Stabilizátory s nízkym poklesom napätia. Schéma. Výkonný modul regulátora napätia na tranzistore s efektom poľa. Peking sa zrútil na Wall Street

S POKLESOM 0,05 V

Pri napájaní rôznych zariadení z batérií je často potrebné stabilizovať spotrebu napätia a prúdu. Napríklad kedy vytvorenie DVD laser (viď článok na stránke) alebo LED baterku. Na tieto účely už priemysel vyvinul niekoľko takzvaných mikroobvodov - driverov, ktoré sú nízkonapäťovým meničom so zabudovaným stabilizátorom. Najnovším vývojom je čip LT1308A.

Bez toho, aby som akýmkoľvek spôsobom znižoval dôstojnosť týchto vodičov, chcem poznamenať, že ani v našom veľkom regionálnom centre takéto mikroobvody nezoženiete. Len na objednávku a za cenu 10 r. Preto navrhujem jednoduchý, lacný, ale účinný obvod stabilizátora od rádioamátora 4 2007.

Koeficient stabilizácie je asi 10000, výstupné napätie sa nastavuje odporom 2,4 k * v rozsahu 2 - 8 V. Keď je vstupné napätie menšie ako výstupné, regulačný tranzistor je úplne otvorený a úbytok napätia je niekoľko milivoltov. Keď vstupné napätie prekročí výstupné - pokles napätia na regulátore je len 0,05 V! To umožňuje napájať svetelné a laserové diódy z dvoch až troch AA batérií. Navyše, zmenou záťažového prúdu v rozsahu 0 - 0,5 A sa Uout zmení len o 1 milivolt. Doska pre takéto jednoduché zariadenie nemôže byť otrávená, ale rezaná rezačkou. Pre tých, ktorí nevedia, vysvetlím: vezmeme zlomenú čepeľ z pílky a nabrúsime ju na brúsnom papieri. Ďalej, pre pohodlie držania v ruke, ho zabalíme hrubým drôtom.

Teraz s týmto nástrojom jednoducho škrabeme meď s námahou, ako stopy.

Očistíme brúsnym papierom, pocínujeme, prispájkujeme diely a hotovo.

Jednou z najdôležitejších vlastností výkonových stabilizátorov je najnižšie prípustné napätie medzi výstupom a vstupom stabilizátora pri najvyššom zaťažovacom prúde. Dáva informáciu, pri akom najmenšom rozdiele napätia sú parametre zariadenia v normálnom stave.

Jedným zo spôsobov zvýšenia účinnosti lineárneho ladenia je zníženie úbytku napätia nastavovacieho prvku na najmenšiu hodnotu. To je dôležité najmä pre miniatúrne regulátory, kde sa každých pomocných 50 milivoltov poklesu premení na niekoľko stoviek miliwattov tepla so zložitým rozptylom v malom zariadení.

Preto mnohé spoločnosti na pripojenie takýchto obvodov ponúkajú návrhárom mikroobvodov s nízkymi výpadkami až do 100 milivoltov. Mikroobvod ST 1L 08 má dobré parametre s prúdovým zaťažením do 0,8 A, najmenší úbytok na tranzistore je cca 70 milivoltov.

Z továrenských stabilizátorov možno zaznamenať tie, v ktorých pri znížení zaťažovacieho prúdu na najnižšiu hodnotu pokles klesne na 0,4 milivoltov. Na zníženie hluku sú takéto mikroobvody vybavené pomocným vyrovnávacím zosilňovačom s koncovkou na pripojenie externého filtra s kapacitou do 0,01 μF. Na takýto filter sú kladené najmenšie požiadavky: hodnota kapacity musí byť od 2,2 do 22 mikrofarád.

Pozor si treba dať najmä na čip LD CL 015. S dobrými vlastnosťami a nízkym úbytkom napätia patrí medzi stabilizátory, ktoré fungujú bez kondenzátorového filtra. To sa dosiahne obvodom operačného zosilňovača s fázovou rezervou. Pre zlepšenie parametrov a zníženie hlučnosti na výstupe je však vhodné nastaviť na výstupe a vstupe zariadenia kapacitu cca 0,1 μF.

Zariadenie s poklesom do 0,05 voltu

Pri pripájaní rôznych zariadení z batérií je najčastejšie potrebné vyrovnať spotrebované napätie a prúd. Napríklad na vytvorenie laserového prehrávača videa alebo baterky s LED diódami. Na vyriešenie tohto problému už bolo vo výrobe navrhnutých niekoľko mikroobvodov vo forme ovládačov. Sú to nízkonapäťový menič napätia s vnútorným stabilizátorom. Nový vývoj je čip LT 130 8A.

Bez zníženia výhod takýchto vodičov treba poznamenať, že vo veľkom krajskom meste takéto mikroobvody neexistujú. Môžete si objednať za vysokú cenu, asi 10 eur. Preto existuje lacný, jednoduchý a efektívny obvod zariadenia z jedného rozhlasového časopisu.

Koeficient stabilizácie takéhoto zariadenia je 10 000. Výstupné napätie sa nastavuje s odporom 2,4 kilogramu od 2 do 8 voltov. Keď je napájanie na vstupe nižšie ako výstup, ladiaci tranzistor je otvorený a zníženie výkonu sa rovná niekoľkým mV. Ak je vstupné napätie vyššie ako výstupné napätie, potom je na zenerovej dióde 0,05 voltu. To je možné pri AA batériách. Aj pri zmene záťažového prúdu v rozsahu od 0 do 0,5 ampéra sa výstupné napätie zmení len o 1 mV.

Pre takýto jednoduchý stabilizátor nemusí byť doska leptaná, ale môže byť rezaná špeciálnym nožom. Vyrába sa z rozbitých látok na železo, nabrúsených na brúsnom kotúči. Potom je rukoväť zabalená pre jednoduché použitie.

S takouto frézou môžete poškriabať stopy na medenej doske.

Dosku očistíme brúsnym papierom, cínom, prispájkujeme diely a hotovo.

Fotografie ukazujú, že dosku nie je potrebné leptať a vŕtať.

Táto metóda sa vždy používa na výrobu malých jednoduché obvody. Nie je potrebné vybavovať chladičom výkonný tranzistor. Nezohrieva sa kvôli malému poklesu napätia. Pri nastavovaní je nevyhnutné pripojiť k výstupu slabú záťaž.

Zariadenie na vyrovnávanie nízkeho výkonu

Najdôležitejšou vlastnosťou je stabilizátor s malým poklesom výkonu, ako aj na mikroobvodoch najmenší prípustný rozdiel v potenciáloch výstupu a vstupu pri najvyššom prúdovom zaťažení. Určuje, pri akom najmenšom rozdiele napätia medzi výstupom a vstupom sú všetky vlastnosti zariadenia normálne.

• Najbežnejšie stabilizátory vyrobené na mikroobvodoch série M78 majú najnižšie prípustné napätie 2 volty pri prúde 1 ampér.
• Zariadenie na mikroobvode s minimálnym vstupným napätím by malo na výstupe produkovať napätie 7 voltov. Keď amplitúda impulzov na výstupe zariadenia dosiahne 1 volt, potom sa hodnota najnižšieho vstupného napätia zvýši na 8 voltov.
• Ak vezmeme do úvahy nestabilitu sieťového napätia v rozsahu 10%, zvýši sa na 8,8 voltov.

Výsledkom je, že účinnosť zariadenia nepresiahne 57%, s výrazným prúdom na výstupe sa mikroobvod veľmi zahreje.

Aplikácia integrovaných obvodov s nízkym poklesom

Dobrým východiskom zo situácie je použitie zostáv ako KR 1158 EH alebo LM 10 84.

Prevádzka zariadenia na mikroobvode je nasledovná:

• Nízke hodnoty napätia možno dosiahnuť použitím výkonného prepínača poľa na nastavenie.
• Tranzistor pracuje v kladnej línii.
• Testy naznačujú použitie n-kanálového stabilizátora: takéto polovodiče nie sú náchylné na samobudenie.
• Odpor otvoreného obvodu je nižší v porovnaní s p-kanálom.
• Tranzistor je riadený paralelným regulátorom.
• Na otvorenie tranzistora s efektom poľa sa napätie hradla nastaví na 2,5 voltu nad zdrojom.

Takýto pomocný zdroj je potrebný, ak je jeho výstupné napätie vyššie ako kolektorové napätie tranzistora s efektom poľa o túto hodnotu.

Predĺžite životnosť batérie alebo nabitia batérie jednoduchým pridaním lineárnych regulátorov napätia do obvodu? Zvýšiť stabilitu napätia a znížiť zvlnenie po pulznom meniči s malým alebo žiadnym znížením účinnosti napájacieho zdroja? To je reálne, ak použijete moderné mikrovýkonové LDO stabilizátory od STMicroelectronics s nízkym výrobným úbytkom napätia.

Vývojárom elektronických zariadení boli dlho k dispozícii iba klasické stabilizátory (napr. alebo stabilizátory radu 78xx / 79xx) s minimálnym spádom na regulačnom prvku 0,8 V a vyšším. Bolo to spôsobené tým, že ako regulačný prvok bol použitý n-p-n-tranzistor, zapojený podľa obvodu so spoločným kolektorom. Na otvorenie takéhoto tranzistora do nasýtenia je potrebný ďalší zdroj napájania, ktorého napätie presahuje vstupné napätie. Vývoj technológie však nezostáva stáť a s príchodom výkonných a kompaktných tranzistorov s efektom poľa p-kanál sa začali používať aj v stabilizátoroch napätia, a to aj v obvode so spoločným zdrojom. Takáto schéma umožňuje v prípade potreby úplne otvoriť tranzistor a pokles napätia na jeho križovatke bude v skutočnosti závisieť iba od odporu kanála a zaťažovacieho prúdu. Takto sa objavil stabilizátor LDO (Low DropOut).

Malo by sa vziať do úvahy, že minimálny pokles na kanáli tranzistora stabilizátora LDO je takmer lineárne závislý od prúdu, ktorý ním prechádza, pretože kanál je v skutočnosti elektricky nastaviteľný odpor s určitým minimálnym odporom. Preto, keď výstupný prúd klesá, toto napätie tiež úmerne klesá na určitú hranicu, ktorá sa zvyčajne rovná 10 ... 50 mV. Vodiče by mali byť uznané ako mikroobvody, v ktorých je minimálny pokles napätia iba 0,4 mV. Ak je pokles napätia jednou z kľúčových požiadaviek na stabilizátor, mali by ste sa pozrieť na stabilizátory s veľkou prúdovou rezervou, pretože môžu mať oveľa nižší pokles napätia pri rovnakom zaťažovacom prúde v dôsledku nižšieho odporu riadiaceho tranzistorového kanála.

Jedinečnou vlastnosťou LDO je jeho schopnosť stabilizovať napätie, vyhladiť špičky a znížiť šum na napájacej koľajnici pre vysoko citlivé zariadenia, ako sú rádiá, prakticky bez zníženia celkovej účinnosti napájania. GPS moduly, audio zariadenia, ADC s vysokým rozlíšením, VCO generátory, . Napríklad na napájanie 3,3 V obvodu sme zvolili LDO s minimálnym poklesom 150 mV a spínacím regulátorom s výstupným zvlnením 50 mV (horná krivka na obrázku 1). Výstupné napätie spínacieho regulátora možno približne odhadnúť podľa vzorca:

U imp ≥ U záťaž + U pokles + 1/2∆U Imp + 100…200 mV,

kde U Imp je výstupné napätie spínacieho regulátora, U záťaž. je výstupné napätie lineárneho stabilizátora (napájacie napätie záťaže), ∆U Imp je amplitúda zvlnenia napätia na výstupe spínacieho regulátora. Preto ho volíme rovných 3,6 V. V dôsledku toho sa účinnosť zhorší len o 8 %, avšak zvlnenie napätia sa výrazne zníži. Pomer potlačenia zvlnenia napájacieho napätia (SVR) je daný vzťahom:

SVR = 20Log*(∆U IN / ∆U OUT)

S typickým faktorom približne 50 dB je zvlnenie zoslabené približne 330-krát. To znamená, že amplitúda zvlnenia na výstupe nášho zdroja klesne na stovky mikrovoltov (treba brať do úvahy aj hlučnosť samotného LDO, zvyčajne sú to desiatky mikrovoltov / V) - tento výsledok je prakticky nedosiahnuteľný pre väčšina spínacích meničov bez prídavného stabilizátora alebo viacprvkových LC filtrov na výstupe. Najlepší výkon stabilizáciu zabezpečujú mikroobvody a mikroobvody série LD39xxx - hluk nepresahuje 10 μV / V a koeficient SVR dosahuje 90 dB.

LDO však majú aj nevýhody, jednou z nich je tendencia k samobudeniu nielen pri príliš vysokej ESR výstupného kondenzátora (alebo príliš nízkej kapacite), ale aj pri príliš nízkej ESR. Táto vlastnosť súvisí s tým, že kaskáda so spoločným emitorom (spoločný zdroj) má vysokú výstupnú impedanciu, preto sa na frekvenčnej odozve stabilizátora objavuje prídavný nízkofrekvenčný pól (jeho frekvencia závisí od zaťažovacieho odporu a kapacity stabilizátora). výstupný kondenzátor). Výsledkom je, že už pri frekvenciách desiatok kilohertzov môže fázový posun prekročiť 180 ° a negatívna spätná väzba sa zmení na pozitívnu. Na vyriešenie takéhoto problému v frekvenčná odozva pridajte nulu a najjednoduchší spôsob urobiť to - zvýšiť sériový odpor(ESR) výstupného kondenzátora: toto sotva zvyšuje zvlnenie výstupného napätia, ale je kľúčom k stabilite celého obvodu. Okrem toho kapacita a ESR kondenzátora musia byť v presne definovaných medziach. Sú špecifikované individuálne pre každý stabilizátor LDO. Žiaľ, štandardný prístup „čím väčšia kapacita a čím nižšia ESR výstupných kondenzátorov, tým lepšie“, platný pre klasické lineárne a spínacie regulátory, tu nefunguje.

V závislosti od komponentov vnútorného korekčného okruhu možno stabilizátory LDO rozdeliť do troch skupín:

• stabilizátory určené na prácu s tantalovými alebo elektrolytickými kondenzátormi - vyžadujú kondenzátor s ESR 0,5 ... 10 ohmov alebo viac;
• stabilizátory určené na prácu s tantalovými kondenzátormi (ESR 0,3 ... 5 Ohm);
• stabilizátory určené pre prácu s keramickými kondenzátormi - zostávajú stabilné s ESR výstupného kondenzátora od 0,005 do 1 ohm.

Pre vysokú frekvenciu a/alebo vysoký prúd digitálnych obvodov v blízkosti každého mikroobvodu sa odporúča inštalovať filtračné keramické kondenzátory s kapacitou 0,1 ... 1 uF a môžu tiež narušiť stabilitu stabilizátora LDO. Aby sa tomu zabránilo, odporúča sa zväčšiť dĺžku a zmenšiť hrúbku dráh od stabilizátora k záťaži (čím sa zväčší indukčnosť dráh), vložiť tlmivky alebo odpory do napájacieho obvodu a tiež zvoliť stabilizátory LDO. kompenzované pre nízke zaťaženie ESR.

Existuje ďalší spôsob, ako zvýšiť stabilitu meniča - použiť ako regulačný tranzistor n-kanálový tranzistor zapojený podľa spoločného kolektorového obvodu. Takýto obvod je stabilný s takmer všetkými charakteristikami výstupného kondenzátora a dokonca aj bez kondenzátora (takzvané stabilizátory bez uzáveru). Avšak pre ňu správna prevádzka je potrebný interný násobič napätia, ktorý zvýši vstupné napätie, aby bolo možné odblokovať regulačný tranzistor do saturácie. Bol vyrobený podľa tejto schémy - v dôsledku nižšieho kanálového odporu n-kanálových tranzistorov rovnakej oblasti bolo možné výrazne znížiť pokles napätia, avšak v dôsledku neustále pracujúceho multiplikátora prúd spotrebovaný mikroobvodom v aktívny režim sa prudko zvýšil. Podľa autora sú však takéto stabilizátory budúcnosťou LDO, takže problém zvýšenej spotreby energie bude s najväčšou pravdepodobnosťou čoskoro vyriešený.

V dôsledku významnej kapacity hradla je schopnosť tranzistora rýchlo reagovať na náhle zmeny záťažového prúdu degradovaná. Výsledkom je, že s poklesom záťažového prúdu výstupné napätie stabilizátora stúpa zotrvačnosťou (kým vstavaný operačný zosilňovač nedokáže mierne uzavrieť tranzistor) a so zvýšením prúdu výstupné napätie mierne klesá (dolná krivka na obrázku 1). Zaťažiteľnosť stabilizátora môžete zvýšiť zvýšením výstupného výkonu vstavaného operačného zosilňovača, potom sa však zvýši prúd spotrebovaný stabilizátorom. Vývojár si preto musí vybrať: buď použiť stabilizátory s ultranízkym výkonom v obvode (napríklad sériové alebo s prúdovou spotrebou jednotiek mikroampérov, ale s veľmi vysokou zotrvačnosťou a veľkými poklesmi napätia pri náhlych zmenách záťažového prúdu) , alebo stredno- a vysokorýchlostné stabilizátory, no so spotrebou do stoviek mikroampérov. Alternatívne existujú stabilizátory s režimami úspory energie (napríklad), ktoré sa automaticky prepnú do režimu mikrovýkonu, keď sa záťažový prúd zníži. Mnoho moderných mikrokontrolérov funguje podobne (napríklad rodiny STM8 a STM32) - tieto majú dva vstavané stabilizátory LDO, z ktorých jeden pracuje v mikrovýkone a druhý v aktívnom režime, čo zaisťuje vysokú energetickú účinnosť vo všetkých prevádzkových režimoch a výživa v celom rozsahu napätia.

Všetky stabilizátory diskutované v tomto článku vyžadujú na svoju činnosť minimum externých komponentov - iba dva kondenzátory a pre väčšinu mikroobvodov je potrebný vstupný kondenzátor s kapacitou najmenej 1 mikrofarad a iba pre nastaviteľné verzie je potrebný delič dvoch odporov. stále potrebné (obrázok 2). Všetky mikroobvody sú chránené proti preťaženiu a prehriatiu a sú schopné prevádzky v teplotnom rozsahu -40…125°C. Mnoho mikroobvodov má aktivačný vstup: prúdová spotreba v režime „Vypnuté“ zvyčajne nepresahuje jednotky ... stovky nanoampérov. Hlavné elektrické charakteristiky stabilizátory sú uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1. Hlavné elektrické charakteristiky ST LDO

Poznámky:

1. pri maximálnom výstupnom prúde;
2. pri frekvencii 10 kHz;
3. vo frekvenčnom rozsahu od 10 Hz do 100 kHz;
4. hodnoty v zátvorkách sú pre zelený režim.

Mikroelektrické LDO

Ako viete, pre mnohé obvody so širokým rozsahom napájacieho napätia, keď sa napätie zvyšuje, spotrebovaný prúd sa zvyšuje, preto, aby sa predĺžila životnosť súpravy batérií, napätie by malo byť stabilizované na minimálnej prípustnej úrovni, pri ktorej prevádzka okruhu nie je narušená. Treba však brať do úvahy aktuálnu spotrebu samotného LDO – mala by byť oveľa nižšia ako rozdiel, ktorý sa snažíme ušetriť. Musíte tiež vziať do úvahy minimálny pokles napätia na stabilizátore, pretože čím je vyšší, tým skôr sa vybijú batérie. A ak pred 20 rokmi boli pre vývojárov k dispozícii iba mikroobvody KREN s typickou spotrebou prúdu viac ako 3 mA, teraz je výber oveľa širší.

Pre prevádzku v režime micro-power je najvhodnejší - unikátny regulátor so spotrebou cca 1 μA (až 2,4 μA pri maximálnom zaťažovacom prúde) a úbytkom napätia menším ako 112 mV. Zároveň sa jeho výstupné napätie v celom prevádzkovom rozsahu mení nie viac ako 3 ... 5%. Obvod stabilizátora je najjednoduchší (obrázok 3), bez akýchkoľvek ďalších možností. Mierne vyššia spotreba energie. Tento mikroobvod je schopný pracovať pri vstupnom napätí do 12 V.A, pri spotrebe prúdu 4,5 μA a relatívne nízkej cene je schopný odolať vstupnému napätiu do 26 V. Mikroobvody sú vyrábané v stredno- veľké balenia a sú ideálne pre zariadenia napájané z batérie - pri prúdovej záťaži nie viac ako jednotky mikroampérov, dokonca aj malá batéria CR2032 v zariadení s bude fungovať desiatky rokov!

Tento obvod stabilizuje prúd cez jednu alebo viac LED a takmer bez ohľadu na napájacie napätie. Jeho hlavnou výhodou je veľmi nízky úbytok napätia, ktorý môže byť menší ako 100 mV. Dizajn je možné použiť v LED pásy, kde sa napätie môže meniť pozdĺž dĺžky v dôsledku poklesu odporu a malé zmeny napätia vedú k významným zmenám prúdu a jasu. A tiež tam, kde sa počíta každý volt.

Obvod stabilizátora prúdu LED

Pokles napätia v obvode rezistora R nepresahuje 40 mV. Zvyšok závisí od parametrov Q3.

Menovitý prúd LED je tu 7,2 mA pri 9 V. Zvýšenie napätia na 20 V spôsobí zmenu prúdu len o +15 % v dôsledku dynamického odporu.

Hodnota odporu R1 sa volí pre modro/bielu LED s úbytkom napätia v rozsahu 2,9 - 3,4 voltov. Na udržanie požadovanej úrovne pre iný pokles napätia zmeňte hodnotu R1 v pomere k zmene poklesu napätia.

Prúd cez LED diódy je nepriamo úmerný hodnote R. Prúd je možné pomocou tohto odporu približne zmeniť a jemne doladiť zmenou R1.

Na dosiahnutie dobrej tepelnej stability musia byť Q1 a Q2 v tepelnom kontakte. V ideálnom prípade by mali byť na rovnakom čipe, ale takto to dopadne pekné výsledky keď sú pritlačené k sebe.

Obvod funguje dobre s viac ako len jednou LED. Maximálny počet LED v riadku závisí len od parametrov komponentov obvodu.