Введение в теорию линейных стабилизаторов

Как работает линейный стабилизатор напряжения?

Линейные стабилизаторы напряжения, также называемые LDO (low-dropout linear Regulator) или линейные стабилизаторы с малым падением напряжения, используют транзистор, управляемый цепью отрицательной обратной связи, для создания заданного выходного напряжения, которое остается стабильным, несмотря на изменения тока нагрузки и входного напряжения. Напряжение.

Базовый линейный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением представляет собой трехвыходное устройство, как показано на схеме выше. Некоторые линейные стабилизаторы позволяют регулировать выходное напряжение с помощью внешнего резистора.

Что из себя представляет микросхема LM317

Микросхема представляет собой линейный стабилизатор напряжения, выходное значение которого можно задавать в определенных пределах или оперативно регулировать. Доступен в нескольких вариантах корпуса с тремя выходами. Диапазон выходного напряжения во всех вариантах одинаков, а максимальный ток может отличаться.

Обозначение	Максимальный ток, А	Корпус
ЛМ317Т	1,5	ТО-220
ЛМ317ЛЗ	0,1	ТО-92
ЛМ317П	1,5	ИЗОВАТ-220
ЛМ317Д2Т	1,5	Д2ПАК
ЛМ317К	0,1	ТО-3
LM317LD	1,5	СО-8

Недостатки линейных регуляторов напряжения

Серьезным недостатком линейных стабилизаторов является их низкая эффективность во многих приложениях.

Транзистор внутри стабилизатора, включенный между входным и выходным выходами, работает как переменное последовательное сопротивление; таким образом, большая разница между входным и выходным напряжениями в сочетании с высоким током нагрузки приводит к значительному рассеиванию мощности.

Ток, необходимый для работы внутренней цепи регулятора, указанный на схеме IGND, также способствует увеличению общей мощности рассеяния.

Возможно, наиболее вероятным видом отказа в схеме линейного стабилизатора являются также тепловые факторы, а не только электрические факторы.

Мощность, рассеиваемая микросхемой стабилизатора, приведет к повышению температуры компонентов, а без соответствующих путей, позволяющих отводить тепло от стабилизатора, температура со временем может стать достаточно высокой, чтобы серьезно ухудшить его рабочие характеристики или вызвать отключение при перегреве.

Эта важная тема раскрыта в статье о тепловом расчете линейных стабилизаторов.

Линейные стабилизаторы напряжения

Стабилизация напряжения в современных электронных устройствах является очень важным элементом. Цифровые схемы требуют стабильного и надежного источника питания.

Самая простая схема стабилизации напряжения, которую мы можем встретить на практике, это система на основе стабилитрона. Основной режим работы стабилитрона показан на следующем рисунке:

В этой системе используется эффект стабилитрона, возникающего при срыве перехода при обратном переключении. Это приводит к протеканию тока, и все избыточное напряжение гасится на балластном резисторе. Величина падения напряжения определяется протекающим через него током.

Поэтому фиксированный ток через стабилизатор фиксирует падение напряжения на резисторе и тем самым стабилизирует выходное напряжение. Стабилитроны изготавливаются на различные напряжения в диапазоне от 1,5В до 200В.

Цифровой мультиметр AN8009

Однако на практике для стабилизации напряжения часто используются специализированные микросхемы, которые можно разделить на две группы:

• с возможностью регулировки программы — позигивная полярность — ногительная полярность
• без возможности регулировки программы — позижительная полярность — ногительная полярность

Интегральные стабилизаторы напряжения имеют три основные характеристики:

• выходное напряжение
• максимальный ток
• минимальное входное простояние

На вход стабилизатора напряжения необходимо подать большее напряжение, чем то, которое должно быть на выходе.

В наиболее распространенных стабилизаторах разница между входным и выходным напряжением составляет около 2В. Но есть еще стабилизаторы LDO-стабилизаторы, у которых эта разница намного меньше. Это напряжение часто обозначается как VDO

Среди популярных нерегулируемых стабилизаторов можно отметить: 78хх – самый известный из всех стабилизаторов положительного напряжения. Выпускается в различных исполнениях по напряжению: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольта, VDO = 2В. 79xx — самый популярный из всех стабилизаторов отрицательного напряжения. Производятся в версиях на программах: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольта, VDO = 2В.

LM2940x – LDO стабилизатор положительного напряжения. По напряжению: 5, 8, 9, 10, 12, 15 вольт, VDO=0,5В.

Среди регулируемых стабилизаторов напряжения наиболее известны: LM317 – диапазон выходных напряжений от 1,25 до 37 вольт, VDO=3В. LM337 – диапазон выходных напряжений от -1,25 до 37 вольт, VDO=5В.

Современные стабилизаторы напряжения имеют различные виды тепловой защиты и защиты по току, что обеспечивает безопасность работы и снижает вероятность «сгорания» цепи.

Помимо линейных стабилизаторов существует еще группа импульсных стабилизаторов. Отличаются они, большими КПД (меньше энергии поглощаются на тепловые потери) Интересной особенностью является то, что они позволяют повышать и понижать напряжения, что очень полезно при питании микросхемы от аккумулятора.

Основные характеристики линейного стабилизатора напряжения LM317

Полная техническая информация содержится в техпаспортах стабилизатора LM317, с которыми можно ознакомиться, изучив спецификацию. Ниже приведены параметры, которые при несоблюдении являются наиболее критичными, и микросхема может выйти из строя при неправильном использовании.

Прежде всего, это максимальный рабочий ток. Это предусмотрено в предыдущем разделе для различных типов исполнения. Необходимо добавить, что для получения максимального тока в 1,5 А микросхема должна быть установлена ​​на радиатор.

Максимальное напряжение на выходе стабилизатора, построенного на базе LM317, может быть не более 40 В. Если этого недостаточно, нужно выбрать высоковольтный аналоговый стабилизатор.

Минимальное выходное напряжение 1,25 В. При таком состании схемка может отлично и управляться, но срабатывает перегрузка от перегрузки. Это не самый удачный вариант — такая защита должна работать от превышения выходного тока, как это работает в других интегральных стабилизаторах.

Поэтому на практике невозможно получить регулятор, работающий с нуля при подаче отрицательного сдвига на выход Adjust.

Минимальное значение входного напряжения в данных не указано, но его можно определить из следующих соображений:

• минимальное выходное напряжение – 1,25 В;
• минимальное падение падения пладение для Uвых=37 В равно трем вольтам, логично предположить, что для минимального выхода оно должно быть не меньше;

Исходя из этих двух посылок, на вход необходимо подать не менее 3,5 В, чтобы получить минимальное выходное значение. Также для стабильной работы ток через делитель должен быть не менее 5 мА — чтобы паразитный ток выхода ADJ не вносил значительный сдвиг напряжения (на практике он может достигать до 0,5 мА).

Имеется в виду информация из классических даташитов известных производителей (Texas Instruments и др.). В техпаспортах новой модели от фирмы Юго-Восточной Азии (Tiger Electronics и так далее) этот параметр указывается, но в неясной форме, как разница между входным и выходным напряжением.

Он должен иметь минимум 3 вольта для всех напряжений, что не противоречит предыдущим аргументам.

Максимальное входное напряжение не должно превышать расчетное выходное напряжение более 40 В. Это также следует учитывать при разработке схем.

Важно! На заявленные параметры можно ссылаться, если микросхема произведена каким-либо известным производителем. Продукция неизвестных фирм обычно имеет более низкие характеристики

Стабилизаторы с фиксированным напряжением

Интегральные линейные стабилизаторы могут иметь фиксированное выходное напряжение или иметь возможность выбора выходного напряжения. Начнем с рассмотрения основных схем, включая большинство стационарных

Конденсатор С1 рекомендуется ставить для предотвращения возникновения «генерации на входе», если микросхема стабилизатора расположена дальше 10 см от источника напряжения — в основном это просто фильтрующий конденсатор.

В наших проектах мы в любом случае ставим конденсатор на вход. Рекомендуется использовать керамику или тантал толщиной не менее 0,1 мкФ. Выбирая номинальную емкость керамики, помните, что при повышении температуры емкость большинства керамических кондоров значительно падает.

Обозначение конденсатора С2 меняется в зависимости от внутренней схемы стабилизатора. Например, в микросхемах серии КР1158ЕН этот элемент обеспечивает отсутствие возбуждения выходного напряжения.

А производитель LM317 отмечает, что выходной конденсатор служит только для улучшения переходной характеристики и не влияет на стабильность. Так или иначе, при использовании конденсатора малой емкости (1-2 мкФ) на выходе многих линейных стабилизаторов наблюдаются небольшие колебания выходного напряжения с частотой несколько кГц и амплитудой около 0,2-0,4 вольта.

Увеличение выходного конденсатора до 10 мкФ полностью убирает эти колебания.

Оба конденсатора необходимо разместить как можно ближе к корпусу микросхемы.

Диод D1 ставить не обязательно, в большинстве типовых схем он не используется, но если используется конденсатор С2 или выходные напряжения превышают 25 В, то диод D1 рекомендуется оставить в любом случае, поэтому я оставил его на схемах.

Также этот диод рекомендуется использовать, если нагрузка носит индуктивный характер. Он обеспечивает путь разряда С2, а в случае индуктивной нагрузки ограничивает скачки тока через стабилизатор.

Назначение выводов и принцип работы

Было упомянуто, что LM317 относится к классу линейных стабилизаторов. Это означает, что стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет перераспределения энергии между нагрузкой и регулирующим элементом.

Транзистор и нагрузка составляют делитель входного напряжения. Если заданное на нагрузку дни узначается (по прочтению размения тока и т.п.), приоткрывается транзистор. Если увеличивается — замыкается, коэффициент деления меняется и напряжение на нагрузке остается стабильным. Недостатки этой схемы известны:

• необходимо, чтобы входное напряжение превышало выходное;
• регулируемым транстором рассеивается большай паксив;
• КПД даже теоретически не может превышать соотношение Uвых/Uвх.

Примеры применения стабилизатора LM317 (схемы включения)

Стабилизатор тока

Этот стабилизатор тока может применяться в схемах различных зарядных устройств для аккумуляторных батарей или регулируемых источников питания. Стандартная схема зарядного устройства показана ниже.

В данной схеме подключения используется метод зарядки постоянным током. Как видно из схемы, ток заряда зависит от сопротивления резистора R1. Значение этого сопротивления находится в пределах от 0,8 Ом до 120 Ом, что соответствует зарядному току от 10 мА до 1,56 А:

Читайте также: Крановые электродвигатели: особенности, назначение, разновидности

Источник питания на 5 Вольт с электронным включением

Ниже представлена ​​принципиальная схема блока питания на 15 вольт с плавным пуском. Необходимая плавность включения стабилизатора задается емкостью конденсатора С2:

Регулируемый стабилизатор напряжения на LM317

Схема включения с регулируемым выходным напряжением

Ограничитель тока на линейном стабилизаторе

На микросхемах линейных стабилизаторов типа LM317 (и подобных) удобно собрать схему ограничителя тока, для этого потребуется всего один добавочный резистор.

Выходное напряжение зависит от входного напряжения и падения напряжения на стабилизаторе. В этой схеме регулируемые стабилизаторы стремятся поддерживать выходное напряжение Vref

1,25В, поэтому выходной ток определяется соотношением:

Для ИС с фиксированным напряжением Vref заменяется на Vnom., а ток через резистор слишком велик (как если бы микросхемы не было), поэтому применение стабилизаторов с фиксированным напряжением в этой схеме нецелесообразно.

Компенсационные стабилизаторы

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение опорного (резистивного) потенциала с выходным. Разность по цепи отрицательной обратной связи подается на базу ключевого транзистора, контролируя величину его открытия.

Точность стабилизации зависит от точности формирования напряжения сопротивления. Так как устройство сравнения потребляет небольшой ток, опорный потенциал можно сформировать с помощью параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Еще больше повысить эксплуатационные характеристики можно, используя вместо токоограничивающего резистора источник тока. В качестве такого источника удобнее всего использовать полевой транзистор.

Компенсационные продавач имеют хорошие характеристики, поэтому большинство производителей элементной базы выпускают готовые модули, позволяющие создавать конструкции с минимальным количеством элементов.

Общие понятия

Общеизвестный принцип дуговой сварки. Освежить в памяти основные понятия. Чтобы получить сварное соединение, нужно создать пару. Электрическая дуга возникает при приложении напряжения между сварочным электродом и поверхностью сварочного материала. Ток дуги плавит металл, между двумя концами образуется расплавленная ванна. После остывания получаем прочный стык двух металлов.

В России переменный ток регулируется с частотой 50 Гц. Питание сварочного аппарата осуществляется от сети с фазным напряжением 220 В. Сварочные трансформаторы имеют две обмотки: первичную и вторичную. Вторичное напряжение трансформатора 70 В.

Разделяют ручной и автоматический режим сварки. В условиях обязательной мастерской сварки проводятся в ручном порядке. Перечислим параметры, которые изменяются вручную:

• сила тока сварки;
• сила натяжения;
• скорость сварочного электрода;
• качество проходов на шов;
• диаметр и марка электрода.

Правильный подбор и поддержание в процессе сварки необходимых параметров являются залогом качественного сварного соединения.

При проведении ручной дуговой сварки необходимо правильно распределять ток. Это позволит выполнить качественную строчку. Стабильность дуги напрямую зависит от величины сварочного тока. Специалисты подбирают его исходя из диаметра электродов и толщины свариваемых материалов.

Импульсные стабилизаторы

Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток — ключевой элемент выделяется большой мощностью рассеяния, которая больше, чем разница между входными и выходными параметрами.

Основное отличие импульсных устройств в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и выделением энергии реактивными элементами. Энергия, запасаемая дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.

Собранные на дискретных элементах преобразователи импульсов сложны по конструкции и регулированию. Сейчас есть схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которые требуют импульсного ключа только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулирования и обладают высокой надежностью.

Схема на составном транзисторе

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только из-за допустимого тока ключевого элемента. Задолга до наступления момента предмельного рейме стабилизация вашорется, так как она ограничена статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.

Увеличить ток нагрузки можно с помощью компонентов, включенных в схему Дарлингтона. При таком включении общий коэффициент передачи равен произведению коэффициентов обоих транзисторов. Мощные транзисторы усилителя Дарлингтона часто выпускаются в одном корпусе, не требующем дополнительных соединений.

Реле времени

TL431 нашел свое применение не только как источник резистивного напряжения, но и во многих других приложениях.

Например, благодаря тому, что входной ток TL431 составляет 2-4 мкА, на базе этой микросхемы можно построить реле времени: при размыкании контакта S1 С1 начинает медленно заряжаться через R1, а когда напряжение на входе TL431 достигнет 2,5 В, выходной транзистор DA1 откроется и через светодиодные оптопары PC817 начнет протекать ток, соответственно фототранзистор откроется и внешняя цепь замкнется.

В этой схеме резистор R2 ограничивает ток через оптрон и стабилизатор (например, 680 Ом), R3 нужен для предотвращения возгорания светодиода от тока TL431 (например, 2 кОм).

Тэги: автомат, ампер, анод, биполярный, бра, вид, выбор, дом, , защитный, изолировать, как, кондансер, , , магнит, магнитный, паксическая, планционный, номила, обниститель, переменный, подключение, постоянный, постоянный, принцип провод, фоторезистор, экран

Схема на транзисторе и стабилитроне

Подключение ключевого элемента к простейшему устройству на стабилитроне позволяет с минимальными трудностями увеличить ток нагрузки. Использование полевого транзистора вместо биполярного позволяет уменьшить рассеиваемую мощность, снизить падение на полупроводниковых переходах, повысить КПД конструкции.

Важно! При использовании полевых транзисторов рука и инструмент должны быть заземлены.

Выбор стабилизатора напряжения зависит от требований по току нагрузки, коэффициента стабилизации и размера конструкции.

Во многом это зависит от личных предпочтений. Компенсационные и параметрические устройства просты в понимании, легко собираются и настраиваются. Импульсные устройства технически более сложны. Хотя существует множество готовых интегральных микросхем импульсных стабилизаторов, отсутствие четкого понимания их работы может затруднить поиск неисправностей.

Выбранная конструкция с какой-либо запчастью текущей конструкции может находиться под нагрузкой неограниченное время.

Стабилизированный регулируемый блок питания с защитой от перегрузок

Множество радиолюбительских блоков питания (БП) и сгруппировано на микрошемах КР142ЕН12, КР142ЕН22А, КР142ЕН24 и т.п. Нижний предел регулирования этих микросхем 1,2…1,3 В, но иногда необходимое напряжение 0,5…1 В. Автор предлагает несколько технических решений для БП на основе микросхемы.

Интегральная микросхема (ИМС) КР142ЕН12А (рис.1) представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения компенсационного типа в корпусе КТ-28-2, позволяющий питать устройство током до 1,5 А в диапазоне напряжений 1,2 В…37 В. Этот интегральный стабилизатор имеет термостабильную защиту по току и защиту от короткого замыкания на выходе.

На базе ИМС КР142ЕН12А можно построить регулируемый блок питания, схема которого (без трансформатора и диодного моста) показана на рис.2. Выпрямленное входное напряжение подается с диодного моста на конденсатор С1. Транзистор VT2 и микросхема DA1 должны располагаться на радиаторе.

Фланец радиатора DA1 электрически соединен с выводом 2, поэтому, если DA1 и транзистор VD2 расположены на одном радиаторе, они должны быть изолированы друг от друга. В авторском варианте DA1 установлен на отдельном небольшом радиаторе, не связанном гальванически с радиатором и транзистором VT2.

Онлайн калькулятор LM317

Ниже представлен онлайн-калькулятор для расчета стабилизатора напряжения на базе LM317. В первом случае на основании необходимого выходного напряжения и сопротивления резистора R1 производится расчет резистора R2. Во втором случае, зная сопротивление обоих резисторов (R1 и R2), можно рассчитать напряжение на выходе стабилизатора.

Схема мощного линейный стабилизатор

Микросхемы (далее ИИС) линейных стабилизаторов напряжения очень удобны для использования в различных схемотехнических проектах, не требующих высокого КПД и большой мощности.

При использовании правильных схемотехнических решений они обеспечивают более высокую надежность (за счет меньшего количества компонентов, даже с учетом интегральных) и меньший уровень шума, кроме того, такие источники питания проще в проектировании и реализации.

Дополнительным плюсом является еще и то, что многие стабилизаторы ИМС имеют встроенную защиту от перенапряжения, перегрузки по току и переполяризации входного напряжения — все это позволяет в большинстве случаев обойтись без дополнительных элементов в схеме.

Среди недостатков этих решений следует отметить два основных:

• Низкий КПД — «избыточное» напряжение, такие схемы фактически сбрасывают тепло, что соответственно в большинстве случаев требует применения дополнительного охлаждения.
• Необходимость положительной разницы напряжений между входом и выходом — даже лучшие модели линейных стабилизаторов имеют падение напряжения около 0,4В, а большинство перестают работать уже при разнице в 0,5В.

Несмотря на все недостатки, такие схемы часто вполне уместно используются в своих проектах. В этой статье мы расскажем о различных схемотехнических и технических особенностях применения этих микросхем.