линейный стабилизатор что это
Линейный стабилизатор что это
Стабилизаторы с фиксированным напряжением
Интегральные линейные стабилизаторы могут иметь фиксированное выходное напряжение, либо же иметь возможность выбора выходного напряжения. Начнём с рассмотрения базовых схем включения большинства фиксированных интегральных стабилиазторов напряжения:
Назначение конденсатора C2 различается в зависимости от внутренней схемы стабилизатора. Например в микросхемах серии КР1158ЕН, данный элемент обеспечивает отсутствие возбуждения выходного напряжения. А производитель LM317 отмечает, что выходной конденсатор служит лишь для улучшения переходной характеристики и на стабильность не влияет. Так или иначе, при использовании конденсатора малой ёмкости (1-2 мкФ) на выходе многих линейных стабилизаторов наблюдаются небольшие колебания выходного напряжения с частотой несколько кГц и амплитудой порядка 0.2-0.4 вольт. Увеличение выходного конденсатора до 10 мкФ полностью данные колебания убирает.
Оба конденсатора необходимо размещать как можно ближе к корпусу микросхемы.
Диод Д1 ставить не обязательно, в большинстве типовых схем его не используют, но если вы используете конденсатор C2 или выходные напряжения превышают 25 В, диод Д1 рекомендуется всё-таки оставлять, поэтому я оставил его на схемах. Также, данный диод рекомендуется использовать если нагрузка носит индуктивный характер. Он обеспечивает путь для разрядки C2, а в случае индуктивной нагрузки ограничивает броски тока через стабилизатор.
Стабилизаторы с регулируемым напряжением
В схемах с регулируемым выходным напряжением добавляются дополнительные элементы:
Резисторы R1 и R2 используются для задания выходного напряжения. Регулируемый стабилизатор стремится поддерживать опорное напряжение (Vref) между выводом подстройки и выходом. Поскольку значение опорного напряжения является постоянным, величина тока, протекающего через делитель R1 и R2 определяется только резистором R2. Величина опорного напряжения может меняться от экземпляра к экземпляру от 1.2 до 1.3 В, и в среднем составляет 1.25 В. Напряжение на выходе фактически является суммой падения напряжения на R1 и Vref, т.о., чем больше будет падение напряжения на R1, тем больше будет напряжения на выходе.
Рекомендуемый номинал резистора R2 240 Ом, но допустимо его варьировать в пределах 100-1000 Ом. Выходное напряжение рассчитывается по следующей формуле:
Согласно спецификации значение Iadj лежит в диапазоне 50-100 мкА, поэтому при малых R1 им можно пренебречь.
Повышение напряжения стабилизации регуляторов с фиксированным выходным напряжением
Выходное напряжение фиксированных линейных регуляторов можно повысить, включив в цепь подстройки стабилитрон:
В этой схеме выходное напряжение повысится на величину напряжения стабилизации Vстаб стабилитрона Д2. Резистор R служит для установки тока через стабилитрон и выбирается исходя из параметров стабилитрона. Для большинства стабилитронов подходит R = 200 Ом.
Ограничитель тока на линейном стабилизаторе
На микросхемах линейных стабилизаторов типа LM317 (и аналогичных) удобно собирать схему ограничителя тока, для этого требуется всего один дополнительный резистор.
Выходное напряжение зависит от входного напряжение и падения напряжения на стабилизаторе. В данной схеме регулируемые стабилизаторы стремятся поддерживать на выходе напряжение Vref
1.25В, поэтому выходной ток определяется соотношением:
Для ИМС с фиксированным напряжением Vref заменяется на Vном., и ток через резистор получается слишком большим (как если бы микросхемы не было), поэтому применение стабилизаторов с фиксированным напряжением в данной схеме нецелесообразно.
Рассеиваемая резистором мощность вычисляется по формуле:
Данная схема будет работать также на всей серии LM340 и аналогичных ИМС.
Увеличение максимального тока ИМС линейных регуляторов
Есть способ увеличить максимальный ток линейного линейного стабилизатора тока.
В данной схеме R1 определяет напряжение открытия транзистора T1:
Микросхема поддерживает падение напряжения между выходом и выводом подстройки и в случае превышения тока через R2 уменьшает ток через себя, что вызывает уменьшение падения напряжения на R1 и последующее закрытие транзистора. Таким образом, максимальный выходной ток определяется резистором R2 и опорным напряжением микросхемы:
Следует помнить, что при быстрых бросках тока T1 может не успеть закрыться, что вызовет повреждения элементов, поэтому следует использовать дополнительные компоненты для защиты транзистора (здесь не показаны).
Повысить ток можно и для стабилизатора напряжения, включив его по аналогичной схеме (но без R2), однако следует помнить, что в этом случае схема лишится автоматического ограничения по току и превышение максимального значения повлечёт за собой повреждение элементов.
Стабилизатор с плавным нарастанием выходного напряжения
При включении питания напряжение на конденсаторе C2 начинает возрастать, вместе с ним возрастает и выходное напряжение. PNP транзистор выключается когда выходное напряжение достигает значения, определяемого резисторами R1 и R2 (как в обычной схеме регулируемого стабилизатора). Начальное выходное напряжение складывается из начального напряжения на конденсаторе, падения на база-эммитерном переходе и опорного напряжения микросхемы. Скорость нарастания напряжения можно регулировать изменяя номиналы R3 и C2.
Управляемый стабилизатор напряжения с дискретными уровнями выходного напряжения
На регулируемом стабилизаторе можно собрать простой управляемый стабилизатор напряжения, добавивь несколько резисторов и транзисторов. Данное решение удобно, если требуется собрать простой регулируемый стабилизатор с несколькими фиксированными уровнями напряжения.
Резистор R2 рассчитывается на максимальное требуемое напряжение. Включение транзистора будет добавлять в параллель к проводимости резистора R2 дополнительную проводимость и напряжение на выходе будет снижаться. Не забывайте подтягивать базы транзисторов через высокоомные резисторы к питанию, либо к земле (в зависимости о того закрыт или открыт должен быть транзистор без управляющего сигнала).
Конденсатор C2 в данной схеме допустимо не использовать, так как транзисторы обладают некоторой собственной ёмкостью.
Что такое линейный стабилизатор напряжения?
Рассмотрим основы линейных стабилизаторов напряжения в этом кратком учебном обзоре.
Электронные системы обычно получают напряжение питания, превышающее напряжение, которое требуется для схемы системы. Например, батарея 9 В может использоваться для питания усилителя, которому требуется напряжение в диапазоне от 0 до 5 В, или две последовательно соединенные батареи по 1,5 В могут обеспечивать питание для цепи, которая включает в себя цифровую логику с уровнями 1,8 В. В таких случаях нам необходимо отрегулировать подаваемое питания, используя компонент, который принимает более высокое напряжение и выдает более низкое напряжение.
Одним из наиболее распространенных способов достижения такого типа регулирования является использование линейного стабилизатора напряжения.
Рисунок 1 – Схема линейного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением
Как работает линейный стабилизатор напряжения?
Линейные стабилизаторы напряжения, также называемые LDO (low-dropout linear regulator) или линейными стабилизаторами 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.
Базовый линейный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением представляет собой трехвыводное устройство, как показано на схеме выше. Некоторые линейные стабилизаторы позволяют регулировать выходное напряжение с помощью внешнего резистора.
Недостатки линейных регуляторов напряжения
Серьезным недостатком линейных стабилизаторов является их низкая эффективность во многих применениях. Транзистор внутри стабилизатора, который подключен между входном и выходным выводами, работает как переменное последовательное сопротивление; таким образом, высокая разность входного и выходного напряжений в сочетании с высоким током нагрузки приводят к значительному рассеиванию мощности. Ток, необходимый для работы внутренней схемы регулятора, обозначенный на схеме IGND, также способствует увеличению итогового рассеивания мощности.
Возможно, наиболее вероятный режим отказа в схемы линейного стабилизатора обусловлен еще и тепловыми, а не только электрическими факторами. Мощность, рассеиваемая микросхемой стабилизатора, приведет к повышению температуры компонентов, и без соответствующих путей, позволяющих отводить тепло от стабилизатора, температура в конечном итоге может стать достаточно высокой, чтобы серьезно ухудшить его рабочие характеристики или вызвать отключение при перегреве. Эта важная тема освещена в статье о тепловом проектировании для линейных стабилизаторов.
Применение линейных стабилизаторов напряжения
Хотя линейные стабилизаторы обычно уступают по эффективности импульсным стабилизаторам, они всё ещё широко используются по нескольким причинам. Основными преимуществами являются простота использования, низкий уровень шума на выходе и низкая стоимость. Единственными внешними компонентами, которые требуются большинству линейных стабилизаторов, являются входной и выходной конденсаторы, а требования к их емкости достаточно гибкие, чтобы сделать задачу проектирования очень простой.
Заключение
Данная статья предназначена для быстрого получения информации. Что нужно знать о линейных стабилизаторах напряжения? Дайте нам знать в комментариях ниже.
Линейный стабилизатор что это
Назначение и принцип работы
Принцип работы интегральных стабилизаторов понятен на примере последовательного компенсационного стабилизатора с применением операционного усилителя (рисунок LVR.2).
Опорное напряжение задается маломощным параметрическим стабилизатором на стабилитроне VDz. Выходное напряжение через резисторный делитель R1R2 сравнивается с опорным. Разность напряжений усиливается операционным усилителем, который управляет ключом, включенным последовательно с нагрузкой. Если выходное напряжение ниже заданного уровня – ключ приоткрывается, пропуская больше тока, соответственно падение напряжения на нем уменьшается. Если выходное напряжение становится больше некоторого уровня – ключ закрывается. Таким образом, осуществляется стабилизация выходного напряжения. Интегральные стабилизаторы напряжения работают по аналогичному принципу. Нестабильность выходного напряжения определяется, прежде всего, нестабильностью опорного напряжения параметрического стабилизатора.
Основная функция интегральных стабилизаторов напряжения:
— получение стабилизированного выходного напряжения в некотором диапазоне токов нагрузки.
Также интегральные стабилизаторы могут использоваться в качестве генераторов стабилизированного тока, при изменении схемы включения.
Сам принцип компенсационной стабилизации напряжения несет неизбежные потери энергии, поскольку избыточное напряжение, между входом и выходом стабилизатора умноженное на проходящий через него ток дает мощность рассеиваемую стабилизатором впустую, в тепло. Меньшими потерями характеризуются так называемые «low-drop» стабилизаторы (LDO Linear Regulators) имеющие малое падение напряжения на полностью открытом стабилизаторе.
Поэтому использование линейных интегральных стабилизаторов целесообразно в ряде случаев:
— если мощность потребляемая нагрузкой мала, например внутренние цепи питания управляющих микросхем;
— если необходим высокий коэффициент стабилизации и малые пульсации, например, при организации питания операционных усилителей, прецизионных измерительных схем, аудиофильских решений и т.д.;
— если необходимо обеспечить малые значения электромагнитного фона в окружающем пространстве, для обеспечения высокой ЭМС-совместимости;
— если не жалко энергии, много места для алюминиевого радиатора, и нужно сделать быстро;
— если нужна высокая надежность работы. Линейные стабилизаторы проще, содержат меньше элементов, а потому функционально надежнее импульсных.
Во всех прочих случаях целесообразно использовать импульсные стабилизаторы, обеспечивающие более эффективное преобразование энергии.
Некоторые интегральные стабилизаторы имеют встроенную защиту от короткого замыкания и перегрева.
Существуют стабилизаторы напряжения с фиксированным напряжением и регулируемые. У стабилизаторов с фиксированным напряжением величина выходного напряжения определяется самим стабилизатором. Для получения нужного выходного напряжения выбирают конкретный подтип стабилизатора. Выпускаются стабилизаторы со следующими фиксированными значениями выходного напряжения: 3,3 В, 5 В, 9 В, 12 В, 15 В и др.
Основные параметры интегральных стабилизаторов
5. Максимальный выходной ток Imax (Current Limit, Output Current) – максимальная величина выходного тока стабилизатора.
6. Ток покоя стабилизатора Iq (Quiescent Current) – ток, протекающий через 3-й («земляной», ADJ) вывод стабилизатора. Ток покоя равен разности входного и выходного токов стабилизатора.
8. Нестабильность выходного напряжения в зависимости от входного напряжения (Line Regulation) – показывает относительное изменение выходного напряжения, вызванное изменением напряжения на входе стабилизатора:
9. Нестабильность выходного напряжения в зависимости от нагрузки (Load Regulation) – показывает относительное изменение выходного напряжения вызванное изменением нагрузки;
11. Напряжение шума (Output Noise Voltage) – среднеквадратичная величина напряжения шумового сигнала на выходе стабилизатора (в диапазоне частот 10 Гц- 100 кГц) при условии отсутствия шума на входе и постоянном уровне напряжения;
12. Температурная нестабильность (Temperature Stability) – изменение выходного напряжения под действием температуры. Измеряется в % при изменении температуры от минимального до максимального значения.
13. Рассеиваемая мощность PD (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеиваемая корпусом интегрального стабилизатора. Определяется согласно температурным условиям эксплуатации в соответствии с выражением:
TJmax – максимальная температура кристалла стабилизатора;
RθJA – тепловое сопротивление «кристалл-корпус-окружающая среда»;
TA – температура окружающей среды.
Типовые схемы включения линейных стабилизаторов
Схема включения стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением
Электролитические конденсаторы необходимы для обеспечения стабильной работы схемы при быстрых изменениях входного напряжения или тока нагрузки (улучшения отклика). Минимальные величины емкости входного и выходного конденсаторов указываются в справочных листках на интегральные стабилизаторы. Вот значения емкостей конденсаторов для некоторых из них:
LT1083-1085: C1=10 мкФ, C2 = 150 мкФ (алюминиевый) или 22 мкФ (танталовый);
78xx: С1-0,33 мкФ неполярный (необходимо, если микросхема стабилизатора находится на значительном удалении от основного фильтра источника питания), С2 – 0,1 мкФ неполярный (необходимо для улучшения временного отклика);
78Lxx С1-0,33 мкФ неполярный (необходимо, если микросхема стабилизатора находится на значительном удалении от основного фильтра источника питания), С2 – 0,01 мкФ неполярный (необходимо для снижения высокочастотного шума).
Схема включения стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением
В схеме на основе регулируемого линейного стабилизатора (рисунок LVR.5) обеспечивается возможность регулировки выходного напряжения. Это осуществляется изменением коэффициента деления резисторного делителя R1R2. Выходное напряжение определяется по формуле:
Опорное напряжение VREF для большинства интегральных стабилизаторов, в том числе популярных стабилизаторов серии LM317, LT1083-LT1085 составляет 1,25 В.
Выбор величины резистора R1 обусловлен необходимостью обеспечения минимального тока через выход OUT стабилизатора при отключенной нагрузке IOUT_min :
Минимальная величина тока через выход OUT стабилизатора при отключенной нагрузке IOUT_min (Minimum Load Current) указывается в справочных листках. Для стабилизаторов серии LT1083-LT1085 она равна 10 мА и таким образом R1, равно 125 Ом. Реально типовое значение R1 – 100, 110 Ом или 120 Ом. Для серии LM317 типовым R1 является значение 240 Ом.
Типовой ток через вывод ADJ (Adjust Pin Current) IADJ указывается в справочных листках, но, как правило, он составляет достаточно малую величину. В большинстве практических случаев абсолютная погрешность расчета напряжения равная IADJ·R2 составляет менее 0,2 В. По этой причине второе слагаемое в вышеприведенной формуле можно не учитывать. Таким образом:
Откуда следует выражение для расчета R2:
Обвязка с помощью электролитических конденсаторов необходима для обеспечения стабильной работы схемы при быстрых изменениях входного напряжения или тока нагрузки. Для сглаживания пульсаций на выводе ADJ в схему можно включить конденсатор С3. Величина его емкости определяется исходя из частоты пульсаций с условием, что постоянная цепочки R1C3 будет больше половины периода пульсаций. Для LT1083/ LT1084/LT1085 при частоте пульсаций 50 Гц и R1 = 100 Ом минимальная величина С3 равна 100 мкФ.
Защита линейных стабилизаторов с помощью обратного диода
При нормальном режиме эксплуатации линейный стабилизатор не нуждается в дополнительных защитных элементах. Однако в случае больших значений выходной емкости C2 составляющей несколько тысяч мкФ резкое снижение входного напряжения (или короткое замыкание на выходе) способно вызвать бросок обратного тока через стабилизатор, что приведет к его выходу из строя. Для предотвращения этого в схему вводят защитный диод VD, подключенный между входом и выходом в обратном направлении (рисунок LVR.6). Диод может иметь сравнительно небольшой рабочий ток (порядка 1 А), но его кристалл должен выдерживать энергию, запасенную в выходном конденсаторе С2. При возникновении аварийной ситуации импульс тока пройдет через диод, и стабилизатор останется цел.
Для реализации функции защиты у большинства регулируемых стабилизаторов необходимо использовать два защитных диода (рисунок LVR.7).
Схема включения стабилизатора напряжения как стабилизатора тока
На рисунке LVR.8 представлена схема источника постоянного тока на интегральном стабилизаторе напряжения. Целесообразно использование регулируемого стабилизатора напряжения, поскольку опорное напряжение VREF для большинства регулируемых стабилизаторов составляет 1,25 В. Это обеспечит высокую эффективность схемы и малый уровень потерь.
Схема включения линейного стабилизатора с увеличением выходного тока и с защитой от короткого замыкания
На рисунке LVR.9 представлена схема включения линейного стабилизатора L78Lхх обеспечивающая увеличение выходного тока стабилизатора. Увеличение тока достигается за счет использования внешнего p-n-p транзистора, работающего в линейном режиме. Управление силовым транзистором осуществляется интегральным стабилизатором. Через транзистор протекает основная часть выходного тока. Защита от короткого замыкания обеспечивается самим интегральным стабилизатором L78Lхх.
Рисунок LVR.9 Схема включения с увеличением выходного тока и с защитой от короткого замыкания
Справочные данные и расчет максимального тока для популярных линейных стабилизаторов напряжения серий 78Lxx и 79Lxx
Интегральные стабилизаторы положительного напряжения 78Lxx
| Тип | Напряжение стабилизации | Максимальный ток | Рекомендуемый диапазон входного напряжения |
| 78L05 | 5 |  но не более 100 мА | 7-20 |
| 78L62 | 6,2 |  но не более 100 мА | 8,5-20 |
| 78L82 | 8,2 |  но не более 100 мА | 10,5-23 |
| 78L09 | 9 |  но не более 100 мА | 11,5-24 |
| 78L12 | 12 |  но не более 100 мА | 14,5-24 |
| 78L15 | 15 |  но не более 100 мА | 17,5-30 |
Максимальная рассеиваемая мощность стабилизаторов серии 78lxx рассчитывается исходя из теплового сопротивления кристалл-воздух корпуса (Thermal Resistance, Junction-Air).
Так, при температуре воздуха 25° С и полагая максимальную рабочую температуру 125 ° С при нормальных условиях конвективного теплообмена получим максимальные рассеиваемые мощности Pmax для различных корпусов (по данным Fairchild Semiconductor)
Интегральные стабилизаторы отрицательного напряжения L79Lxx
| Тип | Напряжение стабилизации | Максимальный ток | Рекомендуемый диапазон входного напряжения |
| 79L05 | -5 |  но не более 100 мА | 7-20 |
| 79L06 | -6 |  но не более 100 мА | 8,5-20 |
| 79L08 | -8 |  но не более 100 мА | 10,5-23 |
| 79L09 | -9 |  но не более 100 мА | 11,5-24 |
| 79L12 | -12 |  но не более 100 мА | 14,5-24 |
| 79L15 | -15 |  но не более 100 мА | 17,5-30 |
Максимальная рассеиваемая мощность стабилизаторов серии 78lxx рассчитывается исходя из теплового сопротивления кристалл-воздух корпуса (Thermal Resistance, Junction-Air).
Так, при температуре воздуха 25° С и полагая максимальную рабочую температуру 125 ° С при нормальных условиях конвективного теплообмена получим максимальные рассеиваемые мощности для различных корпусов (по данным справочных листов ON Semiconductors и STMicroelectronics)
* использовано значение теплового сопротивления (кристалл-корпус), применимо при хорошем теплоотводе.
Типы и цоколевка корпусов L78xx и L79xx
