3 Terminalowe regulatory stałego napięcia - obwody robocze i aplikacyjne

Popularne obecnie dostępne regulatory z trzema zaciskami mają postać IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 i IC 7824, które odpowiadają stałym wyjściom napięcia 5 V, 9 V, 12 V, 15 V i 24 V .

Nazywa się to naprawionymi regulatory napięcia ponieważ te układy scalone są w stanie wytwarzać doskonałe stabilizowane stałe napięcie wyjściowe DC w odpowiedzi na znacznie wyższe nieregulowane napięcie wejściowe DC.

Te wysokiej klasy monolityczne regulatory napięcia można obecnie kupić bardzo tanio, co jest zwykle tańsze i mniej skomplikowane w obsłudze w porównaniu z budową. dyskretny obwód regulatora odpowiedniki.

Te 3-zaciskowe regulatory są niezwykle łatwe do okablowania, co można zobaczyć na poniższym schemacie obwodu, który przedstawia standardową metodę implementacji tych układów scalonych.

Trzy terminale układu scalonego są z oczywistych powodów oznaczone nazwami wejście, wspólne i wyjście .

Zasilanie dodatnie i ujemne jest po prostu podłączane odpowiednio przez wejście i wspólne zaciski układu scalonego, podczas gdy stabilizowane napięcie stabilizowane jest uzyskiwane na zaciskach wyjściowych i wspólnych.

Jedyną dyskretną częścią zewnętrzną, która jest opcjonalnie wymagana, jest kondensator na wejściu i przewody wyjściowe układu scalonego. Kondensatory te są niezbędne do zwiększenia poziomu regulacji wyjściowej urządzenia i poprawy odpowiedzi przejściowej. Wartości mikrofaradów tych kondensatorów na ogół nie są krytyczne i dlatego zwykle mieszczą się w zakresie 100 nf, 220 nf lub 330 nf.

Typy regulatorów serii 78XX

Plik najpopularniejsze i szeroko stosowane typy stałego napięcia , monolityczne regulatory napięcia to dodatnie regulatory z serii 78XX i ujemne regulatory z serii 79XX.

Znajdują się one z 3 specyfikacjami prądu wyjściowego. Zapewniają one 9 typów pozytywnych i dziewięć 9 typów wariantów negatywnych, jak pokazano na poniższej tabeli.

Te układy scalone serii 78XX są dostarczane z dodatkowymi napięciami znamionowymi zarówno w postaci dodatniej, jak i ujemnej. Standardowe zakresy dla tych regulatorów 78XX to 8 V, 9 V, 10 V, 18 V, 20 V i 24 V, co odpowiada układom scalonym 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824.

Wiele z tych urządzeń ma znaki lub cyfry z nadrukowanym numerem, w zależności od producenta lub typu marki.

Jednak wszystkie z nich są zasadniczo takie same i mają identyczną ocenę. Kilka sprzedawców części w rzeczywistości nie będzie promować tych układów scalonych według numeru typu, a raczej po prostu wskaże ich polaryzację, napięcie i prąd, a czasami w odniesieniu do ich stylu opakowania.

Główne cechy

Te układy scalone mają wbudowane ograniczenie prądu i zabezpieczenie przed zwarciem dla obciążenia wyjściowego. W regulatorach serii 78XX średniej i dużej mocy ta cecha jest generalnie typu składanego. Ograniczenie prądu wyjściowego to stan, w którym na przeciążenie wyjścia po prostu nie reaguje prąd wyjściowy z powodu automatycznego ograniczenia prądu.

Co to jest limit prądu foldback

Reakcję cofnięcia obwodu ograniczającego prąd zwrotny można zobaczyć na poniższym rysunku, który wyraźnie pokazuje, w jaki sposób prąd wyjściowy minimalizuje się w warunkach przeciążenia, zwykle do mniej niż 50% idealnego prądu wyjściowego. Głównym powodem stosowania ograniczenia prądu zwrotnego jest to, że znacznie zmniejsza on rozpraszanie w regulatorze w sytuacjach zwarcia.

Odpowiedź ograniczenia prądu zwrotnego można zrozumieć z następującego wyjaśnienia:

Załóżmy, że mamy układ scalony 7805 z wejściem 10 V i ulega on zwarciu na zaciskach wyjściowych. W tej sytuacji przy zwykłym typie prądu ograniczającego moc wyjściową układu scalonego nadal będzie generować prąd o natężeniu 1 A, co daje rozproszenie 10 watów. Ale przy specjalnym prądzie zwrotnym ograniczającym prąd zwarcia może zostać ograniczony do około 400 mA, powodując rozproszenie w urządzeniu tylko 4 watów.

Funkcja wyłączania termicznego

Większość monolitycznych regulatorów napięcia ma również wbudowany obwód zabezpieczenia termicznego. Ta funkcja pomaga zredukować prąd wyjściowy w przypadku przegrzania urządzenia.

Tego typu układy scalone regulatorów napięcia są w rezultacie wyjątkowo wytrzymałe i nigdy nie są łatwo uszkodzone, nawet jeśli są nieprawidłowo używane. To powiedziawszy, jednym ze sposobów ich zniszczenia jest zastosowanie wysokiego wejściowego napięcia zasilania niż określony zakres.

Znajdziesz różnice w maksymalnych tolerowanych napięciach wejściowych określonych przez różnych dostawców dla tych układów scalonych tego samego standardowego typu, chociaż 25 V to najwyraźniej minimalny oferowany zakres dla dowolnego urządzenia 5 V (7805). Większe regulatory napięcia mogą obsługiwać co najmniej 30 woltów, podczas gdy dla wersji 20 i 24 woltów zakres wejściowy wynosi do 40 woltów.

Aby obwód działał poprawnie, napięcie wejściowe musi być wyższe o 2,5 V niż wymagane napięcie wyjściowe, z wyjątkiem regulatora 7805, w którym napięcie wejściowe ma być nieco większe niż 2 V powyżej wymaganego napięcia wyjściowego 5 V, czyli powinno minimum 7 V.

Prąd czuwania bez obciążenia

Prąd spoczynkowy lub pobór prądu jałowego tych układów scalonych bez obciążenia na wyjściu może wynosić od 1 do 5 mA, chociaż może wynosić do 10 mA w niektórych wariantach o bardzo dużej mocy.

Regulacja linii i obciążenia

Regulacja liniowa dla wszystkich układów scalonych regulatorów 78XX jest mniejsza niż 1%. Oznacza to, że napięcie wyjściowe może wykazywać odchylenie mniejsze niż 1% niezależnie od zmian napięcia wejściowego od maksymalnego i minimalnego zakresu napięcia wejściowego.

W przypadku większości tych urządzeń regulacja obciążenia jest również zwykle niższa niż 1%. Ta cecha zapewnia, że ​​wyjście będzie nadal zapewniać znamionowe stałe napięcie wyjściowe niezależnie od warunków obciążenia wyjścia.

Cecha tłumienia tętnień dla większości tych układów scalonych regulatorów jest w pobliżu 60 dB wraz z poziomem szumu wyjściowego, który może być niższy niż 100 mikrowoltów.

Rozpraszanie mocy

Kiedy używasz tych układów scalonych regulatora 78XX, musisz pamiętać, że te układy są przystosowane do obsługi tylko skończonej ilości rozpraszania mocy. Dlatego przy największym obciążeniu wyjściowym napięcie wejściowe nie powinno nigdy przekroczyć kilku woltów powyżej maksymalnego dopuszczalnego limitu wejściowego.

Maksymalne rozpraszanie mocy w normalnej temperaturze pokojowej (25 stopni Celsjusza) dla urządzeń 78XX o niskiej, średniej i dużej mocy wynosi odpowiednio 0,7 wata, 1 wat i 2 waty.

Powyższe ograniczenie można by znacznie poprawić do odpowiednio 1,7 wata, 5 wata i 15 watów, jeśli urządzenia są zamontowane na zasadniczo dużym radiatorze. Moc rozpraszana we wszystkich tych regulatorach jest proporcjonalna do różnicy między napięciem wejściowym i wyjściowym pomnożonej przez prąd wyjściowy.

Jak zastosować radiator do układów scalonych 78XX

W tej sytuacji, gdy urządzenie jest w pełni obciążone przy około 800 mA, rozpraszanie z urządzenia może wynosić nawet 4 waty (0,8 A x 5 V = 4 W).

Wydaje się, że jest to dwa razy więcej niż maksymalne dopuszczalne 2 waty PD dla urządzenia 7815. Oznacza to, że dodatkowe 2 waty muszą być kompensowane przez radiator.

Na rynku jest ogólnie dostępny szeroki wybór radiatorów, które są identyfikowane za pomocą określonych stopni / wat.

Ta wartość w zasadzie wskazuje na wzrost temperatury, który jest spowodowany każdym pojedynczym watem mocy rozproszonej przez radiator. Oznacza to również, że w przypadku większych radiatorów liczba stopni na wat będzie proporcjonalnie niższa.

Najniższy rozmiar radiatora niezbędny dla regulatora 78xx można określić w następujący sposób.

Musimy przede wszystkim poznać nominalną temperaturę atmosferyczną, w której urządzenie jest używane. Z wyjątkiem sytuacji, gdy urządzenie będzie prawdopodobnie używane w niezwykle ciepłym otoczeniu, wartość około 30 stopni Celsjusza można uznać za rozsądne założenie.

Bezpieczna ocena temperatury

Następnie może być konieczne poznanie maksymalnej bezpiecznej temperatury znamionowej dla konkretnego układu scalonego regulatora 78XX. W przypadku monolitycznych regulatorów 78XX zakres ten może wynosić 125 stopni Celsjusza. To powiedziawszy, jest to w rzeczywistości temperatura złącza, a nie temperatura obudowy, którą może wytrzymać układ scalony.

Absolutna maksymalna dopuszczalna temperatura obudowy wynosi około 100 stopni Celsjusza. Dlatego ważne jest, aby nie dopuścić do wzrostu temperatury urządzenia powyżej 70 stopni Celsjusza (100 - 30 = 70).

Ponieważ moc 2 watów może spowodować wzrost temperatury maksymalnie o 70 stopni, radiator przystosowany do rozpraszania 35 stopni Celsjusza / wat lub mniej (70 stopni podzielone przez 2 waty = 35 stopni C na wat) będzie dobry dość.

Praktycznie należy zastosować stosunkowo większy radiator, ponieważ przenoszenie ciepła w większości przypadków nigdy nie jest zbyt wydajne.

Ponadto, aby uzyskać długotrwałą stabilność, należy zapewnić idealną pracę urządzenia w zakresie nieco poniżej znamionowego maksymalnego dopuszczalnego zakresu temperatur.

Jeśli to możliwe, zapewnij rozsądny margines +/- 20 stopni, a może więcej.

Gdy układ scalony regulatora jest zamknięty w pojemniku i osłonięty od wolnej atmosfery, może spowodować nagrzewanie się powietrza uwięzionego w pojemniku przez rozpraszanie regulatora. To z kolei może spowodować, że inne wrażliwe części PCB będą działać w cieplejszych warunkach. Taka sytuacja mogłaby wymagać większego radiatora do układu scalonego regulatora.

Obwody aplikacji

Poniżej przedstawiono typowy obwód aplikacji zasilacza wykorzystującego monolityczny regulator napięcia o stałym napięciu 78XX.

W tym projekcie układ scalony 7815 jest używany jako układ scalony regulatora, który dostarcza nam około +15 woltów przy prądzie około 800 mA.

Zastosowany transformator ma napięcie znamionowe 18-0 - 18 V dla strony wtórnej z prądem znamionowym 1 A.

Jest podłączony do prostownika pełnookresowego typu push-pull, który po przefiltrowaniu przez C1 zapewnia nieobciążone napięcie około 27 V DC.

Kondensatory C2 i C3 działają jak kondensatory odsprzęgające wejście i wyjście, które należy podłączyć stosunkowo bliżej korpusu układu scalonego. Gdy obciążenie wyjściowe jest pełne, zobaczysz, że napięcie wejściowe przyłożone do IC1 osiąga poziom od 19 do 20 woltów, pozwalając na około 5 woltów różnicy na wejściu / wyjściu regulatora.

Jak zrobić obwód podwójnego zasilania

Ponieważ monolityczne regulatory o stałym napięciu 78XX można kupić zarówno w wariancie ujemnym, jak i dodatnim, wydają się one idealne do realizacji podwójne zbalansowane zasilacze .

Na przykład, gdy do działania potrzebna jest regulowana dostawa obwód oparty na wzmacniaczu operacyjnym przy zasilaniu dodatnim i ujemnym 12 V przy 100 mA można zastosować konstrukcję pokazaną na poniższym rysunku.

W tym przykładzie T1 jest transformatorem 15-0-15 V o znamionowym prądzie wtórnym 200 mA lub większym. Możesz znaleźć kilka pełnookresowych prostowników przeciwsobnych D2 i D3, które dają dodatnią moc wyjściową.

D1 wraz z D4 dają wyjście ujemne. Dodatnie zasilanie jest filtrowane przez C1, podczas gdy linia ujemna jest czyszczona i filtrowana przez C2.

IC1 zapewnia regulowane dodatnie wyjście zasilania, podczas gdy IC2 działa jak ujemny regulator zasilania. C3 do C6 są rozmieszczone jak kondensatory odsprzęgające w celu zwiększenia wydajności wyjściowej pod względem lepszej odpowiedzi na skoki, szum i transjenty.

Wyższe napięcie wyjściowe przy użyciu szeregowego obwodu regulatora

Konfiguracja pokazana powyżej może być również wykorzystana do uzyskania połączonych wartości napięć dwóch regulatorów. To znaczy, jeśli zastąpimy 79L12 regulatorem 78L12, na wyjściu będzie 24V.

W takiej konfiguracji linia 0V może być zignorowana, a wyjście + 24V może być dostępne bezpośrednio poprzez dodatnią i ujemną linię wyjścia.

Wyższe napięcie wyjściowe przy użyciu obwodu diody szeregowej

W rzeczywistości bardzo łatwo jest uzyskać niewielkie zwiększenie napięcia na wyjściu, wykorzystując diodę prostowniczą między stykiem uziemienia układu scalonego a linią uziemiającą.

Takie podejście umożliwia użytkownikowi dostęp do nieco wyższego poziomu napięcia, którego nie można uzyskać bezpośrednio z żadnego gotowego regulatora.

Dokładną technikę okablowania tej konfiguracji można zobaczyć na poniższym obrazku.

W tym przykładzie oszacowaliśmy wymagane napięcie wyjściowe na około 6 V i zaimplementowaliśmy to samo za pomocą 5-woltowego układu scalonego regulatora, zwiększając moc wyjściową o 1 wolt.

Jak widać, to podniesienie 1 V jest skutecznie osiągane przez proste włączenie kilku szeregowych diod prostowniczych ze wspólnym przewodem regulatora.

Prostowniki są okablowane, aby upewnić się, że są spolaryzowane do przodu przez prąd spoczynkowy wykorzystywany przez regulator i który przepływa przez wspólny zacisk GND urządzenia.

W rezultacie dołączone diody zachowują się nieco jak diody Zenera niskonapięciowego, przy czym każda dioda spada o około 0,5 do 0,6 V, umożliwiając łączne napięcie Zenera wynoszące około 1 do 1,2 V.

Celem konstrukcji jest podniesienie wspólnego zacisku regulatora o 1 V ponad potencjał uziemienia. Tutaj regulator 7805 IC faktycznie stabilizuje znamionową moc wyjściową przy 5 V powyżej linii uziemienia, stąd, podnosząc zacisk uziemienia o około 1 V, wyjście jest również podnoszone o tę samą wartość, powodując również regulację wyjścia na około Poziom 6 V. Ta procedura działa bardzo dobrze ze wszystkimi trzema układami scalonymi regulatora napięcia 78XX z zaciskami.

Rezystor polaryzujący dla diod

Jednak w niektórych przypadkach może być konieczne podłączenie zewnętrznego rezystora do GND i styku wyjściowego układu scalonego, aby wspomóc dodatkowy bit prądu do diod, tak aby były one w stanie optymalnie przewodzić dla zamierzonych wyników.

Ponieważ każda dioda prostownicza będzie ułatwiać spadek napięcia w przód o około 0,65 V, obliczając więcej takich diod szeregowo, możemy osiągnąć proporcjonalnie wyższy poziom podwyższonego napięcia na wyjściu układu scalonego.

Jednak aby tak się stało, poziom wejściowy musi być wyższy o co najmniej 3 V od ostatecznego szacowanego poziomu wyjściowego. Diody krzemowe, takie jak 1N4148, będą działały całkiem dobrze w aplikacji.

Alternatywnie, jeśli diody wyglądają na niewygodne, można również użyć jednej równoważnej diody Zenera, aby uzyskać ten sam efekt, jak pokazano w poniższym przykładzie.

Mimo to, upewnij się, że procedura jest zaimplementowana, aby uzyskać nie więcej niż 3 V wyższą niż rzeczywista wartość znamionowa urządzenia. Powyżej tego poziomu może mieć wpływ na stabilizację produkcji.

Zwiększanie obecnej pojemności

Można by wprowadzić kolejną wielką modyfikację regulatora 78XX w celu uzyskania zwiększonego prądu wyjściowego wyższego niż maksymalna wartość znamionowa urządzenia.

Poniżej pokazano jedną z metod.

Wskazany współczynnik konfiguracji R1 i R2 zapewnia, że ​​na każdy miliamperowy prąd przechodzący przez R1, D1 i regulator, trochę prądu przekraczającego 4 mA jest przesuwany przez Tr1 i R2.

W rezultacie, gdy cały 1 amper jest używany przez IC1, przez Tr1 przepływa prąd większy niż 4 amper. Taka sytuacja pozwala obwodowi na dostarczenie optymalnego prądu wyjściowego, który jest nieco większy niż 5 amperów.

Nawet w warunkach przeciążenia prądy przepływające przez Tr1 i IC1 nadal mają stosunek nieco wyższy niż 4: 1, dlatego funkcja ograniczenia prądu w układzie scalonym nadal działa bez problemów.

Obwody tej postaci okazały się obecnie niepotrzebne ze względu na dostępność Urządzenia regulujące większą moc jak 78H05, 781-112 itp., które mają maksymalny prąd znamionowy 5 amperów i umożliwiają użytkownikowi skonfigurowanie ich dokładnie z taką samą łatwością, jak ich odpowiedniki o niższym prądzie.