ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น — วัตถุประสงค์ พารามิเตอร์พื้นฐาน และวงจรสวิตชิ่ง

บางทีวันนี้ไม่มีบอร์ดอิเล็กทรอนิกส์ใดสามารถทำได้หากไม่มีแหล่งแรงดันคงที่อย่างน้อยหนึ่งแหล่ง และบ่อยครั้งมากที่ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นในรูปแบบของไมโครวงจรทำหน้าที่เป็นแหล่งดังกล่าว ซึ่งแตกต่างจากวงจรเรียงกระแสที่มีหม้อแปลงไฟฟ้าซึ่งแรงดันไฟฟ้าไม่ทางใดก็ทางหนึ่งขึ้นอยู่กับกระแสโหลดและอาจแตกต่างกันเล็กน้อยด้วยเหตุผลหลายประการ ไมโครเซอร์กิตในตัว - ตัวปรับเสถียรภาพ (ตัวควบคุม) สามารถให้แรงดันคงที่ในช่วงที่กำหนดอย่างแม่นยำ กระแสโหลด

ไมโครเซอร์กิตเหล่านี้สร้างขึ้นบนพื้นฐานของทรานซิสเตอร์แบบฟิลด์เอฟเฟ็กต์หรือไบโพลาร์ ซึ่งทำงานอย่างต่อเนื่องในโหมดแอคทีฟ นอกจากทรานซิสเตอร์ควบคุมแล้วยังมีการติดตั้งวงจรควบคุมบนคริสตัลของไมโครเซอร์กิตของโคลงเชิงเส้น

ในอดีตก่อนที่จะเป็นไปได้ที่จะผลิตความคงตัวดังกล่าวในรูปแบบของไมโครวงจรมีคำถามเกี่ยวกับการแก้ปัญหาความเสถียรของอุณหภูมิของพารามิเตอร์เนื่องจากเมื่อให้ความร้อนระหว่างการทำงานพารามิเตอร์ของโหนดไมโครจะเปลี่ยนไป

วิธีแก้ปัญหาเกิดขึ้นในปี 1967 เมื่อ Robert Widlar วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ชาวอเมริกันเสนอวงจรโคลงซึ่งทรานซิสเตอร์ควบคุมจะเชื่อมต่อระหว่างแหล่งจ่ายแรงดันอินพุตที่ไม่ได้ควบคุมกับโหลด และเครื่องขยายสัญญาณข้อผิดพลาดที่มีแรงดันอ้างอิงชดเชยอุณหภูมิจะนำเสนอใน วงจรควบคุม เป็นผลให้ความนิยมของตัวปรับความคงตัวแบบบูรณาการเชิงเส้นในตลาดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ตรวจสอบภาพด้านล่าง นี่คือแผนภาพอย่างง่ายของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น (เช่น LM310 หรือ 142ENxx) ในรูปแบบนี้แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการป้อนกลับแรงดันลบแบบไม่กลับด้านโดยใช้กระแสไฟขาออกควบคุมระดับการปลดล็อคของทรานซิสเตอร์ควบคุม VT1 ที่เชื่อมต่อในวงจรด้วยตัวสะสมทั่วไป - ตัวติดตามอิมิตเตอร์

op-amp นั้นใช้พลังงานจากแหล่งอินพุตในรูปแบบของแรงดันไฟฟ้าขั้วบวกแบบยูนิโพลาร์ และแม้ว่าแรงดันลบจะไม่เหมาะสำหรับการจ่ายไฟที่นี่ แต่แรงดันไฟของ op-amp สามารถเพิ่มเป็นสองเท่าโดยไม่มีปัญหา ไม่ต้องกลัวว่าจะโอเวอร์โหลดหรือเสียหาย

ข้อสรุปคือข้อเสนอแนะเชิงลบที่ลึกลงไปทำให้ความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็นกลางซึ่งค่าที่ในวงจรนี้สามารถเข้าถึงได้ถึง 30 โวลต์ ดังนั้น แรงดันเอาต์พุตคงที่จะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 1.2 ถึง 27 โวลต์ ขึ้นอยู่กับรุ่นของชิป

ไมโครเซอร์กิตโคลงแบบดั้งเดิมมีสามพิน: อินพุต, ทั่วไปและเอาต์พุตรูปแสดงวงจรทั่วไปของแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของไมโครเซอร์กิตเพื่อรับแรงดันอ้างอิง ใช้ซีเนอร์ไดโอด.

ในเรกูเลเตอร์แรงดันต่ำ การอ้างอิงแรงดันจะได้รับที่ช่องว่าง ดังที่ Widlar เสนอครั้งแรกในเรกูเลเตอร์บูรณาการเชิงเส้นตัวแรกของเขา นั่นคือ LM109 มีการติดตั้งตัวแบ่งในวงจรป้อนกลับเชิงลบของตัวต้านทาน R1 และ R2 โดยการกระทำที่แรงดันเอาต์พุตกลายเป็นสัดส่วนเพียงกับแรงดันอ้างอิงตามสูตร Uout = Uvd (1 + R2 / R1)

ตัวต้านทาน R3 และทรานซิสเตอร์ VT2 ในตัวโคลงทำหน้าที่จำกัดกระแสเอาต์พุต ดังนั้นหากแรงดันของตัวต้านทานจำกัดกระแสเกิน 0.6 โวลต์ ทรานซิสเตอร์ VT2 จะเปิดทันที ซึ่งจะทำให้กระแสพื้นฐานของทรานซิสเตอร์ควบคุมหลัก VT1 เป็น ถูก จำกัด. ปรากฎว่ากระแสไฟขาออกในโหมดการทำงานปกติของโคลงถูก จำกัด ไว้ที่ 0.6 / R3 พลังงานที่กระจายโดยทรานซิสเตอร์ควบคุมจะขึ้นอยู่กับแรงดันอินพุต และจะเท่ากับ 0.6 (Uin — Uout) / R3

หากเกิดการลัดวงจรที่เอาต์พุตของโคลงในตัวด้วยเหตุผลบางประการ พลังงานที่กระจายบนคริสตัลไม่ควรถูกทิ้งไว้ตามเดิม โดยแปรผันตามความต่างศักย์ไฟฟ้าและแปรผกผันกับความต้านทานของตัวต้านทาน R3 ดังนั้นวงจรจึงมีองค์ประกอบป้องกัน - ซีเนอร์ไดโอด VD2 และตัวต้านทาน R5 ซึ่งการทำงานจะกำหนดระดับการป้องกันกระแสขึ้นอยู่กับความแตกต่างของแรงดัน Uin -Uout

ในกราฟด้านบน คุณจะเห็นว่ากระแสเอาต์พุตสูงสุดขึ้นอยู่กับแรงดันเอาต์พุต ดังนั้นวงจรไมโครของลิเนียร์โคลงจึงได้รับการปกป้องจากการโอเวอร์โหลดได้อย่างน่าเชื่อถือเมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้า Uin-Uout เกินค่าความคงตัวของซีเนอร์ไดโอด VD2 ตัวแบ่งของตัวต้านทาน R4 และ R5 จะสร้างกระแสเพียงพอในฐานของทรานซิสเตอร์ VT2 เพื่อปิด ซึ่งจะทำให้กระแสไฟพื้นฐานมีขีดจำกัด เพื่อเพิ่มทรานซิสเตอร์ควบคุม VT1

ตัวควบคุมเชิงเส้นรุ่นล่าสุดเช่น ADP3303 มีการป้องกันความร้อนเกินเมื่อกระแสเอาต์พุตลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อคริสตัลได้รับความร้อนถึง 165 ° C จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุในแผนภาพด้านบนเพื่อปรับความถี่ให้เท่ากัน

โดยวิธีการเกี่ยวกับตัวเก็บประจุ เป็นเรื่องปกติที่จะเชื่อมต่อตัวเก็บประจุที่มีความจุขั้นต่ำ 100 nf เข้ากับอินพุตและเอาต์พุตของตัวปรับความคงตัวแบบรวมเพื่อหลีกเลี่ยงการเปิดใช้งานวงจรภายในของไมโครวงจรที่ผิดพลาด ในขณะเดียวกัน มีสิ่งที่เรียกว่าตัวปรับความคงตัวแบบไม่มีฝาปิด เช่น REG103 ซึ่งไม่จำเป็นต้องติดตั้งตัวเก็บประจุที่ทำให้เสถียรที่อินพุตและเอาต์พุต

นอกจากตัวปรับความคงตัวเชิงเส้นที่มีแรงดันขาออกคงที่แล้ว ยังมีตัวปรับความคงตัวที่มีแรงดันขาออกแบบปรับได้เพื่อความเสถียรอีกด้วย ในนั้นไม่มีตัวแบ่งตัวต้านทาน R1 และ R2 และฐานของทรานซิสเตอร์ VT4 ถูกนำออกไปที่ขาแยกต่างหากของชิปเพื่อเชื่อมต่อตัวแบ่งภายนอกเช่นในชิป 142EN4

ตัวปรับความเสถียรที่ทันสมัยกว่าซึ่งการใช้วงจรควบคุมในปัจจุบันลดลงเหลือหลายสิบไมโครแอมป์เช่น LM317 มีเพียงสามพินเพื่อความเป็นธรรม เราทราบว่าทุกวันนี้ยังมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสูง เช่น TPS70151 ซึ่งเนื่องจากมีพินเพิ่มเติมหลายตัว ทำให้สามารถใช้การป้องกันแรงดันไฟตกกับสายเชื่อมต่อ ควบคุมการปล่อยโหลด ฯลฯ .

ข้างต้นเราได้พูดคุยเกี่ยวกับตัวปรับแรงดันไฟฟ้าที่เป็นบวกซึ่งสัมพันธ์กับสายไฟทั่วไป โครงร่างที่คล้ายกันนี้ยังใช้เพื่อทำให้แรงดันไฟฟ้าเชิงลบคงที่ก็เพียงพอแล้วที่จะแยกแรงดันเอาต์พุตของอินพุตออกจากจุดร่วมด้วยไฟฟ้า จากนั้นขาเอาต์พุตจะเชื่อมต่อกับจุดเอาต์พุตทั่วไป และจุดเอาต์พุตเชิงลบจะเป็นจุดลบอินพุตที่เชื่อมต่อกับจุดร่วมของชิปกันโคลง ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าขั้วลบเช่น 1168ENxx สะดวกมาก

หากจำเป็นต้องได้รับสองแรงดันไฟฟ้าพร้อมกัน (ขั้วบวกและขั้วลบ) เพื่อจุดประสงค์นี้จะมีตัวปรับความเสถียรพิเศษที่ให้แรงดันบวกและลบที่มีความเสถียรแบบสมมาตรในเวลาเดียวกันก็เพียงพอแล้วที่จะใช้แรงดันบวกและลบ ไปยังอินพุต ตัวอย่างของเครื่องปรับความเสถียรแบบสองขั้วคือ KR142EN6

รูปด้านบนเป็นแผนภาพอย่างง่ายของมัน ที่นี่แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล # 2 ขับทรานซิสเตอร์ VT2 ดังนั้นจึงสังเกตความเท่าเทียมกัน -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop และแอมพลิฟายเออร์ #1 จะควบคุมทรานซิสเตอร์ VT1 เพื่อให้ศักยภาพที่จุดเชื่อมต่อของตัวต้านทาน R2 และ R4 ยังคงเป็นศูนย์ หากในเวลาเดียวกันตัวต้านทาน R2 และ R4 เท่ากัน แรงดันขาออก (บวกและลบ) จะยังคงสมมาตร

สำหรับการปรับสมดุลอิสระระหว่างแรงดันเอาต์พุตสองแรงดัน (บวกและลบ) คุณสามารถเชื่อมต่อตัวต้านทานการตัดแต่งเพิ่มเติมเข้ากับพินพิเศษของไมโครเซอร์กิต

ลักษณะแรงดันตกที่เล็กที่สุดของวงจรควบคุมเชิงเส้นข้างต้นคือ 3 โวลต์ นี่ค่อนข้างมากสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่หรือแบตเตอรี่ และโดยทั่วไปควรลดแรงดันไฟตกให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อจุดประสงค์นี้ทรานซิสเตอร์เอาท์พุทถูกสร้างขึ้นเป็นประเภท pnp เพื่อให้กระแสสะสมของสเตจที่แตกต่างกันนั้นพร้อมกันกับกระแสฐานของทรานซิสเตอร์ควบคุม VT1 แรงดันตกต่ำสุดจะอยู่ที่ 1 โวลต์

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงลบทำงานในลักษณะเดียวกันโดยมีการตกหล่นน้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น เรกูเลเตอร์ซีรีส์ 1170ENxx มีแรงดันตกประมาณ 0.6 โวลต์ และไม่ร้อนมากเกินไปเมื่อทำในเคส TO-92 ที่กระแสโหลดสูงถึง 100 mA ตัวกันโคลงกินไฟไม่เกิน 1.2 mA

ความคงตัวดังกล่าวจัดอยู่ในประเภทการตกต่ำ แม้แต่แรงดันตกคร่อมที่ต่ำกว่าก็สามารถทำได้บนเรกกูเลเตอร์ที่ใช้ MOSFET (ประมาณ 55 mV ที่การใช้กระแสชิป 1 mA) เช่นชิป MAX8865

ตัวกันสั่นบางรุ่นมีขาปิดเพื่อลดการใช้พลังงานของอุปกรณ์ในโหมดสแตนด์บาย — เมื่อใช้ระดับลอจิกกับพินนี้ การใช้ตัวกันสั่นจะลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ (สาย LT176x)

เมื่อพูดถึงตัวปรับความคงตัวเชิงเส้นแบบอินทิกรัล พวกเขาทราบถึงลักษณะเฉพาะของมัน เช่นเดียวกับพารามิเตอร์ไดนามิกและแม่นยำ

พารามิเตอร์ความแม่นยำคือปัจจัยความเสถียร ความแม่นยำในการตั้งค่าแรงดันเอาต์พุต อิมพีแดนซ์เอาต์พุต และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิแรงดัน แต่ละพารามิเตอร์เหล่านี้แสดงอยู่ในเอกสารประกอบ พวกมันเกี่ยวข้องกับความแม่นยำของแรงดันขาออกขึ้นอยู่กับแรงดันอินพุตและอุณหภูมิปัจจุบันของคริสตัล

พารามิเตอร์ไดนามิก เช่น อัตราส่วนการยับยั้งการกระเพื่อมและอิมพีแดนซ์เอาต์พุตถูกตั้งค่าสำหรับความถี่ต่างๆ ของกระแสโหลดและแรงดันอินพุต

ลักษณะการทำงาน เช่น ช่วงแรงดันอินพุต, แรงดันเอาต์พุตพิกัด, กระแสโหลดสูงสุด, การกระจายพลังงานสูงสุด, ความต่างของแรงดันอินพุตและเอาต์พุตสูงสุดที่กระแสโหลดสูงสุด, กระแสไม่มีโหลด, ช่วงอุณหภูมิการทำงาน พารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้มีผลต่อการเลือกอย่างใดอย่างหนึ่งหรือ ตัวกันโคลงสำหรับวงจรบางวงจร

ลักษณะของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น

ต่อไปนี้เป็นวงจรทั่วไปและเป็นที่นิยมมากที่สุดสำหรับการรวมความคงตัวเชิงเส้น:

หากจำเป็นต้องเพิ่มแรงดันเอาต์พุตของตัวปรับเสถียรภาพเชิงเส้นด้วยแรงดันเอาต์พุตคงที่ ไดโอดซีเนอร์จะถูกเพิ่มเป็นอนุกรมเข้ากับขั้วต่อทั่วไป:

เพื่อเพิ่มกระแสเอาต์พุตที่อนุญาตสูงสุด ทรานซิสเตอร์ที่ทรงพลังกว่าจะถูกเชื่อมต่อแบบขนานกับโคลง โดยเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ควบคุมภายในไมโครเซอร์กิตให้เป็นส่วนหนึ่งของทรานซิสเตอร์คอมโพสิต:

หากจำเป็นต้องทำให้กระแสคงที่ ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าจะเปิดขึ้นตามรูปแบบต่อไปนี้

ในกรณีนี้ แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานจะเท่ากับแรงดันเสถียรภาพ ซึ่งจะนำไปสู่การสูญเสียที่สำคัญหากแรงดันเสถียรภาพสูงในเรื่องนี้ จะเป็นการเหมาะสมกว่าที่จะเลือกตัวปรับเสถียรภาพสำหรับแรงดันเอาต์พุตต่ำสุดที่เป็นไปได้ เช่น KR142EN12 สำหรับ 1.2 โวลต์