מייצבי מתח ליניאריים - מטרה, פרמטרים בסיסיים ומעגלי מיתוג
אולי היום, שום לוח אלקטרוני לא יכול להסתדר בלי לפחות מקור אחד של מתח קבוע קבוע. ולעתים קרובות מאוד ווסתי מתח ליניאריים בצורת מיקרו-מעגלים משמשים כמקורות כאלה. בניגוד למיישר עם שנאי, בו המתח תלוי בצורה כזו או אחרת בזרם העומס ויכול להשתנות מעט מסיבות שונות, מיקרו-מעגל משולב - מייצב (רגולטור) מסוגל לספק מתח קבוע בטווח מוגדר במדויק של זרמי עומס .
מיקרו-מעגלים אלה בנויים על בסיס של טרנזיסטורים אפקט שדה או דו-קוטביים, הפועלים באופן רציף במצב פעיל. בנוסף לטרנזיסטור הוויסות, מותקן גם מעגל בקרה על גביש המיקרו-מעגל של המייצב הליניארי.
היסטורית, לפני שהתאפשר לייצר מייצבים כאלה בצורה של מעגלים מיקרו, הייתה שאלה של פתרון הבעיה של יציבות הטמפרטורה של פרמטרים, שכן עם חימום במהלך הפעולה, הפרמטרים של צמתים מיקרו-מעגלים ישתנו.
הפתרון הגיע ב-1967, כאשר מהנדס האלקטרוניקה האמריקאי רוברט וידלר הציע מעגל מייצב שבו טרנזיסטור ויסות יחובר בין מקור מתח כניסה לא מווסת לעומס, ומגבר שגיאה עם מתח ייחוס מפוצה בטמפרטורה מעגל הבקרה. כתוצאה מכך, הפופולריות של מייצבים משולבים ליניאריים בשוק קפצה במהירות.
בדוק את התמונה למטה. מוצג כאן דיאגרמה פשוטה של וסת מתח ליניארי (כגון LM310 או 142ENxx). בתכנית זו, מגבר תפעולי משוב מתח שלילי שאינו מתהפך, באמצעות זרם המוצא שלו, שולט במידת פתיחת הנעילה של הטרנזיסטור המווסת VT1, המחובר במעגל עם אספן משותף - עוקב פולט.
מגבר ההפעלה עצמו מופעל על ידי מקור הקלט בצורה של מתח חיובי חד קוטבי. ולמרות שהמתח השלילי לא מתאים לאספקה כאן, ניתן להכפיל את מתח האספקה של המגבר ללא בעיות, ללא חשש לעומס יתר או נזק.
המסקנה היא שהמשוב השלילי העמוק מנטרל את חוסר היציבות של מתח הכניסה, שערכו במעגל זה יכול להגיע ל-30 וולט. אז, מתחי מוצא קבועים נעים בין 1.2 ל-27 וולט, תלוי בדגם השבב.
למיקרו-מעגל המייצב יש באופן מסורתי שלושה פינים: קלט, משותף ופלט.האיור מציג מעגל טיפוסי של מגבר דיפרנציאלי כחלק ממעגל מיקרו להשגת מתח ייחוס דיודת זנר מופעלת.
בווסת מתח נמוך, התייחסות המתח מתקבלת בפער, כפי שהציע Widlar לראשונה בווסת המשולב הליניארי הראשון שלו, ה-LM109. מחלק מותקן במעגל המשוב השלילי של נגדים R1 ו-R2, שבפעולתו מתח המוצא מתברר כפשוט פרופורציונלי למתח הייחוס בהתאם לנוסחה Uout = Uvd (1 + R2 / R1).
הנגד R3 והטרנזיסטור VT2 המובנה במייצב משמשים להגבלת זרם המוצא, כך שאם המתח על הנגד מגביל הזרם עולה על 0.6 וולט, אזי הטרנזיסטור VT2 ייפתח מיד, מה שיגרום לזרם הבסיס של טרנזיסטור הבקרה הראשי VT1 להיות מוגבל. מתברר כי זרם המוצא במצב הפעולה הרגיל של המייצב מוגבל ל-0.6 / R3. ההספק שיפוזר על ידי הטרנזיסטור המווסת יהיה תלוי במתח הכניסה ויהיה שווה ל-0.6 (Uin - Uout) / R3.
אם מסיבה כלשהי מתרחש קצר חשמלי במוצא המייצב המשולב, אז אין להשאיר את הכוח המפוזר על גביש כמו קודם, פרופורציונלי להפרש המתח וביחס הפוך להתנגדות של הנגד R3. לכן, המעגל מכיל אלמנטים מגן - דיודת זנר VD2 ונגד R5, פעולתם קובעת את רמת ההגנה הנוכחית בהתאם להפרש במתח Uin -Uout.
בגרף לעיל, אתה יכול לראות כי זרם המוצא המרבי תלוי במתח המוצא, ולכן המיקרו-מעגל של המייצב הליניארי מוגן באופן אמין מעומס יתר.כאשר הפרש המתח Uin-Uout עולה על מתח הייצוב של דיודת הזנר VD2, המחלק של הנגדים R4 ו-R5 יצור מספיק זרם בבסיס הטרנזיסטור VT2 כדי לכבות אותו, מה שבתורו יגרום להגבלת זרם הבסיס. להגדלת טרנזיסטור הוויסות VT1.
הדגמים העדכניים ביותר של ווסתים ליניאריים, כגון ADP3303, מצוידים בהגנה מפני עומס יתר תרמית כאשר זרם המוצא יורד בחדות כאשר הגביש מחומם ל-165 מעלות צלזיוס. הקבל בתרשים לעיל נחוץ כדי להשוות את התדר.
אגב, לגבי הקבלים. נהוג לחבר קבלים בקיבולת מינימלית של 100 nf לכניסה וליציאה של המייצבים המשולבים כדי למנוע הפעלה כוזבת של המעגלים הפנימיים של המיקרו-מעגל. בינתיים, יש מה שנקרא מייצבים ללא cap, כמו REG103, עבורם אין צורך להתקין קבלים מייצבים בכניסה וביציאה.
בנוסף למייצבים ליניאריים בעלי מתח יציאה קבוע, ישנם גם מייצבים בעלי מתח יציאה מתכוונן לייצוב. בהם חסר המחלק של הנגדים R1 ו-R2 ובסיס הטרנזיסטור VT4 מובא אל רגל נפרדת של השבב לחיבור מחלק חיצוני כמו בשבב 142EN4.
למייצבים מודרניים יותר, שבהם צריכת הזרם של מעגל הבקרה מצטמצמת לכמה עשרות מיקרו-אמפר, כמו LM317, יש רק שלושה פינים.למען ההגינות, נציין כי כיום ישנם גם ווסתי מתח בעלי דיוק גבוה כגון TPS70151, אשר עקב הימצאותם של מספר פינים נוספים, מאפשרים להפעיל הגנה מפני נפילות מתח על חוטי החיבור, בקרת פריקת עומס וכו'. .
למעלה דיברנו על מייצבי מתח חיוביים, ביחס לחוט המשותף. תוכניות דומות משמשות גם לייצוב מתחים שליליים, זה מספיק רק כדי לבודד באופן גלווני את מתח המוצא של הקלט מהנקודה המשותפת. פין המוצא מחובר לאחר מכן לנקודת המוצא המשותפת, ונקודת המוצא השלילית תהיה נקודת הכניסה מינוס המחוברת לנקודה המשותפת של שבב המייצב. ווסתי מתח קוטביות שלילית כמו 1168ENxx הם מאוד נוחים.
אם יש צורך להשיג שני מתחים בבת אחת (קוטביות חיובית ושלילי), אז לשם כך ישנם מייצבים מיוחדים שנותנים מתח חיובי ושלילי מיוצב סימטרי בו זמנית, זה מספיק רק להפעיל מתחי כניסה חיוביים ושליליים לכניסות. דוגמה למייצב דו קוטבי כזה הוא ה-KR142EN6.
האיור שלמעלה הוא דיאגרמה פשוטה שלו. כאן, המגבר הדיפרנציאלי מס' 2 מניע את הטרנזיסטור VT2, כך שהשוויון -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop נצפה. ומגבר מס' 1 שולט בטרנזיסטור VT1 כך שהפוטנציאל בצומת הנגדים R2 ו-R4 נשאר אפס. אם באותו זמן הנגדים R2 ו-R4 שווים, אז מתח המוצא (חיובי ושלילי) יישאר סימטרי.
להתאמה עצמאית של האיזון בין שני מתחי מוצא (חיוביים ושליליים), ניתן לחבר נגדי חיתוך נוספים לפינים המיוחדים של המיקרו-מעגל.
נפילת המתח הקטנה ביותר האופיינית למעגלי הרגולציה הליניאריים לעיל היא 3 וולט. זה די הרבה עבור מכשירים המופעלים על ידי סוללה או סוללה, ובדרך כלל רצוי למזער את ירידת המתח. למטרה זו, טרנזיסטור הפלט עשוי מסוג pnp כך שזרם האספן של השלב הדיפרנציאלי הוא בו זמנית עם זרם הבסיס של טרנזיסטור הוויסות VT1. ירידת המתח המינימלית תהיה כעת בסדר גודל של 1 וולט.
ווסתי מתח שלילי פועלים באופן דומה עם צניחה מינימלית. לדוגמה, הרגולטורים מסדרת 1170ENxx הם בעלי מפל מתח של כ-0.6 וולט ואינם מתחממים יתר על המידה כאשר הם מיוצרים במארז TO-92 בזרמי עומס של עד 100 mA. המייצב עצמו צורך לא יותר מ-1.2 mA.
מייצבים כאלה מסווגים כצניחה נמוכה. נפילת מתח נמוכה עוד יותר מושגת ברגולטורים מבוססי MOSFET (כ-55 mV בצריכת זרם של שבב 1 mA) כמו שבב MAX8865.
חלק מדגמי המייצבים מצוידים בפיני כיבוי להפחתת צריכת החשמל של המכשירים במצב המתנה - כאשר מופעלת רמה לוגית על פין זה, צריכת המייצב מצטמצמת לכמעט אפס (קו LT176x).
אם מדברים על מייצבים ליניאריים אינטגרליים, הם מציינים את המאפיינים שלהם, כמו גם פרמטרים דינמיים ומדויקים.
פרמטרי הדיוק הם גורם ייצוב, דיוק הגדרת מתח המוצא, עכבת המוצא ומקדם טמפרטורת המתח. כל אחד מהפרמטרים הללו מופיע בתיעוד; הם קשורים לדיוק של מתח המוצא בהתאם למתח הכניסה והטמפרטורה הנוכחית של הגביש.
פרמטרים דינמיים כגון יחס דיכוי אדוות ועכבת מוצא נקבעים עבור תדרים שונים של זרם עומס ומתח כניסה.
מאפייני ביצועים כגון טווח מתח כניסה, מתח יציאה מדורג, זרם עומס מרבי, פיזור הספק מרבי, הפרש מתח כניסה ומוצא מרבי בזרם עומס מרבי, זרם ללא עומס, טווח טמפרטורת פעולה, כל הפרמטרים הללו משפיעים על הבחירה של אחד או המייצב השני למעגל מסוים.
להלן המעגלים האופייניים והפופולריים ביותר לכלול מייצבים ליניאריים:
אם יש צורך להגדיל את מתח המוצא של מייצב ליניארי עם מתח מוצא קבוע, מתווספת דיודת זנר בסדרה למסוף המשותף:
כדי למקסם את זרם המוצא המותר, טרנזיסטור חזק יותר מחובר במקביל למייצב, והופך את הטרנזיסטור המווסת בתוך המיקרו-מעגל לחלק של טרנזיסטור מורכב:
אם יש צורך לייצב את הזרם, מייצב המתח מופעל בהתאם לתכנית הבאה.
במקרה זה, ירידת המתח על פני הנגד תהיה שווה למתח הייצוב, מה שיוביל להפסדים משמעותיים אם מתח הייצוב גבוה.בהקשר זה, יהיה נכון יותר לבחור מייצב למתח המוצא הנמוך ביותר האפשרי, כמו KR142EN12 ל-1.2 וולט.