Un estabilizador lineal es un divisor de voltaje, cuya entrada recibe un voltaje de entrada (inestable) y el voltaje de salida (estabilizado) se elimina del brazo inferior del divisor. Estabilización llevado a cabo por cambios en la resistencia de uno de los brazos divisor: la resistencia se mantiene constantemente para que la tensión a la salida del estabilizador esté dentro de los límites establecidos. Con una relación grande de voltajes de entrada/salida, el estabilizador lineal tiene una eficiencia baja, ya que la mayor parte de la potencia Pdis = (Uin - Uout) * se disipa en forma de calor en el elemento de control. Por tanto, el elemento de control debe poder disipar suficiente potencia, es decir, debe instalarse en un radiador del área requerida. La ventaja de un estabilizador lineal es su simplicidad, la ausencia de interferencias y el reducido número de piezas utilizadas.
Dependiendo de Ubicación de un elemento con resistencia variable. Los estabilizadores lineales se dividen en dos tipos:
− coherente: el elemento de control está conectado en serie con la carga.
− paralelo: el elemento regulador está conectado en paralelo con la carga.
Dependiendo de método de estabilización:
− paramétrico: en dicho estabilizador, se utiliza una sección de la característica corriente-voltaje (característica voltamperio) del dispositivo, que tiene una gran pendiente.
− compensatorio: tiene comentarios. En él, se compara el voltaje en la salida del estabilizador con el de referencia y a partir de la diferencia entre ellos se forma una señal de control para el elemento regulador. Son bastante versátiles y pueden fabricarse en forma de circuitos integrados para estabilizadores de voltaje.
Los chips estabilizadores de voltaje lineal (LCH) incluyen, además de reguladores de potencia, un circuito de control de baja potencia más o menos complejo. Dificultad fundamental la creación de estabilizadores integrados es que los transistores de potencia disipar un poder significativo, llamando calentamiento local del cristal con un importante gradiente de temperatura. Esto deteriora dramáticamente la estabilidad de los parámetros del circuito de control, que incluye una fuente de voltaje de referencia, un amplificador de error diferencial, circuitos de protección contra sobrecorriente y cortocircuito carga, por sobrecalentamiento del cristal y otros modos de emergencia o anormales.
lineal monolítico estabilizador integral El voltaje fue desarrollado por primera vez por R. Widlar en 1967. Este microcircuito (pA723) contiene un transistor de control conectado en serie entre la fuente de voltaje no estabilizado y la carga, un amplificador de error y una fuente de voltaje de referencia con temperatura compensada. ¡El plan resultó ser tan exitoso que a principios de los años 70 su producción alcanzó los 2 millones de unidades por mes! Por números masivos aplicación de LCH pararse en segundo lugar después amplificadores operacionales.
En la figura se muestra un diagrama simplificado de un estabilizador de voltaje lineal. 1.
Arroz. 1. Circuito básico de un regulador de voltaje lineal.
El circuito consta de un amplificador operacional en una conexión no inversora con retroalimentación de voltaje negativa, una fuente de voltaje de referencia V REFERENCIA y transistor regulador VT 1 conectado en serie con la carga.
voltaje de salida V FUERA controlado por circuito negativo comentario, hecho sobre un divisor resistivo R 1 R 2.
El amplificador operacional desempeña el papel de un amplificador de error, que aquí es la diferencia entre el voltaje de referencia V REFERENCIA especificado por la fuente de voltaje de referencia (VR) y el voltaje de salida del divisor R 1 R 2
El esquema funciona de la siguiente manera. Dejemos que, por una razón u otra (por ejemplo, debido a una disminución en la resistencia de carga o un voltaje de entrada no regulado), el voltaje de salida del estabilizador V FUERA disminuido. En este caso, aparecerá un error en la entrada del amplificador operacional. V > 0. El voltaje de salida del amplificador aumentará, lo que conducirá a un aumento en la corriente de base y, en consecuencia, la corriente del emisor del transistor de control a un valor en el que el voltaje de salida aumentará casi hasta el nivel original.
En el caso de un amplificador operacional ideal, el valor de error en estado estacionario, que coincide con el voltaje de entrada diferencial del amplificador operacional, es cercano a cero. Resulta que
El amplificador operacional se alimenta a partir de una tensión unipolar no regulada de entrada, en este caso positiva (con un transistor regulador pnp -tipo todos los voltajes en el circuito deben ser negativos). Esto impone restricciones en el rango permitido de señales de entrada y salida, que en estas condiciones solo deberían ser positivas.
Para los circuitos de alimentación, esta limitación no importa, por lo que puede negarse a utilizar un voltaje de diferente polaridad para alimentar el amplificador operacional. una cosa mas ventaja de tal esquema es eso Voltaje La fuente de alimentación del amplificador operacional puede ser doble , sin temor a exceder sus parámetros máximos permitidos. Por lo tanto, los amplificadores operacionales estándar se pueden utilizar en circuitos reguladores con voltajes de entrada de hasta 30 V. Aunque el amplificador operacional funciona con un voltaje de entrada no regulado V EN , debido a la profunda retroalimentación negativa, la influencia de este factor en la estabilidad del voltaje de salida es pequeña.
Para alimentar equipos electrónicos, se permite una fluctuación de voltaje que no exceda una fracción de un porcentaje, pero en la salida de los rectificadores la fluctuación es mucho mayor. Para reducirlos se utilizan filtros de suavizado, que deben reducir (suprimir) los componentes variables tanto como sea posible y dejar pasar el componente directo de la tensión rectificada con la menor pérdida posible.
Arroz. 2.30.
A – filtro RC; b – un gráfico que explica el funcionamiento del filtro: V - filtro LC; GRAMO – Filtro RC en forma de U
El filtro más simple es un condensador conectado a la salida del rectificador. EN paralelo a la carga (Fig. 2.30, A), que almacena energía cargándose cuando el voltaje del rectificador aumenta y la libera descargándose en la resistencia de carga cuando disminuye. En la figura. 2.30, b muestra la forma de onda de voltaje a través del capacitor Ud. c (y por lo tanto en un paralelo conectado R norte ) con rectificador de onda completa.
Para reducir aún más la ondulación, se utilizan filtros LC en forma de L (Fig. 2.30, V). La reactancia inductiva tiende a ser mucho mayor. R n para que los componentes alternos del voltaje rectificado con frecuencias de ondulación del principal y superiores sean "retrasados" por el filtro en forma de una caída de voltaje a través incógnita L sin llegar a la carga. La capacitancia es significativamente menor que R H, de modo que los componentes alternos de la corriente rectificada estén cerrados a través de incógnita con, pasando por alto R,. En este caso, el componente de corriente constante, para el cual , no crea una caída de voltaje a través l f y no se cierra a través de Sf, entrando completamente a la carga.
La desventaja de los filtros LC es el volumen y la dificultad de fabricar inductores microelectrónicos. Por lo tanto en circuitos integrados con corrientes de carga de varios miliamperios, se utilizan filtros RC en forma de U (Fig. 2.30, GRAMO), a pesar de sus propiedades de alisado ligeramente peores y su menor eficacia.
Estabilizadores de tensión lineal
Estabilizador de voltaje es un dispositivo que mantiene automáticamente el voltaje en la carga cuando factores desestabilizadores como el voltaje de la fuente primaria, la resistencia de la carga y la temperatura ambiente cambian dentro de ciertos límites.
Hay dos tipos de estabilizadores: paramétricos y de compensación.
Estabilizador paramétrico Utiliza elementos en los que el voltaje permanece sin cambios cuando cambia la corriente que fluye a través de ellos. Estos elementos son los diodos Zener, en los que, cuando la corriente cambia dentro de un rango muy amplio, la caída de tensión cambia en fracciones de porcentaje (ver párrafo 1.2). Los estabilizadores paramétricos se utilizan, por regla general, como fuentes de voltaje de referencia (referencia) en potentes estabilizadores de compensación (Fig. 2.31).
Arroz. 2.31. La estructura de un estabilizador de voltaje de compensación (a), su implementación más simple.(b) y un gráfico que explica la elección del punto de funcionamiento.(V)
Principio de funcionamiento estabilizador compensador se basa en comparar el voltaje de carga real con el voltaje de referencia y aumentar o disminuir la desviación del voltaje de salida dependiendo de esta desviación. El voltaje de referencia es generado por una fuente de voltaje de referencia (VS). En el elemento comparador (CE), el voltaje de carga se compara con el voltaje de referencia y se genera una señal de control de discrepancia. Esta señal es amplificada por un amplificador (U) y alimentada a un elemento regulador (RE), que proporciona un cambio en el voltaje de salida que acerca el voltaje de carga real al valor de referencia.
El parámetro principal del estabilizador es coeficiente de estabilización – la relación entre el cambio relativo de voltaje en la entrada y el cambio relativo de voltaje en la salida:
En el estabilizador de compensación más simple, el voltaje de referencia es el voltaje Ud. diodo zener ENFERMEDAD VENÉREA, y el elemento comparador, amplificador y al mismo tiempo elemento regulador es un transistor (ver Fig. 2.31, b).
Tensión de salida (como se puede ver en los signos “+” y “-” del diagrama) Uout = Ud. calle – UEB. La corriente a través de la resistencia RB se forma sumando dos corrientes: la corriente del diodo Zener I st y base actual I B. El modo de funcionamiento del transistor se selecciona de modo que el punto de funcionamiento inicial r estaba ubicado en el medio de la sección lineal del mismo características de entrada(ver figura 2.31, V). Voltaje Ud. En este caso, el EB es 0,-0,3 V. Dado que el voltaje del diodo Zener suele ser de unos 8 V, entonces Ud. fuera ≈ Ud. CONNECTICUT.
Supongamos que por alguna razón el voltaje de carga ha disminuido. Esto conducirá a un aumento en la caída de voltaje UEB. = U calle - Ud. hacia afuera, lo que, a su vez, aumentará el grado de apertura del transistor. Como resultado, la caída de voltaje a través del transistor. Ud. KE disminuirá, lo que significa que el voltaje de carga aumentará Ud. afuera= Ud. BX – Ud. ΚE, y eventualmente se restablecerá el voltaje en la carga. Se producirá una recuperación similar del voltaje de salida cuando aumente. Solo en este caso habrá una disminución en el grado de apertura del transistor y un aumento correspondiente en el voltaje que cae a través de él. Ud. ke.
El transistor está conectado de acuerdo con el circuito seguidor del emisor, cuyo voltaje de entrada es Ud. CONNECTICUT. Porque I B << I n, el circuito le permite entregar una potencia significativa a la carga. El coeficiente de estabilización de dicho esquema es A calle = 150–300. En el circuito considerado, la señal de discrepancia se genera en el propio transistor de control. Un alto grado de estabilización lo proporcionan los circuitos en los que se suministra una señal de desajuste preamplificada a la base del transistor de control.
En los estabilizadores de tensión considerados, el transistor regulador está siempre abierto y la autorregulación se realiza cambiando el grado de apertura, es decir, lineal. Por lo tanto, tales estabilizadores se denominan lineal.
Estabilizadores de tensión de conmutación
A diferencia de los estabilizadores lineales discutidos anteriormente, en estabilizadores de voltaje de pulso el transistor a través del cual fluye la corriente hacia la carga se abre y cierra periódicamente, es decir, Funciona en modo clave. Además, la regulación se lleva a cabo cambiando la pausa, durante la cual la corriente de carga fluye a través del transistor clave desde una fuente de voltaje de entrada constante. Por lo tanto, el transistor no funciona en modo lineal, sino en modo pulsado: está completamente abierto o completamente cerrado. En tales estabilizadores, el voltaje promedio a través de la carga Uout = Ud. BX t /T, donde T- período de repetición del pulso; t – duración del estado cerrado de la llave.
Los estabilizadores de conmutación proporcionan una mayor eficiencia, ya que en un estado completamente abierto, muy pocas caídas de voltaje a través del transistor y, por lo tanto, la potencia disipada por el transistor es mucho menor que la potencia disipada en los estabilizadores lineales.
Dado que la regulación se realiza cambiando el ancho del pulso. t, Este principio de funcionamiento se denomina modulación de ancho de pulso (PWM). Los estabilizadores de pulso (fig. 2.32), como los lineales, son compensatorios. señal de error Ud. p, formado por el elemento comparador del SE y amplificado por el amplificador (A), se convierte en pulsos siguientes de la misma frecuencia, cuya duración t sobre los cambios bajo la influencia de la señal de error. Estos pulsos abren y cierran el transistor clave. VERMONT. que junto con el diodo enfermedad venérea y un filtro LC forma un elemento regulador de impulsos.
Arroz. 2.32. Estabilizador de voltaje de conmutación (a ) y los procesos que ocurren en él.(b)
Mientras que el voltaje de diente de sierra Ud. norte < U p (sección t0 – t1 en la figura 2.32, b), El transistor está bloqueado. Con el tiempo t 1 – t 3 cuando Ud. norte >U p, el transistor está abierto y se aplica voltaje t/BX al inductor. Impulsado por diodo UBX enfermedad venérea está bloqueado y la corriente a través del inductor i dr aumenta, almacenando energía en la inductancia. Hasta que la corriente del inductor alcance el valor corriente continua cargas I norte (sección t 1 – t 2), condensador CON descargas a la carga y el voltaje en ella Ud. c disminuye. Desde el momento del tiempo ί2> cuando i etc > I n el capacitor comenzará a recargarse por la diferencia de corriente i dr - I norte. En el momento t3 de apagar el transistor, la fem autoinductiva del inductor abre el diodo y la corriente del inductor, cerrando a través del diodo, fluye a través de la carga hasta t 4 continúa cargando el capacitor, dándole la energía almacenada por el inductor. En la sección t4 - t5, la corriente del inductor es menor que la corriente de carga y la carga es alimentada por la corriente de descarga del capacitor. Desde t 5 se repite el proceso.
Deje que el voltaje de salida sea menor que el valor establecido y el voltaje no coincidente Ud. p disminuirá en -ΔUρ. Entonces, el momento en el que el voltaje en diente de sierra generado por el GPN se vuelve igual al voltaje Ud. p llegará antes y aumentará el estado abierto de la tonelada del transistor, generada por PWM. Esto hará que el voltaje de salida de UBbIX aumente y restablezca el valor establecido. Si el voltaje de salida aumenta, el voltaje de error también aumentará en +Δ Ud. pag. Esto conducirá al hecho de que el momento de apertura del transistor generado por PWM llegará más tarde y el tiempo de apertura del transistor disminuirá. Como resultado, el voltaje de salida disminuirá y se restablecerá su valor establecido.
Estabilización de voltaje en moderno. dispositivos electronicos Muy elemento importante. Los circuitos digitales requieren energía estable y confiable.
lo mas circuito simple La estabilización de tensión que podemos encontrar en la práctica es un sistema basado en un diodo zener. El modo de funcionamiento básico de un diodo zener se muestra en la siguiente figura:
Este sistema utiliza el efecto del diodo zener que se produce durante la avería. unión pn en polarización inversa. Esto hace que la corriente fluya y cualquier exceso de voltaje se absorba a través de la resistencia del balastro. La cantidad de caída de voltaje está determinada por la cantidad de corriente que fluye a través de él.
Por lo tanto, una corriente fija a través del diodo zener fija la caída de voltaje a través de la resistencia y, por lo tanto, estabiliza el voltaje de salida. Los diodos Zener se fabrican para varios voltajes en el rango de 1,5 V a 200 V.
Pero, a menudo, en la práctica, se utilizan microcircuitos especializados para estabilizar el voltaje, que se pueden dividir en dos grupos:
- con ajuste de voltaje
- polaridad positiva
- polaridad negativa - sin ajuste de voltaje
- polaridad positiva
- polaridad negativa
Los estabilizadores de voltaje integrados tienen tres características principales:
- voltaje de salida
- corriente máxima
- voltaje de entrada mínimo
En la entrada del estabilizador de voltaje, es necesario aplicar un voltaje más alto que el que debería haber en la salida.
En los estabilizadores más comunes, la diferencia entre el voltaje de entrada y salida es de aproximadamente 2V. Pero también existen estabilizadores LDO, en los que esta diferencia es mucho menor. Este voltaje a menudo se conoce como VDO
Entre los estabilizadores no ajustables populares se encuentran:
78xx– el más famoso de todos los estabilizadores de voltaje positivo. Disponible en varias versiones de voltaje: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 voltios, VDO = 2V.
79xx– el más popular de todos los estabilizadores de voltaje negativo. Producido en versiones de voltaje: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 voltios, VDO = 2V.
LM2940x– Estabilizador de voltaje positivo LDO. Para voltaje: 5, 8, 9, 10, 12, 15 voltios, VDO = 0,5V.
Entre los estabilizadores de tensión regulable, los más famosos son:
– rango de tensión de salida de 1,25 a 37 voltios, VDO = 3V.
LM337– rango de voltaje de salida de -1,25 a 37 voltios, VDO = 5 V.
Los estabilizadores de voltaje modernos tienen varios tipos Protección térmica y de corriente, que garantiza un funcionamiento seguro y reduce las posibilidades de que los circuitos se quemen.
Además de los estabilizadores lineales, también existe un grupo de estabilizadores conmutados. Se diferencian, por supuesto, en que tienen mayor eficiencia (se gasta menos energía en pérdidas de calor). característica interesante es que permiten subir y bajar voltajes, lo cual es muy útil a la hora de alimentar microcircuitos desde una batería.
El estabilizador lineal es la forma original de estabilizar fuentes de alimentación. Para reducir el nivel de voltaje de entrada a un voltaje de salida estabilizado, utiliza conductividad variable del elemento electrónico activo. En este caso, el estabilizador lineal pierde mucha energía en forma de calor y, por tanto, se calienta.
Las fuentes de alimentación lineales ocupan un nicho importante en aplicaciones donde la baja eficiencia de dichas fuentes no juega un papel especial. Estas aplicaciones incluyen equipos terrestres estacionarios, para los cuales el enfriamiento por aire forzado no es un problema. Esto también incluye instrumentos en los que el medidor es tan sensible al ruido eléctrico que requiere una fuente de energía eléctricamente "silenciosa". Dichos dispositivos incluyen amplificadores de audio y video, radios, etc. Los estabilizadores lineales también son populares como estabilizadores locales a bordo. En este caso, la placa sólo requiere unos pocos vatios, por lo que algunos vatios más perdidos en calor se pueden contrarrestar con un simple disipador de calor. Si se requiere aislamiento dieléctrico de la fuente de entrada de CA, lo proporciona un transformador de CA o un sistema de suministro de energía principal.
En general, los reguladores lineales son especialmente útiles para aplicaciones de suministro de energía que no requieren más de 10 W de potencia de salida. Con una potencia de salida superior a 10 W, el disipador de calor requerido se vuelve tan voluminoso y costoso que resulta más atractivo. fuentes pulsadas nutrición.
Principio de funcionamiento de un estabilizador lineal.
Todas las fuentes de alimentación, ya sean lineales o conmutadas más complejas, funcionan de la misma manera principio básico. Todas las fuentes de energía se basan en circuito cerrado retroalimentación negativa. El único propósito de este circuito es mantener constante el voltaje de salida.
Los estabilizadores lineales son solo reductores. Esto significa que el voltaje de entrada de la fuente debe ser mayor que el voltaje de salida requerido. Hay dos tipos de estabilizadores lineales: paralelos (shunt) y seriales (serie-paso). Estabilizador paralelo (estabilizador con conexión paralela elemento regulador) es un estabilizador de voltaje conectado en paralelo con la carga. La fuente de corriente no regulada está conectada a una fuente de voltaje más alto, el regulador paralelo toma la corriente de salida para mantener voltaje CC en la carga, teniendo en cuenta la tensión de entrada variable y la corriente de carga. Un ejemplo común de dicho estabilizador es un estabilizador de diodo zener. Un regulador lineal en serie es más eficiente que un regulador en paralelo y utiliza un semiconductor activo entre la fuente de entrada y la carga como elemento regulador conectado en serie.
Un elemento pasante conectado en serie funciona en modo lineal. Esto significa que no fue diseñado para funcionar en modo completamente encendido (ON) o completamente apagado (OFF), sino que funciona en modo “parcialmente encendido”. El circuito de retroalimentación negativa determina la cantidad de conductividad que debe aceptar el elemento de paso para proporcionar el nivel de voltaje de salida requerido.
El corazón del circuito de retroalimentación negativa es un amplificador operacional de alta ganancia llamado amplificador de voltaje de error. Su propósito es comparar constantemente la diferencia entre un voltaje de referencia altamente estable y el voltaje de salida. Si esta diferencia es de al menos milivoltios, entonces se ajusta la conductividad eléctrica del elemento de paso. Se suministra un voltaje de referencia estable a la entrada no inversora del amplificador operacional y generalmente es más bajo que el voltaje de salida. El voltaje de salida se divide al nivel de referencia y se alimenta a la entrada inversa del amplificador operacional. Por tanto, a la tensión de salida nominal, el punto central del divisor de tensión de salida es idéntico a la tensión de referencia.
La ganancia del amplificador de polarización proporciona un voltaje correspondiente a la diferencia mucho mayor entre los voltajes de referencia y de salida (voltaje de error). El voltaje de error controla directamente la conductividad del elemento de paso, manteniendo así el voltaje de salida nominal. A medida que aumenta la carga, el voltaje de salida cae, lo que conduce a un aumento en la potencia de salida del amplificador, lo que proporciona más corriente a la carga. Asimismo, a medida que la carga disminuye, el voltaje de salida aumentará, a lo que el amplificador de error responderá disminuyendo la corriente a través del elemento de paso a la carga.
La velocidad con la que el amplificador de error responde a cualquier cambio en la salida y la precisión con la que se mantiene el nivel de voltaje de salida requerido depende de la compensación del bucle de retroalimentación del amplificador de error. La compensación de retroalimentación se controla colocando elementos dentro del divisor de voltaje y entre la entrada y salida negativa del amplificador de error. Su diseño dicta cuánta ganancia de CC se realiza, lo que a su vez determina la precisión del voltaje de salida. También determina la cantidad de ganancia a mayor frecuencia y ancho de banda, lo que a su vez determina el tiempo necesario para responder a los cambios en la carga de salida o la duración de los transitorios.
Como puedes ver, el principio de funcionamiento de un estabilizador lineal es muy sencillo. Exactamente el mismo circuito está presente en todos los estabilizadores, incluidos los estabilizadores de conmutación más complejos. El circuito de retroalimentación de voltaje realiza la función final de la fuente de alimentación: mantener el nivel de voltaje de salida.
Estabilizador de voltaje- convertidor energía eléctrica, lo que permite obtener una tensión de salida dentro de los límites especificados con fluctuaciones significativamente mayores en la tensión de entrada y la resistencia de carga.
Según el tipo de voltaje de salida, los estabilizadores se dividen en estabilizadores de CC y CA. Como regla general, el tipo de suministro de energía (constante o C.A.) es el mismo que el voltaje de salida, aunque son posibles excepciones.