3 Terminálové regulátory pevného napětí - pracovní a aplikační obvody

Populární 3 koncové pevné regulátory, které jsou dnes k dispozici, jsou ve formě IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 a IC 7824, které odpovídají výstupům s pevným napětím 5 V, 9 V, 12 V, 15 V a 24 V .

Nazývají se pevné regulátory napětí protože tyto integrované obvody jsou schopny produkovat vynikající stabilizované pevné stejnosměrné výstupní napětí v reakci na mnohem vyšší neregulované stejnosměrné vstupní napětí.

Tyto špičkové monolitické regulátory napětí lze dnes velmi levně zakoupit, což je obvykle méně nákladné a méně komplikované pro práci ve srovnání s budováním diskrétní obvod regulátoru ekvivalenty.

Tyto 3-terminální regulátory lze neuvěřitelně snadno zapojit, jak je patrné z níže uvedeného schématu zapojení, které ukazuje standardní metodu, kterou jsou tyto integrované obvody implementovány.

Tři terminály IC jsou ze zjevných důvodů označeny jmény vstup, společný a výstup .

Kladné a záporné napájení jsou jednoduše připojeny přes vstupní a společné svorky IC, zatímco regulované stabilizované napětí je získáváno přes výstupní a společné svorky.

Jedinou volitelnou požadovanou samostatnou externí částí je kondenzátor na vstupním a výstupním vedení IC. Tyto kondenzátory jsou nezbytné ke zvýšení úrovně regulace výstupu zařízení a ke zlepšení přechodové odezvy. Hodnoty mikrofarad těchto kondenzátorů obecně nejsou kritické, a proto jsou obvykle cokoli mezi 100 nf, 220 nf nebo 330 nf.

Typy regulátorů řady 78XX

The nejpopulárnější a nejpoužívanější typy pevného napětí , monolitické regulátory napětí jsou pozitivní regulátory řady 78XX a negativní regulátory řady 79XX.

Ty se nacházejí se 3 specifikacemi výstupního proudu. Poskytují vám 9 pozitivních typů a devět 9 negativních typů variant, jak ukazuje tabulka níže.

Tyto řady integrovaných obvodů 78XX přicházejí s dalšími hodnotami napětí v pozitivní i negativní formě. Standardní rozsahy pro tyto regulátory 78XX jsou 8 V, 9 V, 10 V, 18 V, 20 V a 24 V, což odpovídá integrovaným obvodům 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824.

Mnoho z těchto zařízení nese příponu znaků nebo číslic s vytištěným číslem, v závislosti na výrobci nebo typu značky.

Všechny jsou však v podstatě stejné se stejným hodnocením. Několik dílčích obchodů ve skutečnosti nepropaguje tyto integrované obvody podle čísla typu, spíše jen upozorní na jejich polaritu, napěťové a proudové specifikace a občas s odkazem na jejich styl balení.

Hlavní rysy

Tyto integrované obvody mají zabudované omezení proudu a ochranu proti zkratu pro výstupní zátěž. U řady regulátorů 78XX se středním a vysokým výkonem je tato funkce obecně typu foldback. Omezení složeného proudu je stav, kdy výstupní přetížení jednoduše neodpovídá výstupním proudem kvůli automatickému omezení proudu.

Co je to Foldback Current Limit

Reakci skládání obvodu omezujícího proud skládání lze vidět na následujícím obrázku, který jasně ukazuje, jak výstupní proud minimalizuje za podmínek přetížení na typicky méně než 50% ideálního výstupního proudu. Primárním důvodem pro použití omezení zpětného proudu je to, že významně snižuje rozptyl v regulátoru při zkratových situacích.

Odezvu na omezení zpětného proudu lze pochopit z následujícího vysvětlení:

Předpokládejme, že máme 7805 IC se vstupem 10 V a na jeho výstupních svorkách dojde ke zkratu. V této situaci za běžného typu proudu, který omezuje výstup IC, bude i nadále generovat proud 1 ampér s rozptylem 10 wattů. Ale se speciálním omezovacím proudem, který omezuje, může být zkratový proud omezen na přibližně 400 mA, což má za následek rozptyl v zařízení pouze 4 watty.

Funkce tepelného vypnutí

Většina monolitických regulátorů napětí je rovněž vybavena zabudovanými ochrannými obvody tepelného vypnutí. Tato funkce pomáhá snížit výstupní proud v případě, že dojde k přehřátí zařízení.

Tyto typy integrovaných obvodů regulátoru napětí jsou ve výsledku extrémně robustní a nikdy se snadno nepoškodí, i když jsou nesprávně použity. To znamená, že jedním ze způsobů, jak by mohly být zničeny, je použití vysokého vstupního napájecího napětí, než je stanovený rozsah.

Najdete rozdíly v maximálních přípustných vstupních napětích specifikovaných různými dodavateli pro tyto integrované obvody stejného standardního typu, ačkoli 25 voltů je zjevně minimální nabízený rozsah pro jakékoli 5voltové zařízení (7805). Větší regulátory napětí zvládnou minimálně 30 voltů, zatímco u odrůd 20 a 24 voltů je vstupní rozsah až 40 voltů.

Aby obvod správně fungoval, musí být vstupní napětí o 2,5 voltu vyšší než požadované výstupní napětí, s výjimkou regulátoru 7805, kde má být vstupní napětí o více než 2 V nad požadovaným výstupem 5 V, což znamená, že být minimálně 7 V.

Pohotovostní proud bez zátěže

Klidový proud nebo spotřeba volnoběžného proudu těchto integrovaných obvodů bez jakéhokoli zatížení na výstupu může být mezi 1 a 5 mA, i když v některých variantách s velmi vysokým výkonem to může být až 10 mA.

Regulace vedení a zatížení

Regulace vedení pro všechny integrované obvody regulátoru 78XX je menší než 1%. To znamená, že výstupní napětí může vykazovat odchylku menší než 1% bez ohledu na odchylku vstupního napětí od rozsahu maximálního a minimálního vstupního napětí.

Regulace zátěže je také u většiny těchto zařízení normálně nižší než 1%. Tato funkce zajišťuje, že výstup bude i nadále poskytovat jmenovité konstantní výstupní napětí bez ohledu na podmínky zatížení výstupu.

Funkce potlačení zvlnění pro většinu z těchto integrovaných obvodů regulátoru je v blízkosti 60 dB spolu s úrovní výstupního šumu, která může být nižší než 100 mikrovoltů.

Ztráta výkonu

Když používáte tyto integrované obvody regulátoru 78XX, musíte si uvědomit, že tyto integrované obvody jsou dimenzovány tak, aby zvládly pouze konečné množství ztrátového výkonu. Proto by při nejvyšší výstupní zátěži nemělo být dovoleno, aby vstupní napětí překročilo o několik voltů více, než je maximální přípustný vstupní limit.

Maximální ztrátový výkon při normální pokojové teplotě (25 stupňů Celsia) pro rozsah zařízení s nízkým, středním a vysokým výkonem 78XX je 0,7 W, 1 W a 2 W.

Výše uvedené omezení by mohlo být významně vylepšeno na 1,7 wattů, 5 wattů a 15 wattů, pokud jsou zařízení namontována na podstatně velkém chladiči. Výkon rozptýlený ve všech těchto regulačních zařízeních je úměrný rozdílu mezi vstupním a výstupním napětím vynásobenému výstupním proudem.

Jak aplikovat chladič na integrované obvody 78XX

V této situaci, kdy je zařízení plně načteno kolem 800 mA, může být ztráta ze zařízení až 4 watty (0,8 A x 5 V = 4 W).

To se zdá být dvakrát více než maximální povolený 2 wattový PD pro zařízení 7815. To znamená, že další 2 watty musí být kompenzovány chladičem.

Na trhu je obecně k dispozici široký výběr chladičů, které jsou označeny hodnocením konkrétních stupňů / watt.

Toto hodnocení v zásadě označuje nárůst teploty, který je způsoben pro každý jeden watt energie rozptýlené chladičem. To také naznačuje, že u větších chladičů se stupně na watt úměrně sníží.

Nejnižší velikost chladiče potřebná pro regulační zařízení 78xx lze určit následujícím způsobem.

Musíme primárně zjistit jmenovitou atmosférickou teplotu, kde se zařízení používá. Kromě případů, kdy je pravděpodobné, že bude zařízení používáno v neobvykle teplém prostředí, lze za rozumný předpoklad považovat údaj kolem 30 stupňů Celsia.

Hodnocení bezpečné teploty

Dále může být nezbytné zjistit maximální bezpečnou teplotu pro konkrétní IC regulátor 78XX. U monolitických regulátorů 78XX může být tento rozsah 125 stupňů Celsia. To je vlastně teplota křižovatky, a nikoli teplota případu, které IC vydrží.

Absolutní maximální dovolená teplota pouzdra je kolem 100 stupňů Celsia. Proto je důležité nedovolit, aby teplota zařízení vzrostla nad 70 stupňů Celsia (100 - 30 = 70).

Protože výkon 2 W může mít za následek zvýšení teploty maximálně o 70 stupňů, bude dobrý chladič dimenzovaný na rozptyl 35 stupňů Celsia / watt nebo méně (70 stupňů děleno 2 watty = 35 stupňů C na watt) dost.

Prakticky by měl být použit relativně větší chladič, protože přenos tepla není ve většině případů nikdy příliš efektivní.

Aby se dosáhlo dlouhodobé stability, je třeba zajistit, aby zařízení bylo v ideálním případě provozováno o něco pod jmenovitým maximálním povoleným teplotním rozsahem.

Pokud je to možné, zajistěte přiměřenou rezervu +/- 20 stupňů nebo možná i více.

Pokud je IC regulátoru uzavřen uvnitř nádoby a zakrytý mimo volnou atmosféru, může to způsobit zahřátí zachyceného vzduchu v nádobě rozptylem regulátoru. To by zase mohlo způsobit, že ostatní citlivé části na desce plošných spojů budou pracovat za teplejších podmínek. Taková situace může vyžadovat větší chladič pro IC regulátoru.

Aplikační obvody

Níže je uveden typický aplikační obvod napájecího zdroje využívající monolitický regulátor napětí 78XX s pevným napětím.

V tomto provedení se používá IC 7815 jako regulátor IC, který nám poskytuje přibližně +15 voltů při proudu přibližně 800 mA.

Použitý transformátor je dimenzován na 18-0 - 18V pro sekundární proud s jmenovitým proudem 1 ampér.

Je připojen k push-pull full wave usměrňovači, který po přefiltrování přes C1 poskytuje nezatížené napětí asi 27 V Dc.

Kondenzátory C2 a C3 fungují jako vstupní a výstupní oddělovací kondenzátory, které by měly být připojeny relativně blíže k tělu integrovaného obvodu. Když je výstupní zátěž plná, uvidíte, že aplikované vstupní napětí na IC1 dosahuje úrovně 19 až 20 voltů, což umožňuje přibližně 5 voltový rozdíl mezi vstupem a výstupem regulátoru.

Jak vyrobit obvod duálního napájení

Vzhledem k tomu, že monolitické regulátory 78XX s pevným napětím lze zakoupit jak v negativní, tak v pozitivní variantě, vypadají perfektně pro implementaci duální vyvážené napájecí zdroje .

Je-li například zapotřebí regulovaná dodávka pro provoz obvod založený na operačním zesilovači s kladným a záporným napájením 12 V při 100 mA lze použít design zobrazený na následujícím obrázku.

V tomto příkladu je T1 transformátor 15-0-15 voltů se sekundárním proudem 200 mA nebo více. Můžete najít několik push-pull full wave usměrňovačů D2 a D3, které vám dávají pozitivní výstup.

D1 spolu s D4 poskytují záporný výstup. Kladná dodávka je filtrována pomocí C1, zatímco záporná čára je vyčištěna a filtrována pomocí C2.

IC1 vám dává regulovaný kladný výstup napájení, zatímco IC2 funguje jako záporný regulátor napájení. C3 až C6 jsou umístěny jako oddělovací kondenzátory pro zvýšení výstupní účinnosti, pokud jde o lepší reakci na hroty, šum a přechodové jevy.

Vyšší výstupní napětí pomocí sériového regulačního obvodu

Konfiguraci zobrazenou výše lze také použít pro získání kombinovaných hodnot napětí obou regulátorů. To znamená, že pokud je 79L12 nahrazen 78L12, regulátor umožní výstup na 24V.

V takové konfiguraci může být linka 0V ignorována a na výstup +24V lze přistupovat přímo přes kladné a záporné vedení výstupu.

Vyšší výstupní napětí pomocí sériového diodového obvodu

Ve skutečnosti je velmi snadné získat malé zvýšení napětí na výstupu s využitím nějaké usměrňovací diody mezi uzemňovacím kolíkem IC a zemním vedením.

Tento přístup umožňuje uživateli přístup k trochu vyšší úrovni napětí, které nemusí být přímo získáno z žádného připraveného regulačního zařízení.

Přesnou techniku ​​zapojení této konfigurace lze vidět na následujícím obrázku.

V tomto příkladu jsme odhadli požadované výstupní napětí na přibližně 6V a implementovali jsme to stejné pomocí 5V regulátoru IC zesílením výstupu o 1 volt.

Jak je vidět, tohoto zvýšení 1 V je efektivně dosaženo jednoduchým začleněním několika sériových usměrňovacích diod se společným vedením regulátoru.

Usměrňovače jsou zapojeny, aby se zajistilo, že jsou předpjaty dopředu klidovým proudem využívaným regulátorem a který se pohybuje přes společnou svorku GND zařízení.

Výsledkem je, že se připojené diody chovají podobně jako nízkonapěťové zenerovy diody, přičemž každá z těchto diod klesne kolem 0,5 až 0,6 voltu, což umožňuje kombinované zenerovo napětí přibližně 1 až 1,2 voltu.

Cílem návrhu je zvednout společnou svorku regulátoru o 1 volt nad potenciálem uzemnění. Zde regulátor 7805 IC ve skutečnosti stabilizuje jmenovitý výkon na 5 V nad zemní linií, a proto zvednutím zemnící svorky přibližně o 1 V je výstup také zvýšen o stejnou velikost, což způsobí, že výstup bude také regulován přibližně na Úroveň 6 V. Tento postup funguje velmi dobře se všemi třemi terminály integrovaného obvodu regulátoru napětí 78XX.

Předpínací odpor pro diody

V některých případech však možná budete muset připojit externí odpor přes GND a výstupní kolík IC, abyste diodám pomohli s trochou proudu navíc, aby byli schopni optimálně fungovat pro zamýšlené výsledky.

Jelikož každá usměrňovací dioda usnadní dopředný pokles přibližně o 0,65 V, výpočtem více takových diod v sérii můžeme dosáhnout úměrně vyšší úrovně zesíleného napětí na výstupu IC.

Aby k tomu však mohlo dojít, musí být vstupní úroveň alespoň o 3 V vyšší než konečná odhadovaná výstupní úroveň. Křemíkové diody jako 1N4148 budou pro aplikaci fungovat docela dobře.

Alternativně, pokud diody vypadají těžkopádně, lze pro dosažení stejného efektu použít také jednu ekvivalentní zenerovu diodu, jak ukazuje následující příklad.

Z tohoto důvodu se ujistěte, že je implementován postup pro získání maximálně o 3 V vyšší, než je skutečná hodnota zařízení. Za touto úrovní může být ovlivněna stabilizace výstupu.

Zvýšení aktuální kapacity

Lze implementovat další velkou modifikaci regulátoru 78XX pro dosažení zvýšeného výstupního proudu vyššího než je maximální jmenovitý výkon zařízení.

Jeden způsob, jak toho dosáhnout, je uveden níže.

Uvedený konfigurační poměr R1 a R2 zajišťuje, že pro každý miliampérový proud, který prochází R1, D1 a regulátorem, se přes Tr1 a R2 posune bitový proud přesahující 4 mA.

Výsledkem je, že když je přes IC1 použit celý 1 zesilovač, máme proud více než 4 zesilovače procházející přes Tr1. Tato situace umožňuje obvodu dodávat optimální výstupní proud, který je o něco vyšší než 5 ampérů.

I za podmínek přetížení mají proudy přes Tr1 a IC1 poměr poněkud vyšší než 4: 1, proto současná omezující funkce IC nadále funguje bez problémů.

Obvody této formy se dnes ukázaly jako zbytečné kvůli dostupnosti zařízení s vyšším výkonovým regulátorem jako 78H05, 781-112 atd., které přicházejí s maximálním proudovým hodnocením 5 ampérů a umožňují uživateli konfigurovat je přesně se stejnou lehkostí jako protějšky s nižším proudem.