Ổn áp tuyến tính - mục đích, thông số cơ bản và mạch chuyển mạch
Có lẽ ngày nay, không có bảng điện tử nào có thể làm được nếu không có ít nhất một nguồn điện áp không đổi liên tục. Và rất thường xuyên, các bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính ở dạng vi mạch đóng vai trò là nguồn như vậy. Không giống như bộ chỉnh lưu với máy biến áp, trong đó điện áp theo cách này hay cách khác phụ thuộc vào dòng tải và có thể thay đổi một chút vì nhiều lý do, một vi mạch tích hợp - bộ ổn định (bộ điều chỉnh) có thể cung cấp điện áp không đổi trong một phạm vi được xác định chính xác. dòng điện tải.
Các vi mạch này được xây dựng trên cơ sở các bóng bán dẫn hiệu ứng trường hoặc lưỡng cực, hoạt động liên tục ở chế độ tích cực. Ngoài bóng bán dẫn điều chỉnh, một mạch điều khiển cũng được lắp đặt trên tinh thể của vi mạch của bộ ổn định tuyến tính.
Trong lịch sử, trước khi có thể sản xuất các chất ổn định như vậy ở dạng vi mạch, đã có một câu hỏi đặt ra là giải quyết vấn đề ổn định nhiệt độ của các tham số, vì khi làm nóng trong quá trình vận hành, các tham số của các nút vi mạch sẽ thay đổi.
Giải pháp được đưa ra vào năm 1967, khi kỹ sư điện tử người Mỹ Robert Widlar đề xuất một mạch ổn định trong đó một bóng bán dẫn điều chỉnh sẽ được kết nối giữa nguồn điện áp đầu vào không được điều chỉnh và tải, và bộ khuếch đại sai số có điện áp tham chiếu bù nhiệt độ sẽ xuất hiện trong mạch điều khiển. Kết quả là, sự phổ biến của các bộ ổn định tích hợp tuyến tính trên thị trường đã tăng lên nhanh chóng.
Kiểm tra tấm hình bên dưới. Dưới đây là sơ đồ đơn giản hóa của bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính (chẳng hạn như LM310 hoặc 142ENxx). Trong sơ đồ này, bộ khuếch đại hoạt động phản hồi điện áp âm không đảo ngược, sử dụng dòng điện đầu ra của nó, điều khiển mức độ mở khóa của bóng bán dẫn điều chỉnh VT1, được kết nối trong một mạch có bộ thu - phát chung.
Bản thân op-amp được cung cấp bởi nguồn đầu vào ở dạng điện áp dương đơn cực. Và mặc dù điện áp âm không phù hợp để cung cấp ở đây, nhưng điện áp cung cấp của op-amp có thể tăng gấp đôi mà không gặp vấn đề gì, không sợ quá tải hay hư hỏng.
Kết luận là phản hồi tiêu cực sâu trung hòa sự không ổn định của điện áp đầu vào, giá trị của nó trong mạch này có thể đạt tới 30 volt. Vì vậy, điện áp đầu ra cố định nằm trong khoảng từ 1,2 đến 27 volt, tùy thuộc vào kiểu chip.
Theo truyền thống, vi mạch ổn định có ba chân: đầu vào, chung và đầu ra.Hình này cho thấy một mạch điển hình của bộ khuếch đại vi sai như một phần của vi mạch để thu được điện áp tham chiếu Áp dụng diode Zener.
Trong các bộ điều chỉnh điện áp thấp, tham chiếu điện áp thu được ở khe hở, như Widlar lần đầu tiên đề xuất trong bộ điều chỉnh tích hợp tuyến tính đầu tiên của mình, LM109. Một bộ chia được lắp đặt trong mạch phản hồi âm của các điện trở R1 và R2, nhờ đó điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với điện áp tham chiếu theo công thức Uout = Uvd (1 + R2 / R1).
Điện trở R3 và bóng bán dẫn VT2 được tích hợp trong bộ ổn định dùng để hạn chế dòng điện đầu ra, vì vậy nếu điện áp trên điện trở giới hạn dòng điện vượt quá 0,6 volt, thì bóng bán dẫn VT2 sẽ mở ngay lập tức, điều này sẽ khiến dòng điện cơ bản của bóng bán dẫn điều khiển chính VT1 bị giảm giới hạn. Nó chỉ ra rằng dòng điện đầu ra ở chế độ hoạt động bình thường của bộ ổn định được giới hạn ở 0,6 / R3. Công suất tiêu tán bởi bóng bán dẫn điều chỉnh sẽ phụ thuộc vào điện áp đầu vào và sẽ bằng 0,6 (Uin — Uout) / R3.
Nếu vì lý do nào đó, xảy ra đoản mạch ở đầu ra của bộ ổn định tích hợp, thì công suất tiêu tán trên tinh thể không được để nguyên như trước, tỷ lệ thuận với hiệu điện thế và tỷ lệ nghịch với điện trở của điện trở R3. Do đó, mạch chứa các phần tử bảo vệ - diode zener VD2 và điện trở R5, hoạt động của chúng đặt mức bảo vệ dòng điện tùy thuộc vào sự khác biệt về điện áp Uin -Uout.
Trong biểu đồ trên, bạn có thể thấy rằng dòng điện đầu ra tối đa phụ thuộc vào điện áp đầu ra, do đó vi mạch của bộ ổn định tuyến tính được bảo vệ khỏi tình trạng quá tải một cách đáng tin cậy.Khi chênh lệch điện áp Uin-Uout vượt quá điện áp ổn định của diode zener VD2, bộ chia của các điện trở R4 và R5 sẽ tạo ra đủ dòng điện trong đế của bóng bán dẫn VT2 để tắt nó, do đó sẽ gây ra giới hạn dòng điện cơ sở. để tăng điều chỉnh bóng bán dẫn VT1.
Các mẫu bộ điều chỉnh tuyến tính mới nhất, chẳng hạn như ADP3303, được trang bị bảo vệ quá tải nhiệt khi dòng điện đầu ra giảm mạnh khi tinh thể được làm nóng đến 165 ° C. Tụ điện trong sơ đồ trên là cần thiết để cân bằng tần số.
Nhân tiện, về các tụ điện. Thông thường, các tụ điện có công suất tối thiểu 100 nf được kết nối với đầu vào và đầu ra của bộ ổn định tích hợp để tránh kích hoạt sai các mạch bên trong của vi mạch. Trong khi đó, có cái gọi là bộ ổn định không nắp, chẳng hạn như REG103, không cần lắp tụ ổn định ở đầu vào và đầu ra.
Ngoài bộ ổn định tuyến tính có điện áp đầu ra cố định, còn có bộ ổn định có điện áp đầu ra có thể điều chỉnh để ổn định. Trong đó, bộ chia của các điện trở R1 và R2 bị thiếu và đế của bóng bán dẫn VT4 được đưa ra một chân riêng của chip để kết nối bộ chia bên ngoài, chẳng hạn như trong chip 142EN4.
Các bộ ổn định hiện đại hơn, trong đó mức tiêu thụ dòng điện của mạch điều khiển giảm xuống còn vài chục microamp, chẳng hạn như LM317, chỉ có ba chân.Công bằng mà nói, chúng tôi lưu ý rằng ngày nay cũng có các bộ điều chỉnh điện áp có độ chính xác cao, chẳng hạn như TPS70151, do có thêm một số chân cắm nên có thể áp dụng bảo vệ sụt áp cho dây kết nối, điều khiển xả tải, v.v. .
Ở trên chúng ta đã nói về ổn áp dương, so với dây chung. Các sơ đồ tương tự cũng được sử dụng để ổn định điện áp âm, chỉ cần cách ly điện áp đầu ra của đầu vào khỏi điểm chung là đủ. Sau đó, chân đầu ra được kết nối với điểm đầu ra chung và điểm đầu ra âm sẽ là điểm trừ đầu vào được kết nối với điểm chung của chip ổn định. Ổn áp phân cực âm như 1168ENxx rất tiện lợi.
Nếu cần phải có được hai điện áp cùng một lúc (cực dương và cực âm), thì với mục đích này, có những bộ ổn định đặc biệt cung cấp điện áp dương và âm ổn định đối xứng cùng một lúc, chỉ cần áp dụng điện áp đầu vào dương và âm là đủ đến các đầu vào. Một ví dụ về bộ ổn định lưỡng cực như vậy là KR142EN6.
Hình trên là một sơ đồ đơn giản hóa của nó. Ở đây, bộ khuếch đại vi sai # 2 điều khiển bóng bán dẫn VT2, do đó, đẳng thức -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop được quan sát thấy. Và bộ khuếch đại số 1 điều khiển bóng bán dẫn VT1 sao cho điện thế tại điểm nối của các điện trở R2 và R4 bằng không. Nếu đồng thời các điện trở R2 và R4 bằng nhau, thì điện áp đầu ra (dương và âm) sẽ vẫn đối xứng.
Để điều chỉnh độc lập sự cân bằng giữa hai điện áp đầu ra (dương và âm), bạn có thể kết nối các điện trở cắt bổ sung với các chân đặc biệt của vi mạch.
Đặc tính giảm điện áp nhỏ nhất của các mạch điều chỉnh tuyến tính ở trên là 3 vôn. Điều này khá nhiều đối với các thiết bị chạy bằng pin hoặc pin và nói chung nên giảm thiểu sự sụt giảm điện áp. Với mục đích này, bóng bán dẫn đầu ra được chế tạo loại pnp sao cho dòng điện thu của tầng vi sai đồng thời với dòng điện cơ sở của bóng bán dẫn điều chỉnh VT1. Mức giảm điện áp tối thiểu bây giờ sẽ ở mức 1 volt.
Bộ điều chỉnh điện áp âm hoạt động theo cách tương tự với độ sụt tối thiểu. Ví dụ: bộ điều chỉnh sê-ri 1170ENxx có điện áp rơi khoảng 0,6 volt và không quá nóng khi được chế tạo trong vỏ TO-92 ở dòng tải lên đến 100 mA. Bản thân bộ ổn định tiêu thụ không quá 1,2 mA.
Các chất ổn định như vậy được phân loại là độ rủ thấp. Mức giảm điện áp thậm chí còn thấp hơn đạt được trên các bộ điều chỉnh dựa trên MOSFET (khoảng 55 mV ở mức tiêu thụ dòng điện 1 mA của chip) chẳng hạn như chip MAX8865.
Một số mẫu bộ ổn định được trang bị chân tắt máy để giảm mức tiêu thụ điện năng của thiết bị ở chế độ chờ — khi áp dụng mức logic cho chân này, mức tiêu thụ của bộ ổn định giảm xuống gần như bằng không (dòng LT176x).
Nói về bộ ổn định tuyến tính tích hợp, họ lưu ý các đặc điểm của chúng, cũng như các thông số động và chính xác.
Các thông số chính xác là hệ số ổn định, độ chính xác cài đặt điện áp đầu ra, trở kháng đầu ra và hệ số nhiệt độ điện áp. Mỗi tham số này được liệt kê trong tài liệu; chúng liên quan đến độ chính xác của điện áp đầu ra phụ thuộc vào điện áp đầu vào và nhiệt độ hiện tại của tinh thể.
Các tham số động như tỷ lệ triệt tiêu gợn và trở kháng đầu ra được đặt cho các tần số khác nhau của dòng điện tải và điện áp đầu vào.
Các đặc tính hiệu suất như dải điện áp đầu vào, điện áp đầu ra định mức, dòng tải tối đa, công suất tiêu thụ tối đa, chênh lệch điện áp đầu vào và đầu ra tối đa ở dòng tải tối đa, dòng không tải, dải nhiệt độ hoạt động, tất cả các thông số này ảnh hưởng đến việc lựa chọn một hoặc cái kia.bộ ổn định cho một mạch nào đó.
Dưới đây là các mạch điển hình và phổ biến nhất để bao gồm bộ ổn định tuyến tính:
Nếu cần tăng điện áp đầu ra của bộ ổn định tuyến tính với điện áp đầu ra cố định, thì một diode zener được thêm nối tiếp vào cực chung:
Để tối đa hóa dòng điện đầu ra cho phép, một bóng bán dẫn mạnh hơn được kết nối song song với bộ ổn định, biến bóng bán dẫn điều chỉnh bên trong vi mạch thành một phần của bóng bán dẫn tổng hợp:
Nếu cần ổn định dòng điện, bộ ổn áp được bật theo sơ đồ sau.
Trong trường hợp này, điện áp rơi trên điện trở sẽ bằng điện áp ổn định, điều này sẽ dẫn đến tổn thất đáng kể nếu điện áp ổn định cao.Về vấn đề này, sẽ phù hợp hơn nếu chọn bộ ổn định cho điện áp đầu ra thấp nhất có thể, chẳng hạn như KR142EN12 cho 1,2 volt.