Stabilizatorji z nizkim padcem napetosti. Shema. Zmogljiv modul stabilizatorja napetosti, ki temelji na tranzistorju z učinkom polja. Peking zlomi Wall Street

S PADKOM NAPETOSTI 0,05 V

Pri napajanju različne opreme iz baterij je pogosto treba stabilizirati napetost in porabo toka. Na primer, kdaj DVD ustvarjanje laser (glejte članek na spletni strani) ali LED svetilko. Za te namene je industrija že razvila več tako imenovanih vozniških mikrovezij, ki so nizkonapetostni pretvornik napetosti z vgrajenim stabilizatorjem. Najnovejši razvoj je čip LT1308A.

Ne da bi kakor koli zmanjšal zasluge teh gonilnikov, bi rad opozoril, da tudi v našem velikem regionalnem centru ne morete dobiti takšnih mikrovezij. Samo po naročilu in po ceni 10 cu. Zato predlagam preprosto, poceni, a učinkovito stabilizatorsko vezje iz radioamatorja 4 2007.

Faktor stabilizacije je približno 10.000, izhodna napetost je nastavljena z uporom 2,4 k* v območju 2 - 8 V. Ko je vhodna napetost manjša od izhodne, je krmilni tranzistor popolnoma odprt in padec napetosti je več milivoltov. Ko vhodna napetost preseže izhodno napetost, je padec na stabilizatorju samo 0,05 V! To omogoča napajanje luči in laserske diode od dveh do treh AA baterij. Poleg tega se s spremembo obremenitvenega toka znotraj 0 - 0,5 A spremeni Uout le za 1 milivolt. Plošče za tako preprosto napravo ni mogoče jedkati, ampak izrezati z rezalnikom. Za tiste, ki ne vedo, bom razložil: vzamemo zlomljeno rezilo iz kovinske žage in ga izostrimo z brusnim papirjem. Nato ga za lažje držanje v roki ovijemo z debelo žico.

Zdaj s tem orodjem preprosto s silo opraskamo baker, kot gosenice.

Očistimo ga z brusnim papirjem, pokositramo, spajkamo dele in končali ste.

Ena najpomembnejših lastnosti močnostnih stabilizatorjev je najnižja dovoljena napetost med izhodom in vhodom stabilizatorja pri največjem bremenskem toku. Zagotavlja informacije, pri kateri najmanjši napetostni razliki so parametri naprave v normalnem stanju.

Eden od načinov za povečanje učinkovitosti linearne nastavitve je zmanjšanje padca napetosti nastavitvenega elementa na najnižjo možno vrednost. To je še posebej pomembno za miniaturne regulatorje, kjer se vsak padec 50 milivoltov pretvori v nekaj sto milivatov toplote s kompleksnim odvajanjem v ohišju majhne naprave.

Zato za povezavo takšnih vezij mnoga podjetja oblikovalcem ponujajo mikrovezja z nizkim padcem do 100 milivoltov. Mikrovezje ST 1L 08 ima dobre parametre s tokovno obremenitvijo do 0,8 A; najmanjši padec na tranzistorju je približno 70 milivoltov.

Od tovarniških stabilizatorjev lahko opazimo tiste, pri katerih se ob zmanjšanju obremenitvenega toka na najnižjo vrednost padec zmanjša na 0,4 milivolta. Za zmanjšanje hrupa so takšna mikrovezja opremljena s pomožnim vmesnim ojačevalnikom s priključkom za priključitev zunanjega filtra z zmogljivostjo do 0,01 μF. Za tak filter so naložene minimalne zahteve: vrednost kapacitivnosti mora biti od 2,2 do 22 μF.

Posebno pozornost je treba nameniti mikrovezju LD CL 015 Z dobrimi lastnostmi in nizkim padcem napetosti je to eden od stabilizatorjev, ki delujejo brez kondenzatorskega filtra. To se doseže z vezjem operacijskega ojačevalnika s faznim robom. Vendar pa je za izboljšanje parametrov in zmanjšanje šuma na izhodu priporočljivo namestiti kapacitivnosti približno 0,1 μF na izhodu in vhodu naprave.

Naprava s padcem na 0,05 voltov

Pri povezovanju različnih naprav iz baterij je najpogosteje potrebno izenačiti napetost in porabo toka. Na primer, za oblikovanje laserskega video predvajalnika ali LED svetilke. Za rešitev tega problema je bilo v proizvodnji že zasnovanih več mikrovezij v obliki gonilnikov. So nizkonapetostni pretvornik napetosti z notranjim stabilizatorjem. Nov razvoj je mikrovezje LT 130 8A.

Ne da bi zmanjšali prednosti takšnih gonilnikov, je treba opozoriti, da v velikem regionalnem mestu takih mikrovezij ni. Možno naročiti po visoki ceni, cca 10 eur. Zato obstaja poceni, preprosto in učinkovito vezje naprave iz ene radijske revije.

Koeficient stabilizacije takšne naprave je 10.000, nastavljen z uporom 2,4 kilometra od 2 do 8 voltov. Ko je vhodna moč manjša od izhodne, je nastavitveni tranzistor odprt, padec moči pa je enak več mV. Če je vhodna napetost višja od izhodne napetosti, potem je na zener diodi enaka 0,05 voltov. To postane mogoče z baterijami AA. Tudi s spremembo obremenitvenega toka v območju od 0 do 0,5 ampera se bo izhodna napetost spremenila le za 1 mV.

Za tako preprost stabilizator plošče ni treba jedkati, ampak jo lahko izrežete s posebnim nožem. Narejen je iz zlomljenih železnih rezil in nabrušen na brusu. Ročaj je nato zavit za lažjo uporabo.

S tem rezalnikom lahko praskate sledi na bakreni plošči.

Ploščo očistimo z brusnim papirjem, pokositrimo, spajkamo dele in vse je pripravljeno.

Na fotografijah je razvidno, da plošče ni treba jedkati ali vrtati.

Ta metoda se vedno uporablja za proizvodnjo majhnih enostavna vezja. Ni potrebe po opremi s hladilnim radiatorjem močnostni tranzistor. Zaradi majhnega padca napetosti se ne segreva. Pri nastavitvi obvezno priključite šibko obremenitev na izhod.

Izenačevalnik moči z nizkim izpadom

Najpomembnejša lastnost je stabilizator z majhnim padcem moči, tako kot na mikrovezjih, najmanjša dopustna razlika v izhodnem in vhodnem potencialu pri največji tokovni obremenitvi. Določa, pri kateri najmanjši napetostni razliki med izhodom in vhodom so vse lastnosti naprave normalne.

• Za najpogostejše stabilizatorje, izdelane na mikrovezjih serije M78, je najnižja dovoljena napetost 2 volta s tokom 1 ampera.
• Naprava na mikrovezju z minimalno vhodno napetostjo mora proizvesti izhodno napetost 7 voltov. Ko amplituda impulzov na izhodu naprave doseže 1 volt, se minimalna vhodna napetost poveča na 8 voltov.
• Ob upoštevanju nestabilnosti omrežne napetosti v območju 10% se poveča na 8,8 voltov.

Posledično učinkovitost naprave ne bo presegla 57%; z znatnim tokom na izhodu se bo mikrovezje zelo segrelo.

Uporaba čipov z nizkim padcem

Dober izhod iz situacije je uporaba sklopov, kot sta KR 1158 EH ali LM 10 84.

Delovanje naprave na mikrovezju je naslednje:

• Vrednosti nizke napetosti je mogoče doseči z uporabo zmogljivega stikala za nastavitev.
• Tranzistor deluje v pozitivni liniji.
• Na podlagi testov je predlagana uporaba stabilizatorja z n-kanalom: takšni polprevodniki niso nagnjeni k samovzbujanju.
• Odpornost odprtega tokokroga je nižja v primerjavi s p-kanalom.
• Tranzistor krmili vzporedni stabilizator.
• Za odpiranje tranzistorja z učinkom polja se napetost vrat nastavi na 2,5 volta nad virom.

Takšen pomožni vir je potreben, če je njegova izhodna napetost za to vrednost višja od odtočne napetosti tranzistorja z učinkom polja.

Podaljšati življenjsko dobo kompleta baterij ali polnjenje baterije s preprostim dodajanjem linearnih regulatorjev napetosti v vezje? Povečati stabilnost napetosti in zmanjšati valovanje po pretvorniku impulzov s skoraj nobenim zmanjšanjem učinkovitosti napajanja? To je resnično, če uporabljate sodobne stabilizatorje LDO z mikro močjo STMicroelectronics z nizkim padcem proizvodne napetosti.

Dolgo časa so imeli razvijalci elektronske opreme dostop samo do klasičnih stabilizatorjev (na primer stabilizatorjev serije 78xx/79xx) z minimalnim padcem na krmilnem elementu 0,8 V in več. To je bilo posledica dejstva, da je bil kot regulacijski element uporabljen n-p-n tranzistor, povezan v vezju s skupnim kolektorjem. Za odpiranje takega tranzistorja do nasičenja je potreben dodaten vir energije, katerega napetost presega vhodno napetost. Vendar pa razvoj tehnologije ne miruje in s prihodom zmogljivih in kompaktnih p-kanalnih tranzistorjev z učinkom polja so se začeli uporabljati tudi v napetostnih stabilizatorjih, tudi v vezju s skupnim virom. To vezje omogoča, če je potrebno, popolnoma odpreti tranzistor, padec napetosti na njegovem stičišču pa bo dejansko odvisen samo od upora kanala in toka obremenitve. Tako se je pojavil stabilizator LDO (Low DropOut).

Upoštevati je treba, da je najmanjši padec na kanalu tranzistorja stabilizatorja LDO skoraj linearno odvisen od toka, ki teče skozenj, saj je kanal pravzaprav električno nastavljiv upor z določenim minimalnim uporom. Zato, ko se izhodni tok zmanjša, se tudi ta napetost sorazmerno zmanjša do določene meje, običajno enake 10 ... 50 mV. Voditelje je treba prepoznati kot mikrovezja in katerih najmanjši padec napetosti je le 0,4 mV. Če je padec napetosti ena od ključnih zahtev za stabilizator, potem si bolje oglejte stabilizatorje z veliko tokovno rezervo, saj imajo lahko zaradi nižjega upora kanala krmilnega tranzistorja hkrati precej manjši padec napetosti. tok obremenitve.

Edinstvena značilnost LDO je njegova sposobnost stabilizacije napetosti, izravnave prenapetosti in zmanjšanja hrupa na napajalnem vodilu za zelo občutljive naprave, kot so radijski sprejemniki, skoraj brez poslabšanja splošne učinkovitosti napajanja. GPS moduli, avdio naprave, ADC visoka ločljivost, VCO generatorji, . Na primer, za napajanje 3,3-voltnega vezja smo izbrali LDO z najmanjšim izpadom 150 mV in regulator z valovitostjo 50 mV (zgornja krivulja na sliki 1). Izhodno napetost stikalnega regulatorja je mogoče približno oceniti z uporabo formule:

U Imp ≥ U Obremenitev + U padec + 1/2∆U impulz + 100…200 mV,

kjer je U Imp izhodna napetost impulznega stabilizatorja, U Load. – izhodna napetost linearnega stabilizatorja (napajalna napetost bremena), ∆U Imp – amplituda valovanja napetosti na izhodu impulznega stabilizatorja. Zato izberemo enako 3,6 V. Posledično se bo učinkovitost poslabšala le za 8%, vendar se bo valovanje napetosti znatno zmanjšalo. Razmerje zmanjšanja valovanja napajalne napetosti (SVR) je določeno s formulo:

SVR = 20Log*(∆U IN /∆U OUT)

S tipičnim koeficientom približno 50 dB je valovanje oslabljeno za približno 330-krat. To pomeni, da se bo amplituda valovanja na izhodu našega napajalnika zmanjšala na stotine mikrovoltov (upoštevati moramo tudi šum samega LDO, običajno je desetine μV/V) - ta rezultat je praktično nedosegljiv za večina impulznih pretvornikov brez dodatnega stabilizatorja ali večstopenjskih LC filtrov na izhodu. Najboljše lastnosti stabilizacijo zagotavljajo mikrovezja in mikrovezja serije LD39xxx - hrup ne presega 10 μV / V, koeficient SVR pa doseže 90 dB.

Vendar pa imajo LDO tudi slabosti, ena od njih je njihova nagnjenost k samovzbujanju, ne samo, če je ESR izhodnega kondenzatorja prevelik (ali njegova kapacitivnost premajhna), ampak tudi, ko je ESR prenizek. Ta lastnost je posledica dejstva, da ima kaskada s skupnim oddajnikom (skupni vir) visoko izhodno impedanco, zato se na frekvenčnem odzivu stabilizatorja pojavi dodaten nizkofrekvenčni pol (njegova frekvenca je odvisna od upora obremenitve in kapacitivnosti izhodnega kondenzatorja). Posledično lahko že pri frekvencah več deset kilohercev fazni zamik preseže 180° in negativna povratna informacija se spremeni v pozitivno. Za rešitev takšnega problema v frekvenčni odziv morate dodati ničlo in najenostavnejši način naredi - povečaj serijski upor(ESR) izhodnega kondenzatorja: to praktično ne poveča valovanja izhodne napetosti, je pa ključ do stabilnosti celotnega vezja. Poleg tega morata biti kapacitivnost in ESR kondenzatorja v strogo določenih mejah. Določeni so posebej za vsak stabilizator LDO. Žal, standardni pristop "večja kot je kapacitivnost in nižji kot je ESR izhodnih kondenzatorjev, tem bolje", ki velja za klasične linearne in preklopne stabilizatorje, tukaj ne deluje.

Glede na komponente notranjega korekcijskega vezja lahko stabilizatorje LDO razdelimo v tri skupine:

• stabilizatorji, zasnovani za delo s tantalovimi ali elektrolitskimi kondenzatorji - zahtevajo kondenzator z ESR 0,5...10 Ohmov ali več;
• stabilizatorji za delo s tantalovimi kondenzatorji (ESR 0,3...5 Ohm);
• stabilizatorji, zasnovani za delo s keramičnimi kondenzatorji - ohranjajo stabilnost, ko je ESR izhodnega kondenzatorja od 0,005 do 1 Ohm.

Za visoko frekvenco in/ali visok tok digitalna vezja Priporočljivo je, da v bližini vsakega mikrovezja namestite filtrirne keramične kondenzatorje z zmogljivostjo 0,1 ... 1 µF, ki lahko tudi motijo ​​stabilnost stabilizatorja LDO. Da se to ne bi zgodilo, je priporočljivo povečati dolžino in zmanjšati debelino tirov od stabilizatorja do obremenitve (s tem povečati induktivnost tirov), namestiti dušilke ali upore v napajalni tokokrog in izbrati tudi LDO stabilizatorji, kompenzirani za nizke obremenitve ESR.

Obstaja še en način za povečanje stabilnosti pretvornika - uporaba n-kanalnega tranzistorja, ki je povezan v vezje s skupnim odtokom kot regulator. To vezje je stabilno s skoraj vsemi značilnostmi izhodnega kondenzatorja in celo brez kondenzatorja (tako imenovani stabilizatorji brez pokrova). Vendar zanjo pravilno delovanje Potreben je notranji multiplikator napetosti, ki bo povečal vhodno napetost, da se bo krmilni tranzistor lahko vklopil do nasičenja. Izdelan je bil po tej shemi - zahvaljujoč nižji kanalski upornosti n-kanalnih tranzistorjev istega območja je bilo mogoče znatno zmanjšati padec napetosti, vendar je zaradi nenehno delujočega množitelja tok, ki ga porabi mikrovezje v aktivnem načinu se je močno povečala. Toda po mnenju avtorja so takšni stabilizatorji prihodnost LDO, zato bo problem povečane porabe energije verjetno kmalu rešen.

Zaradi velike kapacitivnosti vrat se sposobnost tranzistorja, da se hitro odzove na nenadne spremembe toka obremenitve, poslabša. Posledično, ko se obremenitveni tok zmanjša, se izhodna napetost stabilizatorja po vztrajnosti poveča (dokler vgrajeni operacijski ojačevalnik ne more rahlo izklopiti tranzistorja), in ko se tok poveča, izhodna napetost rahlo pade (spodnja krivulja v slika 1). Nosilnost stabilizatorja je mogoče povečati s povečanjem izhodne moči vgrajenega operacijskega ojačevalnika, vendar bo to posledično povečalo tok, ki ga porabi stabilizator. Zato se mora oblikovalec odločiti: bodisi uporabiti stabilizatorje z ultra nizko močjo v tokokrogu (na primer serijsko ali s trenutno porabo enot mikroamperov, vendar z zelo visoko vztrajnostjo in velikimi padci napetosti z nenadnimi spremembami obremenitvenega toka) , ali stabilizatorji srednje in visoke hitrosti, vendar s porabo do sto mikroamperov. Kot alternativa so stabilizatorji z načini varčevanja z energijo (na primer), ki ob zmanjšanju obremenitvenega toka samodejno preklopijo v način mikro moči. Številni sodobni mikrokrmilniki delujejo podobno (na primer družini STM8 in STM32) - slednja imata vgrajena dva stabilizatorja LDO, od katerih eden deluje v mikronapajalnem in drugi v aktivnem načinu, kar zagotavlja visoko energetsko učinkovitost v vseh načinih delovanja in v celotnem napetostnem območju prehrane.

Vsi stabilizatorji, obravnavani v tem članku, za svoje delovanje potrebujejo najmanj zunanjih komponent - samo dva kondenzatorja, za večino mikrovezij pa je potreben vhodni kondenzator z zmogljivostjo najmanj 1 μF, samo za nastavljive različice pa je potreben tudi delilnik dveh uporov. potrebno (slika 2). Vsa mikrovezja so zaščitena pred preobremenitvijo in pregrevanjem ter lahko delujejo v temperaturnem območju od -40 do 125°C. Številna mikrovezja imajo vhod Enable: trenutna poraba v načinu "Off" običajno ne presega nekaj ... sto nanoamperov. Osnovno električne lastnosti stabilizatorji so navedeni v tabeli 1.

Tabela 1. Osnovne električne karakteristike ST LDO stabilizatorjev

Opombe:

1. pri največjem izhodnem toku;
2. pri frekvenci 10 kHz;
3. v frekvenčnem območju od 10 Hz do 100 kHz;
4. Vrednosti za zeleni način so prikazane v oklepajih.

Micropower LDO stabilizatorji

Kot je znano, se v mnogih tokokrogih s širokim razponom napajalnih napetosti, ko se napetost poveča, poraba toka poveča, zato je treba za podaljšanje življenjske dobe baterijskega sklopa napetost stabilizirati na najmanjši sprejemljivi ravni, pri kateri delovanje vezja ni moteno. Upoštevati pa je treba trenutno porabo samega LDO - ta bi morala biti precej nižja od razlike, ki jo poskušamo prihraniti. Upoštevati moramo tudi minimalni padec napetosti na stabilizatorju, saj višji kot je, prej se bodo naše baterije izpraznile. In če so pred 20 leti razvijalci imeli dostop le do mikrovezij družine KREN s tipično porabo toka več kot 3 mA, je zdaj izbira veliko večja.

Za delovanje v načinu mikro moči je najbolj primeren edinstven stabilizator s porabo približno 1 µA (do 2,4 µA pri največjem obremenitvenem toku) in padcem napetosti manj kot 112 mV. Hkrati se njegova izhodna napetost v celotnem območju delovanja spremeni za največ 3 ... 5%. Stabilizatorsko vezje je najpreprostejše (slika 3), brez dodatnih možnosti. Nekoliko večja poraba energije. To mikrovezje lahko deluje pri vhodnih napetostih do 12 V. A, s tokovno porabo 4,5 μA in relativno nizkimi stroški prenese vhodne napetosti do 26 V. Mikrovezja so izdelana v srednje velikih ohišjih in so idealno za naprave na baterijski pogon - pri trenutni obremenitvi, ki ne presega nekaj mikroamperov, bo celo majhna baterija CR2032 v napravi z delovala desetletja!

To vezje stabilizira tok skozi eno ali več LED, skoraj neodvisno od napajalne napetosti. Njegova glavna prednost je zelo nizek padec napetosti, ki lahko znaša tudi manj kot 100 mV. Zasnova lahko najde aplikacijo v LED trakovi, kjer se lahko napetost po dolžini spreminja zaradi padca upora in manjše spremembe napetosti povzročijo pomembne spremembe toka in svetlosti. In tudi tam, kjer vsak volt šteje.

LED tokovno stabilizatorsko vezje

Padec napetosti v vezju upora R ne presega 40 mV. Ostalo je odvisno od parametrov Q3.

Nazivni tok LED je tukaj 7,2 mA pri 9 V. Povečanje napetosti na 20 V povzroči spremembo toka le +15 % zaradi dinamičnega upora.

Vrednost upora R1 je izbrana za modro/belo LED s padcem napetosti v območju 2,9 - 3,4 voltov. Če želite ohraniti želeno raven pri drugačnem padcu napetosti, spremenite vrednost R1 sorazmerno s spremembo padca napetosti.

Tok skozi LED je obratno sorazmeren z vrednostjo R. Tok je mogoče grobo spremeniti z uporabo tega upora in natančno nastaviti s spreminjanjem R1.

Za dobro toplotno stabilnost morata biti Q1 in Q2 v toplotnem stiku. V idealnem primeru bi morali biti na istem čipu, vendar se je tako izkazalo dobri rezultati ko sta stisnjena drug proti drugemu.

Vezje dobro deluje ne samo z eno LED. Največje število LED v liniji je odvisno samo od parametrov komponent vezja.