Düşük voltaj düşüşüne sahip stabilizatörler. Şema. Alan etkili transistöre dayalı güçlü voltaj dengeleyici modül. Pekin Wall Street'i çökertti

GERİLİM DÜŞÜMÜ 0,05 V

Çeşitli ekipmanlara akülerden güç verirken, genellikle voltajı ve akım tüketimini dengelemeye ihtiyaç vardır. Örneğin, ne zaman DVD oluşturma lazer (web sitesindeki makaleye bakın) veya LED el feneri. Bu amaçlar için endüstri, yerleşik dengeleyiciye sahip düşük voltajlı bir voltaj dönüştürücü olan birkaç sözde sürücü mikro devresini zaten geliştirmiştir. En son gelişme LT1308A çipidir.

Bu sürücülerin erdemlerini hiçbir şekilde azaltmadan, büyük bölgesel merkezimizde bile bu tür mikro devreleri elde edemeyeceğinizi belirtmek isterim. Sadece sipariş üzerine ve 10 cu fiyatıyla. Bu nedenle, Radioamator 4 2007'den basit, ucuz ama etkili bir stabilizatör devresi öneriyorum.

Stabilizasyon faktörü yaklaşık 10.000'dir, çıkış voltajı 2 - 8 V ​​aralığında 2,4 k* dirençle ayarlanır. Giriş voltajı çıkıştan düşük olduğunda, kontrol transistörü tamamen açıktır ve voltaj düşüşü birkaç tanedir. milivolt. Giriş voltajı çıkış voltajını aştığında stabilizatördeki düşüş yalnızca 0,05 V'tur! Bu, ışığa güç verilmesini mümkün kılar ve lazer diyotlar iki ila üç adet AA pil. Üstelik yük akımının 0 - 0,5 A aralığında değiştirilmesiyle Uout yalnızca 1 milivolt değişir. Bu kadar basit bir cihazın tahtası kazınamaz, ancak bir kesici ile kesilebilir. Bilmeyenler için açıklayacağım: metal için demir testeresinden kırık bir bıçak alıp zımpara kağıdı kullanarak keskinleştiriyoruz. Daha sonra elinizde tutma kolaylığı için kalın bir tel ile sarıyoruz.

Şimdi bu aletle bakırı raylar gibi kuvvetle çiziyoruz.

Zımpara kağıdıyla temizliyoruz, kalaylıyoruz, parçaları lehimliyoruz ve işiniz bitti.

Güç stabilizatörlerinin en önemli özelliklerinden biri, en yüksek yük akımında stabilizatörün çıkışı ve girişi arasında izin verilen en düşük voltajdır. Cihaz parametrelerinin normal durumda olduğu en küçük voltaj farkında bilgi verir.

Doğrusal ayarlamanın verimliliğini arttırmanın bir yolu, ayar elemanının voltaj düşüşünü mümkün olan en düşük değere indirmektir. Bu, her 50 milivoltluk düşüşün, küçük cihaz muhafazasında karmaşık bir dağılımla birkaç yüz miliwattlık ısıya dönüştürüldüğü minyatür regülatörler için özellikle önemlidir.

Bu nedenle, bu tür devreleri bağlamak için birçok şirket, tasarımcılara 100 milivolta kadar düşük düşüşe sahip mikro devreler sunmaktadır. ST 1L 08 mikro devresi, 0,8 A'ya kadar akım yüküyle iyi parametrelere sahiptir; transistördeki en küçük düşüş yaklaşık 70 milivolttur.

Fabrika stabilizatörlerinden yük akımı en düşük değere düştüğünde düşüşün 0,4 milivolta düştüğünü not edebiliriz. Gürültüyü azaltmak için, bu tür mikro devreler, 0,01 μF'ye kadar kapasiteye sahip harici bir filtreyi bağlamak için terminalli bir yardımcı tampon amplifikatörüyle donatılmıştır. Böyle bir filtreye minimum gereksinimler uygulanır: kapasitans değeri 2,2 ila 22 μF arasında olmalıdır.

LD CL 015 mikro devresine özellikle dikkat edilmelidir. İyi özellikleri ve düşük voltaj düşüşü ile bu, kapasitör filtresi olmadan çalışan stabilizatörlerden biridir. Bu, faz marjına sahip bir op-amp devresi ile elde edilir. Bununla birlikte, parametreleri iyileştirmek ve çıkıştaki gürültüyü azaltmak için, cihazın çıkışına ve girişine yaklaşık 0,1 μF'lik kapasitansların kurulması tavsiye edilir.

0,05 volta düşen cihaz

Çeşitli ekipmanları akülerden bağlarken, çoğu zaman voltajı ve akım tüketimini eşitlemeye ihtiyaç vardır. Örneğin, bir lazer video oynatıcı veya bir LED el feneri oluşturmak için. Bu sorunu çözmek için, sürücü biçimindeki birkaç mikro devre zaten üretimde tasarlandı. Dahili dengeleyiciye sahip düşük voltajlı bir voltaj dönüştürücüdürler. Yeni gelişme LT 130 8A mikro devresidir.

Bu tür sürücülerin avantajlarını azaltmadan, büyük bir bölgesel şehirde bu tür mikro devrelerin bulunmadığını belirtmekte fayda var. Yaklaşık 10 avro gibi yüksek bir maliyetle sipariş edilebilir. Dolayısıyla tek radyo dergisinden ucuz, basit ve etkili bir cihaz devresi var.

Böyle bir cihazın stabilizasyon katsayısı 10.000'dir. Çıkış voltajı 2,4 kilometre dirençle 2 ila 8 volt arasında ayarlanır. Giriş gücü çıkıştan düşük olduğunda, ayar transistörü açıktır ve güç düşüşü birkaç mV'a eşittir. Giriş voltajı çıkış voltajından yüksekse, zener diyotta 0,05 volta eşittir. Bu, AA pillerle mümkün olur. Yük akımı 0 ila 0,5 amper aralığında değiştirilse bile çıkış voltajı yalnızca 1 mV değişecektir.

Böyle basit bir stabilizatör için tahtanın kazınmasına gerek yoktur, ancak özel bir bıçakla kesilebilir. Kırık demir bıçaklardan yapılır ve taşlama çarkında bilenir. Daha sonra kullanım kolaylığı için sap sarılır.

Bu kesiciyle bakır levha üzerindeki izleri çizebilirsiniz.

Tahtayı zımpara kağıdıyla temizliyoruz, kalaylıyoruz, parçaları lehimliyoruz ve her şey hazır.

Fotoğraflar, tahtayı aşındırmaya veya delmeye gerek olmadığını gösteriyor.

Bu yöntem her zaman küçük parçaların üretiminde kullanılır. basit devreler. Soğutma radyatörü ile donatmaya gerek yok güç transistörü. Küçük voltaj düşüşü nedeniyle ısınmaz. Kurulum sırasında çıkışa zayıf bir yük bağladığınızdan emin olun.

Düşük bırakma gücü ekolayzır

En önemli özellik, tıpkı mikro devrelerde olduğu gibi, en yüksek akım yükünde çıkış ve giriş potansiyellerinde izin verilen en az fark gibi düşük güç düşüşüne sahip bir dengeleyicidir. Çıkış ve giriş arasındaki minimum voltaj farkının ne kadar olduğunda cihazın tüm özelliklerinin normal olduğunu belirler.

• M78 serisi mikro devrelerde yapılan en yaygın stabilizatörler için izin verilen en düşük voltaj, 1 amper akımla 2 volttur.
• Minimum giriş voltajına sahip bir mikro devre üzerindeki cihaz, 7 voltluk bir çıkış voltajı üretmelidir. Cihazın çıkışındaki darbelerin genliği 1 volta ulaştığında minimum giriş voltajı 8 volta çıkar.
• Şebeke voltajının% 10 aralığındaki dengesizliği dikkate alındığında 8,8 volta çıkar.

Sonuç olarak, cihazın verimliliği% 57'yi geçmeyecek, çıkışta önemli bir akım olduğunda mikro devre çok ısınacaktır.

Düşük düşüşlü talaşların uygulanması

Bu durumdan çıkmanın iyi bir yolu, KR 1158 EH veya LM 10 84 gibi düzeneklerin kullanılmasıdır.

Cihazın bir mikro devre üzerinde çalışması aşağıdaki gibidir:

• Ayarlama için güçlü bir saha anahtarı kullanılarak düşük voltaj değerlerine ulaşılabilir.
• Transistör pozitif çizgide çalışır.
• Testlere dayanarak n-kanallı bir stabilizatörün kullanılması önerilmektedir: bu tür yarı iletkenler kendi kendine uyarılmaya eğilimli değildir.
• Açık devre direnci p-kanalına göre daha düşüktür.
• Transistör paralel bir dengeleyici tarafından kontrol edilir.
• Alan etkili transistörü açmak için geçit voltajı kaynağın 2,5 volt üstüne ayarlanır.

Böyle bir yardımcı kaynak, çıkış voltajının alan etkili transistörün drenaj voltajından bu değer kadar yüksek olması durumunda gereklidir.

Devreye sadece doğrusal voltaj regülatörleri ekleyerek bir pil setinin ömrünü veya pil şarjını uzatmak mı istiyorsunuz? Güç kaynağı verimliliğinde neredeyse hiç azalma olmadan voltaj kararlılığını artırın ve darbe dönüştürücüden sonra dalgalanmayı azaltın mı? STMicroelectronics'in düşük üretim voltajı düşüşüne sahip modern mikro güçlü LDO stabilizatörlerini kullanıyorsanız bu gerçektir.

Uzun bir süre, elektronik ekipman geliştiricileri, kontrol elemanında minimum 0,8 V ve üzeri bir düşüşle yalnızca klasik stabilizatörlere (örneğin veya 78xx/79xx serisinin stabilizatörlerine) erişebildi. Bunun nedeni, ortak bir toplayıcıya sahip bir devreye bağlı bir düzenleme elemanı olarak bir n-p-n transistörün kullanılmasıydı. Böyle bir transistörü doygunluğa açmak için voltajı giriş voltajını aşan ek bir güç kaynağı gereklidir. Bununla birlikte, teknolojinin gelişimi durmuyor ve güçlü ve kompakt p-kanallı alan etkili transistörlerin ortaya çıkmasıyla birlikte, ortak kaynak devresi de dahil olmak üzere voltaj stabilizatörlerinde de kullanılmaya başlandı. Bu devre, gerekirse transistörün tamamen açılmasına izin verir ve bağlantı noktasındaki voltaj düşüşü aslında yalnızca kanal direncine ve yük akımına bağlı olacaktır. LDO (Low DropOut) dengeleyici bu şekilde ortaya çıktı.

Bir LDO stabilizatör transistörünün kanalındaki minimum düşüşün, içinden akan akıma neredeyse doğrusal olarak bağlı olduğu dikkate alınmalıdır, çünkü kanal aslında bir miktar minimum dirence sahip, elektriksel olarak ayarlanabilir bir dirençtir. Bu nedenle, çıkış akımı düştüğünde, bu voltaj da genellikle 10...50 mV'ye eşit olan belirli bir sınıra kadar orantılı olarak azalır. Liderler mikro devreler olarak tanınmalı ve minimum voltaj düşüşü yalnızca 0,4 mV olmalıdır. Gerilim düşüşü bir dengeleyici için temel gereksinimlerden biriyse, o zaman büyük akım rezervine sahip dengeleyicilere daha yakından bakmalısınız, çünkü kontrol transistör kanalının daha düşük direnci nedeniyle aynı anda çok daha düşük bir voltaj düşüşüne sahip olabilirler. yük akımı.

LDO'nun benzersiz bir özelliği, güç kaynağının genel verimliliğinde neredeyse hiç bozulma olmadan, radyolar gibi son derece hassas cihazlar için güç veriyolundaki voltajı stabilize etme, dalgalanmaları yumuşatma ve gürültüyü azaltma yeteneğidir. GPS modülleri, ses cihazları, ADC yüksek çözünürlük, VCO jeneratörleri, . Örneğin, 3,3V'luk bir devreye güç sağlamak için, minimum 150mV'luk bir düşüşe sahip bir LDO ve 50mV'lik bir dalgalanma çıkışına sahip bir buck regülatörü seçtik (Şekil 1'deki üst eğri). Bir anahtarlama regülatörünün çıkış voltajı aşağıdaki formül kullanılarak yaklaşık olarak tahmin edilebilir:

U Göst ≥ U Yük + U Düşüşü + 1/2∆U Darbe + 100…200 mV,

burada U Imp darbe dengeleyicinin çıkış voltajıdır, U Yük. – doğrusal stabilizatörün çıkış voltajı (yük besleme voltajı), ∆U Imp – darbe stabilizatörünün çıkışındaki voltaj dalgalanmasının genliği. Bu nedenle 3,6 V'a eşit seçiyoruz. Sonuç olarak verimlilik yalnızca% 8 oranında düşecek, ancak voltaj dalgalanması önemli ölçüde azalacaktır. Besleme voltajı dalgalanmasını bastırma oranı (SVR) aşağıdaki formülle belirlenir:

SVR = 20Log*(∆U GİRİŞ /∆U ÇIKIŞ)

Yaklaşık 50 dB'lik tipik bir katsayı ile dalgalanma yaklaşık 330 kat azaltılır. Yani, güç kaynağımızın çıkışındaki dalgalanma genliği yüzlerce mikrovolta düşecektir (ayrıca LDO'nun gürültüsünü de hesaba katmamız gerekir, genellikle onlarca μV/V'dir) - bu sonuç pratik olarak ulaşılamaz çıkışta ek bir stabilizatör veya çok aşamalı LC filtresi olmayan çoğu darbe dönüştürücü. En iyi özellikler stabilizasyon, mikro devreler ve LD39xxx serisinin mikro devreleri tarafından sağlanır - gürültü 10 μV/V'yi geçmez ve SVR katsayısı 90 dB'ye ulaşır.

Bununla birlikte, LDO'ların dezavantajları da vardır; bunlardan biri, yalnızca çıkış kapasitörünün ESR'si çok büyük olduğunda (veya kapasitansı çok küçük olduğunda) değil, aynı zamanda ESR çok düşük olduğunda da kendi kendini uyarma eğilimidir. Bu özellik, ortak bir yayıcıya (ortak kaynak) sahip bir kademenin yüksek bir çıkış empedansına sahip olmasından kaynaklanmaktadır, bu nedenle dengeleyicinin frekans tepkisinde ek bir düşük frekans kutbu belirir (frekansı yük direncine ve kapasitansa bağlıdır) çıkış kapasitörünün). Sonuç olarak, zaten onlarca kilohertz frekanslarında, faz kayması 180°'yi aşabilir ve negatif geri besleme pozitife dönüşür. Böyle bir sorunu çözmek için frekans tepkisi bir sıfır eklemeniz gerekir ve en basit yol yap - arttır seri dirençÇıkış kapasitörünün (ESR'si): bu pratik olarak çıkış voltajının dalgalanmasını arttırmaz, ancak tüm devrenin stabilitesinin anahtarıdır. Ayrıca kapasitörün kapasitansı ve ESR'si kesin olarak tanımlanmış sınırlar dahilinde olmalıdır. Her LDO stabilizatörü için ayrı ayrı belirtilirler. Ne yazık ki, klasik doğrusal ve anahtarlama stabilizatörleri için geçerli olan "kapasitans ne kadar büyükse ve çıkış kapasitörlerinin ESR'si ne kadar düşükse o kadar iyidir" standart yaklaşımı burada işe yaramıyor.

Dahili düzeltme devresinin bileşenlerine bağlı olarak LDO stabilizatörleri üç gruba ayrılabilir:

• tantal veya elektrolitik kapasitörlerle çalışmak üzere tasarlanmış stabilizatörler - 0,5...10 Ohm veya daha fazla ESR'ye sahip bir kapasitör gerektirirler;
• tantal kapasitörlerle çalışmak üzere tasarlanmış stabilizatörler (ESR 0,3...5 Ohm);
• seramik kapasitörlerle çalışmak üzere tasarlanmış stabilizatörler - çıkış kapasitörünün ESR'si 0,005 ila 1 Ohm arasında olduğunda stabiliteyi korurlar.

Yüksek frekans ve/veya yüksek akım için dijital devreler Her mikro devrenin yanına 0,1...1 µF kapasiteli filtreli seramik kapasitörlerin takılması önerilir ve bunlar aynı zamanda LDO stabilizatörünün stabilitesini de bozabilir. Bunun olmasını önlemek için, stabilizatörden yüke kadar rayların uzunluğunun arttırılması ve kalınlığının azaltılması (böylece rayların endüktansının arttırılması), güç kaynağı devresine bobinler veya dirençler takılması ve ayrıca LDO'nun seçilmesi önerilir. stabilizatörler düşük ESR yüklerini telafi etti.

Dönüştürücünün stabilitesini arttırmanın başka bir yolu daha var - ortak drenajlı bir devreye bağlı bir n-kanallı transistörü regülatör olarak kullanmak. Bu devre, çıkış kapasitörünün hemen hemen tüm özellikleriyle ve hatta kapasitör olmadan bile stabildir (sözde kapaksız stabilizatörler). Ancak onun için doğru işlem Kontrol transistörünün doygunluğa kadar açılmasını sağlamak için giriş voltajını artıracak dahili bir voltaj çarpanı gereklidir. Bu şemaya göre üretildi - aynı alandaki n-kanallı transistörlerin daha düşük kanal direnci sayesinde voltaj düşüşünü önemli ölçüde azaltmak mümkün oldu, ancak sürekli çalışan çarpan nedeniyle mikro devre tarafından tüketilen akım aktif mod keskin bir şekilde arttı. Ancak yazara göre bu tür stabilizatörler LDO'nun geleceğidir, dolayısıyla artan güç tüketimi sorunu muhtemelen yakında çözülecektir.

Önemli kapı kapasitansı nedeniyle, transistörün yük akımındaki ani değişikliklere hızlı tepki verme yeteneği bozulur. Sonuç olarak, yük akımı azaldığında, stabilizatörün çıkış voltajı ataletle artar (dahili operasyonel amplifikatör transistörü hafifçe kapatana kadar) ve akım arttığında çıkış voltajı biraz düşer (alt eğri Şekil 1). Dengeleyicinin yük kapasitesi, yerleşik işlemsel yükselticinin çıkış gücü artırılarak artırılabilir, ancak bu daha sonra dengeleyici tarafından tüketilen akımı artıracaktır. Bu nedenle, tasarımcının şunları seçmesi gerekir: ya devrede ultra düşük güçlü stabilizatörler kullanın (örneğin, seri veya mikroamper birimlerinin akım tüketimi ile, ancak çok yüksek atalet ve yük akımında ani değişikliklerle büyük voltaj düşüşleri ile) veya orta ve yüksek hızlı stabilizatörler, ancak yüzlerce mikroampere kadar tüketimle. Alternatif olarak, yük akımı azaldığında otomatik olarak mikro güç moduna geçen enerji tasarrufu modlarına sahip stabilizatörler (örneğin) vardır. Birçok modern mikrodenetleyici benzer şekilde çalışır (örneğin, STM8 ve STM32 aileleri) - ikincisi, biri mikro güç modunda ve ikincisi aktif modda çalışan, tüm çalışma modlarında yüksek enerji verimliliği sağlayan iki yerleşik LDO dengeleyicisine sahiptir. tüm voltaj aralığı beslenmesi boyunca.

Bu makalede tartışılan tüm stabilizatörler, çalışmaları için minimum miktarda harici bileşen gerektirir - çoğu mikro devre için yalnızca iki kapasitör ve en az 1 μF kapasiteli bir giriş kapasitörü gereklidir ve yalnızca ayarlanabilir versiyonlar için iki dirençten oluşan bir bölücü de vardır. gereklidir (Şekil 2). Tüm mikro devreler aşırı yüke ve aşırı ısınmaya karşı korumalıdır ve -40...125°C sıcaklık aralığında çalışma kapasitesine sahiptir. Çoğu mikro devrenin Etkinleştirme girişi vardır: "Kapalı" modundaki akım tüketimi genellikle birkaç...yüzlerce nanoamp'ı aşmaz. Temel elektriksel özellikler stabilizatörler Tablo 1'de listelenmiştir.

Tablo 1. ST LDO stabilizatörlerinin temel elektriksel özellikleri

Notlar:

1. maksimum çıkış akımında;
2. 10 kHz frekansta;
3. 10 Hz ila 100 kHz frekans aralığında;
4. Yeşil mod için değerler parantez içinde gösterilmiştir.

Mikro güç LDO stabilizatörleri

Bilindiği gibi besleme gerilimi geniş bir aralıkta olan birçok devrede, gerilim arttıkça akım tüketimi de artar, bu nedenle akü setinin ömrünü uzatmak için voltajın kabul edilebilir minimum seviyede sabitlenmesi gerekir. devrenin çalışması kesintiye uğramaz. Ancak LDO'nun mevcut tüketimini hesaba katmamız gerekiyor; bu, tasarruf etmeye çalıştığımız farktan çok daha düşük olmalıdır. Ayrıca dengeleyicideki minimum voltaj düşüşünü de hesaba katmamız gerekiyor, çünkü ne kadar yüksek olursa pillerimiz o kadar çabuk biter. Ve eğer 20 yıl önce geliştiriciler yalnızca 3 mA'dan fazla tipik akım tüketimine sahip KREN ailesinin mikro devrelerine erişebildiyse, şimdi seçim çok daha geniş.

Mikro güç modunda çalışma için, yaklaşık 1 µA (maksimum yük akımında 2,4 µA'ya kadar) tüketimi ve 112 mV'den daha az voltaj düşüşü olan benzersiz bir dengeleyici en uygunudur. Aynı zamanda, tüm çalışma aralığı boyunca çıkış voltajı %3...5'ten fazla değişmez. Dengeleyici devre herhangi bir ek seçenek olmaksızın en basit olanıdır (Şekil 3). Biraz daha yüksek güç tüketimi. Bu mikro devre, 12 V'a kadar giriş voltajlarında çalışabilir, 4,5 μA akım tüketimi ve nispeten düşük maliyetle, 26 V'a kadar giriş voltajlarına dayanabilir. Mikro devreler orta büyüklükte paketler halinde üretilir ve pille çalışan cihazlar için idealdir - birkaç mikroamperden fazla olmayan mevcut yükte, bir cihazdaki küçük bir CR2032 pil bile onlarca yıl çalışacaktır!

Bu devre, besleme voltajından neredeyse bağımsız olarak bir veya daha fazla LED aracılığıyla akımı dengeler. Başlıca avantajı, 100 mV'den az olabilen çok düşük voltaj düşüşüdür. Tasarım şu alanlarda uygulama bulabilir: LED şeritler Direnç düşüşü nedeniyle voltajın uzunluk boyunca değişebileceği ve küçük değişiklikler gerilimler akım ve parlaklıkta önemli değişikliklere yol açar. Ve ayrıca her voltun önemli olduğu yerde.

LED akım sabitleyici devresi

Direnç R devresindeki voltaj düşüşü 40 mV'yi geçmez. Gerisi Q3'ün parametrelerine bağlıdır.

Buradaki nominal LED akımı 9 V'ta 7,2 mA'dır. Gerilimin 20 V'a yükseltilmesi, dinamik direnç nedeniyle yalnızca +%15'lik bir akım değişikliğine neden olur.

Direnç R1'in değeri, 2,9 - 3,4 volt aralığında voltaj düşüşüne sahip mavi/beyaz bir LED için seçilir. Farklı bir voltaj düşüşünde istenilen seviyeyi korumak için R1'in değerini voltaj düşüşündeki değişimle orantılı olarak değiştirin.

LED'lerden geçen akım, R'nin değeriyle ters orantılıdır. Akım, bu direnç kullanılarak kabaca değiştirilebilir ve R1 değiştirilerek ince ayar yapılabilir.

İyi bir termal stabilite elde etmek için Q1 ve Q2'nin termal temas halinde olması gerekir. İdeal olarak aynı çip üzerinde olmaları gerekir, ancak bu şekilde çıkıyor iyi sonuçlar birbirlerine bastırıldığında.

Devre sadece bir LED ile iyi çalışmıyor. Bir hattaki maksimum LED sayısı yalnızca devre bileşenlerinin parametrelerine bağlıdır.