служит индикатором питания.
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 июня 2015 г. Проверено 11 июня 2015 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в названии ( ссылка ) , Техническое описание L78xx. Показана модель, которая может выводить ток 2 А.
^ «Прецизионный регулятор двойного слежения LM125» (PDF) . кустарник . Проверено 9 июня 2023 г.

Внешние ссылки

ECE 327: Процедуры для лаборатории регуляторов напряжения . Содержит схемы, пояснения и анализ шунтового регулятора Зенера, последовательного регулятора, последовательного регулятора с обратной связью, последовательного регулятора с обратной связью и ограничением тока и последовательного регулятора с обратной связью и обратной связью по току. Также обсуждается правильное использование LM317 интегральной схемы опорного напряжения запрещенной зоны и развязывающих конденсаторов .
ECE 327: Отчет о стратегиях для лаборатории регуляторов напряжения — дает более подробный количественный анализ поведения нескольких шунтирующих и последовательных регуляторов в нормальных рабочих диапазонах и за их пределами.
ECE 327: Пример опорного напряжения запрещенной зоны LM317 . Краткое объяснение независимой от температуры схемы опорного напряжения запрещенной зоны внутри LM317.
«Зинеровский регулятор» в Гиперфизике

[1] «Понимание линейного регулятора и его ключевых характеристик» .

[Apte_2016-2] Апте, Шейла Динкар (2016). Сигналы и системы: принципы и приложения . Издательство Кембриджского университета. п. 183. ИСБН 978-1-107-14624-2 .

[3] Когда я ^{[ ВОЗ? ]} спроектировал свою карманную АМ-радио с питанием от литий-ионной батареи напряжением 3,7 В, питание 1,5–1,8 В, необходимое для микросхемы ТА7642, обеспечивалось с помощью стабилитрона с использованием красного светодиода (с прямым напряжением 1,7 В) в прямом направлении на месте стабилитрона. Этот светодиод также служит индикатором питания.

[4] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 июня 2015 г. Проверено 11 июня 2015 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в названии ( ссылка ) , Техническое описание L78xx. Показана модель, которая может выводить ток 2 А.

[5] «Прецизионный регулятор двойного слежения LM125» (PDF) . кустарник . Проверено 9 июня 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]