Стабилизаторы

Многие электротехнические устройства требуют поддержания напряжения на заданном уровне с небольшими отклонениями, т.е. его стабилизации. Общеизвестный пример – телевизор. Есть и другие причины, требующие стабилизации напряжения, а иногда и тока. Так, при повышенном напряжении резко снижается срок службы многих изделий. Другой пример: изменения напряжения изменяют характеристики полупроводниковых приборов, что может расстроить работу ответственных устройств автоматики и вычислительной техники. Наконец, в устройствах контроля технологических параметров часто значение контролируемого параметра преобразуется в пропорциональное ему напряжение, которое сравнивается с опорным напряжением. Ясно, что опорное напряжение не должно изменяться. Можно привести и другие очень важные причины, требующие стабилизации напряжения.

Стабилизация достигается многими способами. Здесь рассматриваются обозначения в схемах наиболее употребительных стабилизаторов.

Рис. 2.10.2 Стабилизаторы

Стабилизатор феррорезонансный (рис. 2.10.2, а) может быть обозначен так же, как трансформатор 1 с нелинейным регулированием. Кроме того, его позиционное обозначение укажет на то, что это стабилизатор.

Если же есть причины, чтобы показать более подробно внутренние соединения, то это может быть сделано, например, так, как показано на рис. 2.10.2, а, поз. 2. Здесь изображены два трансформатора, первичные обмотки которых соединены последовательно (точки, обозначающие начала обмоток, расположены с одной стороны), а вторичные обмотки – встречно (точки расположены с разных сторон). Кроме того, обозначено нелинейное регулирование – ломаная черта.

Стабилизаторы полупроводниковые – стабилитроны (диоды лавинные выпрямительные) односторонний 3 и двусторонний 4 (рис. 2.10.2, б).

Стабилизатор ионный (стабилитрон) показан на рис. 2.10.2, в. Здесь А – анод, К – катод, Г – обозначение газового наполнения.

Упрощенные изображения любых стабилизаторов иллюстрирует рис. 2.10.2, г, где 6 – стабилизатор (буквы SТ, перед которыми нарисована звездочка), 7 – стабилизатор напряжения, на что указывает буква U, 8 – стабилизатор тока (). Обратите внимание: звездочка (*) перед буквенным обозначением указывает на то, что стабилизатор является нелогическим элементом (подробнее в гл. 2.11).

К прямоугольникам подводят столько проводов, сколько требуется в каждом конкретном случае.

Бесконтактные логические элементы первого поколения выполнялись из дискретных компонентов (т.е. из раздельных составных частей, например транзисторов и других изделий) с помощью навесного монтажа на платах с печатным монтажом. Смонтированная плата помещена в пластмассовый корпус и залита компаундом. В настоящее время в основном применяют твердотельные интегральные микросхемы (ИМС).

Но как бы ни были выполнены логические элементы, они строятся по модульному принципу.

Модуль представляет собой конструктивно и функционально законченное изделие, что дает возможность набирать нужную схему из сочетания различных модулей, испытывать каждый модуль отдельно, заменять неисправный модуль исправным и т.

д. Модули с логическими элементами подразделяются на ячейки, субблоки и блоки.

Ячейка – минимальный конструктивный модуль, т.е. плата с разъемом, на которой установлены ИМС и раздельные резисторы, конденсаторы и т.п.

Блок – основной конструктивно-функциональный модуль. Он представляет собой законченный функциональный узел, собранный на ячейках.

Логические элементы являются двоичными. Это значит, что в них используются входные (подаваемые на логический элемент) и выходные (снимаемые с логического элемента) сигналы только в двух крайних (предельных) состояниях. Иными словами, двоичные логические элементы дискретны (от лат. diskretus — прерывистый, прерывный, понятие дискретный противоположно понятию непрерывный). Они выполняют (реализуют) только такие функции, при которых либо присутствует, либо отсутствует входной сигнал.

Наличие сигнала характеризуется состоянием «логическая единица» (в дальнейшем 1), а отсутствие сигнала – состоянием «логический нуль» (в дальнейшем 0).

Заметим здесь же, что 1 и 0 это не числа, а обозначение состояний.

Вместо слова сигнал часто говорят двоичная переменная, а зависимость выходного сигнала от входного, т.е. зависимость соответствующих двоичных переменных, называют функциональной.

В алгебре логики одно состояние принимается за истинное и обозначается 1, а другое состояние, ему противоположное, в этом случае является ложным и обозначается 0. Например, если «да» истинно (1), то «нет» — ложно (0). Если контакт замкнут, истинно (1), то контакт разомкнут – ложно (0). Если ток проходит истинно (1), то отсутствие тока ложно (0). Если намагничено 1, то размагничено 0.

Заметим, что одно и то же состояние в одном случае может быть принято за истинное, а в другом его же принимают за ложное. Все зависит от того, какое в конкретном случае принято соглашение. Например, в соглашении положительной логики более положительное значение физической величины соответствует состоянию 1. А в соглашении отрицательной логики оно же соответствует состоянию 0.

Военно-техническая подготовка

1.8. Стабилизаторы

Стабилизатор напряжения — электромеханическое или электрическое (электронное) устройство, имеющее вход и выход по напряжению, предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки.

1.8.1. Стабилизатор постоянного тока.

Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах.

При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением:

Последовательный : регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

Параллельный : регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

Параметрический : в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.

Компенсационный : имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Рис 1.

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора RV применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Рис 2.

Uout = Uz — Ube.

По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину Ube, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость Ube от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в β раз (где β — коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что Ube в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Рис 3.

Часть выходного напряжения Uout, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора RV применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока). Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (то есть опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ). Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения Uz (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше , чем Uout.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ ( G openloop = 105 ÷ 106).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Импульсный стабилизатор

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но, в случае дросселя, уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

Понижающий стабилизатор : выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.

Повышающий стабилизатор : выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.

Повышающе-понижающий стабилизатор : выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.

Инвертирующий стабилизатор : выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

1.8.2. Стабилизатор переменного тока.

Ферромагнитные стабилизаторы

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с ненасыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора.

Электромеханические стабилизаторы напряжения

Регулировка напряжения в электромеханических (электродинамических) стабилизаторах осуществляется автоматически, путём перемещения токосъёмного узла по обмотке трансформатора, что обеспечивает плавное изменение коэффициента его трансформации до достижения заданной величины выходного напряжения.

Это единственный тип стабилизаторов, обеспечивающий плавную регулировку напряжения не внося при этом искажений в форму синусоиды. Стабилизаторы этого типа обладают достаточно высокой точностью удержания выходного напряжения (2..3 %) и обеспечивают наиболее комфортный режим питания бытовой техники. Они успешно используются как в быту так и на производствах.

Однако, существует несколько ограничений области их применения: первое — невозможность работы при отрицательных температурах (в силу наличия открытых токоведущих поверхностей и опасности короткого замыкания из-за выпадения конденсата). Кроме этого, электромеханические стабилизаторы обладают сравнительно узким диапазоном входных напряжений (как правило, 150—260 Вольт) и невысокой скоростью регулировки, ограниченной скоростью перемещения сервоприводом токосъёмного узла.

В качестве токосъёмного элемента используются графитовые щётки или ролики с графитовым напылением. Роликовый токосъёмный узел менее капризен по отношению к запылению, однако требует проведения профилактических работ направленных на предотвращение заклинивания, поэтому такая конструкция используется, как правило, в промышленных стабилизаторах, а щёточный узел устанавливается в бытовых моделях. Скорость износа токосъёмных элементов обоих типов примерно одинакова и, в зависимости от интенсивности использования, через 7-11 лет требуется его замена.

Электронные стабилизаторы напряжения

Делятся на ступенчатые и непрерывного действия. Электронные ступенчатые стабилизаторы регулируют напряжение, переключая обмотки специального трансформатора посредством электронных ключей. Ключи управляются процессором по специальной программе.

В настоящее время существует два типа электронных стабилизаторов напряжения: с полупроводниковыми и релейными ключами. Последние было бы правильнее отнести к электронно-механическим, так как реле является электромеханическим элементом.

Стабилизаторы имеют большое быстродействие, поэтому применяются в комплексе с дорогостоящим оборудованием, требующем защиты от всех аномалий сети. Их также используют в жилых домах и на производствах. К преимуществам электронных стабилизаторов напряжения можно отнести их возможность работы при отрицательных температурах окружающей среды.

Электронные стабилизаторы непрерывного действия регулируют напряжение, изменяя либо сопротивление регулирующего элемента, как правило — транзистора, либо включая и выключая регулирующий элемент с высокой частотой (десятки килогерц), и управляя временем включенного и выключенного состояния регулирующего элемента (чаще всего IGBT транзистор). Такой метод регулирования называется ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Стабилизаторы, использующие высокочастотную ШИМ, на данный момент являются наиболее совершенной реализацией стабилизатора переменного напряжения, и при правильном исполнении ближе всего к понятию «идеальный стабилизатор». В отличие от стабилизаторов инверторного типа, в них не происходит предварительного преобразования переменного напряжения в постоянное, а преобразованию подвергается непосредственно входное переменное напряжение, что обеспечивает им высокий КПД и приемлемую стоимость.

Как выбрать стабилизатор напряжения для вашей печатной платы — Блог Upverter

Начните работу с Altium Upverter, зарегистрируйтесь сейчас.

Если вы не работаете только с системой переменного тока, ваша печатная плата должна получать стабильное напряжение постоянного тока для правильной работы. Схема регулятора напряжения обеспечивает необходимое постоянное напряжение с фиксированной величиной, даже если входное напряжение (линия) или выходной ток (нагрузка) изменяются. Некоторые схемы более чувствительны к колебаниям напряжения, чем другие, а некоторые линии электропередачи более шумные, чем другие. Любой проектировщик должен понимать, как правильно выбрать регулятор напряжения для своей платы. Давайте рассмотрим различные типы регуляторов постоянного тока и рассмотрим некоторые факторы, которые следует учитывать при выборе регулятора напряжения.

Типы регуляторов напряжения

Регуляторы напряжения обычно устанавливаются на выходе схемы двухполупериодного выпрямителя, чтобы удалить оставшуюся пульсацию. Существует несколько способов классификации регуляторов напряжения, но пока мы будем придерживаться линейных и импульсных регуляторов. Эти стабилизаторы могут быть относительно легко добавлены в схему и обеспечивают достаточно стабильное выходное напряжение для большинства приложений.

Линейные регуляторы

Линейные стабилизаторы используют BJT или FET для стабилизации напряжения питания и управляются с помощью усилителя. Усилитель сравнивает выходное напряжение регулятора с прецизионным эталоном и заменяет транзистор для поддержания постоянного выходного напряжения. Линейные регуляторы всегда понижают выходное напряжение (т. е. входное напряжение > выходное напряжение). Линейные регуляторы с малым падением напряжения называются регуляторами с малым падением напряжения (LDO). Линейные регуляторы обладают следующими преимуществами:

• Низкий уровень шума: Поскольку не требуется переключение, эти регуляторы создают низкий уровень шума и лучше всего подходят для питания чувствительных цепей. Напротив, импульсные стабилизаторы по своей природе шумные, поскольку они часто переключаются, чтобы поддерживать выходное напряжение.
• Низкая мощность: При правильном проектировании линейные стабилизаторы могут работать с довольно низким током покоя. Импульсные регуляторы используют сложные системы обратной связи и в конечном итоге используют более высокую мощность покоя. При работе в качестве LDO эти регуляторы могут иметь очень высокий КПД (~90%).
• Низкая стоимость: Линейные регуляторы дешевле, и их легко добавить в компоновку. Они не требуют слишком много компонентов и фильтров. Обычно к выходу подключается конденсатор, который помогает регулировать выходное напряжение.

Пример схемы линейного регулятора

Импульсные регуляторы

Импульсный стабилизатор преобразует входное постоянное напряжение в более стабильное выходное постоянное напряжение с помощью силового MOSFET или BJT переключателя. Выходной сигнал импульсного регулятора обычно фильтруется и используется для уменьшения шума переключения выходного напряжения. Существует три типа импульсных стабилизаторов: понижающий (понижающий), повышающий (повышающий) и понижающе-повышающий (может повышать или понижать). Импульсные регуляторы обладают следующими преимуществами:

• Высокий КПД: Поскольку импульсные регуляторы работают либо в выключенном, либо во включенном режиме, они более эффективны. Они могут обеспечить КПД 90% или выше, что очень сложно для большинства линейных регуляторов, если только они не предназначены для работы в качестве LDO.
• Повышающая конфигурация: Линейные стабилизаторы могут только понижать входное напряжение, а повышающий импульсный стабилизатор может повышать напряжение. Это особенно полезно в тех случаях, когда требуется большое напряжение в течение короткого периода времени (например, для задней подсветки камеры).
• Тепловая характеристика: Линейные регуляторы менее эффективны, что означает, что они имеют тенденцию рассеивать больше тепла и нуждаются в радиаторе. Большинству импульсных регуляторов не нужны радиаторы.

Понижающими и повышающими характеристиками можно управлять с помощью сигнала ШИМ, что делает этот регулятор идеальным для использования в приложениях, где требуются определенные уровни напряжения. Например, вы можете использовать выход ШИМ микроконтроллера для питания другой схемы с определенным уровнем напряжения. Существует множество различных способов построения ИС импульсного стабилизатора, и мы не можем показать все возможные схемы. Если вы хотите узнать больше о конкретных схемах для импульсных регуляторов, взгляните на таблицы данных в вашей библиотеке деталей.

Важные параметры для выбора стабилизаторов

Один вопрос, который я часто слышу на форумах, это как выбрать регулятор напряжения для различных приложений. На этот вопрос нет однозначного ответа. При поиске регулятора напряжения следует учитывать следующие характеристики; обратите внимание, что эти аспекты относятся как к линейным, так и к импульсным регуляторам:

Выходное напряжение

Если вам нужен повышающий регулятор, вам придется использовать импульсный регулятор в повышающей конфигурации. Если вы используете в системе несколько источников питания, обычно для каждого источника используется один регулятор. Регуляторы обычно выдают фиксированное выходное напряжение, хотя на рынке есть некоторые регуляторы, которые можно использовать с некоторыми регулируемыми настройками.

Эффективность и уровень шума

Импульсные стабилизаторы обеспечивают более высокий КПД, чем линейные регуляторы, но они производят больше шума. Ненужные электронные помехи могут мешать другим цепям, когда регулятор выдает большой ток. Если вы хотите, чтобы ваш продукт вышел на рынок, получить сертификат EMC может быть сложнее. Если другие схемы на вашей плате чувствительны (например, чисто аналоговые компоненты), то лучше выбрать линейный стабилизатор.

Выбор регулятора с высокими потерями мощности может сделать почти невозможным достижение целей эффективности. Линейные регуляторы менее шумные, но они очень неэффективны (кроме LDO), то есть часть мощности преобразуется в тепло. Если ваш регулятор будет работать при большом токе, вам следует установить радиаторы на плату. Если у вас нет места на плате для радиатора или если вас беспокоит рассеивание мощности, то импульсный стабилизатор может быть лучшим вариантом.

Эти линейные регуляторы напряжения 7805 от Fairchild включают радиатор на задней стороне упаковки.

Переходная характеристика

При быстром изменении выходного тока на выходе возникает небольшой всплеск. Регулятору напряжения требуется некоторое время, прежде чем он снова переключится на то же напряжение. Это называется переходной реакцией. Переходная характеристика обычно зависит от выходной емкости и тока нагрузки. Быстрая переходная характеристика гарантирует, что регулятор может обеспечить требуемую мощность. Проверьте спецификации компонентов и найдите рекомендуемый шунтирующий конденсатор, который следует включить на выходе регулятора.

Рекомендации по компоновке регулятора напряжения

После того, как вы выбрали правильный регулятор напряжения для своей конструкции, вам нужно разместить его в нужном месте на плате. Как правило, вам понадобится один конденсатор между выходом и землей и один между входом и землей как можно ближе к контактам. Вы также должны тщательно спроектировать дорожки, чтобы они могли проводить требуемый ток без перегрева.

Если вы посмотрите на некоторые проекты с открытым исходным кодом в библиотеке проектов Upverter™, вы найдете несколько хороших примеров компоновки регуляторов, которые вы можете использовать в качестве эталона для своего следующего проекта.

Плата управления повышающим преобразователем от James Fotherby , созданная в Upverter.

Хороший инструмент компоновки позволяет легко создавать схемы для вашей платы и сохранять их в качестве исходной компоновки. Upverter® предоставляет огромную библиотеку надежных компонентов, которые вы можете легко добавить в свою схему и топологию, в том числе широкий спектр регуляторов напряжения и многое другое. Как облачный инструмент, Upverter позволяет пользователям легко делиться своей работой, контролировать версии и получать доступ к своим данным из любого места.

Вы можете бесплатно зарегистрироваться и получить доступ к лучшему браузерному редактору печатных плат, редактору схем и базе данных компонентов. Посетите Upverter сегодня, чтобы узнать больше.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Интегральные схемы регулятора напряжения (ИС)

Что такое регулятор напряжения?

 

Регулятор мощности — это блок питания электронного устройства, преобразующий поступающую мощность в желаемый тип (AC-DC или DC-DC) и требуемые характеристики напряжения/тока. Регулятор напряжения — это компонент блока питания, который обеспечивает стабильное постоянное напряжение в любых условиях эксплуатации. Он регулирует напряжение при колебаниях мощности и изменениях нагрузки. Он может регулировать как переменное, так и постоянное напряжение.

Регуляторы напряжения

 

Все электронные устройства предназначены для работы с заранее установленной номинальной мощностью, то есть напряжением и током. В то время как потребление тока является динамическим и зависит от нагрузки устройства, напряжение питания является идеально постоянным для правильного функционирования устройства. Регулятор напряжения отвечает за поддержание идеального напряжения, необходимого для устройства. Ваш ноутбук, настенная зарядка и кофеварка имеют регуляторы напряжения.

Регулятор напряжения обычно принимает более высокое входное напряжение и выдает более низкое и более стабильное выходное напряжение. Их вторичное использование также заключается в защите схемы от скачков напряжения, которые потенциально могут их повредить/поджарить.

 

Различные типы регуляторов напряжения

 

Регуляторы напряжения, используемые в низковольтных электронных устройствах, обычно представляют собой интегральные схемы (ИС). В центрах распределения электроэнергии, обеспечивающих электроэнергией переменного тока бытовых и промышленных потребителей, используются более сложные и механически большие регуляторы напряжения, которые поддерживают номинальное напряжение 110 В, 220 В, 250 В, 380 В независимо от потребностей потребления в районе.

В зависимости от физической конструкции стабилизаторы напряжения можно увидеть в интегральных схемах, электромеханических устройствах или полупроводниковых автоматических регуляторах. Наиболее распространенными классификациями активных стабилизаторов напряжения (в которых используются усилительные компоненты, такие как транзисторы или операционные усилители) являются линейные и импульсные стабилизаторы.

 

• Линейные регуляторы : В линейном регуляторе напряжения используется активное проходное устройство (например, BJT или MOSFET), которое управляется операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейные регуляторы регулируют сопротивление проходного устройства, сравнивая внутреннее опорное напряжение с дискретизированным выходным напряжением, а затем сводя ошибку к нулю. Линейные регуляторы представляют собой понижающие преобразователи, поэтому по определению выходное напряжение всегда ниже входного. Однако у этих стабилизаторов есть несколько преимуществ: они, как правило, просты в конструкции, надежны, экономичны, имеют низкий уровень шума и пульсации выходного напряжения.

• Импульсные регуляторы : Схема импульсного регулятора, как правило, более сложна в проектировании, чем линейный регулятор, и требует выбора значений внешних компонентов, настройки контуров управления для обеспечения стабильности и тщательного проектирования компоновки. Импульсные регуляторы могут быть понижающими преобразователями, повышающими преобразователями или их комбинацией, что делает их более универсальными, чем линейный регулятор. Преимущества импульсных стабилизаторов заключаются в том, что они высокоэффективны, имеют лучшие тепловые характеристики и могут поддерживать более высокий ток и более широкий диапазон V _{в приложениях} /V _из приложений. Они могут достигать эффективности более 95% в зависимости от требований приложения. В отличие от линейных стабилизаторов, импульсная система питания может потребовать дополнительных внешних компонентов, таких как катушки индуктивности, конденсаторы, ПЭП или резисторы обратной связи.

 

Ограничения регуляторов напряжения

 

Одним из основных недостатков линейных регуляторов является то, что они могут быть неэффективными, поскольку в некоторых случаях они рассеивают большое количество энергии. Падение напряжения линейного регулятора сравнимо с падением напряжения на резисторе. Например, при выходном напряжении 5 В и 3 В падение между выводами составляет 2 В, а КПД ограничен 3 В/5 В (60%). Это означает, что линейные регуляторы лучше всего подходят для приложений с более низким V _в /V _из дифференциалов.

Важно учитывать предполагаемое рассеивание мощности линейных стабилизаторов при применении, поскольку использование более высокого входного напряжения приводит к высокому рассеиванию мощности, что может привести к перегреву и повреждению компонентов.

Другим ограничением линейных регуляторов напряжения является то, что они способны только к понижающему (понижающему) преобразованию, в отличие от импульсных регуляторов, которые также обеспечивают повышающее (повышающее) и повышающе-понижающее преобразование.

Импульсные стабилизаторы очень эффективны, но некоторые недостатки включают в себя то, что они, как правило, менее рентабельны, чем линейные регуляторы, больше по размеру, более сложны и могут создавать больше шума, если их внешние компоненты не выбраны тщательно. Шум может быть очень важен для данного приложения, так как шум может влиять на работу и характеристики схемы, а также на характеристики электромагнитных помех.

 

Топологии импульсных регуляторов: понижающий, повышающий, линейный, LDO и регулируемый

 

Существуют различные топологии для линейных и импульсных регуляторов. Линейные регуляторы часто работают в топологиях с малым падением напряжения (LDO). Импульсные стабилизаторы бывают трех распространенных топологий: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и повышающе-понижающие преобразователи. Каждая топология описана ниже:

 

• Регуляторы LDO : Одной из популярных топологий для линейных регуляторов является регулятор с малым падением напряжения (LDO). Линейные стабилизаторы обычно требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2 В выше выходного напряжения. Однако регулятор LDO предназначен для работы с очень небольшой разницей напряжений между входными и выходными клеммами, иногда всего 100 мВ.
• Понижающие и повышающие преобразователи : Понижающие преобразователи (также называемые понижающими преобразователями) принимают более высокое входное напряжение и производят более низкое выходное напряжение. И наоборот, повышающие преобразователи (также называемые повышающими преобразователями) потребляют более низкое входное напряжение и производят более высокое выходное напряжение.
• Понижающе-повышающие преобразователи : Понижающе-повышающий преобразователь представляет собой одноступенчатый преобразователь, который сочетает в себе функции понижающего и повышающего преобразователя для регулирования выходного напряжения в широком диапазоне входных напряжений, которые могут быть больше или меньше выходного напряжения. Напряжение.

 

Управление регулятором напряжения

 

Четыре основных компонента линейного регулятора — проходной транзистор, усилитель ошибки, источник опорного напряжения и резисторная цепь обратной связи. Один из входов усилителя ошибки устанавливается двумя резисторами (R1 и R2) для контроля выходного напряжения в процентах. Другой вход представляет собой стабильное опорное напряжение (V _REF ). Если измеряемое выходное напряжение изменяется относительно V _REF , усилитель ошибки изменяет сопротивление проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (V _OUT ). Для работы линейных регуляторов обычно требуется только внешний входной и выходной конденсатор, что упрощает их реализацию.

С другой стороны, импульсный регулятор требует больше компонентов для создания цепи. Силовой каскад переключается между V _IN и землей для создания пакетов заряда для доставки на выход. Подобно линейному регулятору, имеется операционный усилитель, который считывает выходное напряжение постоянного тока из сети обратной связи и сравнивает его с внутренним опорным напряжением. Затем сигнал ошибки усиливается, компенсируется и фильтруется. Этот сигнал используется для модуляции рабочего цикла ШИМ, чтобы перевести выход в режим регулирования. Например, если ток нагрузки быстро увеличивается и вызывает падение выходного напряжения, контур управления увеличивает рабочий цикл ШИМ, чтобы обеспечить больший заряд нагрузки и вернуть шину в режим регулирования.

 

Применение линейных и импульсных регуляторов

 

Линейные регуляторы часто используются в приложениях, которые чувствительны к затратам, шумам, малым токам или занимают мало места. Некоторые примеры включают бытовую электронику, такую ​​как наушники, носимые устройства и устройства IoT. Например, в таких приложениях, как слух, можно использовать линейный регулятор, поскольку они не имеют переключающего элемента, который может создавать нежелательные шумы и мешать работе устройства.

Кроме того, если разработчики в основном заинтересованы в создании недорогого приложения, им не нужно так беспокоиться о рассеиваемой мощности, и они могут положиться на линейный регулятор.

Импульсные регуляторы выгодны для более общих приложений и особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и производительности, таких как потребительские, промышленные, корпоративные и автомобильные приложения. Например, если приложение требует большого понижающего решения, лучше подойдет импульсный регулятор, так как линейный регулятор может создавать рассеивание высокой мощности, которое может повредить другие электрические компоненты.

 

Основные параметры ИС регулятора напряжения

 

Некоторые из основных параметров, которые следует учитывать при использовании регулятора напряжения, — это входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток. Эти параметры используются для определения того, какая технология VR совместима с ИС пользователя.

Другие параметры, включая ток покоя, частоту коммутации, тепловое сопротивление и напряжение обратной связи, могут иметь значение в зависимости от применения.

Ток покоя важен, когда эффективность в режиме малой нагрузки или в режиме ожидания является приоритетом. При рассмотрении частоты коммутации в качестве параметра максимизация частоты коммутации приводит к меньшим системным решениям.

Кроме того, тепловое сопротивление имеет решающее значение для отвода тепла от устройства и рассеивания его по системе. Если в состав контроллера входит внутренний МОП-транзистор, то все потери (кондуктивные и динамические) рассеиваются в корпусе и должны учитываться при расчете максимальной температуры ИС.

Напряжение обратной связи — еще один важный параметр, который необходимо проверить, поскольку он определяет минимальное выходное напряжение, которое может поддерживать регулятор напряжения. Стандартно смотреть на опорные параметры напряжения. Это ограничивает более низкое выходное напряжение, точность которого влияет на точность регулирования выходного сигнала.

 

Как выбрать регулятор напряжения для вашей печатной платы?

 

Чтобы правильно выбрать регулятор напряжения, разработчик печатной платы должен сначала понять его ключевые параметры, такие как V _IN , V _OUT , I _OUT , приоритеты системы (например, эффективность, производительность и стоимость) и любые дополнительные ключевые функции, такие как индикация исправности (PG) или включение управления.

После того как разработчик определил эти требования, используйте таблицу параметрического поиска, чтобы найти лучшее устройство, отвечающее требуемым требованиям сборки печатной платы (PCB). Таблица поиска параметров является ценным инструментом для разработчиков, поскольку она предлагает различные функции и пакеты, доступные для соответствия требуемым параметрам ваших приложений.