Estabilizadores de voltaje lineal: propósito, parámetros básicos y circuitos de conmutación.

Quizás hoy en día, ninguna placa electrónica puede prescindir de al menos una fuente de voltaje constante constante. Y muy a menudo, los reguladores de voltaje lineales en forma de microcircuitos sirven como tales fuentes. A diferencia de un rectificador con un transformador, donde el voltaje de una forma u otra depende de la corriente de carga y puede variar ligeramente por varias razones, un microcircuito integrado, un estabilizador (regulador) puede proporcionar un voltaje constante en un rango definido con precisión de corrientes de carga

Estos microcircuitos están construidos sobre la base de transistores de efecto de campo o bipolares, que funcionan continuamente en modo activo. Además del transistor regulador, también se instala un circuito de control en el cristal del microcircuito del estabilizador lineal.

Históricamente, antes de que fuera posible fabricar tales estabilizadores en forma de microcircuitos, se trataba de resolver el problema de la estabilidad de temperatura de los parámetros, ya que con el calentamiento durante la operación, los parámetros de los nodos de microcircuitos cambiarán.

La solución llegó en 1967, cuando el ingeniero electrónico estadounidense Robert Widlar propuso un circuito estabilizador en el que se conectaría un transistor regulador entre una fuente de voltaje de entrada no regulada y una carga, y un amplificador de error con un voltaje de referencia compensado por temperatura estaría presente en el circuito de mando Como resultado, la popularidad de los estabilizadores lineales integrados en el mercado saltó rápidamente.

Echa un vistazo a la foto de abajo. Aquí se muestra un diagrama simplificado de un regulador de voltaje lineal (como el LM310 o el 142ENxx). En este esquema, un amplificador operacional de retroalimentación de voltaje negativo no inversor, utilizando su corriente de salida, controla el grado de desbloqueo del transistor regulador VT1, conectado en un circuito con un colector común - seguidor de emisor.

El amplificador operacional en sí está alimentado por la fuente de entrada en forma de voltaje positivo unipolar. Y aunque el voltaje negativo no es adecuado para el suministro aquí, el voltaje de suministro del amplificador operacional se puede duplicar sin problemas, sin temor a sobrecargas o daños.

La conclusión es que la retroalimentación negativa profunda neutraliza la inestabilidad del voltaje de entrada, cuyo valor en este circuito puede alcanzar los 30 voltios. Por lo tanto, los voltajes de salida fijos oscilan entre 1,2 y 27 voltios, según el modelo de chip.

El microcircuito estabilizador tradicionalmente tiene tres pines: entrada, común y salida.La figura muestra un circuito típico de un amplificador diferencial como parte de un microcircuito para obtener un voltaje de referencia Diodo Zener aplicado.

En los reguladores de baja tensión, la referencia de tensión se obtiene en el hueco, como propuso Widlar por primera vez en su primer regulador lineal integrado, el LM109. Se instala un divisor en el circuito de retroalimentación negativa de las resistencias R1 y R2, por cuya acción el voltaje de salida resulta ser simplemente proporcional al voltaje de referencia de acuerdo con la fórmula Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

La resistencia R3 y el transistor VT2 integrados en el estabilizador sirven para limitar la corriente de salida, por lo que si el voltaje en la resistencia limitadora de corriente supera los 0,6 voltios, el transistor VT2 se abrirá inmediatamente, lo que hará que la corriente de base del transistor de control principal VT1 sea limitado. Resulta que la corriente de salida en el modo normal de funcionamiento del estabilizador está limitada a 0,6 / R3. La potencia disipada por el transistor de regulación dependerá de la tensión de entrada y será igual a 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Si por algún motivo se produce un cortocircuito en la salida del estabilizador integrado, entonces la potencia disipada en el cristal no debe quedar como antes, proporcional a la diferencia de tensión e inversamente proporcional a la resistencia de la resistencia R3. Por lo tanto, el circuito contiene elementos de protección: diodo zener VD2 y resistencia R5, cuya operación establece el nivel de protección actual según la diferencia de voltaje Uin -Uout.

En el gráfico anterior, puede ver que la corriente de salida máxima depende del voltaje de salida, por lo que el microcircuito del estabilizador lineal está protegido de manera confiable contra sobrecargas.Cuando la diferencia de voltaje Uin-Uout supera el voltaje de estabilización del diodo zener VD2, el divisor de las resistencias R4 y R5 creará suficiente corriente en la base del transistor VT2 para apagarlo, lo que a su vez provocará el límite de corriente base. al aumento del transistor de regulación VT1.

Los últimos modelos de reguladores lineales, como el ADP3303, están equipados con protección de sobrecarga térmica cuando la corriente de salida cae bruscamente cuando el cristal se calienta a 165 ° C. Se necesita el condensador en el diagrama anterior para igualar la frecuencia.

Por cierto, sobre los condensadores. Es habitual conectar condensadores con una capacidad mínima de 100 nf a la entrada y salida de los estabilizadores integrados para evitar falsas activaciones de los circuitos internos del microcircuito. Mientras tanto, existen los llamados estabilizadores sin tapa, como el REG103, para los cuales no es necesario instalar condensadores estabilizadores en la entrada y la salida.

Además de los estabilizadores lineales con un voltaje de salida fijo, también hay estabilizadores con un voltaje de salida ajustable para la estabilización. En ellos, falta el divisor de las resistencias R1 y R2, y la base del transistor VT4 se lleva a una pata separada del chip para conectar un divisor externo, como en el chip 142EN4.

Los estabilizadores más modernos, en los que el consumo de corriente del circuito de control se reduce a varias decenas de microamperios, como el LM317, tienen solo tres pines.Para ser justos, notamos que hoy en día también existen reguladores de voltaje de alta precisión como el TPS70151, que debido a la presencia de varios pines adicionales, permiten aplicar protección contra caída de voltaje a los cables de conexión, control de descarga de carga, etc. .

Arriba hablamos sobre estabilizadores de voltaje positivo, en relación con el cable común. Esquemas similares también se usan para estabilizar voltajes negativos, solo basta con aislar galvánicamente el voltaje de salida de la entrada del punto común. Luego, el pin de salida se conecta al punto de salida común, y el punto de salida negativo será el punto negativo de entrada conectado al punto común del chip estabilizador. Los reguladores de voltaje de polaridad negativa como el 1168ENxx son muy convenientes.

Si es necesario obtener dos voltajes a la vez (polaridad positiva y negativa), para este propósito existen estabilizadores especiales que brindan un voltaje positivo y negativo estabilizado simétricamente al mismo tiempo, basta con aplicar voltajes de entrada positivos y negativos a las entradas. Un ejemplo de un estabilizador bipolar de este tipo es el KR142EN6.

La figura de arriba es un diagrama simplificado de la misma. Aquí, el amplificador diferencial #2 acciona el transistor VT2, por lo que se observa la igualdad -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. Y el amplificador #1 controla el transistor VT1 para que el potencial en la unión de las resistencias R2 y R4 permanezca en cero. Si al mismo tiempo las resistencias R2 y R4 son iguales, entonces el voltaje de salida (positivo y negativo) permanecerá simétrico.

Para un ajuste independiente del equilibrio entre dos voltajes de salida (positivo y negativo), puede conectar resistencias de corte adicionales a los pines especiales del microcircuito.

La característica de caída de voltaje más pequeña de los circuitos reguladores lineales anteriores es de 3 voltios. Esto es bastante para la batería o los dispositivos alimentados por batería y, en general, es deseable minimizar la caída de voltaje. Para ello, el transistor de salida es de tipo pnp, de modo que la corriente de colector de la etapa diferencial sea simultánea a la corriente de base del transistor de regulación VT1. La caída de tensión mínima ahora será del orden de 1 voltio.

Los reguladores de voltaje negativo funcionan de manera similar con una caída mínima. Por ejemplo, los reguladores de la serie 1170ENxx tienen una caída de tensión de aproximadamente 0,6 voltios y no se sobrecalientan cuando se fabrican en la caja TO-92 con corrientes de carga de hasta 100 mA. El estabilizador en sí no consume más de 1,2 mA.

Dichos estabilizadores se clasifican como baja caída. Se logra una caída de voltaje aún más baja en los reguladores basados ​​en MOSFET (alrededor de 55 mV a un consumo de corriente del chip de 1 mA) como el chip MAX8865.

Algunos modelos de estabilizadores están equipados con pines de apagado para reducir el consumo de energía de los dispositivos en modo de espera: cuando se aplica un nivel lógico a este pin, el consumo del estabilizador se reduce a casi cero (línea LT176x).

Hablando de estabilizadores lineales integrales, observan sus características, así como parámetros dinámicos y precisos.

Los parámetros de precisión son el factor de estabilización, la precisión de ajuste del voltaje de salida, la impedancia de salida y el coeficiente de temperatura del voltaje. Cada uno de estos parámetros se enumera en la documentación; están relacionados con la precisión del voltaje de salida en función del voltaje de entrada y la temperatura actual del cristal.

Los parámetros dinámicos, como la relación de supresión de ondulación y la impedancia de salida, se configuran para diferentes frecuencias de corriente de carga y voltaje de entrada.

Las características de rendimiento, como el rango de voltaje de entrada, el voltaje de salida nominal, la corriente de carga máxima, la disipación de potencia máxima, la diferencia de voltaje de entrada y salida máxima a la corriente de carga máxima, la corriente sin carga, el rango de temperatura de funcionamiento, todos estos parámetros afectan la elección de uno o el otro.estabilizador para cierto circuito.

Características de los reguladores de tensión lineales

Estos son los circuitos típicos y más populares para incluir estabilizadores lineales:

Si es necesario aumentar el voltaje de salida de un estabilizador lineal con un voltaje de salida fijo, se agrega un diodo zener en serie al terminal común:

Para maximizar la corriente de salida permitida, se conecta un transistor más potente en paralelo con el estabilizador, convirtiendo el transistor regulador dentro del microcircuito en una parte de un transistor compuesto:

Si es necesario estabilizar la corriente, el estabilizador de voltaje se enciende de acuerdo con el siguiente esquema.

En este caso, la caída de tensión en la resistencia será igual a la tensión de estabilización, lo que provocará pérdidas significativas si la tensión de estabilización es alta.En este sentido, será más adecuado elegir un estabilizador para el voltaje de salida más bajo posible, como el KR142EN12 para 1,2 voltios.