Линейные интегральные стабилизаторы напряжения

Назначение и принцип работы

Интегральные линейные стабилизаторы напряжения - специализированные микросхемы, предназначенные для стабилизации выходного напряжения на определенном уровне. Этот уровень может быть фиксированным, а может плавно регулироваться. Интегральные стабилизаторы напряжения – стабилизаторы последовательного типа, то есть стабилизаторы, в которых избыток напряжения падает на самом стабилизаторе. Концепция работы последовательного линейного стабилизатора напряжения прорисована на рисунке LVR.1 : стабилизатор изменяет свое внутреннее сопротивление реагируя на изменения входного напряжения и тока нагрузки с целью обеспечения постоянства выходного напряжения.

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

1. Входное напряжение V_in (Input Voltage) - диапазон входного напряжения стабилизатора при котором обеспечивается работоспособность стабилизатора.

2. Выходное напряжение V_out (Output Voltage) - уровень выходного напряжения для стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением или диапазон выходного напряжения для регулируемых стабилизаторов – показывает величину напряжения на выходе стабилизатора.

3. Максимальная разность потенциалов между входом и выходом V_in - V_out (Input-Output Voltage Differential) - максимальная разность потенциалов между входом и выходом выше которого возможен пробой и выход из строя стабилизатора.

4. Падение напряжение на стабилизаторе V_d (Dropout Voltage) - падение напряжение на полностью открытом стабилизаторе. Параметр характеризует КПД стабилизатора и уменьшение максимального выходного напряжения относительно входного.

5. Максимальный выходной ток I_max (Current Limit, Output Current) – максимальная величина выходного тока стабилизатора.

6. Ток покоя стабилизатора I_q (Quiescent Current) – ток, протекающий через 3-й («земляной», ADJ) вывод стабилизатора. Ток покоя равен разности входного и выходного токов стабилизатора.

7. Минимальный ток нагрузки I_lmin (Minimum Load Current) - минимальный ток нагрузки, при котором сохраняется стабильность выходного напряжения.

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;

10. Коэффициент подавления пульсаций (Power supply rejection ratio (PSRR), - показывает отношение амплитуды пульсации на выходе стабилизатора ∆V_out_{_}_ripple к амплитуде пульсации на его входе ∆V_in_{_}_ripple. Параметр имеет отношение к связке (интегральный стабилизатор – конденсаторы «обвязки»);

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 P_D (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеиваемая корпусом интегрального стабилизатора. Определяется согласно температурным условиям эксплуатации в соответствии с выражением:

T_Jmax – максимальная температура кристалла стабилизатора;

R_θJA – тепловое сопротивление «кристалл-корпус-окружающая среда»;

T_A – температура окружающей среды.

Типовые схемы включения линейных стабилизаторов

Схема включения стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением

Наиболее простая и используемая схема включения (рисунок LVR.4) . На выходе – фиксированное напряжение, величину которого задают, выбирая конкретный подтип стабилизатора. Существуют стабилизаторы для обеих полярностей напряжения.

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 V_REF 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 I_{OUT_min}:

Минимальная величина тока через выход OUT стабилизатора при отключенной нагрузке I_{OUT_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) I_ADJ указывается в справочных листках, но, как правило, он составляет достаточно малую величину. В большинстве практических случаев абсолютная погрешность расчета напряжения равная I_ADJ·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.

Минимальные величины емкости входного и выходного конденсаторов указываются в справочных листках на интегральные стабилизаторы. Так, для LT1083/ LT1084/ LT1085 при использовании C3 конденсатора соединенного с выходом ADJ, необходимо соблюдение следующих рекомендуемых величин конденсаторов C1=10 мкФ, C2 = 150 мкФ (алюминиевый) или 22 мкФ (тантал). При отсутствии конденсатора C3 в схеме придерживаются следующих значений емкостей C1=10 мкФ, C2 = 50 мкФ (алюминиевый) или 10 мкФ (тантал). Для LM317 С1 – 0,1 мкФ, неполярный (необходимо если микросхема стабилизатора расположена на значительном удалении от источника питания), С2 - 1 мкФ, неполярный (необходимо для улучшения временного отклика).

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 V_REF 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.

Справочные данные и расчет максимального тока для популярных линейных стабилизаторов напряжения серий 78Lxx и 79Lxx

Интегральные стабилизаторы положительного напряжения 78Lxx

Таблица LVR.1 - Напряжение стабилизации, диапазон входного напряжения и соотношения для расчета максимального тока для стабилизаторов положительного напряжения серии L78Lxx

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 P_max для различных корпусов (по данным Fairchild Semiconductor)

Интегральные стабилизаторы отрицательного напряжения L79Lxx

Таблица LVR.2 - Напряжение стабилизации, диапазон входного напряжения и соотношения для расчета максимального тока для стабилизаторов отрицательного напряжения серии 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

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.