Linjär regulator

Blockschema för spänningsregulator i en elektronisk krets

Inom elektronik är en linjär regulator en spänningsregulator som används för att upprätthålla en jämn spänning. Regulatorns resistans varierar i enlighet med både ingångsspänningen och belastningen, vilket resulterar i en konstant utspänning. Reglerkretsen varierar sitt motstånd , justerar kontinuerligt ett spänningsdelarnätverk för att upprätthålla en konstant utspänning och försvinner kontinuerligt skillnaden mellan ingångsspänningen och den reglerade spänningen som spillvärme . Däremot använder en omkopplingsregulator en aktiv enhet som slår på och av (oscilerar) för att upprätthålla ett medelvärde för uteffekten. Eftersom den reglerade spänningen för en linjär regulator alltid måste vara lägre än ingångsspänningen, är effektiviteten begränsad och inspänningen måste vara tillräckligt hög för att alltid tillåta den aktiva enheten att tappa en del spänning.

Linjära regulatorer kan placera regleranordningen parallellt med lasten ( shuntregulator ) eller kan placera regleranordningen mellan källan och den reglerade lasten (en serieregulator). Enkla linjära regulatorer får bara innehålla så lite som en zenerdiod och ett seriemotstånd; mer komplicerade regulatorer inkluderar separata steg av spänningsreferens, felförstärkare och effektpasselement. Eftersom en linjär spänningsregulator är en vanlig del av många enheter, är IC:er för enkelchipsregulatorer mycket vanliga. Linjära regulatorer kan också bestå av sammansättningar av diskreta solid-state- eller vakuumrörkomponenter .

Trots sitt namn är linjära regulatorer icke-linjära kretsar eftersom de innehåller icke-linjära komponenter (som Zener-dioder, som visas nedan i den enkla shuntregulatorn ) och eftersom utspänningen är idealiskt konstant (och en krets med en konstant utgång som inte beror på dess ingång är en icke-linjär krets.)

Översikt

Transistorn (eller annan enhet) används som halvan av en spänningsdelare för att fastställa den reglerade utspänningen. Utspänningen jämförs med en referensspänning för att producera en styrsignal till transistorn som kommer att driva dess gate eller bas. Med negativ återkoppling och bra val av kompensation hålls utspänningen någorlunda konstant. Linjära regulatorer är ofta ineffektiva: eftersom transistorn fungerar som ett motstånd kommer den att slösa bort elektrisk energi genom att omvandla den till värme. Faktum är att effektförlusten på grund av uppvärmning i transistorn är strömmen multiplicerad med spänningsskillnaden mellan ingångs- och utspänning. Samma funktion kan ofta utföras mycket mer effektivt av en switchad strömförsörjning , men en linjär regulator kan vara att föredra för lätta belastningar eller där den önskade utspänningen närmar sig källspänningen. I dessa fall kan den linjära regulatorn avleda mindre effekt än en switcher. Den linjära regulatorn har också fördelen att den inte kräver magnetiska enheter (induktorer eller transformatorer) som kan vara relativt dyra eller skrymmande, ofta av enklare design och orsaka mindre elektromagnetiska störningar . Vissa konstruktioner av linjära regulatorer använder endast transistorer, dioder och resistorer, som är lättare att tillverka till en integrerad krets, vilket ytterligare minskar deras vikt, fotavtryck på ett PCB och pris.

Alla linjära regulatorer kräver en ingångsspänning som är åtminstone något minimum högre än den önskade utspänningen. Det minsta beloppet kallas bortfallsspänningen . Till exempel har en vanlig regulator som 7805 en utgångsspänning på 5 V, men kan bara bibehålla denna om inspänningen förblir över cirka 7 V, innan utgångsspänningen börjar sjunka under märkutgången. Dess bortfallsspänning är därför 7 V − 5 V = 2 V. När matningsspänningen är mindre än cirka 2 V över den önskade utspänningen, vilket är fallet i lågspänningsmikroprocessorströmförsörjning, så kallade low dropout- regulatorer (LDOs ). ) måste användas.

När den utgående reglerade spänningen måste vara högre än den tillgängliga inspänningen kommer ingen linjär regulator att fungera (inte ens en Low dropout-regulator) . I denna situation måste en boost-omvandlare eller en laddningspump användas. De flesta linjära regulatorer kommer att fortsätta att tillhandahålla viss utspänning ungefär som bortfallsspänningen under ingångsspänningen för ingångar under den nominella utspänningen tills inspänningen sjunker avsevärt.

Linjära regulatorer finns i två grundläggande former: shuntregulatorer och serieregulatorer. De flesta linjära regulatorer har en maximal märkutgångsström. Detta begränsas i allmänhet antingen av effektförlustförmågan eller av utgångstransistorns strömförande förmåga.

Shuntregulatorer

Shuntregulatorn fungerar genom att tillhandahålla en väg från matningsspänningen till jord genom ett variabelt motstånd (huvudtransistorn är i den "nedre halvan" av spänningsdelaren). Strömmen genom shuntregulatorn avleds bort från lasten och flödar direkt till marken, vilket gör denna form vanligtvis mindre effektiv än serieregulatorn. Den är dock enklare och består ibland bara av en spänningsreferensdiod och används i kretsar med mycket låg effekt där den förlorade strömmen är för liten för att vara oroande. Denna form är mycket vanlig för spänningsreferenskretsar. En shuntregulator kan vanligtvis bara sänka (absorbera) ström.

Serie regulatorer

Serieregulatorer är den vanligaste formen; de är effektivare än shuntdesigner. Serieregulatorn fungerar genom att tillhandahålla en väg från matningsspänningen till lasten genom ett variabelt motstånd, vanligtvis en transistor (i denna roll kallas det vanligtvis seriepasstransistorn ) ; den är i den "övre halvan" av spänningsdelaren - den nedre halvan är belastningen. Effekten som förbrukas av regleranordningen är lika med strömförsörjningens utström gånger spänningsfallet i regleranordningen. För effektivitet och minskad påfrestning på passtransistorn försöker konstruktörer att minimera spänningsfallet men inte alla kretsar reglerar väl när den ingående (oreglerade) spänningen kommer nära den erforderliga utspänningen; de som gör det kallas Low Dropout- regulatorer, A-serieregulatorer kan vanligtvis bara generera (mata) ström, till skillnad från shuntregulatorer.

Enkel shuntregulator

Enkel shuntspänningsregulator

Bilden visar en enkel shuntspänningsregulator som fungerar genom att Zenerdioden håller en konstant spänning över sig själv när strömmen genom den är tillräcklig för att ta den in i Zener-nedbrytningsområdet . Motståndet R ₁ levererar Zenerströmmen $I_{\mathrm {Z} }$ såväl som belastningsströmmen I _R2 ( R ₂ är belastningen). R ₁ kan beräknas som $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{ \mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ , där $V_{\mathrm {Z} }$ är Zener-spänningen, och I _R2 är den erforderliga belastningsströmmen.

Denna regulator används för mycket enkla applikationer med låg effekt där de inblandade strömmarna är mycket små och belastningen är permanent ansluten över Zener-dioden (som spänningsreferens eller spänningskällkretsar ). När R _{1 väl} har beräknats, kommer att ta bort R ₂ att tillåta full belastningsström (plus Zener-strömmen) genom dioden och kan överskrida diodens maximala strömstyrka och därigenom skada den. Regleringen av denna krets är inte heller särskilt bra eftersom Zenerströmmen (och därmed Zenerspänningen) kommer att variera beroende på $V_{\mathrm {S} }$ och omvänt beroende på belastningsströmmen. I vissa konstruktioner kan Zener-dioden ersättas med en annan liknande fungerande enhet, speciellt i ett scenario med ultralåg spänning, som (under förspänning framåt) flera normala dioder eller lysdioder i serie.

Enkel serieregulator

Enkel seriespänningsregulator

Att lägga till ett emitterföljarsteg till den enkla shuntregulatorn bildar en enkel seriespänningsregulator och förbättrar avsevärt regleringen av kretsen. Här tillförs belastningsströmmen I _R2 av transistorn vars bas nu är ansluten till Zenerdioden. Transistorns basström (IB ₎ bildar således belastningsströmmen för Zenerdioden och är mycket mindre än strömmen genom R ₂ . Denna regulator klassificeras som "serie" eftersom reglerelementet, nämligen transistorn, uppträder i serie med lasten. R ₁ ställer in Zener-strömmen (I _Z ) och bestäms som ${\displaystyle R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\ mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}} där V Z är Zenerspänningen, I B är transistorns$ basström _, K ₌ 1,2 till 2 (för att säkerställa att R ₁ är tillräckligt låg för adekvat _IB ) och $I_{\mathrm {B} }={\frac {I_{\ mathrm {R2} }}{h_{\mathrm {FE(min)} }}}$ där, I _R2 är den erforderliga belastningsströmmen och är även transistorns emitterström (antas vara lika med kollektorströmmen) och h _{FE (min)} är den minsta acceptabla DC-strömförstärkningen för transistorn.

Denna krets har mycket bättre reglering än den enkla shuntregulatorn, eftersom basströmmen i transistorn bildar en mycket lätt belastning på Zenern och därigenom minimerar variationen i Zenerspänningen på grund av variation i lasten. Observera att utspänningen alltid kommer att vara cirka 0,65 V mindre än Zenern på grund av transistorns VBE - _fall . Även om denna krets har bra reglering är den fortfarande känslig för belastningen och utbudsvariationerna. Detta kan lösas genom att införliva negativ återkopplingskretsar i den. Denna regulator används ofta som en "förregulator" i mer avancerade seriespänningsregulatorkretsar.

Kretsen görs lätt justerbar genom att lägga till en potentiometer över Zenern, flytta transistorbasanslutningen från toppen av Zenern till potttorkaren. Den kan göras stegjusterbar genom att växla in olika zener. Slutligen görs den ibland mikrojusterbar genom att lägga till en pott med lågt värde i serie med Zenern; detta tillåter lite spänningsjustering, men försämrar regleringen (se även kapacitansmultiplikator ) .

Fasta regulatorer

Ett sortiment av 78xx -serien IC

"Fasta" linjära regulatorer med tre terminaler är vanligtvis tillgängliga för att generera fasta spänningar på +3,3 V och plus eller minus 5 V, 6 V, 9 V, 12 V eller 15 V, när belastningen är mindre än 1,5 A .

" 78xx "-serien (7805, 7812, etc.) reglerar positiva spänningar medan " 79xx "-serien (7905, 7912, etc.) reglerar negativa spänningar. Ofta är de två sista siffrorna i enhetsnumret utspänningen (t.ex. en 7805 är en +5 V regulator, medan en 7915 är en −15 V regulator). Det finns varianter på 78xx-seriens IC:er, som 78L och 78S, av vilka några kan leverera upp till 2 A.

Justering av fasta regulatorer

Genom att lägga till ytterligare ett kretselement till en IC-regulator med fast spänning är det möjligt att justera utspänningen. Två exempelmetoder är:

En zenerdiod eller resistor kan läggas till mellan IC:ns jordterminal och jord. Motstånd är acceptabla där jordströmmen är konstant, men lämpar sig dåligt för regulatorer med varierande jordström. Genom att koppla in olika zenerdioder, dioder eller resistorer kan utspänningen justeras stegvis.
En potentiometer kan placeras i serie med jordterminalen för att öka utspänningen variabelt. Denna metod försämrar dock regleringen och är inte lämplig för regulatorer med varierande jordström.

Varierande regulatorer

En justerbar regulator genererar en fast låg nominell spänning mellan dess utgång och dess justeringsterminal (motsvarande jordterminalen i en fast regulator). Denna familj av enheter inkluderar lågeffektsenheter som LM723 och medelstora enheter som LM317 och L200 . Några av de variabla regulatorerna finns i paket med fler än tre stift, inklusive dubbla in-line-paket . De erbjuder möjligheten att justera utspänningen genom att använda externa motstånd med specifika värden.

Justerbar spänningsregulatorkrets som visar "justera" terminal

För utgångsspänningar som inte tillhandahålls av fasta standardregulatorer och belastningsströmmar på mindre än 7 A, kan allmänt tillgängliga justerbara linjära regulatorer med tre poler användas. LM317 - serien (+1,25 V) reglerar positiva spänningar medan LM337 -serien (−1,25 V) reglerar negativa spänningar. Justeringen utförs genom att konstruera en potentialdelare med dess ändar mellan regulatorns utgång och jord, och dess mittkran ansluten till regulatorns "justerings"-terminal. Förhållandet mellan resistanser bestämmer utspänningen genom att använda samma återkopplingsmekanismer som beskrivits tidigare.

Enkel IC dubbelspårningsjusterbara regulatorer finns tillgängliga för applikationer som op-amp-kretsar som behöver matchade positiva och negativa DC-matningar. Vissa har också valbar strömbegränsning. Vissa regulatorer kräver en minimal belastning. ^{[ citat behövs ]}

Skydd

Linjära IC-spänningsregulatorer kan inkludera en mängd olika skyddsmetoder:

Strömbegränsning såsom konstantströmbegränsning eller foldback
Termisk avstängning
Säkert driftområdesskydd

Ibland används yttre skydd, som kofotsskydd .

Använder en linjär regulator

Linjära regulatorer kan konstrueras med användning av diskreta komponenter men förekommer vanligtvis i integrerade kretsformer . De vanligaste linjära regulatorerna är integrerade kretsar med tre terminaler i TO-220- paketet.

Vanliga spänningsregulatorer är LM 78xx -serien (för positiva spänningar) och LM79xx-serien (för negativa spänningar). Robusta spänningsregulatorer för bilar, såsom LM2940 / MIC2940A / AZ2940, kan hantera omvända batterianslutningar och korta +50/-50V transienter också. Vissa Low-Dropout Regulator) , som MCP1700 / MCP1711 / TPS7A05 / XC6206, har en mycket låg viloström på mindre än 5 µA (ungefär 1 000 gånger mindre än LM78xx-serien) vilket gör dem bättre lämpade för batteridrivna enheter .

CMOS- logikkretsar med låg spänning ), 5 V (för logiska transistor-transistorkretsar ) och 12 V (för kommunikationskretsar och kringutrustning såsom diskenheter ).

I fasta spänningsregulatorer är referensstiftet bundet till jord , medan i variabla regulatorer är referensstiftet anslutet till mittpunkten av en fast eller variabel spänningsdelare som matas av regulatorns utgång. En variabel spänningsdelare såsom en potentiometer låter användaren justera den reglerade spänningen.

Se även

externa länkar

ECE 327: Procedurer för spänningsregulatorer Lab — Ger scheman, förklaringar och analyser för Zener-shuntregulator, serieregulator, återkopplingsserieregulator, återkopplingsserieregulator med strömbegränsning och återkopplingsserieregulator med strömfällbar. Diskuterar också korrekt användning av LM317 integrerade kretsbandgap spänningsreferens och bypass kondensatorer .
ECE 327: Report Strategies for Voltage Regulators Lab — Ger mer detaljerad kvantitativ analys av beteendet hos flera shunt- och serieregulatorer inom och utanför normala driftsområden.
ECE 327: LM317 Bandgap Voltage Reference Exempel — Kort förklaring av den temperaturoberoende bandgap-referenskretsen inom LM317.
"Zener regulator" på Hyperphysics