Uno stabilizzatore lineare è un divisore di tensione, al cui ingresso viene fornita una tensione di ingresso (instabile) e la tensione di uscita (stabilizzata) viene rimossa dal braccio inferiore del divisore. Stabilizzazione effettuato da cambiamenti nella resistenza di uno dei bracci divisore: la resistenza viene mantenuta costantemente in modo che la tensione all'uscita dello stabilizzatore rientri nei limiti stabiliti. Con un elevato rapporto tra tensioni di ingresso/uscita, lo stabilizzatore lineare ha una bassa efficienza, poiché la maggior parte della potenza Pdis = (Uin - Uout) * Viene dissipata sotto forma di calore sull'elemento di controllo. Pertanto l'elemento di controllo deve essere in grado di dissipare una potenza sufficiente, ovvero deve essere installato su un radiatore della superficie richiesta. Il vantaggio di uno stabilizzatore lineare è la sua semplicità, l'assenza di interferenze e il numero limitato di parti utilizzate.

A seconda di posizione di un elemento con resistenza variabile gli stabilizzatori lineari si dividono in due tipologie:

− coerente: l'elemento di controllo è collegato in serie al carico.

− parallelo: l'elemento di regolazione è collegato in parallelo al carico.

A seconda di metodo di stabilizzazione:

− parametrico: in tale stabilizzatore viene utilizzata una sezione della caratteristica corrente-tensione (caratteristica volt-ampere) del dispositivo, che ha una grande pendenza.

− compensativo: ha un feedback. In esso, la tensione all'uscita dello stabilizzatore viene confrontata con quella di riferimento e dalla differenza tra loro si forma un segnale di controllo per l'elemento di controllo. Sono abbastanza versatili e possono essere realizzati sotto forma di circuiti integrati per stabilizzatori di tensione.

I chip dello stabilizzatore di tensione lineare (LCH) includono, oltre ai regolatori di potenza, un circuito di controllo a bassa potenza più o meno complesso. Difficoltà fondamentale la creazione di stabilizzatori integrati sia di transistor di potenza dissipare una potenza significativa, chiamando riscaldamento locale del cristallo con un notevole gradiente termico. Ciò deteriora drasticamente la stabilità dei parametri del circuito di controllo, che include una sorgente di tensione di riferimento, un amplificatore di errore differenziale, circuiti di protezione da sovracorrente e cortocircuito carico, dal surriscaldamento del cristallo e da altre modalità di emergenza o anomale.

Lineare monolitica stabilizzatore integrale la tensione è stata sviluppata per la prima volta da R. Widlar nel 1967. Questo microcircuito (pA723) contiene un transistor di controllo collegato in serie tra la sorgente di tensione non stabilizzata e il carico, un amplificatore di errore e una sorgente di tensione di riferimento compensata in temperatura. Lo schema ebbe un tale successo che all'inizio degli anni '70 la sua produzione raggiunse i 2 milioni di unità al mese! Per numeri di massa applicazione dell'ICL stare in piedi secondo posto Dopo amplificatori operazionali.

Uno schema semplificato di uno stabilizzatore di tensione lineare è mostrato in Fig. 1.

Riso. 1. Circuito base di un regolatore di tensione lineare

Il circuito è costituito da un amplificatore operazionale in una connessione non invertente con retroazione di tensione negativa, una sorgente di tensione di riferimento V RIF e transistor di regolazione VT1 collegato in serie al carico.

Tensione di uscita VFUORI controllato dal circuito negativo feedback, realizzato su un partitore resistivo R1R2.

L'amplificatore operazionale svolge il ruolo di un amplificatore di errore, che qui è la differenza tra la tensione di riferimento V RIF specificato dalla sorgente di tensione di riferimento (VR) e dalla tensione di uscita del divisore R1R2

Lo schema funziona come segue. Lasciamo che, per un motivo o per l'altro (ad esempio, a causa di una diminuzione della resistenza di carico o di una tensione di ingresso non regolata), la tensione di uscita dello stabilizzatore VFUORI diminuito. In questo caso, verrà visualizzato un errore all'ingresso dell'amplificatore operazionale V > 0. La tensione di uscita dell'amplificatore aumenterà, il che porterà ad un aumento della corrente di base e, di conseguenza, della corrente di emettitore del transistor di controllo ad un valore al quale la tensione di uscita aumenterà quasi al livello originale.

Nel caso di un amplificatore operazionale ideale, il valore dell'errore allo stato stazionario, che coincide con la tensione di ingresso differenziale dell'amplificatore operazionale, è vicino allo zero. Ne consegue che

L'amplificatore operazionale è alimentato da una tensione unipolare non regolata in ingresso, in questo caso positiva (con un transistor di regolazione p-n-p -tipo tutte le tensioni nel circuito devono essere negative). Ciò impone restrizioni sull'intervallo consentito dei segnali di ingresso e di uscita, che in queste condizioni dovrebbero essere solo positivi

Per i circuiti di alimentazione, tale limitazione non ha importanza, quindi è possibile rifiutarsi di utilizzare una tensione con polarità diversa per alimentare l'amplificatore operazionale. Ancora una cosa vantaggio di un simile schema è quello voltaggio l'alimentazione dell'amplificatore operazionale può essere raddoppiare , senza timore di superare i parametri massimi consentiti. Pertanto, gli amplificatori operazionali standard possono essere utilizzati nei circuiti regolatori con tensioni di ingresso fino a 30 V. Sebbene l'amplificatore operazionale sia alimentato da una tensione di ingresso non regolata VIN , a causa del profondo feedback negativo, l'influenza di questo fattore sulla stabilità della tensione di uscita è ridotta.

Per alimentare apparecchiature elettroniche, è consentita un'ondulazione di tensione non superiore a una frazione percentuale, ma all'uscita dei raddrizzatori l'ondulazione è molto maggiore. Per ridurli si utilizzano filtri di livellamento che dovrebbero ridurre (sopprimere) il più possibile le componenti variabili e far passare la componente continua della tensione raddrizzata con la minima perdita possibile.

Riso. 2.30.

UN – Filtro RC; B – un grafico che spiega il funzionamento del filtro: V- filtro LC; G – Filtro RC a forma di U

Il filtro più semplice è un condensatore collegato all'uscita del raddrizzatore IN parallelamente al carico (Fig. 2.30, UN), che immagazzina energia caricandosi quando la tensione del raddrizzatore aumenta e la rilascia scaricando nella resistenza di carico quando diminuisce. Nella fig. 2:30, B mostra la forma d'onda della tensione ai capi del condensatore U c (e quindi connesso in parallelo R N ) con raddrizzatore a onda intera.

Per ridurre ulteriormente il ripple, vengono utilizzati filtri LC a forma di L (Fig. 2.30, V). La reattanza induttiva tende ad essere resa molto più grande R n in modo che le componenti alternate della tensione raddrizzata con frequenze di ripple da quella principale e superiori vengano "ritardate" dal filtro sotto forma di caduta di tensione ai capi X L senza raggiungere il carico. La capacità è significativamente inferiore a R H, in modo che le componenti alternate della corrente raddrizzata siano chiuse X con, bypassando R,. In questo caso la componente di corrente costante, per la quale , non crea una caduta di tensione ai capi l f e non si chiude attraverso Sf, entrando interamente nel carico.

Lo svantaggio dei filtri LC è l'ingombro e la difficoltà di produrre induttori microelettronici. Pertanto, dentro circuiti integrati per correnti di carico di diversi milliampere vengono utilizzati filtri RC a forma di U (Fig. 2.30, G), nonostante le loro proprietà leviganti leggermente peggiori e la minore efficienza.

Stabilizzatori di tensione lineari

Stabilizzatore di tensione è un dispositivo che mantiene automaticamente la tensione sul carico quando fattori destabilizzanti come la tensione della sorgente primaria, la resistenza del carico e la temperatura ambiente cambiano entro determinati limiti.

Esistono due tipi di stabilizzatori: parametrici e compensativi.

Stabilizzatore parametrico utilizza elementi in cui la tensione rimane invariata al variare della corrente che li attraversa. Tali elementi sono diodi Zener, in cui, quando la corrente cambia entro un intervallo molto ampio, la caduta di tensione cambia di frazioni percentuali (vedere paragrafo 1.2). Gli stabilizzatori parametrici sono utilizzati, di regola, come fonti di tensione di riferimento (riferimento) in potenti stabilizzatori di compensazione (Fig. 2.31).

Riso. 2.31. La struttura di uno stabilizzatore di tensione di compensazione (a), la sua implementazione più semplice(B) e un grafico che spiega la scelta del punto operativo(V)

Principio di funzionamento stabilizzatore di compensazione si basa sul confronto della tensione di carico effettiva con la tensione di riferimento e sull'aumento o sulla diminuzione della deviazione della tensione di uscita in base a questa deviazione. La tensione di riferimento è formata da una sorgente di tensione di riferimento (VS). Nell'elemento di confronto (CE), la tensione di carico viene confrontata con la tensione di riferimento e viene generato un segnale di controllo del disadattamento. Questo segnale viene amplificato da un amplificatore (U) e alimentato a un elemento di regolazione (RE), che fornisce una variazione tale nella tensione di uscita da avvicinare la tensione di carico effettiva al valore di riferimento.

Il parametro principale dello stabilizzatore è coefficiente di stabilizzazione – il rapporto tra la variazione relativa della tensione in ingresso e la variazione relativa della tensione in uscita:

Nello stabilizzatore di compensazione più semplice, la tensione di riferimento è la tensione U diodo Zener VD, e l'elemento di confronto, amplificatore e allo stesso tempo elemento di regolazione è un transistor (vedi Fig. 2.31, B).

Tensione di uscita (come si può vedere dai segni “+” e “-” sullo schema) Uout = U st – UEB. La corrente che attraversa il resistore RB si forma sommando due correnti: la corrente del diodo zener IO st e base attuale IO B. La modalità operativa del transistor è selezionata in modo tale che il punto operativo iniziale R si trovava al centro della sua sezione lineare caratteristiche di ingresso(vedi Fig. 2.31, V). Voltaggio U In questo caso, l'EB è 0,-0,3 V. Poiché la tensione del diodo zener è solitamente di circa 8 V, allora U fuori ≈ U CT.

Supponiamo che per qualche motivo la tensione di carico sia diminuita. Ciò porterà ad un aumento della caduta di tensione UEB =U st- U fuori, che, a sua volta, aumenterà il grado di apertura del transistor. Di conseguenza, la caduta di tensione attraverso il transistor U KE diminuirà, il che significa che la tensione di carico aumenterà U fuori= U BX – U ΚE, e alla fine la tensione al carico verrà ripristinata. Un recupero simile della tensione di uscita si verificherà quando aumenta. Solo in questo caso si avrà una diminuzione del grado di apertura del transistor e un corrispondente aumento della tensione caduta ai suoi capi U ke.

Il transistor è collegato secondo il circuito inseguitore dell'emettitore, la cui tensione di ingresso è U CT. Perché IO B << I n, il circuito consente di fornire una potenza significativa al carico. Il coefficiente di stabilizzazione di tale schema è A st = 150–300. Nel circuito considerato, il segnale di disadattamento viene generato sul transistor di controllo stesso. Un elevato grado di stabilizzazione è fornito da circuiti in cui un segnale di disadattamento preamplificato viene fornito alla base del transistor di controllo.

Negli stabilizzatori di tensione considerati, il transistor di regolazione è sempre aperto e l'autoregolazione viene effettuata modificando il grado della sua apertura, ad es. lineare. Pertanto, vengono chiamati tali stabilizzatori lineare.

Stabilizzatori di tensione di commutazione

A differenza degli stabilizzatori lineari precedentemente discussi, in stabilizzatori di tensione a impulsi il transistor attraverso il quale la corrente fluisce al carico si apre e si chiude periodicamente, ad es. funziona in modalità chiave. Inoltre, la regolazione viene effettuata modificando la pausa durante la quale la corrente di carico fluisce attraverso il transistor chiave da una sorgente di tensione di ingresso costante. Pertanto, il transistor non funziona in modalità lineare, ma in modalità pulsata: è completamente aperto o completamente chiuso. In tali stabilizzatori, la tensione media attraverso il carico Uout = U BX T / T, dove T - periodo di ripetizione dell'impulso; T - durata dello stato chiuso della chiave.

Gli stabilizzatori a commutazione forniscono una maggiore efficienza, poiché in uno stato completamente aperto cadono pochissime tensioni attraverso il transistor e quindi la potenza dissipata dal transistor è molto inferiore alla potenza dissipata negli stabilizzatori lineari.

Poiché la regolazione viene effettuata modificando l'ampiezza dell'impulso T, Questo principio di funzionamento è chiamato modulazione di larghezza di impulso (PWM). Gli stabilizzatori di impulsi (Fig. 2.32), come quelli lineari, sono compensativi. Segnale di errore U p, formato dall'elemento comparatore dell'SE e amplificato dall'amplificatore (A), viene convertito in impulsi successivi con la stessa frequenza, la cui durata T sui cambiamenti sotto l'influenza del segnale di errore. Questi impulsi aprono e chiudono il transistor della chiave V.T. che insieme al diodo V.D. e un filtro LC forma un elemento di regolazione degli impulsi.

Riso. 2.32. Stabilizzatore di tensione di commutazione (UN ) e i processi che si verificano in esso(B)

Mentre la tensione a dente di sega U N < U p (sezione t0 – t1 in Fig. 2.32, B), il transistor è bloccato. Col tempo T 1 – T 3 quando U N >U p, il transistor è aperto e la tensione t/BX viene applicata all'induttore. Pilotato dal diodo UBX V.D. è bloccato e la corrente attraversa l'induttore io dr aumenta, immagazzinando energia nell'induttanza. Fino a quando la corrente dell'induttore raggiunge il valore DC carichi IO n (sezione T 1 – T 2), condensatore CON scariche sul carico e la tensione su di esso U c diminuisce. Dal momento in cui ί2> quando io ecc > IO n il condensatore inizierà a ricaricarsi grazie alla differenza di corrente io dottor – IO N. Nel momento t3 dello spegnimento del transistor, la fem autoinduttiva dell'induttore apre il diodo e la corrente dell'induttore, chiudendosi attraverso il diodo, scorre attraverso il carico fino a quando T 4 continua a caricare il condensatore, cedendogli l'energia immagazzinata dall'induttore. Nella sezione t4 – t5, la corrente nell'induttore è inferiore alla corrente di carico e il carico è alimentato dalla corrente di scarica del condensatore. Da T 5 il processo si ripete.

Lasciare che la tensione di uscita diventi inferiore al valore impostato e alla tensione di disadattamento U p diminuirà di -ΔUρ. Quindi il momento in cui la tensione a dente di sega generata dal GPN diventa uguale alla tensione U p arriverà prima e lo stato aperto del transistor ton, generato dal PWM, aumenterà. Ciò porterà ad un aumento della tensione di uscita di UBbIX e al ripristino del valore impostato di cento. Se la tensione di uscita aumenta, anche la tensione di errore aumenterà di +Δ U P. Ciò porterà al fatto che il momento dell'apertura del transistor, generato dal PWM, arriverà più tardi e il tempo dello stato aperto del transistor diminuirà. Di conseguenza, la tensione di uscita diminuirà e il valore impostato verrà ripristinato.

Stabilizzazione della tensione nella moderna dispositivi elettronici Molto elemento importante. I circuiti digitali richiedono un'alimentazione stabile e affidabile.

Il massimo circuito semplice la stabilizzazione di tensione che possiamo trovare in pratica è un sistema basato su un diodo zener. La modalità operativa di base di un diodo zener è mostrata nella figura seguente:

Questo sistema utilizza l'effetto del diodo zener che si verifica durante il guasto giunzione p-n a bias inverso. Ciò fa sì che la corrente fluisca e l'eventuale tensione in eccesso venga assorbita attraverso il resistore di zavorra. L'entità della caduta di tensione è determinata dalla quantità di corrente che lo attraversa.

Pertanto, una corrente fissa attraverso il diodo zener fissa la caduta di tensione attraverso il resistore e quindi stabilizza la tensione di uscita. I diodi Zener sono prodotti per varie tensioni nell'intervallo da 1,5 V a 200 V.

Ma, spesso in pratica, per stabilizzare la tensione vengono utilizzati microcircuiti specializzati, che possono essere suddivisi in due gruppi:

• con regolazione della tensione
  - polarità positiva
  - polarità negativa
• senza regolazione della tensione
  - polarità positiva
  - polarità negativa

Gli stabilizzatori di tensione integrati hanno tre caratteristiche principali:

• tensione di uscita
• corrente massima
• tensione di ingresso minima

All'ingresso dello stabilizzatore di tensione è necessario applicare una tensione maggiore di quella che dovrebbe essere all'uscita.

Negli stabilizzatori più comuni la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita è di circa 2V. Ma ci sono anche stabilizzatori LDO, in cui questa differenza è molto più bassa. Questa tensione viene spesso definita VDO

Tra i popolari stabilizzatori non regolabili ci sono:
78xx– il più famoso di tutti gli stabilizzatori di tensione positivi. Disponibili in varie versioni di tensione: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 volt, VDO = 2V.
79xx– il più popolare tra tutti gli stabilizzatori di tensione negativa. Prodotto nelle versioni di tensione: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 volt, VDO = 2V.

LM2940x– Stabilizzatore di tensione positivo LDO. Per tensione: 5, 8, 9, 10, 12, 15 volt, VDO = 0,5 V.

Tra gli stabilizzatori di tensione regolabili i più famosi sono:
– range di tensione in uscita da 1,25 a 37 volt, VDO = 3V.
LM337– intervallo di tensione in uscita da -1,25 – 37 volt, VDO = 5 V.

I moderni stabilizzatori di tensione hanno vari tipi protezione termica e corrente, che garantisce un funzionamento sicuro e riduce le possibilità di incendio dei circuiti.

Oltre agli stabilizzatori lineari, esiste anche un gruppo di stabilizzatori di commutazione. Differiscono, ovviamente, in quanto hanno una maggiore efficienza (viene spesa meno energia). perdite di calore). Caratteristica interessanteè che consentono di aumentare e diminuire la tensione, il che è molto utile quando si alimentano i microcircuiti da una batteria.

Lo stabilizzatore lineare è la forma originale di alimentatori stabilizzatori. Per abbassare il livello della tensione di ingresso a una tensione di uscita stabilizzata, utilizza la conduttività variabile dell'elemento elettronico attivo. In questo caso lo stabilizzatore lineare perde molta energia sotto forma di calore e quindi si riscalda.

Gli alimentatori lineari occupano una nicchia significativa nelle applicazioni in cui la bassa efficienza di tali fonti non gioca un ruolo speciale. Queste applicazioni includono apparecchiature fisse a terra, per le quali il raffreddamento ad aria forzata non rappresenta un problema. Ciò include anche strumenti in cui il misuratore è così sensibile al rumore elettrico da richiedere una fonte di alimentazione elettricamente “silenziosa”. Tali dispositivi includono amplificatori audio e video, radio, ecc. Gli stabilizzatori lineari sono popolari anche come stabilizzatori locali di bordo. In questo caso la scheda richiede solo pochi watt, quindi qualche watt in più perso in calore può essere contrastato con un semplice dissipatore di calore. Se è necessario l'isolamento dielettrico dalla sorgente di ingresso CA, questo viene fornito da un trasformatore CA o da un sistema di alimentazione principale.

In generale, i regolatori lineari sono particolarmente utili per le applicazioni di alimentazione che richiedono non più di 10 W di potenza in uscita. Con una potenza di uscita superiore a 10 W, il dissipatore di calore richiesto diventa così ingombrante e costoso da diventare più attraente sorgenti pulsate nutrizione.

Principio di funzionamento di uno stabilizzatore lineare

Tutti gli alimentatori, siano essi lineari o switching più complessi, funzionano allo stesso modo principio fondamentale. Tutte le fonti di energia sono basate su ciclo chiuso feedback negativo. L'unico scopo di questo circuito è mantenere costante la tensione di uscita.

Gli stabilizzatori lineari sono solo step-down. Ciò significa che la tensione di ingresso della sorgente deve essere superiore alla tensione di uscita richiesta. Esistono due tipi di stabilizzatori lineari: parallelo (shunt) e seriale (passaggio in serie). Stabilizzatore parallelo (stabilizzatore con collegamento parallelo elemento di regolazione) è uno stabilizzatore di tensione collegato in parallelo al carico. La sorgente di corrente non regolata è collegata a una sorgente di tensione più elevata, il regolatore parallelo utilizza la corrente di uscita per mantenerla Tensione CC sul carico, tenendo conto della tensione di ingresso variabile e della corrente di carico. Un esempio comune di tale stabilizzatore è uno stabilizzatore a diodo zener. Un regolatore lineare in serie è più efficiente di un regolatore in parallelo e utilizza un semiconduttore attivo tra la sorgente di ingresso e il carico come elemento di regolazione collegato in serie.

Un elemento passante collegato in serie funziona in modalità lineare. Ciò significa che non è stato progettato per funzionare in modalità completamente ON o completamente OFF, ma piuttosto funziona in modalità "parzialmente ON". Il circuito di feedback negativo determina la quantità di conduttività che l'elemento passante deve accettare per fornire il livello di tensione di uscita richiesto.

Il cuore del circuito di feedback negativo è un amplificatore operazionale ad alto guadagno chiamato amplificatore di tensione di errore. Il suo scopo è confrontare costantemente la differenza tra una tensione di riferimento altamente stabile e la tensione di uscita. Se questa differenza è di almeno millivolt, viene regolata la conduttività elettrica dell'elemento di passaggio. Una tensione di riferimento stabile viene fornita all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale ed è generalmente inferiore alla tensione di uscita. La tensione di uscita viene divisa per il livello di riferimento e alimentata all'ingresso inverso dell'amplificatore operazionale. Pertanto, alla tensione di uscita nominale, il punto centrale del partitore di tensione di uscita è identico alla tensione di riferimento.

Il guadagno dell'amplificatore di polarizzazione fornisce una tensione corrispondente alla differenza notevolmente aumentata tra la tensione di riferimento e quella di uscita (tensione di errore). La tensione di errore controlla direttamente la conduttività dell'elemento passante, mantenendo così la tensione di uscita nominale. All'aumentare del carico, la tensione di uscita diminuisce, il che porta ad un aumento della potenza di uscita dell'amplificatore, che fornisce più corrente al carico. Allo stesso modo, quando il carico diminuisce, la tensione di uscita aumenterà, alla quale l'amplificatore di errore risponderà diminuendo la corrente attraverso l'elemento passante al carico.

La velocità con cui l'amplificatore di errore risponde a qualsiasi variazione dell'uscita e la precisione con cui viene mantenuto il livello di tensione di uscita richiesto dipendono dalla compensazione del circuito di feedback dell'amplificatore di errore. La compensazione del feedback viene controllata posizionando degli elementi all'interno del partitore di tensione e tra l'ingresso e l'uscita negativi dell'amplificatore di errore. Il suo design determina la quantità di guadagno CC da eseguire, che a sua volta determina la precisione della tensione di uscita. Determina inoltre la quantità di guadagno all'aumento della frequenza e della larghezza di banda, che a sua volta determina il tempo impiegato per rispondere ai cambiamenti nel carico di uscita o la durata dei transitori.

Come puoi vedere, il principio di funzionamento di uno stabilizzatore lineare è molto semplice. Esattamente lo stesso circuito è presente in tutti gli stabilizzatori, compresi gli stabilizzatori a commutazione più complessi. Il circuito di feedback della tensione svolge la funzione finale dell'alimentatore: mantenere il livello di tensione di uscita.

Stabilizzatore di tensione- convertitore energia elettrica, che consente di ottenere una tensione di uscita entro i limiti specificati con fluttuazioni significativamente maggiori nella tensione di ingresso e nella resistenza di carico.

In base al tipo di tensione di uscita, gli stabilizzatori sono suddivisi in stabilizzatori DC e AC. Di norma, il tipo di alimentazione (costante o AC) è uguale alla tensione di uscita, sebbene siano possibili eccezioni.