Estabilizadores de tensão linear - finalidade, parâmetros básicos e circuitos de comutação

Talvez hoje nenhuma placa eletrônica prescinda de pelo menos uma fonte de tensão constante. E muitas vezes os reguladores de tensão linear na forma de microcircuitos servem como tais fontes. Ao contrário de um retificador com transformador, onde a tensão de uma forma ou de outra depende da corrente de carga e pode variar ligeiramente por vários motivos, um microcircuito integrado - um estabilizador (regulador) é capaz de fornecer uma tensão constante em uma faixa definida com precisão de correntes de carga.

Esses microcircuitos são construídos com base em efeito de campo ou transistores bipolares, operando continuamente no modo ativo. Além do transistor regulador, um circuito de controle também é instalado no cristal do microcircuito do estabilizador linear.

Historicamente, antes que fosse possível fabricar tais estabilizadores na forma de microcircuitos, havia a questão de resolver o problema da estabilidade de temperatura dos parâmetros, pois com o aquecimento durante a operação, os parâmetros dos nós do microcircuito vão mudar.

A solução surgiu em 1967, quando o engenheiro eletrônico americano Robert Widlar propôs um circuito estabilizador no qual um transistor regulador seria conectado entre uma fonte de tensão de entrada não regulada e uma carga, e um amplificador de erro com uma tensão de referência compensada por temperatura estaria presente em o circuito de controle. Como resultado, a popularidade dos estabilizadores integrados lineares no mercado aumentou rapidamente.

Confira a foto abaixo. Aqui é mostrado um diagrama simplificado de um regulador de tensão linear (como o LM310 ou 142ENxx). Neste esquema, um amplificador operacional de realimentação de tensão negativa não inversora, usando sua corrente de saída, controla o grau de desbloqueio do transistor regulador VT1, conectado em um circuito com um coletor comum - seguidor de emissor.

O próprio amplificador operacional é alimentado pela fonte de entrada na forma de uma tensão positiva unipolar. E embora a tensão negativa não seja adequada para alimentação aqui, a tensão de alimentação do amplificador operacional pode ser duplicada sem problemas, sem medo de sobrecarga ou danos.

A conclusão é que o feedback negativo profundo neutraliza a instabilidade da tensão de entrada, cujo valor neste circuito pode chegar a 30 volts. Assim, as tensões de saída fixas variam de 1,2 a 27 volts, dependendo do modelo do chip.

O microcircuito estabilizador tradicionalmente possui três pinos: entrada, comum e saída.A figura mostra um circuito típico de um amplificador diferencial como parte de um microcircuito para obter uma tensão de referência Diodo Zener aplicado.

Em reguladores de baixa tensão, a referência de tensão é obtida no gap, como Widlar propôs pela primeira vez em seu primeiro regulador linear integrado, o LM109. Um divisor é instalado no circuito de realimentação negativa dos resistores R1 e R2, por cuja ação a tensão de saída acaba sendo simplesmente proporcional à tensão de referência de acordo com a fórmula Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

O resistor R3 e o transistor VT2 embutidos no estabilizador servem para limitar a corrente de saída; portanto, se a tensão no resistor limitador de corrente exceder 0,6 volts, o transistor VT2 abrirá imediatamente, o que fará com que a corrente de base do transistor de controle principal VT1 seja limitado. Acontece que a corrente de saída no modo normal de operação do estabilizador é limitada a 0,6 / R3. A potência dissipada pelo transistor regulador dependerá da tensão de entrada e será igual a 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Se por algum motivo ocorrer um curto-circuito na saída do estabilizador integrado, a potência dissipada no cristal não deve ser deixada como antes, proporcional à diferença de tensão e inversamente proporcional à resistência do resistor R3. Portanto, o circuito contém elementos de proteção - diodo zener VD2 e resistor R5, cuja operação define o nível de proteção de corrente dependendo da diferença de tensão Uin -Uout.

No gráfico acima, você pode ver que a corrente máxima de saída depende da tensão de saída, portanto, o microcircuito do estabilizador linear é protegido de forma confiável contra sobrecarga.Quando a diferença de tensão Uin-Uout exceder a tensão de estabilização do diodo zener VD2, o divisor dos resistores R4 e R5 criará corrente suficiente na base do transistor VT2 para desligá-lo, o que por sua vez causará o limite de corrente de base aumentar do transistor regulador VT1.

Os modelos mais recentes de reguladores lineares, como o ADP3303, são equipados com proteção contra sobrecarga térmica quando a corrente de saída cai drasticamente quando o cristal é aquecido a 165 ° C. O capacitor no diagrama acima é necessário para equalizar a frequência.

A propósito, sobre os capacitores. É comum conectar capacitores com capacidade mínima de 100 nf à entrada e saída dos estabilizadores integrados para evitar falsa ativação dos circuitos internos do microcircuito. Enquanto isso, existem os chamados estabilizadores sem tampa, como o REG103, para os quais não há necessidade de instalar capacitores estabilizadores na entrada e na saída.

Além dos estabilizadores lineares com tensão de saída fixa, também existem estabilizadores com tensão de saída ajustável para estabilização. Neles, falta o divisor dos resistores R1 e R2, e a base do transistor VT4 é trazida para uma perna separada do chip para conectar um divisor externo, como no chip 142EN4.

Os estabilizadores mais modernos, nos quais o consumo de corrente do circuito de controle é reduzido a várias dezenas de microamperes, como o LM317, possuem apenas três pinos.Para ser justo, notamos que hoje também existem reguladores de tensão de alta precisão, como o TPS70151, que, devido à presença de vários pinos adicionais, permitem aplicar proteção contra queda de tensão nos fios de conexão, controle de descarga de carga, etc. .

Acima falamos sobre estabilizadores de tensão positivos, relativos ao fio comum. Esquemas semelhantes também são usados ​​​​para estabilizar tensões negativas, basta isolar galvanicamente a tensão de saída da entrada do ponto comum. O pino de saída é então conectado ao ponto de saída comum, e o ponto de saída negativo será o ponto negativo de entrada conectado ao ponto comum do chip estabilizador. Reguladores de tensão de polaridade negativa como o 1168ENxx são muito convenientes.

Se for necessário obter duas tensões ao mesmo tempo (polaridade positiva e negativa), então, para esse fim, existem estabilizadores especiais que fornecem uma tensão positiva e negativa simetricamente estabilizada ao mesmo tempo, basta aplicar tensões de entrada positivas e negativas às entradas. Um exemplo de tal estabilizador bipolar é o KR142EN6.

A figura acima é um diagrama simplificado dele. Aqui, o amplificador diferencial # 2 aciona o transistor VT2, então a igualdade -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop é observada. E o amplificador nº 1 controla o transistor VT1 para que o potencial na junção dos resistores R2 e R4 permaneça zero. Se ao mesmo tempo os resistores R2 e R4 forem iguais, a tensão de saída (positiva e negativa) permanecerá simétrica.

Para ajuste independente do equilíbrio entre duas tensões de saída (positiva e negativa), você pode conectar resistores de compensação adicionais aos pinos especiais do microcircuito.

A menor queda de tensão característica dos circuitos reguladores lineares acima é de 3 volts. Isso é bastante para bateria ou dispositivos alimentados por bateria e geralmente é desejável minimizar a queda de tensão. Para isso, o transistor de saída é do tipo pnp, de modo que a corrente de coletor do estágio diferencial seja simultânea à corrente de base do transistor regulador VT1. A queda de tensão mínima será agora da ordem de 1 volt.

Os reguladores de tensão negativa operam de maneira semelhante com queda mínima. Por exemplo, os reguladores da série 1170ENxx têm uma queda de tensão de cerca de 0,6 volts e não superaquecem quando fabricados no gabinete TO-92 em correntes de carga de até 100 mA. O próprio estabilizador não consome mais do que 1,2 mA.

Tais estabilizadores são classificados como baixo droop. Uma queda de tensão ainda menor é alcançada em reguladores baseados em MOSFET (cerca de 55 mV com consumo de corrente de chip de 1 mA), como o chip MAX8865.

Alguns modelos de estabilizadores são equipados com pinos de desligamento para reduzir o consumo de energia dos dispositivos em modo standby — quando um nível lógico é aplicado a este pino, o consumo do estabilizador é reduzido a quase zero (linha LT176x).

Falando sobre estabilizadores lineares integrais, eles observam suas características, bem como parâmetros dinâmicos e precisos.

Os parâmetros de precisão são fator de estabilização, precisão de configuração da tensão de saída, impedância de saída e coeficiente de temperatura da tensão. Cada um desses parâmetros está listado na documentação; eles estão relacionados à precisão da tensão de saída dependendo da tensão de entrada e da temperatura atual do cristal.

Parâmetros dinâmicos, como taxa de supressão de ondulação e impedância de saída, são definidos para diferentes frequências de corrente de carga e tensão de entrada.

Características de desempenho, como faixa de tensão de entrada, tensão de saída nominal, corrente de carga máxima, dissipação de potência máxima, diferença máxima de tensão de entrada e saída na corrente de carga máxima, corrente sem carga, faixa de temperatura operacional, todos esses parâmetros afetam a escolha de um ou o other.stabilizer para um determinado circuito.

Características dos reguladores de tensão linear

Aqui estão os circuitos típicos e mais populares para incluir estabilizadores lineares:

Se for necessário aumentar a tensão de saída de um estabilizador linear com uma tensão de saída fixa, um diodo zener é adicionado em série ao terminal comum:

Para maximizar a corrente de saída permitida, um transistor mais potente é conectado em paralelo com o estabilizador, transformando o transistor regulador dentro do microcircuito em parte de um transistor composto:

Se for necessário estabilizar a corrente, o estabilizador de tensão é ligado de acordo com o seguinte esquema.

Nesse caso, a queda de tensão no resistor será igual à tensão de estabilização, o que levará a perdas significativas se a tensão de estabilização for alta.Nesse sentido, será mais adequado escolher um estabilizador para a menor tensão de saída possível, como o KR142EN12 para 1,2 volts.