Lineární stabilizátory

Prezentace na téma: "Lineární stabilizátory"— Transkript prezentace:

1 Lineární stabilizátory
Parametrické, diskrétní, integrované třísvorkové

2 Parametrické paralelní stabilizátory
Mezi stabilizátory lze řadit všechny obvody, kte-ré umožňují stabilizovat výstupní napětí nebo proud při změnách: a) výstupního (zatěžovacího) proudu, b) vstupního (obvykle síťového) napětí, c) teploty okolí. Parametrické paralelní stabilizátory Stabilizátor s diodou Stabilizátor se Zenerovou diodou Diferenciální stabilizátor Kaskádní stabilizátor Zvýšení proudu Zenerovou diodou Paralelní stabilizátor s tranzistory Stabilizátor s TL431

3 Stabilizátor napětí s diodou
R1 = (U1 - UF) / I1, SI = dU2 / dI2 = dUF / dIF = Rdyn SU = dU2 / dU1 ≈ Rdyn / R1.

4 Stabilizátor se Zenerovou diodou
SU = dU2 / dU1 = Rdyn / (R1 + Rdyn) St = dU2 / dt = TKUZ

5 Diferenciální stabilizátor Stabilizátor s posunutým výstupním napětím
U2 = UZD1 - UZD2 Stabilizátor s posunutým výstupním napětím

6 Symetrický stabilizátor napětí
Kaskádní stabilizátor Pokud neexistovaly lineární integrované stabilizátory napětí, bylo nutno zvyšovat činitele napěťové stabilizace kaskádním zapojením stabilizátorů se Zenerovými diodami. Obecně takovýto stabilizátor může být i vícestupňový pro dosažení extrémní hodnoty činitele napěťové stabilizace. V praxi se však užíval většinou dvoustupňový. SU = SU1 . SU2

7 Zvýšení proudu Zenerovou diodou
Zapojení se chová jako výkonová Zenerova dioda, pro kterou platí: Ustab = UZ + UBE Vhodný pracovní bod Zenerovy diody leží za kolenem VA cha-rakteristiky již při proudech jednotek mA a nemusí být dos-tatečný pro výkonové tranzis-tory jako proud IB. Posílení tohoto proudu je možné pomocí paralelního odporu R, který upraví velikost proudu IB na: IB = IZ + IR = IZ + UZ / R

8 Paralelní stabilizátor s tranzistory
IE1 = IC1 + IB1, IC1 = IB2 + IR2 IE1 = IC1 + IB1 = IB2 + IR2 + IB1 = IB2 + (IC2 - IB1) + IB1 = IB2 + IC2 = IE2 Předpokládejme, že oba tranzistory, byť opačné vodivosti, jsou svými parametry shodné. Napětí U2 = 1,7 V pro U1 = 12 V a to až do proudu zátěže cca 90 mA. Teplotní součinitel výstupního napětí je záporný o hodnotě okolo -5 mV/K.

9 Paralelní stabilizátor s TL431
Je to svým vnitřním zapojením třísvorkový regulátor s možností nastavení výstupního napětí pomocí pomocného vstupu, označovaného jako referenční.

10 U2 = UREF . (R1 + R2) / R2 + IREF . R1, U2 = UREF . (R1 + R2) / R2 .
Výstupní napětí parametrického stabilizátoru se nastavuje pomocí odporového děliče pomocí vztahu: U2 = UREF . (R1 + R2) / R2 + IREF . R1, kde UREF = 2,5 [V] je vnitřní referenční napětí obvodu TL431 a doporučená hodnota odporu R1 výrobcem je 10 [k]. Vztah pro malý proud IREF zjednodušujeme obvykle na: U2 = UREF . (R1 + R2) / R2 . Proudové posílení TKU = UREF. U2 /UREF , (např. 51,5 ppm/K pro U2 = 5,6 [V]).

11 Sériové stabilizátory se ZD
U2 = UZD - UBE , U1 = U2 + UCE , IB = IC / h21E , I3 = IB + IZD , R = (U1 - UZD) / I3 , I1 = IC + I3 Podmínky: UCE > (2 ÷ 3)V, UBE (pro Si) = 0,7 V IZD > (2 ÷ 3) mA UCE1 = U1 - U2 , PC1 = UCE1 . IC1 , IB1 = IC1 / h21E , R1 = (U2 - UZD) / (IZD + IB1) , UCE2 = U1 - UBE1 - R1 . (IZD + IB1) , IB2 = IC2 / h21E , R2 = U2 / Id Volíme: IZD > (2 ÷ 3) mA, Id = 1 mA

12 Sériový stabilizátor s TL431
Obvod TL431 chová jako dokonalá Zenerova dioda s možností nastavení Zenerova napětí, můžeme jej užít ve všech aplikacích, kde bychom užili ZD. Výstupní napětí U2 snímáme děličem R1 a R2 a porovnáváme s referenčním napětím TL431. Volíme-li odpory R1 a R2 tak, aby jejich proud byl mnohem větší, než je vstupní proud do elektrody REF obvodu TL431, pak např. při rovnosti ohmických hodnot R1 = R2 bude výstupní napětí právě dvojnásobné velikosti, než napětí referenční, tj. U2 = 2 . UREF = 2 . 2,5 = 5 V. R3 = (U1 - U2 - UBE) / (IKA + IB) UKA = U2 + UBE , UBE = 0,7 [V] IKAmin >1 [mA], UREF = 2.5 [V], IKAmax < 150 [mA], IBmax = 149 [mA] a pro h21E = 100 je ICmax = 14,9 [A]

13 Sériové stabilizátory jen s T
Referenčním členem je přechod BE2: R = U2 / Id , IE1 = I2 + Id , IB1 = IC1 / h21E1 , UCE2 = U2 + UBE1, R1 = (U1 - UCE2) / (IB1 + IC2), IB2 = IC2 / h21E2 , Uo = U2 / 2 , R2 = (Uo - UBE2) / IB2 Stabilizátor malého napětí 1,15 [V] Při poklesu U2 poklesne UBE3, čímž dojde k uzavření T3 a vzrůstu UCE3 = UBE2. T2 se tedy bude více otevírat a UCE2 klesá. Tím ovšem roste napětí UEB1 tranzistoru PNP, který se více otevře, takže UEC1 klesá a U2 opět roste.

14 Sériový stabilizovaný zdroj napětí s operačním zesilovačem
U1 = U2 + UCE , IB = IC / h21E , U3 = U2 + UBE + UR3 , R3 = UR3 / IB , R1 = (U1 - UZD) / IZD , IZD ≈ 2 [mA], UZD volíme ≈ 6 [V] pro αTKUZD = min., Id volíme 1 [mA] , R5 = U2 / Id , R2 a R4 volíme např. 10 [kΩ] Operační zesilovač volíme v jakéhokoliv typu, podstatné je však vždy zkontrolovat v katalogu, zda je schopen pracovat s nesymetrickým napájecím napětím dané velikosti. Volíme-li v našem případě na místě OZ např. typ 741, lze z katalogu zjistit, že minimální hodnota napájecího napětí UCC je rovna ± 3 [V], t.j. při nesymetrickém napájení U7-4 = 6 [V].

15 LINEÁRNÍ TŘÍSVORKOVÉ STABILIZÁTORY NAPĚTÍ
Stabilizátor s pevnou kladnou hodnotou výstupního napětí: Poslední dvojčíslí xx určuje výstupní napětí zdroje, např znamená UO = 5 V. Bezindukční kondenzátor CIN = 1 [F] se užije v případě, kdy je nabíjecí kondenzátor napájecího zdroje vzdálen více než (5 - 10) [cm] od vlastního stabilizátoru, bezindukční kondenzátor Co zlepšuje impulzní odezvu zdroje na skoky zatěžovacího proudu. Oba kondenzátory se umisťují fyzicky co nejblíže vývodům IO. Střídavá složka UIN by měla být do 10%, obvod má činitel potlačení střídavé složky o kmitočtu 100 Hz až 70 dB (funguje jako velmi účinný filtr i bez velké hodnoty kapacity Co).

16 Stabilizátor s pevnou zápornou hodnotou výstupního napětí
Vše shodné s kladným stabilizátorem, jenom společná zemní svorka je kladná. Společným vodičem teče u všech třísvorkových stabilizátorů proud IAdj = IQ = proud vlastní spotřeby IO. Zapojení pro získání symetrického (nebo i nesymetrického) výstupního napětí, např. pro napájení OZ. POZOR!!! Na rozdíl od podobného zapojení se ZD zde musí být (vzhledem k rozdílným hodnotám proudů IQ obou obvodů) připojen střední vstupní zemní vodič napájení.

17 Změna hodnoty výstupního napětí
Proud IQ u obvodů řady 78xx a 79xx je značně proměnný do cca 5 mA, proud IQ obvodů řady LM317 je okolo 50 μA, proud IQ měříme voltmetrem na malém odporu, ne ampérmetrem, do vývodu IQ lze tedy zařazovat součástky pouze s charakterem zdroje napětí (ZD), v žádném případě odpor!!!! je-li IZDmin okolo 2 mA při IQ = 50 μA, je nutno paralelně se ZD zařadit odpor, výstupní napětí U2 = Uxx + UZD, vstupní napětí U1 > U2 + cca 3 V, dioda D2 chrání IO při zkratu na vstupu proti přetížení napětím U2.

18 Třísvorkový stabilizátor s obvodem TL431
Třísvorkový integrovaný stabilizátor napětí LM317 stabilizuje napětí 1,25 V mezi výstupní svorkou a svorkou ADJUST (na obrázku spodní svorka). Výstupní napětí zdroje může tedy být minimálně (nebo více): U2min = UREF317 + UREF431 = 1,25 + 2,5 = 3,75 V. Hodnotou odporu R3 musíme zabezpe-čit tak velký proud IR3, aby společně s proudem IQ = IADJ = 50 A dosáhl hodnoty, nezbytně nutné pro činnost obvodu TL431, tj. hodnoty IKAmin = 400 A, volíme IR3 = 1 [mA] a na proud IQ nespoléháme. U2 = UREF431 . (R1 + R2) / R2 ….. (UR1 > UREF317)

19 Změna hodnoty výstupního napětí odporovým děličem
Stabilizátor se vyznačuje extémě malým proudem IQ tekoucím společnou svorkou Q. Na čipu jsou sdruženy ochrany proti proudovému a tepelnému přetížení. Odpor R1 doporučuje výrobce o hodnotě 240 Ω, ale tato hodnota není kritická. Hodnota referenčního napětí je 1,25 V a toto napětí je na odporu R1. Výstupní napětí má přibližně hodnotu U2 = Uref . (R1 + R2) / R1. Je-li proud děličem Id >> IQ, pak platí vztah add 3).

20 UIN – UOUT = UBET1 + UBET2 + UCESATT3
Klasické zapojení regulátoru s NPN tranzistorem T1 (velký úbytek napětí) IOUTmax ≈ 10A UIN – UOUT > (1,7 ÷ 2,5) V Minimální úbytek napětí mezi vstupem a výstupem je: UIN – UOUT = UBET1 + UBET2 + UCESATT3

21 Zapojení LDO regulátoru s PNP tranzistorem T1 v saturaci
IOUTmax ≈ 1A UIN – UOUT > (0,1 ÷ 0,7) V Minimální úbytek napětí mezi vstupem a výstupem je: UIN – UOUT = UCESATT1

22 UIN – UOUT = UBE1 +UCESATT2
Zapojení QUASI-LDO regulátoru s NPN tranzistorem T1 a tranzistorem PNP T2 v saturaci IOUTmax ≈ 7,5A UIN – UOUT > (0,9 ÷ 1,5) V Minimální úbytek napětí mezi vstupem a výstupem je: UIN – UOUT = UBE1 +UCESATT2

23 Současná špička třísvorkových stabilizátorů
Rozsah vstupního napětí: UIN = (3 ÷ 80) V Vlastní spotřeba: IQ = 7 μA Nízký úbytek napětí: UIN – UOUT = 350 mV Výstupní proud: IOUT = 20 mA Výstupní napětí: UOUT =( 1,22 ÷ 60) V Není potřebná ochranná dioda. Ochrana proti přepólování vstupního zdroje. Tepelná pojistka. fa Linear Technology

24 Zatěžovací charakteristika třísvorkových regulátorů
Na sériovém odporu se snímá úbytek napětí, zesiluje se a porovnává s proudovou referencí. Z charakteristiky zdroje konstantního napětí stabilizátor nemusí přecházet do chaakteristiky zdroje proudu ale charakteristika se může vracet k nule (omezení proudu).

25 Bezpečná pracovní plocha SOA
A = omezení plochou výkonového tranzistoru ve stabilizátoru B = omezení tepelným přetížením (chlazení) C = omezení druhým průrazem výkonového tranzistoru omezení maximálním napětím UCEM

26 pro napětí menší než obvod nepracuje (reference)
Pracovní oblast stabilizátoru LM317 pro napětí menší než obvod nepracuje (reference) parametry uváděné v katalogu jsou výrob-cem testovány jen v určité části SOA

27 Proudové posílení výstupu
V zapojení je využito té skutečnosti, že proud 0,7 [A] vtékající do integrovaného obvodu 7805 vytváří na vhodně zvolené hodnotě odporu R1 úbytek napětí UBE právě tak velký, aby došlo k otevření tranzistoru a ten převzal zbývající část proudu zátěže (nad 0,7 A). Tranzistor T1 zabezpečuje omezení velikosti proudu tranzistorem T2 a tak jej chrání proti proudovému a výkonovému přetížení v případě zkratu nebo nadměrného odběru proudu na výstupu.

28 Možnost zvýšení vstupního napětí
UIN78xx = UZD – UBE > Uo + 3 V Jestliže má vstupní napětí UIN vyšší hodnotu, než je povolené vstupní napětí třísvorkového stabilizátoru napětí UIN(MAX) (obvykle 35 [V]), je nutno užít (obvykle tranzistorový) před-stabilizátor vstupního napětí UIN78xx integrovaného stabilizátoru. R1 = (UIN - UZD) / IC . h21ET1

29 Proudové omezení třísvorkových stabilizátorů napětí
Externího tranzistoru je možno užít i pro omezení proudu třísvorkovým stabilizátorem na hodnotu nižší, než je omezení vnitřní. Do odporového děliče R1 - R2 vložíme malý snímací odpor, na kterém snímáme velikost napětí, odpovídající procházejícímu proudu zátěže. Ohmická hodnota tohoto odporu je dána velikostí napětí UBE tranzistoru T1 pro jeho otevírání procházejícím proudem zátěže: UOUT = UZ = UREF . (R1 + R2) / R1 R3 = UBE / (Id + IZ)

30 Stabilizátor napětí typu 723
Uo > Uref = 7,15 V R3 = R1 // R2 …….Id volíme 1 mA, Cref volíme 10 nF ÷ 10 μF, Cc kompenzuje fázový přenos RSC = UBE / IOUT R1 = R2 // R3……. Id je doporučeno 1 mA, Cref volíme 10 nF ÷ 10 μF, Cc kompenzuje fázový přenos Uo < Uref = 7,15 V