Содержание

Что такое линейный стабилизатор напряжения?

Добавлено 15 февраля 2020 в 22:04

Сохранить или поделиться

Рассмотрим основы линейных стабилизаторов напряжения в этом кратком учебном обзоре.

Электронные системы обычно получают напряжение питания, превышающее напряжение, которое требуется для схемы системы. Например, батарея 9 В может использоваться для питания усилителя, которому требуется напряжение в диапазоне от 0 до 5 В, или две последовательно соединенные батареи по 1,5 В могут обеспечивать питание для цепи, которая включает в себя цифровую логику с уровнями 1,8 В. В таких случаях нам необходимо отрегулировать подаваемое питания, используя компонент, который принимает более высокое напряжение и выдает более низкое напряжение.

Одним из наиболее распространенных способов достижения такого типа регулирования является использование линейного стабилизатора напряжения.

Рисунок 1 – Схема линейного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением

Как работает линейный стабилизатор напряжения?

Линейные стабилизаторы напряжения, также называемые LDO (low-dropout linear regulator) или линейными стабилизаторами с малым падением напряжения, используют транзистор, управляемый цепью отрицательной обратной связи, для создания заданного выходного напряжения, которое остается стабильным, несмотря на изменения тока нагрузки и входного напряжения.

Базовый линейный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением представляет собой трехвыводное устройство, как показано на схеме выше. Некоторые линейные стабилизаторы позволяют регулировать выходное напряжение с помощью внешнего резистора.

Недостатки линейных регуляторов напряжения

Серьезным недостатком линейных стабилизаторов является их низкая эффективность во многих применениях. Транзистор внутри стабилизатора, который подключен между входном и выходным выводами, работает как переменное последовательное сопротивление; таким образом, высокая разность входного и выходного напряжений в сочетании с высоким током нагрузки приводят к значительному рассеиванию мощности. Ток, необходимый для работы внутренней схемы регулятора, обозначенный на схеме IGND, также способствует увеличению итогового рассеивания мощности.

Возможно, наиболее вероятный режим отказа в схемы линейного стабилизатора обусловлен еще и тепловыми, а не только электрическими факторами. Мощность, рассеиваемая микросхемой стабилизатора, приведет к повышению температуры компонентов, и без соответствующих путей, позволяющих отводить тепло от стабилизатора, температура в конечном итоге может стать достаточно высокой, чтобы серьезно ухудшить его рабочие характеристики или вызвать отключение при перегреве. Эта важная тема освещена в статье о тепловом проектировании для линейных стабилизаторов.

Применение линейных стабилизаторов напряжения

Хотя линейные стабилизаторы обычно уступают по эффективности импульсным стабилизаторам, они всё ещё широко используются по нескольким причинам. Основными преимуществами являются простота использования, низкий уровень шума на выходе и низкая стоимость. Единственными внешними компонентами, которые требуются большинству линейных стабилизаторов, являются входной и выходной конденсаторы, а требования к их емкости достаточно гибкие, чтобы сделать задачу проектирования очень простой.

Заключение

Данная статья предназначена для быстрого получения информации. Что нужно знать о линейных стабилизаторах напряжения? Дайте нам знать в комментариях ниже.

Оригинал статьи:

Теги

LDO (low-dropout linear regulator) / Линейный стабилизатор с малым падением напряженияЛинейный стабилизаторЛинейный стабилизатор напряженияОбучениеСтабилизатор напряжения

Сохранить или поделиться

Линейный стабилизатор напряжения | Volt-info

Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

X1 и X2 – клеммы входа, на которые может быть подано нестабилизированное напряжение. Если к выходным клеммам X3-X4 не подключена нагрузка, то при увеличении входного напряжения до значения напряжения стабилизации стабилитрона VD1, с выхода мы можем снять то же самое напряжение.

После достижения напряжения стабилизации наступает обратимый пробой p-n перехода стабилитрона, при котором через стабилитрон начинает протекать ток, а часть избыточного напряжения падает на балластном сопротивлении.

У этой схемы есть несколько значительных недостатков. Необходимость наличия в схеме балластного сопротивления приводит к увеличению потерь энергии и не позволяет питать значительную нагрузку, сопротивление которой соизмеримо с балластным. При переменной нагрузке и незначительной разнице входного и стабилизированного напряжения могут быть провалы выходного напряжения в моменты увеличения нагрузки.

Для питания таким стабилизатором более мощного потребителя, необходимо уменьшать сопротивление балласта, что в свою очередь потребует увеличения допустимой рассеиваемой мощности стабилитрона, но это приведёт к ещё большим потерям энергии. Именно по этой причине данная схема не получила широкого распространения в качестве стабилизатора питания для нагрузки примерно большей 1 Вт.

Не смотря на указанные недостатки, рассмотренная схема оказалась вполне пригодна в качестве источника опорного напряжения.

Представьте, что у нас есть генератор, напряжение на клеммах которого может изменяться в значительных пределах, например, автогенератор, генератор ветряка или даже фотоэлектрическая панель (солнечная батарея). Если этот источник питания не имеет собственной схемы стабилизации выходного напряжения, то при сильном ветре, или увеличении яркости солнечного потока, мы рискуем спалить подключенную к нему нагрузку, например, радиоприёмник или лампочку. Чтобы этого не произошло, можно собрать нехитрую схему стабилизации, рисунок 2.

Рисунок 2. Схема стабилизации напряжения на одном транзисторе.

 Здесь Г1, это применяемый нами в качестве источника питания генератор переменного тока. На диодах DV1-DV4 собрана схема двухполупериодного выпрямителя.

Конденсатор C1 сглаживает пульсации, которые вызваны синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения.

При увеличении напряжения на входных клеммах X1-X2 через балластный резистор и базу транзистора VT1 начинает протекать ток базы, через коллектор-эмиттер и сопротивление нагрузки начинает протекать ток нагрузки. Вспомнив принцип работы биполярного транзистора, увидим, что на эмиттере он всегда будет стараться поддерживать тоже напряжение, которое будет подаваться на базу. Как только напряжение на базе транзистора достигнет значения напряжения стабилизации стабилитрона, оно прекратит увеличиваться независимо от увеличения входного напряжения. Так транзистор будет автоматически изменять сопротивление коллектор-эмиттерного перехода, стабилизируя напряжение на уровне опорного базового, которое будет обеспечивать стабилитрон.

По сути, эта схема является делителем напряжения, верхнее плечо которого образовано переходом транзистора, а нижнее – нагрузкой. Этот принцип регулирования напряжения накладывает некоторые ограничения.

Чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем большую мощность должен рассеивать транзистор. Это значительно снижает КПД стабилизатора и требует использовать более мощный транзистор, устанавливая его на радиатор.

Тем не менее, такой стабилизатор оказывается весьма эффективен, когда выходное напряжение незначительно отличается от входного. Он прекрасно справляется с кратковременными перенапряжениями сети, а также с импульсными помехами, приходящими по сети во время грозовой активности, или при работе в той же сети мощных импульсных преобразовательных устройств. Для этого параллельно стабилитрону нужно добавить конденсатор небольшой ёмкости, который будет шунтировать импульс помехи, приходящий на базу.

Схема на транзисторе более эффективна по сравнению со стабилитронной, но тоже имеет ограничение по мощности подключаемой нагрузки. Наиболее эффективно с этой задачей справляются стабилизаторы на основе импульсных преобразователей, но это тема уже для другого разговора.

LDO-стабилизаторы напряжения

Тип Краткое описание I вых. А U пд. мин., В U вх., В U вых., В Рабочая t,
°С
Рекомендуемый
корпус
29T50K/51K
LDO стабилизатор напряжения с быстрым включением
0.1
0.48
30
1.5-5.0
-40 +125
TO-92, SOP-8
2905K LDO стабилизатор напряжения с защитой от перенапряжения по входу
0. 05  
0.5
-12÷+30  
3.5
-40 +125
TO-92
MIC5213K LDO стабилизатор напряжения
0.08
0.3
-20÷+16
2.5÷5.0
-40 +125
SC-70-5
LP2950K/51K LDO стабилизатор напряжения 0.1
0.38
30
1.5÷5.0
-55 +125
TO-92, DIP-8, SOP-8
LP2950MK
LDO стабилизатор напряжения
0. 1
0.38
30
1.5÷5.0
-40 +125
TO-92
78L05MK
Стабилизатор положительного напряжения
0.1
0.17
40
5.0÷24
-40 +125
SOT-92
5205MK Малошумящий LDO стабилизатор напряжения
0.15
0.165
-20÷+16
1.5÷12
-40 +125 
SOT-23-5
2985K
LDO стабилизатор напряжения
0. 15
0.2
16
2.5÷6.1
-40 +125
SOT-23-5
L48K LDO стабилизатор напряжения 0.4 0.42 -20÷+26 2.0÷15 -55 +125 TO-220
4275K LDO стабилизатор напряжения 0.45 0.25  -42÷+45 5.0  -40 +150 TO-220, TO-263, TO-252
1117M3K  LDO стабилизатор положительного напряжения 1. 0 1.2 20 1.2÷5.0, регулируемое
-40 +125 SOT-223, TO-252, TO-220, TO-263, SOT-89
MIC2940K Линейный LDO стабилизатор напряжения с высокой точностью 1.0   0.4 -20÷+26 1.5÷5.0; регулируемое -40 +125 TO-220, TO-263
HV2940 Линейный LDO стабилизатор напряжения с высокой точностью 1.0 
0. 4
-20÷+60
1.5÷5.0; регулируемое  
-40 +125
TO-220, TO-263
2954K Линейный LDO 0.25 0.06 ÷0.47
-20÷+30
2.5; 3.3; 5.0
-40 +125
TO-220, TO-263, TO-92
9076K LDO стабилизатор
0.15
0.2
5.35÷40
3.3; 5.0
-40 +125
SO8; TO-263
MIC3910xMK LDO стабилизатор напряжения 1. 0 0.41 -20÷+16 1.5÷5.0; регулируемое -40 +125 SOT-223, SOP-8
1086M1 LDO стабилизатор положительного напряжения 1.5 1.3 15 1.5÷5.0; регулируемое -40 +125 SOT223, TO252
2915xMK LDO стабилизатор напряжения 1.5 0.35 -20÷+26   1. 5÷5.0;
регулируемое
-40 +125 TO-220, TO-263
78xxM1K Стабилизатор положительного напряжения 1.5   2.0  35÷40  5.0÷24 0 +125   ТО-220, ТО-263
317MK   Регулируемый стабилизатор положительного напряжения 1.5   2.0   40 1.2÷37 0 +125 ТО-220
1085M1K LDO стабилизатор положительного напряжения 3. 0 1.3 15 1.5÷5.0;
регулируемое
-40 +125 TO-220, TO-263, TO-252   
3930xMK LDO стабилизатор напряжения 3.0 0.385 -20÷+16 1.5÷5.0;
регулируемое
-40 +125   TO-220, TO-263  
AMS1084MMK LDO стабилизатор положительного напряжения 5. 0 1.3 15   1.5÷5.0;
регулируемое
-40 +125 TO-220, TO-263, TO-252  
MIC3950xM LDO стабилизатор напряжения 5.0 0.4 -20÷+16 1.8÷5.0;
регулируемое
-40 +125 TO-220, TO-263  

Как работает стабилизатор напряжения - принцип действия

Стабилизатором напряжения называется устройство, к которому подключается напряжение на его вход, с неустойчивыми и нестабильными свойствами для нормальной работы потребителей. На выходе прибора напряжение имеет необходимые качества и свойства, способствующие нормальному функционированию нагрузки потребителей.

Стабилизаторы постоянного тока

Питание сети постоянного тока требует выравнивания при входном напряжении ниже или выше допустимого предела. При протекании тока по стабилизатору, оно выравнивается до необходимой величины. Также схему стабилизатора можно выполнить со сменой полярности питания.

Линейные

Такой прибор является делителем, на который поступает нестабильное напряжение, а на его выходе напряжение выравнивается и имеет необходимые свойства. Его принцип действия состоит в постоянном изменении значения сопротивления для создания выровненного питания на выходе.

Достоинства:

  • При эксплуатации отсутствуют помехи.
  • Простое устройство с малым числом деталей.

Недостатки:

  • При значительной разнице выходящего и входящего питания линейный стабилизатор показывает малый КПД, так как значительная часть производимой мощности переходит в тепло и расходится на сопротивлении.

Параметрический

Такое исполнение прибора с контрольным элементом, подключенным параллельно нагрузке, выполнено на полупроводниковых и газоразрядных стабилитронах.

По стабилитрону проходит ток, который выше в десять раз тока на резисторе. Поэтому такая схема подходит для стабилизации питания только в маломощных устройствах. Чаще всего его применяют в качестве составного компонента преобразователей тока со сложной конструкцией.

Последовательный

Работа прибора видна на изображенной схеме.

Эта схема соединяет два компонента:

  1. Биполярный транзистор, повышающий ток. Он является эмиттерным повторителем.
  2. Параметрический стабилизатор, рассмотренный выше.

Выходное напряжение не зависит от проходящего по стабилитрону тока. Однако оно зависит от вида вещества полупроводника. По причине сравнительной независимости этих величин выходное напряжение получается устойчивым.

При протекании по транзистору напряжение на выходе прибора повышается. При применении одного транзистора напряжение может не удовлетворить потребителя. В этом случае выполняют прибор из нескольких транзисторов, чтобы повысить ток до необходимой величины.

Компенсационный последовательный

Компенсационный последовательный стабилизатор имеет обратную связь. В нем выходное напряжение сравнивается с эталоном. Разница между ними нужна для создания сигнала устройству, контролирующему напряжение.

С сопротивления снимается некоторое количество выходного напряжения, сравнивающееся с основным значением стабилитрона. Эта разница поступает на усилитель и подается на транзистор.

Устойчивое функционирование создается при сдвиге фаз. Так как часть напряжения на выходе поступает на усилитель, то оно сдвигает фазу на угол 180 градусов. Транзистор, подключенный по типу усилителя, фазы не сдвигает, и петлевой сдвиг равен 180 градусов.

Импульсные

Электрический ток, обладающий неустойчивыми свойствами, с помощью коротких импульсов поступает на устройство накопления стабилизатора, которым является конденсатор или катушка.

Накопленная энергия далее выходит на потребитель с другими свойствами. Есть два способа стабилизации:

  1. Управление длиной импульсов.
  2. Сравнение выходного напряжения с наименьшим значением.

Импульсный стабилизатор может изменять напряжение с разными результатами. Их делят на виды:

  • Инвертирующий.
  • Повышающе-понижающий.
  • Повышающий.
  • Понижающий.

Достоинства:

  • Малая потеря энергии.

Недостатки:

  • Помехи в виде импульсов на выходе.

Стабилизаторы переменного напряжения

Такие приборы предназначены для выравнивания переменного напряжения независимо от его параметров входа. Выходное напряжение должно быть в виде идеальной синусоиды, независимо от входных дефектов питания. Различают несколько видов стабилизаторов

Накопители

Это стабилизаторы, накапливающие энергию от входного источника, а далее энергия создается снова, однако уже с постоянными параметрами.

Двигатель-генератор

Принцип работы стабилизатора напряжения такого типа состоит в изменении электроэнергии в кинетический вид, применяя электродвигатель. Далее генератор снова производит обратное изменение, уже с постоянными параметрами.

Основным компонентом системы является маховик, накапливающий энергию и выравнивающий напряжение. Он соединен с подвижными элементами генератора и двигателя, имеет большую массу, инерцию, которая сохраняет быстродействие. Так как скорость маховика постоянная, то напряжение также будет постоянным, даже при малых перепадах напряжения на входе.

Феррорезонансный

Прибор состоит:

  • Конденсатор.
  • Катушка с ненасыщенным сердечником.
  • Катушка индуктивности с насыщенным сердечником.

К катушке с сердечником насыщенным приложено постоянное напряжение, и не зависит от тока, поэтому можно подобрать данные второй катушки и емкости для стабилизации питания в необходимых пределах.

Работа такого устройства сравнивается с качелями. Их трудно сразу остановить, или сделать скорость качания выше. Качели также не нужно постоянно подталкивать, так как инерция делает свое дело. Поэтому могут быть значительные падения и обрыв питания.

Инверторный

Схема такого прибора состоит:

  • Преобразователь напряжения.
  • Микроконтроллер.
  • Емкость.
  • Выпрямитель с регулятором мощности.
  • Фильтры входа.

Принцип работы инверторного стабилизатора заключается в протекании 2-х процессов:

  1. Вначале входное переменное напряжение изменяется в постоянное при прохождении по выпрямителю и корректору. При этом электроэнергия накапливается в емкостях.
  2. Далее постоянное напряжение изменяется в переменное на выходе. Из емкости ток течет к инвертору, трансформирующему ток в переменный с постоянными данными.

Корректирующие

  • Электромагнитный, который имеет отличие от феррорезонансного отсутствием емкости, и пониженной мощностью.
  • Электромеханический и электродинамический.
  • Релейный.

Линейные стабилизаторы напряжения с высоким КПД

Основным недостатком линейных стабилизаторов средней и большой мощности является их низкий КПД. Причем, чем меньше выходное напряжение источника питания, тем меньше становится его КПД.

Это объясняется тем, что в режиме стабилизации силовой транзистор источника питания обычно включен последовательно с нагрузкой, а для нормальной работы такого стабилизатора на регулирующем транзисторе должно действовать напряжение коллектор-эмиттер не менее 3...5 В.

При токах более I А это дает значительные потери мощности за счет выделения тепловой энергии, рассеиваемой на силовом транзисторе.

Что приводит к нсобходимости увеличивать площадь теплоотводящего радиатора или применять вентилятор для принудительного охлаждения Широко распространенные благодаря низкой стоимости интегральные линейные стабилизаторы напряжения на микросхемах из серии 142ЕН(5...14) обладают таким же недостатком.

В последнее время в продаже появились импортные микросхемы из серии LOW DROP (SD, DV, LT1083/1084/1085). Эти микросхемы могут работать при пониженном напряжении между входом и выходом (до I...1,3 В) и обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение в диапазоне 1,25...30 В при токе в нагрузке 7,5 А, 5 А и 3 А, соответственно. Ближайший по параметрам отечественный аналог типа КР142ЕН22 имеет максимальный ток стабилизации 5 А.

При максимальном выходном токе режим стабилизации гарантируется производителем при напряжении вход-выход не менее 1,5 В. Микросхемы также имеют встроенную защиту от превышения тока в нагрузке допустимой величины и тепловую защиту от перегрева корпуса.

Данные стабилизаторы обеспечивают нестабильность выходного напряжения 0,05%/В, нестабильность выходного напряжения при изменении выходного тока от 10 мА до максимального значения не хуже 0,1 %/В.

Типовая схема включения таких стабилизаторов напряжения приведена на рис. 3.18. Конденсаторы С2...С4 должны располагаться вблизи от микросхемы и лучше, если они будут танталовые.

Емкость конденсатора С1 выбирается из условия 2000 мкФ на 1 А потребляемого тока. Микросхемы выпускаются в трех видах конструктивного исполнения корпуса, показанных на рис. 3.19.

Вид корпуса задается последними буквами в обозначении. Более подробная информация по данным микросхемам имеется в справочной литературе. Такие стабилизаторы напряжения экономически целесообразно применять при токе в нагрузке более 1 А, а также в случае недостатка места в конструкции.

1. Линейные стабилизаторы напряжения. Параметрический стабилизатор.

Схема представляет делитель напряжения, состоящий из резистора R0 и стабилитрона VD. Нагрузочный резистор Rн включен параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение стабилитрона почти постоянно, постоянным будет и напряжение на нагрузке.

Нагрузочная характеристика линейной подсхемы представляет прямую, проходящую через точки, соответствующие режимам холостого хода Uxx = βUвx и короткого замыкания Iкз = Uвх / R0 . Здесь β = Rн /( R0 + Rн ).

В параметрических стабилизаторах напряжения в качестве

регулирующих используют нелинейные элементы, имеющие участок ВАХ, на

котором напряжение остается неизменным при изменении тока. Такой участок

имеет обратная ветвь ВАХ стабилитрона.

Для поддержания режима стабилизации сопротивление R0

Коэффициент стабилизации определяется по формуле

Плюсы: простота и надежность, ток до неск. десятков миллиампер Минусы: КПД не более 50%, узкий диапазон напряжения.

2. Линейные стабилизаторы напряжения. Компенсационный стабилизатор.

Схема работает следующим образом. Предположим, что по каким-

либо причинам выходного напряжение стабилизатора U2 уменьшилось. При этом сигнал ошибки, равный разности напряжения на стабилитроне VD1 и на выходе делителя напряжения R1 – R2 увеличится. Это приведет к увеличению тока базы. Увеличится и ток эмиттера регулирующего транзистора до величины, при которой выходное напряжение примет первоначальное значение.

Расчет стабилизатора выполняется в следующем порядке. 1. Определяем минимальное входное напряжение с помощью соотношения

2. По заданным значениям Uвыхmaх , Uвыхmin , I нma выбираем тип транзистора, реализующего регулирующий элемент (РЭ).

3. Выбираем стабилитрон из условия Uст =Uвыхmin –(2 ÷3 )В.

4. Рассчитываем сопротивление резистора R0 по формуле R0 = (2 ÷3 )/Iстmin. Здесь Iстmin – минимальный ток стабилитрона, мА. 5. Рассчитываем суммарное сопротивление делителя напряжения из условия, что ток делителя должен составлять в номинальном режиме 5 – 10 мА. Сопротивления резисторов делителя определяются выражениями RΣ = R1 + R2 ;

3. Линейные стабилизаторы напряжения. Интегральные стабилизаторы.

Простые стабилизаторы выполнены в виде законченных устройств(вход-выход-земля). Они обычно бывают на 5-24В с током до 1А. А интегральные стабилизаторы имеют встроенные механизмы ограничения выходного тока и защиту от перегрева. Упрощенная схема ИС: VD1 – источник опорного напряжения

VT1+VT2 – усилитель ошибки (дифусилитель на транзисторах)

VT4+VT5 – регулирующий элемент

R1 и R2 образуют цепь отрицательной обратной связи VT3+R5 – ограничитель тока

Выходное напряжение стабилизатора

4. Импульсные источники напряжения. Повышающий преобразователь.

Он относится к классу так называемых обратноходовых преобразователей.

Его работу можно разделить на 2 фазы по ключу: 1.Ключ замкнут(активная): энергия источника напряжения E передается не в нагрузку, а запасается в индуктивности L.

2.Ключ разомкнут(пассивная): к нагрузке RН через диод D оказывается приложенной сумма напряжений источника E и наведенной в индуктивности ЭДС. Выходное напряжение в такой схеме всегда оказывается выше входного. Энергия, накопленная в индуктивности, полностью или частично отдается в нагрузку. Такой тип преобразователя называется обратноходовым, так как отдача энергии в нагрузку происходит в пассивной фазе, на «обратном ходу». Диод D нужен для предотвращения шунтирования выходного напряжения замкнутым ключом. Емкость C сглаживает «провалы» напряжения на нагрузке в активной фазе.

В данном случае за время пассивной фазы индуктивность не отдает всю запасенную энергию в нагрузку. Это называется режимом непрерывного тока:

Стабилизатор напряжения | Описание работы, схема подключения.

Стабилизатор напряжения – важнейший радиоэлемент современных радиоэлектронных устройств. Он обеспечивает постоянное напряжение на выходе цепи, которое почти не зависит от нагрузки.

Стабилизаторы семейства LM

В нашей статье мы  рассмотрим стабилизаторы напряжения семейства LM78ХХ. Серия 78ХХ выпускается в металлических корпусах  ТО-3 (слева)  и в пластмассовых корпусах ТО-220 (справа). Такие стабилизаторы имеют три вывода: вход, земля (общий) и вывод.

Вместо “ХХ” изготовители указывают напряжение стабилизации, которое нам будет выдавать этот стабилизатор. Например, стабилизатор 7805 на выходе будет выдавать 5 Вольт, 7812 соответственно 12 Вольт, а 7815 – 15 Вольт. Все очень просто.

Схема подключения

А вот и схема подключения таких стабилизаторов. Эта схема подходит ко всем стабилизаторам семейства 78ХХ.

На схеме мы видим два конденсатора, которые запаиваются с каждой стороны. Это минимальные значения конденсаторов, можно, и даже желательно поставить большего номинала. Это требуется для уменьшения пульсаций как  по входу, так и по выходу. Кто забыл, что такое пульсации, можно заглянуть в статью как получить из переменного напряжения постоянное.

Характеристики стабилизаторов

Какое же напряжение подавать, чтобы стабилизатор работал как надо? Для этого ищем даташит на стабилизаторы и внимательно изучаем. Нас интересуют вот эти характеристики:

Output voltage – выходное напряжение

Input voltage – входное  напряжение

Ищем наш 7805. Он выдает нам выходное напряжение 5 Вольт. Желательным входным напряжением производители отметили напряжение в 10 Вольт. Но, бывает так, что выходное стабилизированное напряжение иногда бывает или чуть занижено, или чуть завышено.

Для электронных безделушек доли вольт не ощущаются, но для прецизионной (точной) аппаратуры лучше все таки собирать свои схемы. Здесь мы видим, что стабилизатор 7805 может нам выдать одно из напряжений диапазона 4,75 – 5,25 Вольт, но при этом должны соблюдаться условия (conditions), что ток на выходе в нагрузке не будет превышать 1 Ампера. Нестабилизированное постоянное напряжение может “колыхаться” в диапазоне от 7,5  и до 20 Вольт, при это на выходе будет всегда 5 Вольт.

Рассеиваемая мощность на стабилизаторе может достигать до 15 Ватт – это приличное значение для такой маленькой радиодетали. Поэтому, если нагрузка на выходе такого стабилизатора будет кушать приличный ток, думаю, стоит подумать об  охлаждении стабилизатора. Для этого ее надо посадить через пасту КПТ на радиатор. Чем больше ток на выходе стабилизатора, тем больше по габаритам должен быть радиатор. Было бы вообще идеально, если бы радиатор еще обдувался вентилятором.

Работа стабилизатора на практике

Давайте рассмотрим нашего подопечного, а именно, стабилизатор LM7805. Как вы уже поняли, на выходе мы должны получить 5 Вольт стабилизированного напряжения.

Соберем его по схеме 

Берем нашу Макетную плату  и быстренько собираем выше предложенную схемку подключения. Два желтеньких  – это конденсаторы, хотя их ставить необязательно.

Итак,  провода 1,2 – сюда мы загоняем нестабилизированное входное постоянное напряжение, снимаем 5 Вольт с проводов 3 и 2.

[quads id=1]

На Блоке питания мы ставим напряжение в диапазоне 7,5 Вольт и  до 20 Вольт. В данном случае я поставил напряжение 8,52 Вольта.

И что же у нас получилось на выходе данного стабилизатора? 5,04 Вольта! Вот такое значение мы получим на выходе этого стабилизатора, если будем подавать напряжение в диапазоне от 7,5 и до 20 Вольт. Работает великолепно!

Давайте проверим еще один наш стабилизатор. Думаю, Вы уже догадались, на сколько он вольт.

Собираем его по схеме выше и замеряем входное напряжение. По даташиту можно подавать на него входное напряжение  от 14,5 и до 27 Вольт. Задаем 15 Вольт с копейками.

А вот и напряжение на выходе. Блин, каких то 0,3 Вольта не хватает для 12 Вольт. Для радиоаппаратуры, работающей от 12 Вольт это не критично.

Как сделать блок питания на 5, 9,12  Вольт

Как же сделать простой и высокостабильный источник питания на 5, на 9 или даже на 12 Вольт?  Да очень просто. Для этого Вам нужно прочитать вот эту статейку и поставить на выход стабилизатор на радиаторе! И все! Схема будет приблизительно вот такая для блока питания 5 Вольт:

Два электролитических конденсатора для  для устранения пульсаций и высокостабильный блок питания на 5 вольт к вашим услугам! Чтобы получить блок питания на большее напряжение, нам нужно также на выходе трансформатора тоже получить большее напряжение. Стремитесь, чтобы на конденсаторе С1 напряжение было не меньше, чем в даташите на описываемый  стабилизатор.

Для того, чтобы стабилизатор напряжения не перегревался, подавайте на вход минимальное напряжение, указанное в даташите. Например, для стабилизатора 7805 это напряжение равно 7,5 Вольт,  а для стабилизатора 7812 желательным входным напряжением можно считать напряжение в 14,5 Вольт. Это связано с тем, разницу напряжения, а следовательно и мощность, стабилизатор будет рассеивать на себе.

Как вы помните, формула мощности P=IU, где U – напряжение, а  I – сила тока. Следовательно, чем больше входное напряжение стабилизатора, тем больше мощность, потребляемая им. А излишняя мощность – это и есть нагрев. В результате нагрева такой стабилизатор может перегреться и войти в состояние защиты, при котором дальнейшая работа стабилизатора прекращается или вовсе сгореть.

Заключение

Все большему числу электронных  устройств требуется качественное стабильное питание без всяких скачков напряжения. Сбой того или иного модуля электронной аппаратуры может привести к неожиданным и не очень приятным последствиям.  Используйте же  на здоровье достижения электроники, и не парьтесь по поводу питания своих электронных безделушек.

Где купить стабилизатор напряжения

Купить дешево эти интегральные стабилизаторы можно сразу целым набором на Алиэкспрессе по этой ссылке. Здесь есть абсолютно любые значения даже для отрицательного напряжения.


А в видео можете посмотреть как сделать самый простой стабилизатор на LM 317:

Линейные и импульсные регуляторы напряжения

Регуляторы напряжения являются неотъемлемой частью большинства электронных устройств. Функция регулятора напряжения заключается в обеспечении стабильного напряжения на выходе регулятора, в то время как входное напряжение может изменяться.

Статья Технический рейтинг: 7 из 10

Регуляторы напряжения

в целом можно разделить на линейные и переключаемые.

Линейные регуляторы

Линейные регуляторы можно рассматривать как устройства с переменным сопротивлением, в которых внутреннее сопротивление изменяется для поддержания постоянного выходного напряжения.В действительности переменное сопротивление обеспечивается с помощью транзистора, управляемого контуром обратной связи усилителя.

Линейные регуляторы обычно состоят как минимум из трех контактов - входного входа, выходного контакта и контакта заземления. Внешние конденсаторы размещаются на входных и выходных клеммах, чтобы обеспечить фильтрацию и улучшить переходную реакцию на внезапные изменения нагрузки. Выходной конденсатор также необходим для стабильности цепи обратной связи регулятора напряжения.

Количество тока, протекающего через регулятор, и количество мощности, рассеиваемой в устройстве, будут влиять на выбор корпуса устройства и требования к теплоотводу.Линейные регуляторы намного менее эффективны, чем импульсные регуляторы, и поэтому расходуют больше энергии, которая рассеивается в виде тепла.

Если устройство будет рассеивать более 100 мВт, рекомендуется провести более тщательный термический анализ, учитывающий максимальную рабочую температуру и тепловое сопротивление корпуса ИС (известного как Theta-JA). Если регулятор устанавливает тета-JA на уровне 50 ° C / Вт, это означает, что сама температура IC (называемая температурой перехода) будет повышаться на 50 ° C на каждый ватт рассеиваемой мощности.

Большинство ИС рассчитаны на температуру перехода до 125 ° C. Так, например, если регулятор с тета-JA 50 ° C / Вт рассеивает 1 Вт, то максимальная температура окружающей среды, при которой он может использоваться, будет 125 ° C - 50 ° C = 75 ° C.

Линейным регуляторам требуется входное напряжение выше выходного. Минимальная разница уровней напряжения между входом и выходом называется падением напряжения. Для нормального линейного регулятора напряжения падение напряжения составляет около 2 вольт.

Регуляторы с малым падением напряжения (LDO) могут регулировать напряжение до менее 100 мВ.Однако их способность подавлять шум и пульсации на входном источнике питания будет значительно ниже примерно 500 мВ.

Для большинства приложений линейный стабилизатор или, более конкретно, стабилизатор LDO имеет больше смысла, если входное напряжение не более чем на пару вольт превышает выходное напряжение. В противном случае регулятор будет тратить слишком много энергии, и более эффективный импульсный регулятор будет лучшим вариантом.

Линейные регуляторы имеют три основных преимущества. Они просты, дешевы и обеспечивают исключительно «чистые» выходы напряжения.

Импульсные регуляторы

Импульсные регуляторы преобразуют одно напряжение в другое, временно сохраняя энергию, а затем высвобождая эту накопленную энергию на выход с другим напряжением.

Термины «преобразователь постоянного тока в постоянный», импульсный источник питания (SMPS), импульсный стабилизатор и импульсный преобразователь относятся к одному и тому же. Они работают, управляя твердотельным устройством, например транзистором или диодом, которое действует как переключатель.

Переключатель прерывает прохождение тока к компоненту накопителя энергии, например конденсатору или катушке индуктивности, чтобы преобразовать одно напряжение в другое.

Существует множество типов топологий импульсных регуляторов, включая три наиболее распространенных:

Понижающие (понижающие) регуляторы переключения

Понижающий преобразователь может понижать более высокое напряжение на входе до более низкого напряжения на выходе. Это похоже на линейный регулятор, за исключением того, что понижающий регулятор потребляет гораздо меньше энергии. Поэтому, если входное напряжение намного выше, чем желаемое выходное напряжение, понижающий стабилизатор обычно предпочтительнее линейного регулятора.

Регуляторы переключения Boost (Step-Up)

Повышающий преобразователь способен создавать более высокое напряжение на выходе, чем на входе. Например, повышающий преобразователь можно использовать для генерации 5 В или 12 В постоянного тока от одной литий-ионной батареи 3,7 В постоянного тока.

Понижающие / повышающие (понижающие / повышающие) регуляторы переключения

Понижающий / повышающий преобразователь, как вы могли догадаться, способен выдавать фиксированное выходное напряжение из входного напряжения, которое может изменяться выше и ниже выходного напряжения.Этот тип регулятора напряжения очень полезен в оборудовании с батарейным питанием, где входное напряжение со временем уменьшается.

Самая простая топология - это просто схема понижающего преобразователя, приведенная выше, за которой следует схема повышающего преобразователя. Два индуктора соединены последовательно, поэтому их можно объединить в один индуктор.

В этом уроке я проектирую печатную плату с использованием простого линейного регулятора, а в этом более глубоком курсе я проектирую индивидуальную плату с использованием более сложного импульсного регулятора.

Сводка общих спецификаций регуляторов напряжения

Независимо от того, является ли регулятор напряжения линейным или импульсным, разработчикам необходимо базовое понимание параметров, характеризующих рабочие характеристики регулятора.

Выходное напряжение: Выходное напряжение может быть фиксированным или регулируемым. Если фиксировано, напряжение устанавливается внутри устройства, и вы приобретаете конкретный номер детали для требуемого выходного напряжения.

Если регулятор регулируемого типа, напряжение обычно устанавливается делителем напряжения, состоящим из двух резисторов. Это дает некоторую гибкость, но за счет дополнительных компонентов.

Входное напряжение: Необходимо строго соблюдать указанные минимальное и максимальное входное напряжение. Они просто не будут работать при напряжении ниже минимального и будут повреждены, если будут работать при напряжении выше максимального.

Токовый выход: Максимальный ток, который может обеспечить регулятор напряжения, ограничен и обычно определяется пропускной способностью внутреннего силового транзистора.Все решения для регуляторов IC включают в себя встроенную схему ограничения тока для предотвращения повреждений.

Выходная пульсация или коэффициент подавления источника питания (PSRR): Выходная пульсация относится к небольшим изменениям выходного напряжения. Количество пульсаций выходного напряжения очень важно учитывать, поскольку многие типы цепей будут чувствительны к любому шуму на их входном питании.

Линейные регуляторы подавляют входную пульсацию без добавления дополнительной пульсации. Их способность подавлять пульсации определяется коэффициентом отклонения источника питания (PSRR).Чем выше PSRR, тем лучше линейный регулятор подавляет любые пульсации входного напряжения.

С другой стороны, импульсные регуляторы

создают пульсации на выходе по своей природе переключения. Количество пульсаций от переключающего преобразователя можно уменьшить за счет фильтрации и тщательного выбора компонентов.

Обычный метод проектирования заключается в использовании импульсного регулятора для понижения напряжения питания с минимальным рассеянием мощности, за которым следует линейный регулятор для устранения любых пульсаций.

Многие линейные стабилизаторы с низким уровнем шума и высоким значением PSRR имеют дополнительный вывод, обычно называемый выводом NR или выводом шумоподавления. Размещение конденсатора емкостью около 10 нФ на этом контакте относительно земли помогает отфильтровать шум и пульсации на внутреннем опорном напряжении и, следовательно, на выходном напряжении.

Шум: Многие электронные компоненты, такие как резисторы и транзисторы, также производят фундаментальный физический шум, который обычно путают с пульсацией. Шум будет отображаться как случайные колебания выходного напряжения по сравнению с пульсациями, которые будут отображаться в виде небольшой периодической формы волны.Хотя это и не связано с пульсацией, те же методы, которые уменьшают пульсации на выходе, обычно также уменьшают шум - в основном, за счет использования шумоподавляющего конденсатора.

Регулировка нагрузки: Регулировка нагрузки относится к способности регулятора поддерживать постоянное выходное напряжение при изменении тока нагрузки. Эта спецификация часто приводится в технических характеристиках устройства в виде графика зависимости выходного напряжения от тока нагрузки.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

Load Transient: Это мера того, как выходное напряжение реагирует на внезапное скачкообразное изменение тока нагрузки. Обычно имеет место небольшой выброс или недостаточный выброс выходного напряжения, поскольку схема регулятора пытается восстановить и обеспечить стабильное выходное напряжение.

Линейное регулирование: Изменения входного напряжения регулятора могут вызывать изменения выходного напряжения, и линейное регулирование является мерой этого изменения.

Line Transient: Это мера того, как выходное напряжение реагирует на внезапное скачкообразное изменение входного напряжения.Как и в случае переходного процесса нагрузки, будет небольшое превышение или недостижение выходного напряжения, поскольку контур обратной связи регулятора реагирует на внезапное изменение. Регуляторы с высокими характеристиками PSRR (т. Е. С низким уровнем пульсаций на выходе) обычно обладают лучшими характеристиками переходных процессов в линии.

Падение напряжения: Падение напряжения для классических линейных регуляторов, таких как серии LM317 или LM78xx, составляет около 2 вольт. Это означает, что для работы регулятора входное напряжение должно быть как минимум на 2 вольта выше выходного напряжения.

Регуляторы

с малым падением напряжения (LDO) могут работать с гораздо меньшей разницей входного и выходного напряжения. Например, семейство стабилизаторов с малым падением напряжения TPS732 имеет диапазон входного напряжения от 1,7 до 5,5 вольт и отпускаемое напряжение 40 мВ при 250 мА.

КПД: КПД - это мера того, сколько энергии теряет регулятор. Как упоминалось ранее, линейный регулятор потребляет намного больше энергии, чем импульсный регулятор. Это означает, что линейный регулятор имеет гораздо более низкий КПД.Эффективность можно рассчитать, разделив выходную мощность на входную.

Таким образом, если выходная мощность такая же, как входная, то КПД равен 100%, и регулятор не тратит впустую энергию. Это идеальный, но недостижимый сценарий. Большинство импульсных регуляторов имеют КПД 80-90%.

КПД линейного регулятора зависит от отношения входного напряжения к выходному. Это связано с тем, что для линейного регулятора входной ток всегда практически идентичен выходному току.Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на ток, токи в уравнении эффективности компенсируются, оставляя только напряжения. Это означает, что чем больше разница между входным напряжением и выходным напряжением, тем хуже эффективность линейного регулятора.

Так, например, для линейного регулятора с входным напряжением 5 В постоянного тока и выходным напряжением 3,3 В постоянного тока эффективность составляет:

КПД = 3,3 В постоянного тока / 5 В постоянного тока = 66%

Но если входное напряжение увеличивается до 12 В постоянного тока, эффективность падает до

.

КПД = 3.3 В постоянного тока / 12 В постоянного тока = 27,5%

, что означает, что 72,5% мощности теряется линейным регулятором!

Основным преимуществом стабилизатора с малым падением напряжения является то, что он обеспечивает выходное напряжение, очень близкое к входному, что означает, что эффективность регулятора намного выше. Например, при генерации выходного напряжения 3,3 В постоянного тока от литий-ионной батареи 3,7 В постоянного тока требуется LDO с падением напряжения менее 400 мВ. При этих напряжениях КПД составляет 3,3 В постоянного тока / 3,7 В постоянного тока = 89%, что сопоставимо с высокоэффективным понижающим стабилизатором.

В отличие от линейного регулятора, идеальный импульсный регулятор будет иметь КПД 100%, что означает, что входная мощность равна выходной мощности. Это означает, что входной ток никогда не будет таким же, как выходной. Фактически, входной ток всегда будет меньше, чем выходной ток для понижающего регулятора, и всегда будет выше, чем выходной ток для повышающего регулятора.

Выходной конденсатор: Размер выходного конденсатора имеет решающее значение как для линейных, так и для импульсных регуляторов, поэтому обязательно следуйте рекомендациям в техническом описании.В большинстве случаев керамический конденсатор (с тепловым рейтингом X7R или X5R) является лучшим выбором. Керамические конденсаторы имеют очень низкое паразитное сопротивление (называемое эквивалентным последовательным сопротивлением или ESR), которое обычно улучшает переходную характеристику регулятора. Однако будьте осторожны, потому что некоторые регуляторы требуют использования танталовых конденсаторов с более высоким ESR для стабилизации контура управления с обратной связью.

Электромагнитные помехи (EMI)

Одной из проблем при проектировании импульсных источников питания является возможность электромагнитных помех (EMI).

Переключающее действие активного устройства, которое может быть на частотах от 100 килогерц до нескольких мегагерц, может генерировать широкий спектр излучения. Эти излучения могут проводиться и передаваться на близлежащее оборудование, вызывая вредные помехи или даже собственные помехи.

Имейте в виду, что компоновка печатной платы для импульсного стабилизатора очень важна, гораздо в большей степени, чем для линейного регулятора. Поэтому обязательно следуйте рекомендациям по компоновке в таблице данных.Если в техническом описании выбранного вами импульсного регулятора нет рекомендаций по компоновке, я настоятельно рекомендую выбрать другой регулятор.

Заключение

Когда энергоэффективность не является проблемой или когда входное напряжение лишь немного выше выходного напряжения, лучшим выбором обычно является линейный стабилизатор. Линейные регуляторы обычно дешевле, менее сложны и требуют меньшего количества компонентов. Если требуется действительно чистое выходное напряжение без пульсаций, то линейный стабилизатор также является лучшим выбором.

С другой стороны, если ключевым моментом является энергоэффективность или входное напряжение намного выше, чем желаемое выходное напряжение, то понижающий импульсный преобразователь является лучшим выбором. Если требуется выходное напряжение выше входного, выбор прост - только повышающий стабилизатор может выполнить этот трюк.

Как и во всех аспектах проектирования, между различными решениями всегда приходится идти на компромисс. Во многих случаях лучшим решением является импульсный регулятор, за которым следует линейный регулятор.Таким образом, вы получаете лучшее из обоих миров: эффективность и сверхчистое выходное напряжение.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатный PDF-файл : Ultimate Guide по разработке и продаже нового электронного оборудования . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который может вам понравиться:

Введение - Что такое LDO? Что такое линейный регулятор?

・ Что такое LDO (стабилизатор напряжения с малым падением напряжения)?

Регулятор LDO - это линейный регулятор, который может работать при очень низкой разности потенциалов между входным и выходным напряжением.

Линейный стабилизатор - это тип ИС источника питания, который может выдавать постоянное напряжение из входного напряжения и используется в различных электронных устройствах. Поскольку стабилизатор LDO может работать при низкой разности потенциалов между входным и выходным напряжением, использование регулятора LDO поможет контролировать накопление тепла и обеспечит эффективное использование энергии.

Ниже приводится простое описание основной роли и характеристик линейного регулятора, а также того, как он используется.

Линейный регулятор Таблица выбора

1.Основная роль линейного регулятора

В электронных устройствах линейный регулятор создает необходимое напряжение для последующих систем в основном за счет энергии, поступающей от батареи. Линейный регулятор может выдавать более низкое постоянное напряжение из входного напряжения.

* Микроконтроллер (MCU)… Процессор для управления электронными устройствами. Микроконтроллер работает в соответствии с входными сигналами как мозг электронных устройств.

Линейный регулятор длинных продавцов

2.Характеристики линейного регулятора

Понимание особенностей линейного регулятора необходимо для его правильного использования. Его характерные особенности описаны ниже.

Способен выдавать стабильное напряжение (= напряжение с низким уровнем шума)

Линейный регулятор может выдавать необходимое постоянное напряжение без влияния изменений * входного напряжения. Малошумное выходное напряжение линейного регулятора делает его идеально подходящим для подачи напряжения на модули датчиков или другие устройства, чувствительные к шуму.(* Изменения, которые находятся в пределах рабочего диапазона напряжения линейного регулятора)

Требуется несколько внешних компонентов

Для микросхем

обычно требуются внешние компоненты (например, резисторы или конденсаторы).
Для линейного регулятора требуется не более двух внешних компонентов: входной конденсатор и выходной конденсатор. Небольшое количество требуемых внешних компонентов упрощает конструкцию внешних компонентов и схемы источника питания, что позволяет упростить конфигурацию схемы источника питания.

Когда разность потенциалов между входным и выходным напряжением велика, тепловыделение также увеличивается.

Когда разница между входным и выходным напряжением (разность потенциалов между входным и выходным напряжением) велика, накопление тепла становится проблемой.
→ Подробное описание см. В разделе «Что такое потери тепла?»
По этой причине линейный регулятор лучше всего подходит для приложений с низким энергопотреблением.

3. Случаи, требующие использования линейного регулятора

Итак, когда следует использовать линейный регулятор? Ниже приведены типичные случаи.

・ При низком рабочем напряжении последующих систем

Линейный регулятор может обеспечить последующие системы идеальным напряжением, когда напряжение его источника питания выше, чем рабочее напряжение последующих систем.

・ Когда требуется стабильное электропитание

MCU, датчики и другие компоненты обычно требуют постоянного напряжения для нормальной работы, и именно здесь на помощь приходит линейный регулятор.

Нет ничего необычного в том, что внешние факторы или отдельный компонент электронного устройства вызывают колебания напряжения или создают шум. Это факторы, которые препятствуют нормальной работе микроконтроллеров, датчиков или других компонентов и могут привести к их отказу в худшем случае.

Использование линейного регулятора на входе компонентов, которым требуется стабильное напряжение или которые чувствительны к шуму, обеспечит постоянную и безопасную работу при стабильном напряжении.

3 серии репрезентативных регуляторов LDO

> Принцип действия и устройство линейного регулятора

> Введение линейного регулятора ABLIC

Общие сведения о работе регулятора напряжения

Регулятор напряжения генерирует фиксированное выходное напряжение заданной величины, которое остается постоянным независимо от изменений его входного напряжения или условий нагрузки.Существует два типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные.

В линейном регуляторе используется активное (BJT или MOSFET) устройство прохода (последовательное или шунтирующее), управляемое дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Он сравнивает выходное напряжение с точным опорным напряжением и регулирует проходное устройство для поддержания постоянного выходного напряжения.

Импульсный стабилизатор преобразует входное постоянное напряжение в коммутируемое напряжение, подаваемое на силовой MOSFET или BJT-переключатель. Отфильтрованное выходное напряжение переключателя мощности подается обратно в схему, которая управляет временем включения и выключения переключателя питания, так что выходное напряжение остается постоянным независимо от изменений входного напряжения или тока нагрузки.

Каковы некоторые топологии импульсных регуляторов?

Существует три распространенных топологии: понижающая (понижающая), повышающая (повышающая) и понижающая-повышающая (повышающая / понижающая). Другие топологии включают обратноходовые, SEPIC, Cuk, двухтактные, прямые, полномостовые и полумостовые топологии.

Как влияет на конструкцию регулятора частоты коммутации?

Более высокие частоты переключения означают, что в регуляторе напряжения можно использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньшего размера. Это также означает более высокие коммутационные потери и больший шум в цепи.

Какие потери происходят с импульсным регулятором?

Потери возникают из-за мощности, необходимой для включения и выключения полевого МОП-транзистора, которые связаны с драйвером затвора полевого МОП-транзистора. Кроме того, потери мощности полевого МОП-транзистора возникают из-за того, что переключение из состояния проводимости в состояние непроводимости занимает конечное время. Потери также связаны с энергией, необходимой для заряда и разряда емкости затвора MOSFET между пороговым напряжением и напряжением затвора.

Каковы обычные области применения линейных и импульсных регуляторов?

Рассеиваемая мощность линейного регулятора прямо пропорциональна его выходному току для данного входного и выходного напряжения, поэтому типичный КПД может быть 50% или даже ниже.Используя оптимальные компоненты, импульсный регулятор может достичь КПД в диапазоне 90%. Однако выходной шум линейного регулятора намного ниже, чем импульсный стабилизатор с такими же требованиями к выходному напряжению и току. Обычно импульсный регулятор может управлять более высокими токовыми нагрузками, чем линейный регулятор.

Как импульсный регулятор управляет своим выходом?
Для импульсных регуляторов

требуются средства для изменения выходного напряжения в ответ на изменения входного и выходного напряжения.Один из подходов - использовать ШИМ, который управляет входом в соответствующий выключатель питания, который контролирует его время включения и выключения (рабочий цикл). Во время работы отфильтрованное выходное напряжение регулятора подается обратно на ШИМ-контроллер для управления рабочим циклом. Если отфильтрованный выходной сигнал имеет тенденцию к изменению, обратная связь, подаваемая на ШИМ-контроллер, изменяет рабочий цикл для поддержания постоянного выходного напряжения.

Какие проектные характеристики важны для ИС регулятора напряжения?

Среди основных параметров - входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток.В зависимости от приложения могут быть важны другие параметры, такие как пульсирующее напряжение на выходе, переходная характеристика нагрузки, выходной шум и КПД. Важными параметрами для линейного регулятора являются падение напряжения, PSRR (коэффициент отклонения источника питания) и выходной шум.

Рекомендации

Загрузить средства проектирования управления питанием

Линейные регуляторы

LDO | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности.Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.
Аналитические / рабочие файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.
Функциональные файлы cookie:
Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.
Целевые / профилирующие файлы cookie:
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.
Отклонить печенье

ТОП-10 линейных регуляторов напряжения

В электронике для стабилизации напряжения обычно используются линейные регуляторы напряжения. Независимо от входного напряжения или условий нагрузки, они будут обеспечивать фиксированное выходное напряжение, тем самым защищая устройства от колебаний выходных сигналов, которые могут привести к неэффективной работе или даже к повреждению.

При разработке источника питания для приложения, в котором требуется небольшая разница между входным и выходным напряжениями, разработчикам оборудования следует учитывать линейные регуляторы напряжения.

Простота и стоимость - основные преимущества использования линейных регуляторов перед импульсными регуляторами напряжения. Кроме того, отсутствие шума переключения делает линейные регуляторы особенно полезными для аудио- и видеосвязи, медицинских устройств и других чувствительных к шуму приложений.

С другой стороны, линейные регуляторы напряжения выделяют тепло, и их эффективность довольно низкая, варьируется от 30% до 60%.Вот почему они используются в основном для маломощных устройств и небольших различий между входным и выходным напряжениями.

По сравнению с линейными регуляторами импульсные регуляторы напряжения (также известные как импульсные регуляторы) превосходят по эффективности и выделяют гораздо меньше тепла, но также являются более дорогими и сложными.

При выборе между различными регуляторами напряжения для вашего приложения следует учитывать несколько факторов, включая их максимальное входное напряжение, разницу между входным и выходным напряжениями, номинальные токи, номинальные температуры и выходной шум.

Большинство линейных регуляторов напряжения в нашем списке 10 имеют максимальную токовую защиту и тепловую защиту. Большинство из них также имеют максимальное входное напряжение от 5,5 до 40 В и выходное напряжение от 3,3 до 15 В. Самыми популярными поставщиками стабилизаторов напряжения для SnapEDA являются Diodes Inc, Richtek USA Inc, Microchip, STMicroelectronics и Texas Instruments.

Давайте теперь взглянем на 10 лучших линейных регуляторов напряжения на SnapEDA!

# 10 - LP2985-33DBVR от Texas Instruments

Этот стабилизатор с низким падением напряжения имеет максимальное входное напряжение 16 В, 3.Выходное напряжение 3 В, выходной ток 150 мА, падение напряжения 280 мВ и диапазон температур перехода от -40 ° C до 125 ° C.
Средняя цена у дистрибьюторов: $ 0,60

Загрузить Symbol & Footprint

# 9 - L7805ACD2T от STMicroelectronics

Этот положительный стабилизатор имеет максимальное входное напряжение 35 В, выходное напряжение 5 В, выходной ток 1,5 А, падение напряжения 2 В и диапазон температур перехода от 0 ° C до 125 ° C.

Средняя цена по дистрибьюторам: N / A

Загрузить Symbol & Footprint

№ 8 - L7805CV-DG от STMicroelectronics

Этот положительный стабилизатор имеет максимальное входное напряжение 35 В, выходное напряжение 5 В, 1.Выходной ток 5 А, падение напряжения 2 В и диапазон температур перехода от 0 ° C до 125 ° C.

Средняя цена у дистрибьюторов: $ 0,52

Загрузить Symbol & Footprint

# 7 - REG1117 от Texas Instruments

Этот положительный стабилизатор с низким падением напряжения имеет максимальное входное напряжение 15 В, выходное напряжение 1,8 В, выходной ток 800 мА и диапазон температур перехода от -40 ° C до 125 ° C.

Средняя цена у дистрибьюторов: 2,02 доллара США

Скачать Symbol & Footprint

# 6 - L7805CV от STMicroelectronics

Этот положительный стабилизатор имеет максимальное входное напряжение 35 В, выходное напряжение 5 В, 1.Максимальный выходной ток 5 А, падение напряжения 2 В и диапазон температур перехода от 0 ° C до 125 ° C.

Средняя цена у дистрибьюторов: $ 0,41

Загрузить Symbol & Footprint

# 5 - LD1117S33CTR от STMicroelectronics

Этот регулятор напряжения с низким падением напряжения имеет максимальное входное напряжение 15 В, выходное напряжение 3,3 В, максимальный выходной ток 950 мА, падение напряжения 1 В и диапазон температур перехода от -40 ° C до 125 ° C.

Средняя цена у дистрибьюторов: $ 0.36

Загрузить Symbol & Footprint

# 4 - AP2112K-3.3TRG1 от Diodes Inc.

Этот положительный стабилизатор имеет максимальное входное напряжение 6 В, выходное напряжение 3,3 В, максимальный выходной ток 600 мА, напряжение падения 0,4 В и диапазон температур перехода от -40 ° C до 85 ° C.

Средняя цена у дистрибьюторов: $ 0,24

Загрузить Symbol & Footprint

# 3 - RT9193-33GB от Richtek USA Inc.

Этот регулятор с низким падением напряжения имеет 5.Максимальное входное напряжение 5 В, выходное напряжение 3,3 В, максимальный выходной ток 300 мА, падение напряжения 0,3 В и диапазон температур перехода от -40 ° C до 125 ° C.

Средняя цена у дистрибьюторов: 0,50 доллара США

Загрузить Symbol & Footprint

# 2 - MIC29302WU от Microchip

Этот стабилизатор с низким падением напряжения имеет максимальное входное напряжение 26 В, выходное напряжение 3,3 В, выходной ток 3 А, максимальное падение напряжения 0,6 В и диапазон температур перехода от -40 ° C до 125 ° C.

Средняя цена по дистрибьюторам: N / A

Скачать Symbol & Footprint

А верхний линейный регулятор напряжения на SnapEDA - это…

# 1- LM1117MP-3.3 от Texas Instruments

Этот стабилизатор с низким падением напряжения имеет максимальное входное напряжение 15 В, выходное напряжение 3,3 В, максимальный выходной ток 800 мА, напряжение падения 1,2 и диапазон температур перехода от 0 ° C до 125 ° C.

Средняя цена по дистрибьюторам: N / A

Загрузить Symbol & Footprint

* Эти данные были собраны с помощью аналитики SnapEDA при просмотре загрузок из нашей библиотеки моделей деталей (символы, контуры и 3D-модели).Ежегодно в SnapEDA оцениваются миллионы деталей, однако, если детали нет в нашей базе данных, она не будет отображаться в этом списке. Мы постоянно увеличиваем охват и периодически обновляем этот список!

Создавайте электронные устройства в мгновение ока. Начать сейчас.

Типы регуляторов напряжения

и принцип работы | Статья

.

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик - рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность


Как работает регулятор напряжения?

Стабилизатор напряжения - это схема, которая создает и поддерживает фиксированное выходное напряжение независимо от изменений входного напряжения или условий нагрузки.

Регуляторы напряжения (VR) поддерживают напряжение источника питания в диапазоне, совместимом с другими электрическими компонентами. Хотя регуляторы напряжения чаще всего используются для преобразования мощности постоянного / постоянного тока, некоторые из них также могут выполнять преобразование мощности переменного / переменного или переменного / постоянного тока. В этой статье речь пойдет о регуляторах постоянного / постоянного напряжения.

Типы регуляторов напряжения: линейные и импульсные

Существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Оба типа регулируют напряжение в системе, но линейные регуляторы работают с низким КПД, а импульсные регуляторы работают с высоким КПД.В высокоэффективных импульсных регуляторах большая часть входной мощности передается на выход без рассеивания.

Линейные регуляторы

В линейном стабилизаторе напряжения используется устройство активного прохода (например, BJT или MOSFET), которое управляется операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейный регулятор регулирует сопротивление проходного устройства, сравнивая внутреннее опорное напряжение с дискретизированным выходным напряжением, а затем сбрасывая ошибку до нуля.

Линейные регуляторы - это понижающие преобразователи, поэтому по определению выходное напряжение всегда ниже входного. Однако у этих регуляторов есть несколько преимуществ: они, как правило, просты в конструкции, надежны, экономичны и обладают низким уровнем шума, а также малыми колебаниями выходного напряжения.

Линейные регуляторы, такие как MP2018, требуют только входной и выходной конденсаторы для работы (см. Рисунок 1) . Их простота и надежность делают их интуитивно понятными и простыми устройствами для инженеров, а зачастую и очень рентабельными.

Рисунок 1: Линейный регулятор MP2018

Регуляторы переключения

Схема импульсного регулятора обычно более сложна в разработке, 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 регуляторов заключаются в том, что они высокоэффективны, имеют лучшие тепловые характеристики и могут поддерживать более высокие токи и более широкие приложения VIN / VOUT.Они могут достичь эффективности более 95% в зависимости от требований приложения. В отличие от линейных регуляторов, для импульсной системы питания могут потребоваться дополнительные внешние компоненты, такие как катушки индуктивности, конденсаторы, полевые транзисторы или резисторы обратной связи. HF920 является примером импульсного стабилизатора, который обеспечивает высокую надежность и эффективное регулирование мощности (см. Рисунок 2) .

Рисунок 2: Импульсный регулятор HF920

Ограничения регуляторов напряжения

Одним из основных недостатков линейных регуляторов является то, что они могут быть неэффективными, поскольку в определенных случаях использования они рассеивают большое количество энергии.Падение напряжения линейного регулятора сравнимо с падением напряжения на резисторе. Например, при входном напряжении 5 В и выходном напряжении 3 В между клеммами возникает падение на 2 В, а эффективность ограничивается 3 В / 5 В (60%). Это означает, что линейные регуляторы лучше всего подходят для приложений с более низкими дифференциалами VIN / VOUT.

Важно учитывать расчетную рассеиваемую мощность линейного регулятора в приложении, поскольку использование более высоких входных напряжений приводит к высокому рассеянию мощности, которое может привести к перегреву и повреждению компонентов.

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

Импульсные регуляторы

очень эффективны, но некоторые недостатки включают 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 важным для конкретного приложения, поскольку шум может повлиять на работу и производительность схемы, а также на характеристики электромагнитных помех.

Топологии импульсного регулятора

: понижающий, повышающий, линейный, LDO и регулируемый

Существуют различные топологии линейных и импульсных регуляторов. Линейные регуляторы часто используют топологию с малым падением напряжения (LDO). Для импульсных регуляторов существует три распространенных топологии: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и понижающие-повышающие преобразователи. Каждая топология описана ниже:

Регуляторы LDO

Одной из популярных топологий линейных регуляторов является стабилизатор с малым падением напряжения (LDO).Линейные регуляторы обычно требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2 В выше выходного напряжения. Тем не менее, стабилизатор LDO разработан для работы с очень небольшой разницей напряжения между входными и выходными клеммами, иногда до 100 мВ.

Понижающие и повышающие преобразователи

Понижающие преобразователи

(также называемые понижающими преобразователями) принимают большее входное напряжение и производят более низкое выходное напряжение. И наоборот, повышающие преобразователи (также называемые повышающими преобразователями) принимают более низкое входное напряжение и производят более высокое выходное напряжение.

Пониженно-повышающие преобразователи

Понижающий-повышающий преобразователь - это одноступенчатый преобразователь, который сочетает в себе функции понижающего и повышающего преобразователя для регулирования выхода в широком диапазоне входных напряжений, которые могут быть больше или меньше выходного напряжения.

Управление регулятором напряжения

Четыре основных компонента линейного регулятора - это проходной транзистор, усилитель ошибки, опорное напряжение и цепь обратной связи резистора. Один из входов усилителя ошибки установлен двумя резисторами (R1 и R2) для контроля процентного значения выходного напряжения.Другой вход - это стабильное опорное напряжение (VREF). Если дискретизированное выходное напряжение изменяется относительно VREF, усилитель ошибки изменяет сопротивление проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (VOUT).

Для работы линейных регуляторов

обычно требуется только внешний входной и выходной конденсатор, что упрощает их внедрение.

С другой стороны, импульсный стабилизатор требует большего количества компонентов для создания цепи. Силовой каскад переключается между VIN и землей для создания пакетов заряда для доставки на выход.Подобно линейному регулятору, есть операционный усилитель, который производит выборку выходного постоянного напряжения из цепи 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 вернуть 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.

Приложения для линейных и импульсных регуляторов

Линейные регуляторы часто используются в приложениях, которые требуют затрат, чувствительны к шуму, слаботочны или ограничены по месту. Некоторые примеры включают бытовую электронику, такую ​​как наушники, носимые устройства и устройства Интернета вещей (IoT). Например, в таких приложениях, как слуховой аппарат, можно использовать линейный регулятор, поскольку в них нет переключающего элемента, который мог бы создавать нежелательный шум и влиять на работу устройства.

Более того, если проектировщики в основном заинтересованы в создании недорогого приложения, им не нужно беспокоиться о рассеивании мощности, и они могут полагаться на линейный регулятор.

Импульсные регуляторы полезны для более общих приложений и особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и производительности, таких как потребительские, промышленные, корпоративные и автомобильные приложения (см. Рисунок 3) . Например, если приложение требует большого понижающего решения, лучше подходит импульсный стабилизатор, так как линейный регулятор может создать большое рассеивание мощности, которое может повредить другие электрические компоненты.

Рисунок 3: Понижающий регулятор MPQ4430-AEC1

Каковы основные параметры микросхемы 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 топология VR совместима с ИС пользователя.

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

Ток покоя важен, когда приоритетом является эффективность в режимах малой нагрузки или ожидания. Если рассматривать частоту коммутации как параметр, максимальное увеличение частоты коммутации приводит к меньшим системным решениям.

Кроме того, термическое сопротивление имеет решающее значение для отвода тепла от устройства и его рассеивания по системе. Если контроллер включает в себя внутренний полевой МОП-транзистор, то все потери (проводящие и динамические) рассеиваются в корпусе и должны учитываться при расчете максимальной температуры ИС.

Напряжение обратной связи - еще один важный параметр, который необходимо изучить, поскольку он определяет минимальное выходное напряжение, которое может поддерживать регулятор напряжения. Стандартно смотреть на параметры опорного напряжения. Это ограничивает нижнее выходное напряжение, точность которого влияет на точность регулирования выходного напряжения.

Как правильно выбрать регулятор напряжения

Чтобы выбрать правильный регулятор напряжения, разработчик должен сначала понять их ключевые параметры, такие как V IN , V OUT , I OUT , системные приоритеты (например, V IN , V OUT , I OUT ).грамм. эффективность, производительность, стоимость), а также любые дополнительные ключевые функции, такие как индикация хорошего энергопотребления (PG) или включение управления.

После того, как разработчик определил эти требования, используйте таблицу параметрического поиска, чтобы найти лучшее устройство, отвечающее желаемым требованиям. Таблица параметрического поиска - ценный инструмент для дизайнеров, поскольку она предлагает различные функции и пакеты, доступные для удовлетворения требуемых параметров для вашего приложения.

Каждое устройство MPS поставляется с таблицей данных, в которой подробно описано, какие внешние компоненты необходимы и как рассчитать их значения для достижения эффективной, стабильной и высокопроизводительной конструкции.Таблицу данных можно использовать для расчета таких значений компонентов, как выходная емкость, выходная индуктивность, сопротивление обратной связи и другие ключевые компоненты системы. Кроме того, вы можете использовать инструменты моделирования, такие как программное обеспечение DC / DC Designer или MPSmart, ознакомиться с примечаниями к применению или задать вопросы в местном FAE.

MPS предлагает множество эффективных, компактных линейных и импульсных стабилизаторов напряжения, включая семейство HF500-x, семейство MP171x, MP20056, MP28310, MPQ4572-AEC1 и MPQ2013-AEC1.

Список литературы

Глоссарий по электронной инженерии

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик - рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Сравнение импульсных регуляторов постоянного тока и линейных регуляторов

Электронным системам часто требуется несколько напряжений для питания различных внутренних цепей.Неизолированные регуляторы - это распространенный и простой способ преобразовать одно напряжение в другое. Регуляторы обычно делятся на две категории в зависимости от метода преобразования: линейные или переключающиеся. Линейные регуляторы существуют уже давно, они дешевы и просты в использовании. Однако простота достигается за счет низкой эффективности. С другой стороны, импульсные регуляторы более дороги и немного сложнее внутренне, но значительно более эффективны и способны проводить большие токи без тех же тепловых проблем, что и линейный регулятор.В этом блоге мы исследуем, почему эффективность этих двух регуляторов так различается, и какое влияние это может оказать на конечную конструкцию.

Простой дизайн Комплексное проектирование
Рассеивает избыточную мощность Сохраняет избыточную мощность
Низкий КПД Более высокая эффективность
Повышенное тепловое напряжение Пониженное тепловое напряжение

Линейные регуляторы

Чтобы объяснить, как работает линейный регулятор и почему он так неэффективен, мы начнем с примера приложения (рисунок 1).В этом случае у нас есть вход 24 В, который преобразуется в выход 6 В с нагрузкой 1 А.

Рисунок 1: Упрощенная схема линейного регулятора

Глядя на рисунок 1, вы можете видеть, что все, что у нас есть между входом и выходом, - это транзистор (Q1), который также называется проходным элементом. Это означает, что напряжение на транзисторе (Q1) является разницей между входом и выходом.

Мы можем переписать это, чтобы найти выходное напряжение.

Из этого мы видим, что Vout регулируется путем управления напряжением на этом транзисторе.Управление Q1 осуществляется с помощью операционного усилителя, U1 и отрицательной обратной связи. U1 определяет Vout и сравнивает его с эталоном. Если Vout больше эталонного, то Q1 управляется меньше, и напряжение на нем увеличивается. Это приводит к уменьшению Vout. Если бы Vout был слишком низким, Q1 больше управлялся бы, чтобы снизить падение напряжения на Q1, что привело бы к увеличению Vout.

КПД линейного регулятора

Чтобы понять, почему линейные регуляторы настолько неэффективны, нам нужно взглянуть на путь тока нагрузки.Поскольку операционный усилитель U1 имеет входы с высоким импедансом и управляет только базой транзистора, мы предполагаем, что в него не поступает и не выходит ток. После удаления операционного усилителя все, что осталось, - это прямой путь от входа к выходу, что означает, что входной ток равен выходному току.

Теперь мы можем использовать эту информацию для расчета КПД и мощности, рассеиваемой линейным регулятором. Входная мощность равна Vin, умноженному на Iin.

Выходная мощность равна Vout, умноженной на Iout.

А КПД равен Pout, деленному на Pin.

Это приводит к рассеиваемой мощности, равной входной мощности за вычетом выходной мощности.

При нагрузке всего 6 Вт линейный регулятор рассеивает 18 Вт мощности. Это большая мощность, которую можно рассеять в таком маленьком корпусе без каких-либо радиаторов или воздушного потока. Типичное тепловое сопротивление 20 ° C / Вт линейного регулятора в корпусе TO-220 приведет к повышению температуры на 360 ° C от перехода к окружающей среде, если не будет применено регулирование температуры.

Это явно не сработает, если не будут приняты меры для уменьшения теплового сопротивления, такие как радиатор или воздушный поток. Добавление радиатора и воздушного потока увеличивает размер, стоимость и сложность системы, что сводит на нет многие преимущества использования линейного регулятора (то есть стоимость и сложность). В данном примере в дополнение к воздушному потоку может потребоваться радиатор.

Еще один интересный эффект от того, что входной ток равен выходному току, состоит в том, что расчет эффективности можно упростить до Vout, деленного на Vin.

Из этого видно, что чем больше разница между входом и выходом, тем ниже КПД (рис. 2) и тем больше мощности будет рассеиваться в регуляторе. Создание линейных регуляторов нежелательно в случаях с большими отношениями входного напряжения к выходному напряжению.

Рисунок 2: КПД линейного регулятора в зависимости от входного напряжения для выхода 6 В

Импульсные регуляторы

Импульсные регуляторы работают иначе, чем линейные регуляторы. Основное отличие связано с управлением транзистором.На рисунке 3 показан упрощенный понижающий стабилизатор, который представляет собой импульсный стабилизатор, который вырабатывает выходное напряжение ниже входного, и выполняет ту же функцию, что и линейный стабилизатор в нашем предыдущем примере.

Рисунок 3: Принципиальная схема понижающего импульсного стабилизатора

Схема во многом аналогична линейному стабилизатору. Основное физическое отличие - это диод и LC-фильтр на выходе. Как и линейный регулятор, импульсный стабилизатор использует операционный усилитель и отрицательную обратную связь для управления транзистором.

Первое существенное отличие и причина того, что он называется импульсным стабилизатором, заключается в том, что транзистор приводится в действие таким образом, что он либо полностью включен (в идеале - короткое замыкание), либо полностью выключен (в идеале - разомкнутая цепь). Это сравнивается с линейным регулятором, в котором транзистор управляется линейно между полностью включенным и выключенным состояниями. Этот транзистор включается и выключается с высокой частотой и создает прямоугольную волну в узле, соединяющем Q1, D1 и L1, который мы называем узлом переключения (рисунок 4).

Рис. 4: Форма сигнала напряжения коммутирующего узла

Выходное напряжение регулируется путем управления средним значением напряжения коммутационного узла. Для работы с фиксированной частотой среднее значение равно времени включения переключателя, деленному на период, умноженный на входное напряжение.

Отношение продолжительности включения к периоду известно как коэффициент заполнения и в понижающем стабилизаторе равно отношению выходного напряжения к входному напряжению. В нашем примере это приводит к коэффициенту заполнения 25% для преобразования входа 24 В в выход 6 В.

Эта прямоугольная волна на коммутационном узле подается в сеть L-C между коммутационным узлом и выходом. Сеть L-C представляет собой фильтр нижних частот и пропускает на выход только среднее значение или значение постоянного тока коммутационного узла. Таким образом, управляя продолжительностью включения и, следовательно, средним напряжением в коммутационном узле, переключающий преобразователь может управлять выходным напряжением. Этот процесс известен как широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

КПД регулятора переключения

Чтобы понять, почему эта схема более эффективна, чем линейная, мы можем взглянуть на импульсный стабилизатор как во включенном, так и в выключенном состоянии при тех же условиях, что и в примере, который мы имели для линейного регулятора.

В открытом состоянии транзистор полностью открыт, поэтому он представляет собой короткое замыкание. В этом случае ток будет течь от входа к выходу, но потери в транзисторе равны 0 Вт, потому что напряжение на нем равно нулю при протекании тока. Все остальные элементы на пути тока (катушка индуктивности, конденсатор и диод) в идеале работают без потерь, поэтому во время работы в идеале мощность не будет рассеиваться.

Рисунок 5: Понижающий стабилизатор во включенном состоянии

В выключенном состоянии транзистор полностью выключен и представляет собой разомкнутую цепь.В этом случае напряжение на транзисторе равно входному напряжению, но через него не течет ток, потому что это разомкнутая цепь. Мощность, рассеиваемая транзистором в этом состоянии, также равна 0 Вт. И снова, другие компоненты предполагаются без потерь.

Рисунок 6: Понижающий регулятор во время отключения

Это показывает, что как во включенном, так и в выключенном состоянии импульсный регулятор в идеале не рассеивает мощность. Это означает, что верхний предел КПД равен 100%, тогда как линейный регулятор имеет верхний предел, равный Vout / Vin.

Другой способ взглянуть на это: входная мощность во время включения равна входному напряжению, умноженному на выходной ток, точно так же, как у линейного регулятора. Однако во время простоя ток не течет из входа, поэтому входная мощность равна 0 Вт. Среднее количество мощности, подаваемой в регулятор за один цикл переключения, равно входной мощности во время включения, умноженной на среднее значение. времени, в течение которого переключатель находится во включенном состоянии, что является продолжительностью включения. И поскольку в случае с понижающим коэффициентом коэффициент заполнения равен отношению выходного напряжения к входному напряжению, следующее уравнение показывает, что входная мощность в конечном итоге равна выходной мощности, что означает, что эффективность составляет 100%.

В действительности, катушка индуктивности, конденсатор и диод в понижающем стабилизаторе не идеальны, и все они будут нести потери, снижающие эффективность. Транзистор также не будет идеальным и будет иметь потери из-за сопротивления в открытом состоянии наряду с потерями из-за переключения. Следовательно, эффективность импульсного регулятора зависит от выбранных компонентов и условий эксплуатации. С другой стороны, эффективность линейного регулятора не зависит от выбранных компонентов и зависит только от условий входного и выходного напряжения.

Практические последствия низкой эффективности

Как упоминалось ранее, одной из основных причин того, что линейные регуляторы остаются настолько популярными, несмотря на их низкую эффективность, является их стоимость, простота и привычность. Однако, как обсуждалось выше, низкая эффективность и связанные с этим тепловые проблемы могут потребовать использования радиатора и воздушного потока, что противоречит этим преимуществам. Импульсные регуляторы являются эффективной альтернативой, и, хотя они могут быть более дорогими и сложными с самого начала, они могут снизить стоимость и сложность системы за счет уменьшения потребности в дорогих и громоздких устройствах управления температурой.Чтобы понять, сколько терморегулирования требуется для условий примера, на рисунке 6 показано параллельное сравнение линейного регулятора с радиатором, который с принудительным воздушным охлаждением допускает тот же диапазон рабочих температур, что и с выключенным CUI. полочный регулятор переключения.

Рисунок 7: Сравнение размеров с радиатором, включенным в линейный регулятор

Чтобы упростить внедрение импульсных регуляторов в приложениях, где традиционно используются линейные регуляторы, CUI предлагает несколько серий импульсных регуляторов, совместимых по выводам и посадочным местам с классическим линейным регулятором серии 7800 в пакет ТО-220.Эти регуляторы обеспечивают КПД до 94% и могут работать при напряжении до 36 В с выходным напряжением до 3,3 В без какого-либо регулирования температуры при температуре окружающей среды выше 65 ° C (149 ° F).

Рисунок 8: КПД импульсного регулятора P78E15-1000 в зависимости от выходного тока

Демонстрация видео

Посмотрите наш видеоролик CUI in the Lab для сравнения импульсных и линейных регуляторов.

Заключение

Линейные регуляторы

- это испытанное и надежное решение для неизолированного преобразования напряжения.Однако их изначально низкая эффективность может стать серьезной проблемой, если они проводят большие токи или работают с большими отношениями входа к выходу. Импульсные регуляторы предлагают высокоэффективную альтернативу. Хотя импульсные регуляторы более сложны внутри и могут напугать тех, кто с ними не знаком, CUI Inc предлагает широкий ассортимент импульсных регуляторов с различными номинальными токами и пакетами, которые так же просты в использовании, как классический линейный регулятор.

Категории: Основы , Выбор продукта

Дополнительные ресурсы


У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу powerblog @ cui.ком

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *