Трехконтактные стабилизаторы постоянного напряжения - рабочие и прикладные схемы

Популярные 3-контактные фиксированные стабилизаторы, доступные сегодня, представлены в виде IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 и IC 7824, которые соответствуют выходам с фиксированным напряжением 5 В, 9 В, 12 В, 15 В и 24 В. .

Они называются фиксированными регуляторы напряжения поскольку эти ИС способны создавать превосходные стабилизированные фиксированные выходные напряжения постоянного тока в ответ на гораздо более высокое нерегулируемое входное напряжение постоянного тока.

Эти высокопроизводительные монолитные регуляторы напряжения в настоящее время можно очень дешево купить, что, как правило, дешевле и менее сложно в эксплуатации по сравнению со строительством. схема дискретного регулятора эквиваленты.

Эти трехконтактные регуляторы невероятно легко подключить, что можно увидеть на приведенной ниже принципиальной схеме, которая демонстрирует стандартный метод реализации этих ИС.

Три терминала ИС по очевидным причинам обозначены именами вход, общий и выход .

Положительный и отрицательный полюс питания просто подключаются к входному и общему контактам ИС, соответственно, в то время как стабилизированное напряжение поступает на выходные и общие контакты.

Единственная дополнительная дискретная внешняя часть, которая может потребоваться, - это конденсатор на входе и выходе ИС. Эти конденсаторы необходимы для повышения уровня выходной стабилизации устройства и улучшения переходной характеристики. Значения микрофарад этих конденсаторов, как правило, не критичны и, следовательно, обычно находятся в диапазоне от 100 нФ, 220 нф или 330 нф.

Типы регуляторов серии 78XX

В самые популярные и широко используемые типы фиксированного напряжения , монолитными регуляторами напряжения являются положительные регуляторы серии 78ХХ и отрицательные регуляторы серии 79ХХ.

Их можно найти с тремя характеристиками выходного тока. Они предоставляют вам 9 положительных типов и 9 9 отрицательных типов вариантов, как показано в таблице ниже.

Эти ИС серии 78XX имеют дополнительные номиналы напряжения как в положительной, так и в отрицательной форме. Стандартные диапазоны для этих регуляторов 78XX составляют 8 В, 9 В, 10 В, 18 В, 20 В и 24 В, что соответствует ИС 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824.

Многие из этих устройств содержат символы суффикса или цифры с напечатанным номером, в зависимости от производителя или типа бренда.

Однако все они по сути одинаковы с одинаковым рейтингом. Некоторые поставщики комплектующих фактически не продвигают эти ИС по номеру типа, а просто указывают на их полярность, характеристики напряжения и тока, а иногда и со ссылкой на стиль их корпуса.

Основные особенности

Эти ИС имеют встроенное ограничение тока и защиту от короткого замыкания выходной нагрузки. В регуляторах средней и высокой мощности серии 78XX эта функция обычно складного типа. Ограничение тока обратной связи - это состояние, при котором перегрузка выхода просто не реагирует на выходной ток из-за автоматического ограничения тока.

Что такое Foldback Current Limit

Обратную реакцию схемы ограничения тока обратной связи можно увидеть на следующем рисунке, который ясно демонстрирует, как выходной ток минимизируется в условиях перегрузки до уровня, составляющего менее 50% идеального выходного тока. Основная причина использования ограничения тока обратной связи заключается в том, что оно значительно снижает рассеяние внутри регулятора при коротких замыканиях.

Реакцию ограничения тока обратной связи можно понять из следующего объяснения:

Предположим, у нас есть 7805 IC с входом 10 В, и он претерпевает короткое замыкание на своих выходных клеммах. В этой ситуации при обычном типе ограничения тока на выходе ИС будет по-прежнему генерироваться ток 1 А, что дает рассеиваемую мощность 10 Вт. Но со специальным током обратной связи, ограничивающим ток короткого замыкания, можно ограничить примерно 400 мА, в результате чего рассеиваемая мощность в устройстве составит всего 4 Вт.

Функция теплового отключения

Большинство монолитных регуляторов напряжения также имеют встроенную схему защиты от теплового отключения. Эта функция помогает снизить выходной ток в случае перегрева устройства.

Эти типы микросхем регуляторов напряжения в результате чрезвычайно надежны и никогда не повреждаются даже при неправильном использовании. Тем не менее, один из способов их разрушения - это приложение высокого входного напряжения питания, превышающего указанный диапазон.

Вы найдете различия в максимально допустимом входном напряжении, указанном разными поставщиками для этих ИС одного и того же стандартного типа, хотя 25 вольт, очевидно, является минимальным предлагаемым диапазоном для любого устройства на 5 вольт (7805). Более мощные регуляторы напряжения могут выдерживать минимум 30 вольт, в то время как для вариантов на 20 и 24 вольт диапазон входного напряжения составляет до 40 вольт.

Для правильной работы схемы входное напряжение должно быть на 2,5 В выше требуемого выходного напряжения, за исключением регулятора 7805, где входное напряжение должно быть чуть более чем на 2 В выше требуемого выходного напряжения 5 В, то есть должно быть минимум 7 В.

Ток в режиме ожидания без нагрузки

Ток покоя или ток холостого хода, потребляемый этими ИС без какой-либо нагрузки на выходе, может составлять от 1 до 5 мА, хотя в некоторых вариантах с очень высокой мощностью он может достигать 10 мА.

Линия и регулирование нагрузки

Стабилизация линии для всех ИС регуляторов 78XX меньше 1%. Это означает, что изменение выходного напряжения может составлять менее 1% независимо от отклонения входного напряжения от максимального и минимального диапазона входного напряжения.

Регулировка нагрузки также обычно ниже 1% для большинства этих устройств. Эта функция гарантирует, что выход будет продолжать обеспечивать номинальное постоянное выходное напряжение независимо от условий выходной нагрузки.

Функция подавления пульсаций для большинства этих микросхем регуляторов составляет около 60 дБ вместе с уровнем выходного шума, который может быть ниже 100 микровольт.

Рассеяние мощности

Когда вы используете эти микросхемы регуляторов 78XX, вы должны помнить, что эти микросхемы рассчитаны на работу только с конечным количеством рассеиваемой мощности. Следовательно, при максимальной выходной нагрузке входное напряжение никогда не должно превышать на несколько вольт максимально допустимого входного предела.

Максимальное рассеивание мощности при нормальной комнатной температуре (25 градусов Цельсия) для устройств серии 78XX низкой, средней и высокой мощности составляет 0,7 Вт, 1 Вт и 2 Вт соответственно.

Вышеупомянутое ограничение может быть значительно улучшено до 1,7, 5 и 15 Вт соответственно, если устройства установлены на существенно большом радиаторе. Мощность, рассеиваемая во всех этих устройствах регулятора, пропорциональна разнице между входным и выходным напряжениями, умноженной на выходной ток.

Как установить радиатор на микросхемы 78XX

В этой ситуации, когда устройство полностью загружено при токе около 800 мА, рассеиваемая мощность устройства может достигать 4 Вт (0,8 А x 5 В = 4 Вт).

Это в два раза больше, чем максимально допустимая мощность в 2 Вт для устройства 7815. Это означает, что дополнительные 2 Вт необходимо компенсировать за счет радиатора.

Широкий выбор радиаторов обычно доступен на рынке, и они имеют номинальную мощность в определенных градусах на ватт.

Этот рейтинг в основном указывает на повышение температуры на каждый ватт мощности, рассеиваемой через радиатор. Это также означает, что для радиатора большего размера градусы на ватт будут пропорционально ниже.

Наименьший размер радиатора, необходимый для регулятора 78xx, можно определить следующим образом.

В первую очередь мы должны узнать номинальную температуру окружающей среды, в которой используется устройство. За исключением случаев, когда устройство будет использоваться в необычно теплых условиях, цифра около 30 градусов по Цельсию может считаться разумным предположением.

Безопасный температурный рейтинг

Затем может быть важно узнать максимально допустимую температуру для конкретной микросхемы регулятора 78XX. Для монолитных регуляторов 78XX этот диапазон может составлять 125 градусов по Цельсию. Сказав это, на самом деле это температура перехода, а не температура корпуса, которую может выдержать ИС.

Абсолютно максимально допустимая температура корпуса составляет около 100 градусов по Цельсию. Поэтому важно не допускать повышения температуры устройства выше 70 градусов по Цельсию (100 - 30 = 70).

Поскольку мощность в 2 Вт может привести к повышению температуры максимум на 70 градусов, подойдет радиатор, рассчитанный на рассеивание не более 35 градусов по Цельсию / ватт (70 градусов, разделенные на 2 ватта = 35 градусов C на ватт). довольно.

На практике следует использовать относительно больший радиатор, поскольку в большинстве случаев теплообмен никогда не бывает очень эффективным.

Кроме того, для обеспечения долговременной стабильности необходимо обеспечить идеальную работу устройства при температурах, несколько меньших номинального максимально допустимого диапазона.

Если возможно, обеспечьте разумный запас +/- 20 градусов или, может быть, больше.

Когда регулятор IC заключен внутри контейнера и закрыт от свободной атмосферы, это может привести к нагреванию захваченного в контейнере воздуха за счет рассеивания регулятора. Это, в свою очередь, может привести к тому, что другие чувствительные части на печатной плате будут работать в более теплых условиях. В такой ситуации может потребоваться радиатор большего размера для ИС регулятора.

Схемы приложений

Типичная схема применения источника питания с монолитным стабилизатором напряжения 78ХХ с фиксированным напряжением представлена ​​ниже.

В этой конструкции микросхема 7815 используется в качестве микросхемы регулятора, которая выдает нам около +15 В при токе примерно 800 мА.

Используемый трансформатор рассчитан на 18-0–18 В для вторичной обмотки с номинальным током 1 А.

Он подключен к двухтактному двухполупериодному выпрямителю, который обеспечивает напряжение без нагрузки около 27 В постоянного тока после фильтрации через C1.

Конденсаторы C2 и C3 работают как входные и выходные развязывающие конденсаторы, которые следует прикреплять относительно ближе к корпусу ИС. Когда выходная нагрузка заполнена, вы увидите, что входное напряжение, приложенное к IC1, достигает уровня от 19 до 20 вольт, что дает разницу примерно в 5 вольт на входе / выходе регулятора.

Как сделать двойную цепь питания

Поскольку монолитные стабилизаторы постоянного напряжения 78XX можно приобрести как в отрицательном, так и в положительном вариантах, они идеально подходят для реализации. двойные симметричные блоки питания .

Когда, например, регулируемая подача необходима для работы схема на базе операционного усилителя с положительным и отрицательным питанием 12 В при 100 мА может быть применена конструкция, показанная на следующем рисунке.

В этом примере T1 представляет собой трансформатор на 15–0–15 В с номинальным вторичным током 200 мА или более. Вы можете найти пару двухтактных двухполупериодных выпрямителей D2 и D3, которые дают положительный выход.

D1 вместе с D4 дают отрицательный выход. Положительная подача фильтруется C1, а отрицательная линия очищается и фильтруется через C2.

IC1 дает вам регулируемый положительный выход питания, в то время как IC2 работает как стабилизатор отрицательного питания. C3 - C6 расположены как разделительные конденсаторы для повышения выходной эффективности с точки зрения лучшего отклика на выбросы, шум и переходные процессы.

Более высокое выходное напряжение при использовании цепи последовательного регулятора

Конфигурация, показанная выше, также может быть использована для получения комбинированных значений напряжения двух регуляторов. Это означает, что при замене 79L12 регулятором 78L12 на выходе будет 24 В.

В такой конфигурации линию 0 В можно игнорировать, а к выходу + 24 В можно обращаться напрямую через положительную и отрицательную линии выхода.

Более высокое выходное напряжение при использовании последовательной диодной цепи

На самом деле очень легко получить небольшое повышение напряжения на выходе, используя выпрямительный диод между выводом заземления ИС и линией заземления.

Такой подход позволяет пользователю получить доступ к немного более высокому уровню напряжения, который нельзя получить напрямую от любого готового устройства регулятора.

Точную технику подключения этой конфигурации можно увидеть на следующем изображении.

В этом примере мы оценили необходимое выходное напряжение примерно в 6 В и реализовали то же самое через микросхему регулятора на 5 В, увеличив выходное напряжение на 1 В.

Как можно видеть, это повышение на 1 В эффективно достигается простым включением пары последовательных выпрямительных диодов с общим выводом регулятора.

Выпрямители подключаются таким образом, чтобы обеспечить прямое смещение через ток покоя, используемый регулятором, который проходит через общий вывод GND устройства.

Прикрепленные диоды в результате ведут себя как низковольтные стабилитроны, в которых напряжение каждого диода падает примерно от 0,5 до 0,6 вольт, обеспечивая комбинированное напряжение стабилитрона примерно от 1 до 1,2 вольт.

Цель конструкции - поднять общий вывод регулятора на 1 вольт над потенциалом заземления. Здесь регулятор 7805 IC фактически стабилизирует номинальный выход на уровне 5 В над линией заземления, следовательно, за счет подъема клеммы заземления примерно на 1 В выходной сигнал также увеличивается на ту же величину, в результате чего выход также регулируется примерно на Уровень 6 В. Эта процедура отлично работает со всеми тремя микросхемами стабилизатора напряжения на клеммах 78XX.

Смещающий резистор для диодов

Однако в некоторых случаях вам может потребоваться подключить внешний резистор к GND и выходному выводу IC, чтобы подать дополнительный разряд тока на диоды, чтобы они могли проводить оптимальное сопротивление для достижения желаемых результатов.

Поскольку каждый выпрямительный диод будет способствовать прямому падению примерно на 0,65 В, вычисляя большее количество таких диодов последовательно, мы можем добиться пропорционально более высокого уровня повышенного напряжения на выходе ИС.

Однако для этого входной уровень должен быть как минимум на 3 В выше, чем окончательный расчетный выходной уровень. Кремниевые диоды, такие как 1N4148, вполне подойдут для этого приложения.

В качестве альтернативы, если диоды выглядят громоздкими, для получения того же эффекта можно использовать один эквивалентный стабилитрон, как показано в следующем примере.

При этом, пожалуйста, убедитесь, что процедура реализована для получения не более чем на 3 В выше фактического номинала устройства. За пределами этого уровня стабилизация выхода может пострадать.

Увеличение текущей емкости

Еще одна замечательная модификация регулятора 78XX может быть реализована для достижения повышенного выходного тока, превышающего максимальный номинал устройства.

Один из способов сделать это показан ниже.

Указанное соотношение конфигурации R1 и R2 гарантирует, что для каждого миллиамперного тока, проходящего через R1, D1 и регулятор, бит тока, превышающий 4 мА, смещается через Tr1 и R2.

В результате, когда через IC1 используется полный 1 ампер, через Tr1 проходит ток более 4 ампер. Эта ситуация позволяет схеме обеспечивать оптимальный выходной ток, который немного превышает 5 ампер.

Даже в условиях перегрузки токи через Tr1 и IC1 по-прежнему имеют соотношение несколько выше 4: 1, поэтому функция ограничения тока IC продолжает работать без проблем.

Схемы такой формы в настоящее время фактически оказались ненужными из-за доступности устройства регуляторов повышенной мощности например, 78H05, 781-112 и т. д., которые имеют максимальный номинальный ток 5 ампер и позволяют пользователю настраивать их точно так же легко, как и их аналоги с более низким током.