Схемы стабилизаторов напряжения с регулятором тока

Как сделать простую схему стабилизированного регулятора постоянного напряжения на 2-х транзисторах.

Достаточно часто возникает необходимость для какого-нибудь электротехнического устройства установить регулятор постоянного напряжения, которым можно было бы настраивать любую нужную величину напряжения. Помимо этого этот регулятор должен быть достаточно стабильный, то есть выдавать на выходе определенное напряжение с незначительными отклонениями. Одной из наиболее простых схем, собранная всего на двух биполярных транзисторах, является приведенных выше вариант. Схема содержит минимум компонентов, она достаточно стабильна и способна выдавать на своем выходе величину постоянного напряжения от нуля до почти подаваемого на ее вход напряжения. Давайте рассмотрим общий принцип действия данной схемы стабилизированного регулятора постоянного напряжения.

На входе схемы стабилизатора стоит входной электролитический конденсатор C1, роль которого сводится к дополнительной фильтрации входного напряжения. Он имеет емкость где-то от 1000 до 2200 микрофарад. Рассчитан он должен на напряжения не менее входного (даже процентов на 25 больше, чем то, что подается на вход схемы).

Далее на схеме стабилизированного регулятора постоянного напряжения можно увидеть цепочку, состоящую из резистора R1 и стабилитрона VD. Эта цепочка представляет собой простейший параметрический стабилизатор постоянного напряжения. R1 ограничивает силу тока, что протекает через стабилитрон. Этот резистор может иметь величину от 510 Ом до 1 кОм. Стабилитрон должен быть подобран таким образом, чтобы его напряжение стабилизации было на 1,2 вольта больше, чем максимальное выходное напряжение нашей схемы регулируемого стабилизатора напряжения. Это связано с тем, что на каждом транзисторном переходе эмиттер-база будет оседать примерно по 0,6 вольта (поскольку транзисторов два, то и напряжение на них осядет уже 1,2 вольта). Токи, что будут протекать через стабилитрон, будут незначительные (около 5-15 миллиампер). Следовательно стабилитроны подойдут любого типа.

Параллельно стабилитрону VD стоит переменный резистор R2, которым и осуществляется регулировка нужного постоянного напряжения на выходе схемы. Этот резистор является делителем напряжения, что плавно делит напряжение, осевшее на стабилитроне. Величина этого переменного резистора может колебаться в пределах от 10 до 22 кОм. В одной крайнем положении ползунка резистора R2 напряжение на входе схемы регулятора напряжения будет нулевым, в противоположном крайнем положении оно будет соответствовать максимуму (что может выдать сама схема). Тип переменного резистора может быть любым. Лучше брать более компактный и удобный.

Напряжение, что снимается со среднего вывода переменного резистора (делителя напряжения) подается на два последовательно соединенных каскадов транзисторных усилителей тока. Эти транзисторные усилители тока включены по схеме с общем эмиттером (данную схему включения еще называют эмиттерным повторителем). Суть такого подключения заключается в том, что на выходе транзисторного усилителя тока напряжение будет меньше где-то на 0,6 вольта, чем на его входе. То есть, усиления по напряжению не происходит. Зато оно происходит по току, и зависит от коэффициента усиления поставленных в схему транзисторов и количества каскадов таких усилителей.

В эту схему стабилизированного регулятора постоянного напряжения можно поставить обычные биполярные транзисторы с n-p-n проводимостью. В роли VT1 может выступать транзистор серии КТ315 или КТ3102. Второй транзистор VT2 может быть типа КТ815 (выходной ток до 1,5 ампера) или КТ817 (выходной ток до 3 ампера). Либо поставить любой аналогичный транзистор, рассчитанный на нужную силу тока на выходе схемы. Резисторы R3 и R4 являются нагрузкой для транзисторов, которые позволяют работать данным усилительный каскадам в нужном режиме. Величина этих резисторов 1 кОм.

Ну, и еще один электролитический конденсатор можно заменить на самом выходе схемы регулятора постоянного напряжения. Он также увеличивает фильтрацию выходного напряжения, что делает форму тока более ровной, постоянной. Его величина также может лежать в пределах от 1000 до 2200 мкф.

Приведенная схема уже неоднократно проверена. После пайки она сразу же начинает нормально работать. Как уже сказал выше, схема достаточно проста и имеет малое количество элементов. Если выходные токи будут больше 1 ампера, то к выходному транзистору VT2 нужно будет добавить радиатор, который будет рассеивать выделяемое тепло, образуемое на транзисторе. Это предотвратить чрезмерный перегрев выходного усилительного каскада, что в противном случае может попросту вывести транзистор из строя.

Видео по этой теме:

Электронные схемы — регуляторы

Следующим и последним этапом перед нагрузкой в ​​системе электропитания является часть регулятора. Давайте теперь попробуем понять, что такое регулятор и что он делает.

Часть электроники, которая занимается управлением и преобразованием электроэнергии, может быть названа силовой электроникой . Регулятор является важным устройством, когда речь идет о силовой электронике, поскольку он контролирует выходную мощность.

Нужен регулятор

Для источника питания, обеспечивающего постоянное выходное напряжение, независимо от изменений входного напряжения или изменений тока нагрузки, необходим регулятор напряжения.

Регулятор напряжения — это такое устройство, которое поддерживает постоянное выходное напряжение вместо любых колебаний входного напряжения или любых изменений тока, потребляемых нагрузкой. Следующее изображение дает представление о том, как выглядит практический регулятор.

Типы регуляторов

Регуляторы могут быть классифицированы на различные категории, в зависимости от их работы и типа подключения.

В зависимости от типа регулирования регуляторы в основном делятся на два типа, а именно линейные и нагрузочные регуляторы.

Линейный регулятор — Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы быть постоянным, несмотря на изменения входной линии, он называется Линейным регулятором .

Регулятор нагрузки — Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы быть постоянным, несмотря на изменения нагрузки на выходе, он называется регулятором нагрузки .

Линейный регулятор — Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы быть постоянным, несмотря на изменения входной линии, он называется Линейным регулятором .

Регулятор нагрузки — Регулятор, который регулирует выходное напряжение, чтобы быть постоянным, несмотря на изменения нагрузки на выходе, он называется регулятором нагрузки .

В зависимости от типа подключения , существует два типа регуляторов напряжения. Они есть

• Серийный регулятор напряжения
• Шунтирующий регулятор напряжения

Расположение их в цепи будет таким же, как на следующих рисунках.

Давайте посмотрим на другие важные типы регуляторов.

Стабилизатор напряжения стабилитрона

Регулятор напряжения Зенера — это регулятор, который использует стабилитрон для регулирования выходного напряжения. Мы уже обсуждали детали, касающиеся стабилитрона, в руководстве по базовой электронике.

Когда стабилитрон работает в области пробоя или стабилитрона , напряжение на нем по существу постоянное для большого изменения тока через него. Эта характеристика делает стабилитрон хорошим стабилизатором напряжения .

На следующем рисунке показано изображение простого регулятора Зенера.

Приложенное входное напряжение V i , когда оно превышает значение напряжения стабилитрона V z , затем диод стабилитрона работает в области пробоя и поддерживает постоянное напряжение на нагрузке. Последовательный ограничивающий резистор R s ограничивает входной ток.

Работа стабилизатора напряжения Зенера

Стабилитрон поддерживает постоянное напряжение на нем, несмотря на колебания нагрузки и колебания входного напряжения. Следовательно, мы можем рассмотреть 4 случая, чтобы понять работу стабилизатора напряжения Зенера.

Случай 1 — Если ток нагрузки I L увеличивается, то ток через стабилитрон I Z уменьшается, чтобы поддерживать ток через постоянный резистор R S постоянным. Выходное напряжение Vo зависит от входного напряжения Vi и напряжения на последовательном резисторе R S .

Это можно записать как

V o = V в − I R S

Где I постоянен. Следовательно, V o также остается постоянным.

Случай 2 — Если ток нагрузки I L уменьшается, то ток через стабилитрон I Z увеличивается, так как ток через резистор серии RS I_S $ через резистор RS остается постоянным. Хотя ток I Z через стабилитрон увеличивается, он поддерживает постоянное выходное напряжение V Z , которое поддерживает постоянное напряжение нагрузки.

Случай 3 — Если входное напряжение V i увеличивается, то ток I S через последовательный резистор RS увеличивается. Это увеличивает падение напряжения на резисторе, то есть увеличивается V S . Хотя ток через стабилитрон I Z увеличивается с этим, напряжение на стабилитроне V Z остается постоянным, сохраняя постоянное напряжение на выходе нагрузки.

Случай 4. Если входное напряжение уменьшается, ток через последовательный резистор уменьшается, что приводит к уменьшению тока через стабилитрон I Z . Но стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение благодаря своему свойству.

Ограничения стабилитрона напряжения

Есть несколько ограничений для стабилизатора напряжения Зенера. Они —

• Он менее эффективен для токов большой нагрузки.
• Импеданс Зенера немного влияет на выходное напряжение.

Следовательно, стабилизатор напряжения Зенера считается эффективным для применений с низким напряжением. Теперь давайте рассмотрим другие типы регуляторов напряжения, которые сделаны с использованием транзисторов.

Регулятор напряжения серии транзистор

Этот регулятор имеет транзистор, последовательно соединенный с регулятором Зенера и оба параллельно нагрузке. Транзистор работает как переменный резистор, регулирующий напряжение эмиттера на коллекторе, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. На рисунке ниже показан транзисторный последовательный регулятор напряжения.

При входных рабочих условиях ток через базу транзистора изменяется. Это влияет на напряжение на соединении базового эмиттера транзистора V B E . Выходное напряжение поддерживается постоянным напряжением стабилитрона V Z . Поскольку оба они поддерживаются равными, любое изменение входного питания указывается изменением базового напряжения эмиттера V B E .

Следовательно, выходное напряжение Vo можно понимать как

V O = V Z + V B E

Работа транзисторного стабилизатора напряжения серии

Работу последовательного стабилизатора напряжения следует учитывать при изменении входного напряжения и нагрузки. Если входное напряжение увеличивается, выходное напряжение также увеличивается. Но это, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения на базовом переходе коллектора V B E , так как напряжение Зенера V Z остается постоянным. Проводимость уменьшается по мере увеличения сопротивления в области коллектора эмиттера. Это дополнительно увеличивает напряжение на соединении эмиттера коллектора VCE, тем самым уменьшая выходное напряжение V O . Это будет похоже на уменьшение входного напряжения.

Когда происходят изменения нагрузки, что означает, что если сопротивление нагрузки уменьшается, увеличивая ток нагрузки I L , выходное напряжение V O уменьшается, увеличивая базовое напряжение эмиттера V B E .

С увеличением базового напряжения эмиттера V B E проводимость увеличивается, уменьшая сопротивление коллектора эмиттера. Это, в свою очередь, увеличивает входной ток, который компенсирует снижение сопротивления нагрузки. Это будет похоже на увеличение тока нагрузки.

Ограничения транзисторного стабилизатора напряжения серии

Регуляторы напряжения серии транзисторов имеют следующие ограничения —

• На напряжения V B E и V Z влияет повышение температуры.
• Хорошее регулирование для больших токов невозможно.
• Рассеиваемая мощность высокая.
• Рассеиваемая мощность высокая.
• Менее эффективны.

Чтобы минимизировать эти ограничения, используется транзисторный шунтирующий регулятор.

Транзисторный Шунт Регулятор Напряжения

Транзисторная схема шунтирующего регулятора формируется путем последовательного подключения резистора к входу и транзистора, база и коллектор которого соединены стабилитроном, который регулирует оба параллельно нагрузке. На рисунке ниже показана принципиальная схема транзисторного шунтирующего регулятора.

Работа транзисторного шунтирующего стабилизатора напряжения

Если входное напряжение увеличивается, V B E и V O также увеличиваются. Но это происходит изначально. На самом деле, когда V i n увеличивается, текущий I i n также увеличивается. Этот ток, когда протекает через RS, вызывает падение напряжения V S на последовательном резисторе, которое также увеличивается с V i n . Но это заставляет V o уменьшаться. Теперь это уменьшение V o компенсирует начальное увеличение, поддерживая его постоянным. Следовательно, V o поддерживается постоянным. Если вместо этого уменьшается выходное напряжение, происходит обратное.

Если сопротивление нагрузки уменьшается, должно быть уменьшение выходного напряжения V o . Ток через нагрузку увеличивается. Это приводит к уменьшению тока базы и тока коллектора транзистора. Напряжение на последовательном резисторе становится низким, так как ток течет интенсивно. Входной ток будет постоянным.

Появится выходное напряжение, которое будет представлять собой разницу между приложенным напряжением V i и падением последовательного напряжения V s . Следовательно, выходное напряжение будет увеличено для компенсации начального снижения и, следовательно, будет поддерживаться постоянным. Обратное происходит, если сопротивление нагрузки увеличивается.

IC Регуляторы

Регуляторы напряжения в настоящее время доступны в виде интегральных микросхем (ИС). Они вкратце называются регуляторами IC.

Наряду с функциями, подобными обычному регулятору, регулятор IC имеет такие свойства, как термокомпенсация, защита от короткого замыкания и защита от перенапряжения, которые встроены в устройство.

Типы регуляторов IC

Регуляторы IC могут быть следующих типов —

• Фиксированные положительные регуляторы напряжения
• Фиксированные отрицательные регуляторы напряжения
• Регулируемые регуляторы напряжения
• Регуляторы напряжения с двойным слежением

Давайте теперь обсудим их подробно.

Фиксированный положительный регулятор напряжения

Выход этих регуляторов фиксируется на определенном значении, и значения являются положительными, что означает, что выходное напряжение является положительным напряжением.

Наиболее используемая серия — это серии 7800, и ИС будут похожи на IC 7806, IC 7812, IC 7815 и т. Д., Которые обеспечивают + 6 В, + 12 В и + 15 В соответственно в качестве выходных напряжений. На рисунке ниже показана микросхема 7810, подключенная для обеспечения фиксированного 10 В положительного регулируемого выходного напряжения.

На приведенном выше рисунке входной конденсатор C 1 используется для предотвращения нежелательных колебаний, а выходной конденсатор C 2 действует как линейный фильтр для улучшения переходного процесса.

Регулятор Фиксированного Отрицательного Напряжения

Выход этих регуляторов фиксируется на определенном значении, и значения являются отрицательными, что означает, что выходное напряжение является отрицательным напряжением.

Наиболее используемая серия — это серия 7900, и микросхемы будут похожи на IC 7906, IC 7912, IC 7915 и т. Д., Которые обеспечивают -6 В, -12 В и -15 В соответственно в качестве выходных напряжений. На рисунке ниже показана ИС 7910, подключенная для обеспечения фиксированного 10В отрицательного регулируемого выходного напряжения.

На приведенном выше рисунке входной конденсатор C 1 используется для предотвращения нежелательных колебаний, а выходной конденсатор C 2 действует как линейный фильтр для улучшения переходного процесса.

Регулируемые регуляторы напряжения

Регулируемый регулятор напряжения имеет три клеммы IN, OUT и ADJ. Входные и выходные клеммы являются общими, тогда как регулируемая клемма снабжена переменным резистором, который позволяет варьировать выходной сигнал в широком диапазоне.

На приведенном выше рисунке показан нерегулируемый источник питания, приводящий в действие регулируемый регулятор IC 317, который обычно используется. LM 317 представляет собой трехполюсный положительный регулируемый регулятор напряжения и может подавать 1,5A тока нагрузки в регулируемом диапазоне выходных напряжений от 1,25 до 37 В.

Регуляторы напряжения с двойным слежением

Двойной регулятор слежения используется, когда необходимо разделить напряжение питания. Они обеспечивают равные положительные и отрицательные выходные напряжения. Например, микросхема RC4195 обеспечивает выходы постоянного тока + 15В и -15В. Для этого необходимо два нерегулируемых входных напряжения, например, положительный вход может варьироваться от + 18 В до + 30 В, а отрицательный вход может варьироваться от -18 В до -30 В.

На изображении выше показан регулятор RC4195 с двойным слежением. Также доступны регулируемые регуляторы двойного прихвата, выходы которых варьируются между двумя номинальными пределами.

ДВА ПРОСТЫХ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Собранный однажды простейший регулятор напряжения на одном транзисторе был предназначен для определённого блока питания и конкретного потребителя, никуда больше его подключать было конечно не нужно, но как всегда наступает момент, когда правильно поступать мы перестаём. Следствием этого являются хлопоты и раздумья как жить-быть дальше и принятие решения восстанавливать сотворённое ранее или продолжать творить.

Схема номер 1

Имелся стабилизированный импульсный блок питания, дающий на выходе напряжение 17 вольт и ток 500 миллиампер. Требовалось периодическое изменение напряжения в пределе 11 – 13 вольт. И общеизвестная схема регулятора напряжения на одном транзисторе с этим прекрасно справлялась. От себя добавил к ней только светодиод индикации да ограничительный резистор. К слову, светодиод здесь это не только «светлячок» сигнализирующий о наличии выходного напряжения. При правильно подобранном номинале ограничительного резистора, даже небольшое изменение выходного напряжения отражается на яркости свечения светодиода, что даёт дополнительную информацию о его повышении или понижении. Напряжение на выходе можно было изменять от 1,3 до 16 вольт.

КТ829 — мощный низкочастотный кремниевый составной транзистор, был установлен на мощный металлический радиатор и казалось, что при необходимости он вполне может выдержать и большую нагрузку, но случилось короткое замыкание в схеме потребителя и он сгорел. Транзистор отличается высоким коэффициентом усиления и применяется в усилителях низкой частоты – видно действительно его место там а не в регуляторах напряжения.

Слева снятые электронные компоненты, справа приготовленные им на замену. Разница по количеству в два наименования, а по качеству схем, бывшей и той, что решено было собрать, она несопоставима. Напрашивается вопрос – «Стоит ли собирать схему с ограниченными возможностями, когда существует более продвинутый вариант «за те же деньги», в прямом и переносном смысле этого изречения?»

Схема номер 2

В новой схеме также присутствует трёхвыводной эл. компонент (но это уже не транзистор) постоянный и переменный резисторы, светодиод со своим ограничителем. Добавлено только два электролитических конденсатора. Обычно на типовых схемах указаны минимальные значения C1 и C2 (С1=0,1 мкФ и С2=1 мкФ) которые необходимы для устойчивой работы стабилизатора. На практике значения емкостей составляют от десятков до сотен микрофарад. Ёмкости должны располагаться как можно ближе к микросхеме. При больших емкостях обязательно условие C1>>C2. Если ёмкость конденсатора на выходе будет превышать ёмкость конденсатора на входе, то возникает ситуация при которой выходное напряжение превышает входное, что приводит к порче микросхемы стабилизатора. Для её исключения устанавливают защитный диод VD1.

У этой схемы уже совсем другие возможности. Входное напряжение от 5 до 40 вольт, выходное 1,2 – 37 вольт. Да, имеется падение напряжения вход – выход равное примерно 3,5 вольтам, однако роз без шипов не бывает. Зато микросхема КР142ЕН12А именуемая линейным регулируемым стабилизатором напряжения имеет неплохую защиту по превышению тока нагрузки и кратковременную защиту от короткого замыкания на выходе. Её рабочая температура до + 70 градусов по Цельсию, работает с внешним делителем напряжения. Выходной ток нагрузки до 1 А при длительной работе и 1,5 А при непродолжительной. Максимально допустимая мощность при работе без теплоотвода 1 Вт, если микросхему установить на радиатор достаточного размера (100 см.кв.) то Р макс. = 10 Вт.

Что получилось

Сам процесс обновлённого монтажа занял времени ни сколько не больше чем предыдущий. При этом получен не простой регулятор напряжения, который подключается к блоку питания стабилизированного напряжения, собранная схема при подключении даже к сетевому понижающему трансформатору с выпрямителем на выходе сама даёт необходимое стабилизированное напряжение. Естественно, что выходное напряжение трансформатора должно соответствовать допустимым параметрам входного напряжения микросхемы КР142ЕН12А. Вместо неё можно использовать и импортный аналог интегральный стабилизатор LM317Т. Автор Babay iz Barnaula.

Линейные стабилизаторы напряжения на транзисторах и ОУ

Основным недостатком линейных стабилизаторов средней и большой мощности является их низкий КПД. Причем, чем меньше выходное напряжение источника питания, тем меньше становится его КПД. Это объясняется тем, что в режиме стабилизации силовой транзистор источника питания обычно включен последовательно с нагрузкой, а для нормальной работы такого стабилизатора на регулирующем транзисторе должно действовать напряжение коллектор-эмиттер (11кэ) не менее 3. 5 В. При токах более 1 А это дает значительные потери мощности за счет выделения тепловой энергии, рассеиваемой на силовом транзисторе. Что приводит к необходимости увеличивать площадь теплоотводящего радиатора или применять вентилятор для принудительного охлаждения.

Широко распространенные благодаря низкой стоимости интегральные линейные стабилизаторы напряжения на микросхемах из серии 142ЕН(5. 14) обладают таким же недостатком. В последнее время в продаже появились импортные микросхемы из серии «LOW DROP» (SD, DV, LT1083/1084/1085). Эти микросхемы могут работать при пониженном напряжении между входом и выходом (до 1. 1.3 В) и обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение в диапазоне 1,25. 30 В при токе в нагрузке 7,5/5/3 А соответственно. Ближайший по параметрам отечественный аналог типа КР142ЕН22 имеет максимальный ток стабилизации 5 А.

При максимальном выходном токе режим стабилизации гарантируется производителем при напряжении вход-выход не менее 1,5 В. Микросхемы также имеют встроенную защиту от превышения тока в нагрузке допустимой величины и тепловую защиту от перегрева корпуса.

Данные стабилизаторы обеспечивают нестабильность выходного напряжения «0,05%/В, нестабильность выходного напряжения при изменении выходного тока от 10 мА до максимального значения не хуже 0,1 %/В. Типовая схема включения таких стабилизаторов напряжения приведена на рис. 4.1.

Конденсаторы С2. С4 должны располагаться вблизи от микросхемы и лучше, если они будут танталовые. Емкость конденсатора С1 выбирается из условия 2000 мкФ на 1 А тока. Микросхемы выпускаются в трех видах конструктивного исполнения корпуса, показанных на рис. 4.2. Вид корпуса задается последними буквами в обозначении. Более подробная информация по данным микросхемам имеется в справочной литературе, например J119.

Такие стабилизаторы напряжения экономически целесообразно применять при токе в нагрузке более 1 А, а также в случае недостатка места в конструкции. На дискретных элементах также можно выполнить экономичный источник питания. Приведенная на рис. 4.3 схема рассчитана для выходного напряжения 5 В и тока нагрузки до 1 А. Она обеспечивает нормальную работу при минимальном напряжении на силовом транзисторе (0,7. 1,3 В). Это достигается за счет использования в качестве силового регулятора транзистора (VT2) с малым напряжением икэ в открытом состоянии. Что позволяет обеспечить работу схемы стабилизатора при меньших напряжениях вход-выход.

Схема имеет защиту (триггерного типа) в случае превышения тока в нагрузке допустимой величины, а также превышения напряжения на входе стабилизатора величины 10,8 В.

Узел защиты выполнен на транзисторе VT1 и тиристоре VS1. При срабатывании тиристора он отключает питание микросхемы DA1 (вывод 7 закорачивается на общий провод). В этом случае транзистор VT3, а значит и VT2 закроются и на выходе будет нулевое напряжение. Вернуть схему в исходное состояние после устранения причины, вызвавшей перегрузку, можно только выключением и повторным включением блока питания.

Конденсатор СЗ обычно не требуется — его задача облегчить запуск схемы в момент включения.

Вернуть схему в исходное состояние после устранения причины, вызвавшей перегрузку, можно только выключением и повторным включением блока питания. Конденсатор СЗ обычно не требуется — его задача облегчить запуск схемы в момент включения. Топология печатной платы для монтажа элементов показана на рис. 4.4 (она содержит одну объемную перемычку). Транзистор VT2 устанавливается на радиатор.

При изготовлении использованы детали: подстроенный резистор R8 типа СПЗ-19а, остальные резисторы любого типа; конденсаторы С1 — К50-29В на 16 В, С2. С5 — К10-17, С5 — К52-1 на 6,3 В. Схему можно дополнить светодиодным индикатором срабатывания защиты (HL1). Для этого потребуется установить дополнительные элементы: диод VD3 и резистор R10, как это показано на рис. 4.5.

Литература: И.П. Шелестов — Радиолюбителям полезные схемы, книга 3.

Линейные регуляторы напряжения компании STMicroelectronics

В статье рассматривается номенклатура линейных регуляторов, предлагаемых компанией STMicroelectronics, а именно: стандартные регуляторы, регуляторы с малым и очень малым зна-чением падения напряжения на регулирующем элементе. Кроме того, рассматриваются линейные регуляторы, предназначенные для управления мощными светодиодами.

Линейные регуляторы (стабилизаторы) напряжения находят широкое применение в современных системах электропитания электронных устройств. Известно, что импульсные регуляторы обладают, как правило, более высоким значением КПД, однако создают на выходе помехи с частотой коммутации, и по этой причине не всегда пригодны для питания схем, чувствительных к пульсациям. Кроме того, достоинствами линейных регуляторов являются более простая схема включения (и, как следствие, минимальное количество компонентов обвязки) и низкая стоимость. В связи с этим у различных производителей электронных компонентов линейные регуляторы занимают важную нишу в номенклатуре микросхем управления питанием.

Стандартные линейные регуляторы

Изначально в линейных стабилизаторах в качестве регулирующего элемента использовался биполярный составной npn-транзистор, управляемый биполярным транзистором pnp-типа. Регуляторы этого типа принято называть стандартными. Они выпускаются многими производителями и имеют, как правило, единую систему обозначений — серии L78 и L79 (соответственно, для положительных и отрицательных выходных напряжений). Номенклатура компании STMicroelectronics включает следующие стандартные линейные регуляторы:

– серия L78Lxx — максимальный ток нагрузки до 0,1 А;

– серия L78Mxx — максимальный ток нагрузки до 0,5 А;

– серия L78xxA — максимальный ток нагрузки до 1,0 А;

– серия L78xx — максимальный ток нагрузки до 1,5 А;

– серия L78Sxx — максимальный ток нагрузки до 2,0 А.

Типовые характеристики стандартных стабилизаторов следующие:

– максимальное входное напряжение — до 35…40 В;

– падение напряжения на регулирующем элементе — от 1,7 В и более;

– точность стабилизации — 2…4%;

– собственный ток — 6 мА.

Несмотря на более чем скромные характеристики, невысокая стоимость, простота применения, разнообразие значений выходных напряжений и корпусов обеспечивают стандартным регуляторам стабильную нишу при создании простых и недорогих схем электропитания.

Классификация и терминология

Падение напряжения на регулирующем элементе VDROP является ключевым параметром линейного стабилизатора. Стабилизаторы с высоким значением VDROP затруднительно применять в устройствах с малыми входными напряжениями (например, в батарейных источниках питания), с ограничениями по мощности источников питания, в конструкциях с ограниченными возможностями по отводу тепла. Собственно говоря, стремление к снижению этого параметра определило дальнейшую эволюцию линейных регуляторов.

Компания STMicroelectronics разделяет выпускаемые ею линейные регуляторы на три основные группы:

– стандартные регуляторы (с положительным или отрицательным выходным напряжением);

– регуляторы с малым падением напряжения (Low DropOut — LDO);

– регуляторы с очень малым падением напряжения (very Low DropOut — vLDO).

Учитывая тот факт, что различные производители зачастую вкладывают в эти термины разный смысл, постараемся прояснить термин LDO.

Рис. 1. Основные типы регулирующего элемента в линейных стабилизаторах

На рисунке 1 представлены различные технологические исполнения регулирующего элемента (проходного транзистора) [1]:

1. Составной npn-транзистор (схема Дарлингтона), управляемый pnp-транзистором.

2. Одиночный pnp-транзистор.

3. Одиночный npn-транзистор, управляемый pnp-транзистором.

4. Полевой p-MOS транзистор;

5. Составной полевой n-MOS транзистор.

Как отмечалось выше, линейные стабилизаторы с регулирующим элементом первого типа называются стандартными. Поскольку у остальных типов значение падения напряжения VDROP действительно ниже, то часто под термином «LDO-регуляторы» понимают линейные регуляторы всех этих типов.

Некоторые производители (например, National Semiconductor) третий тип выделяют в группу т.н. «квази-LDO», подчеркивая тем самым, что они занимают промежуточное положение между стандартными линейными регуляторами 78хх и собственно LDO.

Также иногда, говоря о четвертом и пятом типах, добавляют «LDO на MOS-транзисторах». Иными словами, разные производители одним и тем же термин могут обозначать регуляторы разных типов и, наоборот, один и тот же тип регуляторов именовать по-разному.

Но поскольку предметом статьи являются линейные регуляторы STMicroelectronics, то разумно, по крайней мере, в рамках данной статьи, пользоваться терминологией этой фирмы, имея в виду, что:

– стандартные стабилизаторы используют в качестве регулирующего элемента npn-транзистор (т.е. тип 1);

– LDO-регуляторы используют одиночный npn-транзистор (т.е. тип 3);

– vLDO-регуляторы используют одиночный pnp-транзистор или полевые транзисторы (т.е. типы 2, 4 и 5).

Регуляторы с малым падение напряжения (LDO)

Номенклатура и технические характеристики LDO-регуляторов компании STMicroelectronics представлены в таблице 1.

Как уже отмечалось, в линейных стабилизаторах этих серий в качестве регулирующего элемента используется одинарный npn-транзистор. За счет этого падение напряжения уменьшено до 1,1…1,3 В. По сравнению со стандартными регуляторами, также повышена точность установки выходного напряжения.

Микросхемы выполнены по стандартной 3-выводной схеме — VIN, VOUT, GND (или ADJ для стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением) и, в целом, были предназначены для замены стандартных регуляторов, поскольку обеспечивали совместимость по корпусам и цоколевке выводов, но имели лучшие параметры, по сравнению с семействами L78xx.

Таблица 1. Номенклатура и характеристики LDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Падение
напряжения, В

Макс. входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

Номиналы выходных напряжений в таблице 1 приведены из [2], однако следует иметь в виду, что с течением времени этот перечень может претерпевать изменения.

Данные серии также выпускаются многими производителями, и числовые коды 1084—1086, 1117 (возможно с другими префиксами) являются общепринятыми среди производителей электронных компонентов.

Регуляторы с очень малым падение напряжения (vLDO)

Рассматривая номенклатуру vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics, целесообразно условно выделить мощные регуляторы (с максимальным током нагрузки от 0,5 А) и маломощные — с током в нагрузке 50…300 мА. Рассмотрим мощные vLDO-регуляторы, номенклатура и технические характеристики которых представлены в таблице 2.

Таблица 2. Номенклатура и характеристики мощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Падение напряжения, В

Макс. входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

В первую очередь, имеет смысл выделить две основные серии: LD29yy0 и LD39yy0. В обозначениях: yy — максимальный нагрузочный ток (например, 30…3 А; 5…0,5 А).

Стабилизаторы семейства LD29yy0 характеризуются, во-первых, широким диапазоном входных напряжений. Соответственно, и диапазон выходных напряжений достаточно широк — до 8…9 В для микросхем с фиксированным выходным напряжением и до 6…15 В — для стабилизаторов с регулируемым выходом. С этой точки зрения, они в большей степени, чем остальные семейства, могут рассматриваться как замена стандартных и LDO-регуляторов. Однако, по сравнению с остальными семействами vLDO-регуляторов, для них характерно большее значение падения напряжения и большее значение собственного тока.

Регуляторы семейства LD39yy0 ориентированы на работу в системах с низковольтной нагрузкой — входное напряжение не превышает 6 В, а выходное — до 3,3 В для фиксированных напряжений. С другой стороны, регуляторы этой серии имеют вдвое меньшее (по сравнению с регуляторами LD29yy0) падение напряжения, существенно меньшее значение собственного тока и могут быть использованы в системах распределенного электропитания в качестве источников питания Point-of-Load (PoL).

Серия LD49150 по основным параметрам сравнима со своим прототипом LD39150, но поддерживает низковольтные напряжения 0,8…1,0 В.

Серии KFxxB и LFxxAB ориентированы на работу в широком диапазоне входных напряжений. Они не имеют исполнений с регулируемым выходным напряжением, однако номенклатура фиксированных номиналов включает не только широко распространенные номиналы, но и довольно редко используемые. Также возможно исполнение стабилизаторов с произвольным значением номиналов выходного напряжения (с шагом 0,1 В) на заказ.

Серия LD1580 в определенном смысле является исключением. Как правило, и линейные, и импульсные стабилизаторы с высокими токами нагрузки (в данном случае до 7 А) исполняются в виде контроллеров, т.е. используется внешний проходной (коммутирующий — для импульсных регуляторов) транзистор, тип и параметры которого разработчик выбирает самостоятельно. Кроме того, прочие производители выполняют стабилизаторы с токами нагрузки выше 5 А по технологии «квази-LDO». В случае LD1580 имеет место LDO-стабилизатор без каких-то оговорок — в качестве проходного транзистора используется одинарный pnp-транзистор (тип 2 на рисунке 1). Тем не менее отметим, что технические параметры этой серии соответствуют уровню весьма высоких для отрасли образцов.

Подводя промежуточный итог, отметим: по сравнению с регуляторами «квази-LDO», падение напряжения для vLDO-регуляторов с широким диапазоном входных напряжений снижено примерно в 3 раза, а для регуляторов с низковольтным входным напряжением — примерно в 6 раз.

Далее рассмотрим номенклатуру маломощных vLDO-регуляторов, характеристики которых сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Номенклатура и характеристики маломощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics