линейный регулятор напряжения что это такое

Что такое линейный стабилизатор напряжения?

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 I_GND, 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.

Источник

ДОМОСТРОЙСантехника и строительство

Для подключения модулей к платформе нужно стабильное напряжение 5 или 3,3 вольта, но в большинстве случаев напряжение оказывается выше. Для того, чтобы всё работало правильно, напряжение нужно понизить и стабилизировать.

Линейный регулятор напряжения поможет получить нужные 3,3 В для питания управляющих платформ и модулей, а лишнюю мощность рассеять в виде тепла.

Видеообзор

Общие сведения

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования напряжения для электрических потребителей:

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции и работают по разным технологиям.

Линейные регуляторы напряжения

Линейный регулятор применяется, когда нужно преобразовать небольшие мощности или минимизировать помехи. Например, запитать одноплатный компьютер или 3,3-вольтовые датчики. Преимущество линейного регулятора в простоте, отсутствии помех и минимальной обвязке. Но на больших мощностях его КПД падает.

Рассмотрим принцип работы линейного преобразователя — подключим к нему микросхему LM7805.

Линейный стабилизатор работает как умный делитель напряжения. На вход делителя подаётся входное напряжение, а выходное снимается с одного из плеч делителя.

Одно из плеч постоянно корректирует сопротивление и тем самым гасит лишнее напряжение.

Импульсный DC-DC преобразователь

У импульсного стабилизатора выше КПД, поскольку регулирующий элемент работает в ключевом режиме. Но из-за чувствительного перепада тока и напряжения такие преобразователи дают импульсные помехи в выходном напряжении.

Чтобы лучше понять принцип работы импульсного преобразователя, сравним его с водопроводным краном. У преобразователя так же, как и у крана, есть три вывода. По одному вода поступает в кран, по другому — вытекает. Третий вывод — это вентиль, который управляет потоком воды. Когда вентиль открыт, вода протекает через кран, когда закрыт — вода не течёт. По такому же принципу работает преобразователь: ток течёт, когда транзистор открыт, и не течёт, когда транзистор закрыт. Такой режим работы называют ключевым.

В состав импульсного регулятора напряжения входят пять основных элементов:

В зависимости от величины выходного напряжения по отношению ко входному различают три типа преобразователей: понижающий, повышающий и понижающе-повышающий. Самые распространённые первые два, рассмотрим их подробнее.

Понижающий преобразователя уменьшает входное напряжение.

Повышающий преобразователя увеличивает входное напряжение.

Примеры работы

Линейный регулятор преобразует входное повышенное напряжение в диапазоне от 4,3 до 20 вольт в стабильные 3,3 вольта.

Подключение миникомпьютеров

Линейный регулятор поможет запитать одноплатник внешним источником напряжения. В качестве примера подключим Onion Omega2 от импульсного источника с выходным напряжением 12 вольт.

Подключение модулей

Стабилизатор также возьмёт на свои плечи питание для 3,3 вольтовых модулей, например Wi-Fi ESP8266 или модуль беспроводной связи nRF24L01+.

В качестве примера подключим Wi-Fi модуль ESP8266 через линейный регулятор напряжения к Arduino Uno.

На схеме к ESP8266 подключены только линии питания и земли. Пример подключения питания и логических уровней читайте в технической документации на модуль.

Подключение к WiFi Slot

Линейный регулятор благодаря форм-фактору Troyka-модулей как родной встанет на платформу WiFi Slot и расширит диапазон питания платформы до 20 вольт.

Элементы платы

Линейный регулятор напряжения

Сердце модуля линейный стабилизатор MC33269. Регулятор принимает на входное напряжение и преобразует его значение в 3,3 вольта. Остальная мощность рассеивается в виде тепла. В качестве охлаждения — выступает плата модуля.

Входное и выходное напряжение

На модуле выведен двойной клеммник для подключения входного питания и нагрузки:

Джамперы выбора питания

Модуль с регулятором питания позволяет дублировать входное и выходное напряжение на Troyka-контактах путём установкой джаммеров:

Установка джампера будет полезна при подключении модуля через макетную плату или Troyka Slot Shield.

Troyka-контакты

На модуле выведено две пары Troyka-контактов.

Существует два ос­новных типа регуляторов напряже­ния: линейные и импульсные. Клас­сический линейный регулятор — это устройство, стабилизирующее напряжение на нагрузке и не позво­ляющее добиться выходного напря­жения, превышающего входное. Его классическая схема рассмотрена в теме 10.6 (рис. 89). Для большинства инте­гральных линейных регуляторов типовое внутреннее падение напря­жения составляет порядка 2 В. Это означает, что для получения на вы­ходе такого регулятора напряжения 5 В на его входе должно быть не ме­нее 7 В. Следствием достаточно большого падения напряжения па элементах линейного регулятора является их низкий КПД. Ещё одной серьёзной проблемой линейных регуляторов является вы­сокая вероятность выхода из строя проходного транзистора.

Современные импульсные регуля­торы практически избавлены от пе­речисленных недостатков и поэтому получили широкое распростране­ние. В отличие от линейных регулято­ров, чьи силовые элементы постоян­но находятся в открытом состоянии, в импульсных силовой элемент рабо­тает в дискретном (ключевом) режи­ме.

На рисунке 92 изображен линейный регулятор для плавной регулировки сетевого напряжения. С помощью таких устройств можно управлять яркостью свечения ламп, температурой электронагревательных приборов, частотой вращения электродвигателей.

Устройство имеет следующие параметры: диапазон регулировки напряжения от 0 до 218 В, максимальная мощность нагрузки при использовании в регулирующей цепи одного транзистора — не более 100 Вт.

Регулирующий элемент прибора — транзистор VT1. Диодный блок VD1-VD4 в зависимости от фазы сетевого тока направляет его на коллектор или эмиттер VT1. Трансформатор Т1 понижает напряжение 220 В до 5-8 В, которое выпрямляется диодным блоком VD6 — VD9 и сглаживается конденсатором С1. Переменный резистор R1 служит для регулировки величины управляющего напряжения, а резистор R2 ограничивает ток базы транзистора. Диод VD5 защищает VT1 от попадания на его базу напряжения отрицательной полярности. Устройство подсоединяется к сети вилкой ХР1. Розетка XS1 служит для подключения нагрузки.

Регулятор действует следующим образом. После включения питания тумблером Q1 сетевое напряжение поступает одновременно на диоды VD1, VD2 и первичную обмотку трансформатора Т1. При этом выпрямитель, состоящий из диодного блока VD6-VD9, конденсатора С1 и переменного резистора R1, формирует управляющее напряжение, которое поступает на базу транзистора и открывает его. Если в момент включения регулятора в сети оказалось напряжение отрицательной полярности, ток нагрузки протекает по цепи VD2 — эмиттер-коллектор VT1-VD3. Если полярность сетевого напряжения положительная, ток протекает по цепи VD1 — коллектор-эмиттер VT1-VD4. Значение тока нагрузки зависит от величины управляющего напряжения на базе VT1. Вращая движок R1, и изменяя значение управляющего напряжения, управляют величиной тока коллектора VT1. Этот ток, а следовательно, и ток, протекающий в нагрузке, будет тем больше, чем выше уровень управляющего напряжения, и наоборот. При крайнем правом по схеме положении движка переменного резистора транзистор окажется полностью открыт и «доза» электроэнергии, потребляемая нагрузкой, будет соответствовать номинальной величине. Если движок R1 переместить в крайнее левое положение, VT1 окажется запертым и ток через нагрузку не потечет.

Рисунок 92 – Схема регулятора сетевого напряжения

Структурная схема импульсного преобразователя приведена па ри­сунке 93. Наиболее часто применяе­мый принцип работы — широтно-импульсная модуляция (Pulse Width Modulation, PWM). В импульсных регуляторах, построенных по данному принципу, выходное напряжение пропорцио­нально скважности импульсов, зада­ваемой блоком PWM.

Одно из основных следствий ра­боты в ключевом режиме — малое выделение энергии в виде тепла и, следовательно, потенциально высокий КПД подобных устройств. Габа­риты конструкции напрямую зави­сят от рабочей частоты инвертора. Чем она выше, тем меньшей индук­тивности требуется дроссель и меньшей ёмкости — выходной кон­денсатор, а значит, эти наиболее громоздкие элементы будут ком­пактнее.

Рисунок 93 – Структура импульсного преобразователя

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Texas Instruments TPS54061 LM317

Rich Nowakowski, Robert Taylor, Texas Instruments

Analog Applications Journal

Линейные регуляторы окружали нас на протяжении многих лет. Некоторые разработчики до сих пор используют в новых проектах линейные стабилизаторы напряжения, разработанные более двух десятилетий назад. А кто-то создал собственные схемы на дискретных компонентах. По простоте и дешевизне линейные регуляторы не имеют себе равных в сфере преобразователей напряжения. Однако в слаботочных приложениях с питанием от шины 24 В, используемой, например, в средствах промышленной автоматизации или в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, при слишком большом падении напряжения могут возникнуть проблемы, связанные с выделением тепла. К счастью, разработчикам теперь доступны разнообразные компактные, высокоэффективные импульсные регуляторы с широким диапазоном входных напряжений.

В предлагаемой статье сравниваются три различных подхода к созданию стабилизатора напряжения с выходным напряжением 5 В и максимальным током нагрузки 100 мА, получающего питание от шины 24 В. Синхронный понижающий преобразователь сравнивается с интегральным линейным регулятором и с линейным регулятором на дискретных элементах. Сравнение размеров, КПД, тепловых характеристик, переходных характеристик, шумов, сложности схемы и ее стоимости поможет конструкторам сделать выбор варианта, наилучшим образом отвечающего требованием конкретного приложения.

Условия сравнения

Рисунок 1.	Импульсный понижающий регулятор с интегрированными MOSFET.

Напряжение 5 В требуется в большинстве промышленных приложений, использующих шину 24 В, для питания, например, логических схем и низковольтных микропроцессоров. Ток 100 мА был выбран как достаточный для большинства подобных нагрузок. Однако на принятие решения о выборе импульсного или линейного регулятора может повлиять уровень рассеиваемой мощности. Изображенные на Рисунках 1, 2 и 3 схемы собраны на общей печатной плате с использованием абсолютно одинаковых конденсаторов емкостью 1 мкФ на входе и 4.7 мкФ на выходе.

Рисунок 2.	Интегральный линейный регулятор с широким диапазоном входных напряжений.

В схеме на Рисунке 1 используется выпускаемый Texas Instruments синхронный понижающий преобразователь TPS54061 с интегрированными силовыми MOSFET. Заметим, что этой схеме не требуется фиксирующий диод, но нужны индуктивность, пять конденсаторов и четыре резистора, часть из которых устанавливается в цепь частотной компенсации петли ОС. Схема настроена таким образом, чтобы в ней можно было использовать такие же входные и выходные конденсаторы, как и в линейных схемах, изображенных на Рисунках 2 и 3.

Рисунок 3.	Дискретный линейный регулятор.

Конструкция, изображенная на Рисунке 2, основана на популярном, давно ставшим стандартом отрасли линейном стабилизаторе LM317 с широким диапазоном входных напряжений и выходным током до 1.5 А. В схеме использованы два внешних резистора и два конденсатора. Существенное различие между входным и выходным напряжениями и, соответственно, большая рассеваемая мощность, требуют использования микросхемы в корпусе с низким тепловым сопротивлением (DDPak).

Для реализации схемы на дискретных приборах, показанной на Рисунке 3, требуются транзистор, стабилитрон, два внешних конденсатора и четыре резистора. Стабилитрон с напряжением пробоя 5.6 В подключен к базе NPN транзистора. Падение на переходе база-эмиттер уменьшает выходное стабилизированное напряжение примерно до 5 В. Внешние резисторы принимают на себя рассеяние части избыточной мощности, облегчая тепловой режим транзистора.

Таблица 1 позволяет сравнить три конструкции по количеству используемых компонентов и необходимой площади печатной платы.

Источник

Линейные регуляторы напряжения компании STMicroelectronics

В статье рассматривается номенклатура линейных регуляторов, предлагаемых компанией STMicroelectronics, а именно: стандартные регуляторы, регуляторы с малым и очень малым зна-чением падения напряжения на регулирующем элементе. Кроме того, рассматриваются линейные регуляторы, предназначенные для управления мощными светодиодами.

Линейные регуляторы (стабилизаторы) напряжения находят широкое применение в современных системах электропитания электронных устройств. Известно, что импульсные регуляторы обладают, как правило, более высоким значением КПД, однако создают на выходе помехи с частотой коммутации, и по этой причине не всегда пригодны для питания схем, чувствительных к пульсациям. Кроме того, достоинствами линейных регуляторов являются более простая схема включения (и, как следствие, минимальное количество компонентов обвязки) и низкая стоимость. В связи с этим у различных производителей электронных компонентов линейные регуляторы занимают важную нишу в номенклатуре микросхем управления питанием.

Стандартные линейные регуляторы

Изначально в линейных стабилизаторах в качестве регулирующего элемента использовался биполярный составной npn-транзистор, управляемый биполярным транзистором pnp-типа. Регуляторы этого типа принято называть стандартными. Они выпускаются многими производителями и имеют, как правило, единую систему обозначений — серии L78 и L79 (соответственно, для положительных и отрицательных выходных напряжений). Номенклатура компании STMicroelectronics включает следующие стандартные линейные регуляторы:

– серия L78Lxx — максимальный ток нагрузки до 0,1 А;

– серия L78Mxx — максимальный ток нагрузки до 0,5 А;

– серия L78xxA — максимальный ток нагрузки до 1,0 А;

– серия L78xx — максимальный ток нагрузки до 1,5 А;

– серия L78Sxx — максимальный ток нагрузки до 2,0 А.

Типовые характеристики стандартных стабилизаторов следующие:

– максимальное входное напряжение — до 35…40 В;

– падение напряжения на регулирующем элементе — от 1,7 В и более;

– точность стабилизации — 2…4%;

– собственный ток — 6 мА.

Несмотря на более чем скромные характеристики, невысокая стоимость, простота применения, разнообразие значений выходных напряжений и корпусов обеспечивают стандартным регуляторам стабильную нишу при создании простых и недорогих схем электропитания.

Классификация и терминология

Падение напряжения на регулирующем элементе VDROP является ключевым параметром линейного стабилизатора. Стабилизаторы с высоким значением VDROP затруднительно применять в устройствах с малыми входными напряжениями (например, в батарейных источниках питания), с ограничениями по мощности источников питания, в конструкциях с ограниченными возможностями по отводу тепла. Собственно говоря, стремление к снижению этого параметра определило дальнейшую эволюцию линейных регуляторов.

Компания STMicroelectronics разделяет выпускаемые ею линейные регуляторы на три основные группы:

– стандартные регуляторы (с положительным или отрицательным выходным напряжением);

– регуляторы с малым падением напряжения (Low DropOut — LDO);

– регуляторы с очень малым падением напряжения (very Low DropOut — vLDO).

Учитывая тот факт, что различные производители зачастую вкладывают в эти термины разный смысл, постараемся прояснить термин LDO.

Рис. 1. Основные типы регулирующего элемента в линейных стабилизаторах

На рисунке 1 представлены различные технологические исполнения регулирующего элемента (проходного транзистора) [1]:

1. Составной npn-транзистор (схема Дарлингтона), управляемый pnp-транзистором.

2. Одиночный pnp-транзистор.

3. Одиночный npn-транзистор, управляемый pnp-транзистором.

4. Полевой p-MOS транзистор;

5. Составной полевой n-MOS транзистор.

Как отмечалось выше, линейные стабилизаторы с регулирующим элементом первого типа называются стандартными. Поскольку у остальных типов значение падения напряжения VDROP действительно ниже, то часто под термином «LDO-регуляторы» понимают линейные регуляторы всех этих типов.

Некоторые производители (например, National Semiconductor) третий тип выделяют в группу т.н. «квази-LDO», подчеркивая тем самым, что они занимают промежуточное положение между стандартными линейными регуляторами 78хх и собственно LDO.

Также иногда, говоря о четвертом и пятом типах, добавляют «LDO на MOS-транзисторах». Иными словами, разные производители одним и тем же термин могут обозначать регуляторы разных типов и, наоборот, один и тот же тип регуляторов именовать по-разному.

Но поскольку предметом статьи являются линейные регуляторы STMicroelectronics, то разумно, по крайней мере, в рамках данной статьи, пользоваться терминологией этой фирмы, имея в виду, что:

– стандартные стабилизаторы используют в качестве регулирующего элемента npn-транзистор (т.е. тип 1);

– LDO-регуляторы используют одиночный npn-транзистор (т.е. тип 3);

– vLDO-регуляторы используют одиночный pnp-транзистор или полевые транзисторы (т.е. типы 2, 4 и 5).

Регуляторы с малым падение напряжения (LDO)

Номенклатура и технические характеристики LDO-регуляторов компании STMicroelectronics представлены в таблице 1.

Как уже отмечалось, в линейных стабилизаторах этих серий в качестве регулирующего элемента используется одинарный npn-транзистор. За счет этого падение напряжения уменьшено до 1,1…1,3 В. По сравнению со стандартными регуляторами, также повышена точность установки выходного напряжения.

Микросхемы выполнены по стандартной 3-выводной схеме — VIN, VOUT, GND (или ADJ для стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением) и, в целом, были предназначены для замены стандартных регуляторов, поскольку обеспечивали совместимость по корпусам и цоколевке выводов, но имели лучшие параметры, по сравнению с семействами L78xx.

Таблица 1. Номенклатура и характеристики LDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Падение
напряжения, В

Макс. входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

Номиналы выходных напряжений в таблице 1 приведены из [2], однако следует иметь в виду, что с течением времени этот перечень может претерпевать изменения.

Данные серии также выпускаются многими производителями, и числовые коды 1084—1086, 1117 (возможно с другими префиксами) являются общепринятыми среди производителей электронных компонентов.

Регуляторы с очень малым падение напряжения (vLDO)

Рассматривая номенклатуру vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics, целесообразно условно выделить мощные регуляторы (с максимальным током нагрузки от 0,5 А) и маломощные — с током в нагрузке 50…300 мА. Рассмотрим мощные vLDO-регуляторы, номенклатура и технические характеристики которых представлены в таблице 2.

Таблица 2. Номенклатура и характеристики мощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Падение напряжения, В

Макс. входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

В первую очередь, имеет смысл выделить две основные серии: LD29yy0 и LD39yy0. В обозначениях: yy — максимальный нагрузочный ток (например, 30…3 А; 5…0,5 А).

Стабилизаторы семейства LD29yy0 характеризуются, во-первых, широким диапазоном входных напряжений. Соответственно, и диапазон выходных напряжений достаточно широк — до 8…9 В для микросхем с фиксированным выходным напряжением и до 6…15 В — для стабилизаторов с регулируемым выходом. С этой точки зрения, они в большей степени, чем остальные семейства, могут рассматриваться как замена стандартных и LDO-регуляторов. Однако, по сравнению с остальными семействами vLDO-регуляторов, для них характерно большее значение падения напряжения и большее значение собственного тока.

Регуляторы семейства LD39yy0 ориентированы на работу в системах с низковольтной нагрузкой — входное напряжение не превышает 6 В, а выходное — до 3,3 В для фиксированных напряжений. С другой стороны, регуляторы этой серии имеют вдвое меньшее (по сравнению с регуляторами LD29yy0) падение напряжения, существенно меньшее значение собственного тока и могут быть использованы в системах распределенного электропитания в качестве источников питания Point-of-Load (PoL).

Серия LD49150 по основным параметрам сравнима со своим прототипом LD39150, но поддерживает низковольтные напряжения 0,8…1,0 В.

Серии KFxxB и LFxxAB ориентированы на работу в широком диапазоне входных напряжений. Они не имеют исполнений с регулируемым выходным напряжением, однако номенклатура фиксированных номиналов включает не только широко распространенные номиналы, но и довольно редко используемые. Также возможно исполнение стабилизаторов с произвольным значением номиналов выходного напряжения (с шагом 0,1 В) на заказ.

Серия LD1580 в определенном смысле является исключением. Как правило, и линейные, и импульсные стабилизаторы с высокими токами нагрузки (в данном случае до 7 А) исполняются в виде контроллеров, т.е. используется внешний проходной (коммутирующий — для импульсных регуляторов) транзистор, тип и параметры которого разработчик выбирает самостоятельно. Кроме того, прочие производители выполняют стабилизаторы с токами нагрузки выше 5 А по технологии «квази-LDO». В случае LD1580 имеет место LDO-стабилизатор без каких-то оговорок — в качестве проходного транзистора используется одинарный pnp-транзистор (тип 2 на рисунке 1). Тем не менее отметим, что технические параметры этой серии соответствуют уровню весьма высоких для отрасли образцов.

Подводя промежуточный итог, отметим: по сравнению с регуляторами «квази-LDO», падение напряжения для vLDO-регуляторов с широким диапазоном входных напряжений снижено примерно в 3 раза, а для регуляторов с низковольтным входным напряжением — примерно в 6 раз.

Далее рассмотрим номенклатуру маломощных vLDO-регуляторов, характеристики которых сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Номенклатура и характеристики маломощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Источник