Меню

Временные диаграммы напряжений стабилизатора напряжений

Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

Параметрические стабилизаторы напряжения до сих пор используются для питания маломощных устройств электронных изделий, поэтому необходимо уметь их рассчитывать.

Зачастую при повторении готовых конструкций, условия функционирования которых отличаются от рекомендованных разработчиком, требуется провести анализ работы параметрического стабилизатора напряжения для уточнения значения сопротивления балластного резистора.

Указанные задачи решены с помощью разработанного автором файла в Microsoft Excel. Приведено два варианта расчета параметрического стабилизатора напряжения и расчет для анализа условий работы стабилитрона в готовой схеме.

Расчет и анализ параметрического стабилизатора напряжения (MS EXCEL)

Содержание / Contents

  • 1 Основные соотношения для расчета параметрического стабилизатора на стабилитроне [1 – 5]
  • 2 Первый вариант расчета параметрического стабилизатора [2, 4, 5]
    • 2.1 Пример расчета №1
    • 2.2 Пример расчета №2
  • 3 Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]
    • 3.1 Пример расчета №3
  • 4 Анализ работы параметрического стабилизатора [1 – 5]
    • 4.1 Пример анализа №1
  • 5 Итог
  • 6 Файлы
  • 7 Упомянутые источники

↑ Основные соотношения для расчета параметрического стабилизатора на стабилитроне [1 – 5]

На рис. 1 показана принципиальная схема параметрического стабилизатора: Uвх – входное нестабилизированное напряжение, Uвых=Uст – выходное стабилизированное напряжение, Iст – ток через стабилитрон, Iн – ток нагрузки, R – балластный (ограничительный, гасящий) резистор.

Uвх=Uст+(Iн+Iст)R=Uст+IR, (1)
I= Iн+Iст – ток, протекающий через балластный резистор R.

Как видно из рис. 1, параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R с линейной Вольт — амперной характеристикой (ВАХ) и стабилитрона VD1, который можно рассматривать как резистор с резко нелинейной ВАХ.

При изменении напряжения Uвх изменяется ток через делитель, приводящий к изменению падения напряжения на резисторе R, а напряжение на стабилитроне, следовательно, на нагрузке Rн практически не изменяется.

Малое изменение напряжения на нагрузке в диапазоне от Uст min до Uст max соответствует изменению тока через стабилитрон от Iст min до Iст max. Причем, минимальный ток через стабилитрон соответствует минимальному входному напряжению и максимальному току нагрузки, что достигается при сопротивлении балластного резистора

R=(Uвх min-Uст min)/(Iн max+Iст min). (2)

В свою очередь, максимальный ток через стабилитрон будет протекать при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении.

Несложно найти условия работы стабилизатора:

ΔUвх=ΔUст+R(ΔIст-ΔIн), (3)
где ΔUвх=Uвх max-Uвх min, ΔUст= Uст max-Uст min, ΔIст=Iст max- Iст min, ΔIн= Iн max-Iн min.

Положим для упрощения ΔUст=0 и проанализируем выражение (3).

Если изменение тока нагрузки незначительно, выражение для условия работы стабилизатора упрощается:

КПД параметрического стабилизатора определяется из выражения:

КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст)=1/(Nст(1+ Iст/Iн)), (5)
где Nст=Uвх/Uст – коэффициент передачи стабилизатора; обычно Nст=1,4…2.

Из выражения (5) следует, что чем ниже коэффициент передачи стабилизатора и чем меньше отношение тока через стабилитрон к току нагрузки, тем выше КПД.

Основным параметром стабилизатора напряжения, по которому оценивают его качество работы, является коэффициент стабилизации:

Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= RUст/rдUвх=R/Nстrд=KфКПД, (6)
где rд — динамическое сопротивление стабилитрона; Kф – коэффициент фильтрации.

↑ Первый вариант расчета параметрического стабилизатора [2, 4, 5]

Исходными данными для расчета служат: Uвых, Iн, ΔIн, Uвх, ΔUвх.

Для получения требуемого выходного напряжения по справочнику выбираем стабилитрон с параметрами: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Требуемоемое входное напряжение рассчитываем исходя из крайних оптимальных коэффициентов передачи стабилизатора Nст=1,4…2, который также может быть выбран пользователем в любом необходимом диапазоне Nст:

Далее выбираем рабочий ток через стабилитрон Iст р примерно из середины диапазона допустимых значений, убедившись при этом, что Iст р> Iн:

Iст р=0,5(Iст min+Iст max)> Iн.

Вычислим сопротивление балластного резистора:

Рассчитаем с двукратным запасом мощность балластного резистора:

Здесь учтен запас в 20%, необходимый для надежной работы стабилитрона. Принятое при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от справочного Iст max вызвано соображениями эксплуатационной надежности устройства, чтобы мощность, рассеиваемая на стабилитроне была ниже предельной. Для гарантированного обеспечения требуемого коэффициента стабилизации минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст р min принято в расчете в 1,2 раза большим, чем Iст min.

Также вычислим параметры стабилизатора, определяющие его качество и эффективность – коэффициент стабилизации Kст=(ΔUвх/Uвх)/(ΔUвых/Uвых)= R/(rдNст),
коэффициент полезного действия КПД=Uст Iн /(Uвх (Iн + Iст))=1/(Nст(1+ Iст/Iн)),
и коэффициент фильтрации Kф=Kст/КПД.

↑ Пример расчета №1

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток в нагрузке Iн=10 мА; изменение тока в нагрузке ΔIн=2 мА; изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн=9 В; rд=10 Ом; Iст max=36 мА; Iст min=3 мА.

Заносим приведенную выше информацию в соответствующие ячейки исходных данных (выделены светло-голубой заливкой) листа «Первый вариант расчета» таблицы Microsoft Excel «Расчет и анализ работы параметрического стабилизатора напряжения.xlsx» и тут же получаем результаты вычислений в расчетных ячейках, выделенных светло-коричневой заливкой:

входное напряжение Uвх=15,0 В; сопротивление балластного резистора R=240 Ом, мощность балластного резистора с двукратным запасом Po=0,3 Вт; Kст=15,0, КПД=24%, Kф=62,5 (см. рис. 2).

Выбираем резистор сопротивлением 240 Ом мощностью 0,5 Вт.

Предположим, что на входе стабилизатора имеются пульсации переменного напряжения амплитудой Uп вх=0,1 В=100 мВ. Амплитуда пульсаций на выходе стабилизатора составит Uп ст= Uп вх/Kф=100/62,5=1,6 мВ.

↑ Пример расчета №2

Произведем расчет параметрического стабилизатора для усилителя «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом [6] для питающих напряжений Uп=Uвх=±25 В; ±35 В и ±45 В.

Расчет выполним для параметрического стабилизатора положительной полярности (R5, VD1, C2), поскольку другой стабилизатор, отрицательной полярности (R6, VD2, C4) отличается только направлением включения стабилитрона.

Подготовим исходные данные: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=12 В, ток в нагрузке Iн=(12-0,5)/R2=11,5/10=1,15 мА, ΔIн=0,115 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон BZX55C12, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=12 В; rд=20 Ом; Iст max=32 мА; Iст min=5 мА.

Результаты вычислений показаны на рис. 3; для Uп=±25 В R5=R6=1,3 кОм (0,25 Вт); для Uп=±35 В R5=R6=2,4 кОм (0,5 Вт); для Uп=±45 В R5=R6=3,6 кОм (1 Вт).

↑ Второй вариант расчета параметрического стабилизатора [3 — 5]

Итак, исходными данными являются: стабилизированное напряжение на нагрузке Uвых, токи нагрузки Iн min, Iн max, номинальное входное напряжение Uвх и его отклонения ΔUвх н и ΔUвх в.

Параметры стабилитрона те же, что и в предыдущем расчете: Uст= Uвых, Iст max, Iст min, rд.

Вычисляем максимальное и минимальное значения рабочего тока стабилитрона:

Iст р max=0,8 Iст max,
Iст р min=1,2 Iст min.

Если стабилизатор должен работать режиме холостого хода (Iн min=0), выбираем Iст р min=Iст min.

Проверяем пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:

(Iст р max+ Iн min)(1- ΔUвх н)-(Iст min+ Iн max)(1+ ΔUвх в)>0,
где ΔUвх н=(Uвх- Uвх min)/ Uвх, ΔUвх в=(Uвх max-Uвх)/ Uвх.

Номинальное напряжение Uвх, которое должен обеспечить выпрямитель, вычисляем по формуле:

Uвх= Uст[(Iст р max+I н min)- (Iст р min+ I н max)]/[(Iст р max+I н min)(1- ΔUвх н)- (Iст р min+I н max)(1+ΔUвх в)].

Сопротивление балластного резистора:

R= Uвх(ΔUвх в+ΔUвх н)/[(Iст р max+ Iн min)- (Iст р min+ Iн max)].

Также вычисляем мощность резистора с двукратным запасом:

Po=2(Uвх(1+ ΔUвх н)- Uст) 2 /R.

По приведенным в первом варианте расчета формулам находим Kст, КПД и Kф.

↑ Пример расчета №3

Рассчитаем параметрический стабилизатор напряжения со следующими характеристиками: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=9 В; ток Iн min =0, Iн max =10 мА; изменение входного ΔUвх н=10%, ΔUвх в=15%.

Выберем стабилитрон типа Д814Б, для которого Uст= Uн; rд=10 Ом; Iст max=36 мА, Iст min=3 мА.

После занесения исходных данных листе таблицы «Второй вариант расчета» получаем следующие результаты (рис. 4):

Читайте также:  Ток емкости опережает напряжение

Uвх=14 В, R=221 Ом, Po=0,45 Вт, Kст=14,2.

Выбираем резистор сопротивлением 220 Ом мощностью 0,5 Вт.

↑ Анализ работы параметрического стабилизатора [1 – 5]

Исходные данные анализа следующие: Uн, Iн, ΔIн, ΔUвх, R.

Также для анализа необходимы параметры стабилитрона: Uст= Uн, rд, Iст max и Iст min.

Анализ сводится к вычислению рабочего тока стабилитрона Iст р=(Uвх-Uст)/R-Iн; коэффициента передачи Nст= Uвх/Uст; мощности Po балластного резистора, коэффициента стабилизации Kст, КПД и коэффициента фильтрации Kф.

Важной является проверка режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора, которая выполняется по формулам, аналогичным приведенным в первом варианте расчета.

↑ Пример анализа №1

Проанализируем номиналы балластных резисторов R3 и R4 компенсационных стабилизаторов напряжения усилителя «Ланзар» [7-9] в зависимости от используемого напряжения питания.

Заявлен диапазон питающих напряжений усилителя от Uп=±30 В до ±65 В, в то время как на принципиальной схеме указаны сопротивления балластных резисторов R=R3=R4=2,2 кОм (1 Вт) [8].

В другой публикации [9] рекомендуется выбирать величину сопротивления балластных резисторов в зависимости от напряжения питания усилителя по формуле R=(Uп-15)/I, где I=8…10 мА. В таблице 1 выполнен расчет по указанной формуле для диапазона питающих напряжений усилителя с шагом в 5 В.

Исходные данные для анализа: стабилизированное напряжение на нагрузке Uн=15 В, ток в нагрузке Iн=(15-0,5)/R5=14,5/6,8=2,13 мА, ΔIн=0,213 мА, изменение входного напряжения ΔUвх=10%.

Выберем стабилитрон 1N4744A, имеющий следующие параметры: Uст= Uн=15 В; rд=14 Ом; Iст max=61 мА; Iст min=5 мА.

Анализ работы параметрических стабилизаторов в усилителе «Ланзар» показал, что минимальный ток стабилизатора Iст р min выбран на пределе с запасом всего 3…14% вместо требуемых 20% (рис. 5).

Используя средство анализа данных электронной таблицы Microsoft Excel «Подбор параметра», уточним сопротивления балластных резисторов. Для этого перейдем в ячейку с формулой для Iст р min (ячейка C26) и в меню выберем Данные -> «Анализ «что-если»->Подбор параметра.

Установим в ячейке C26 значение 6,0 (запас 20% от Iст min), изменяя значение ячейки, в которой занесено сопротивление балластного резистора ($C$15).

Получим R=1,438 кОм. Занесем в эту ячейку ближайшее значение сопротивления из стандартного ряда R=1,3 кОм.

Проведя в таблице указанную операцию для всех значений питающих напряжений, получим следующий результат (рис. 6).

Итоги анализа сведены также в таблицу 2.

Мощность резисторов для напряжений питания усилителя от ±30 В до ±40 В – 0,5 Вт, для остальных напряжений – 1 Вт.

Необходим расчет даже такого простого устройства как параметрический стабилизатор напряжения. Выбор значения сопротивления балластного резистора «на глазок» может вызвать ошибки проектирования, которые не сразу будут замечены.

Перед сборкой понравившейся конструкции целесообразно проанализировать и при необходимости уточнить режим работы стабилитрона параметрического стабилизатора с помощью предлагаемых электронных таблиц в Microsoft Excel.

↑ Файлы

▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

↑ Упомянутые источники

1. Поляков В. Теория: понемногу обо всем // Радио, 2000, №12, с. 45, 46 (8.6. Стабилизаторы напряжения); Радио, 2002, №12, с. 45 (Нелинейные цепи); Радио, 2003, №5, с. 51, 52 (Расчет блоков питания).
2. Будов А. Расчет параметрического стабилизатора напряжения // Радио, 1983, №8, с. 30.
3. Соколов А. Расчет на ПМК параметрического стабилизатора // Радио, 1990, №12, с.60, 61.
4. Параметрические стабилизаторы напряжения. Расчёт простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне .
5. Простые стабилизаторы напряжения и их расчет .
6. Усилитель «Green Lanzar» на N-канальных MOSFET-ах. Симметричный усилитель с квазикомплементарным выходом.
7. Симметричный усилитель мощности «Ланзар» // Радиоконструктор, 2008, №9, с. 10 – 13.
8. Статья на Интерлавке — Усилитель мощности «Ланзар» .
9. Мощный усилитель «Ланзар» .
10. Нефедов А. Микросхемные стабилизаторы напряжения // Радио, 2008, №10, с. 38 – 40 (Регулируемые стабилизаторы); Радио, 2009, №4, с. 41 – 44; №5, с. 41 – 44; №6, с. 41 – 44; №7, с. 42 — 44 (Стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением).

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

? Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке. Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

? Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

Источник



Стабилизаторы напряжения: схемы, параметры, принцип работы

рис. 2.82 вПараметры стабилизаторов напряжения

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации Kст, выходное сопротивление Rвых и коэффициент полезного действия η.

Коэффициент стабилизации определяют из выражения Kст= [ ∆uвх/ uвх] / [ ∆uвых/ uвых]

где uвх, uвых — постоянные напряжения соответственно на входе и выходе стабилизатора; ∆uвх — изменение напряжения uвх; ∆uвых — изменение напряжения uвых, соответствующее изменению напряжения ∆uвх.

Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина Kст составляет единицы, а у более сложных — сотни и тысячи.

Васильев Дмитрий Петрович

Выходное сопротивление стабилизатора определяется выражением Rвых= | ∆uвых/ ∆iвых|

где ∆uвых— изменение постоянного напряжения на выходе стабилизатора; ∆iвых— изменение постоянного выходного тока стабилизатора, которое вызвало изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление стабилизатора является величиной, аналогичной выходному сопротивлению выпрямителя с фильтром. Чем меньше выходное сопротивление, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки. У простейших стабилизаторов величина Rвых составляет единицы Ом, а у более совершенных — сотые и тысячные доли Ома. Необходимо отметить, что стабилизатор напряжения обычно резко уменьшает пульсации напряжения.

Коэффициент полезного действия стабилизатора ηст — это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Рн, к мощности, потребляемой от входного источника напряжения Рвх: ηст = Рн / Рвх

Традиционно стабилизаторы разделяют на параметрические и компенсационные.

Интересное видео о стабилизаторах напряжения:

Параметрические стабилизаторы

Являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов с двумя выводами, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Рассмотрим схему параметрического стабилизатора на основе стабилитрона (рис. 2.82). рис. 2.82 а и б
Проанализируем данную схему (рис. 2.82, а), для чего вначале ее преобразуем, используя теорему об эквивалентном генераторе (рис. 2.82, б). Проанализируем графически работу схемы, построив на вольт-амперной характеристике стабилитрона линии нагрузки для различных значений эквивалентного напряжения, соответствующих различным значениям входного напряжения (рис. 2.82, в). рис. 2.82 в
Из графических построений очевидно, что при значительном изменении эквивалентного напряжения uэ (на ∆uэ), а значит, и входного напряжения uвх, выходное напряжение изменяется на незначительную величину ∆uвых.

Абрамян Евгений Павлович

Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рис. 2.82, г) источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения ∆uвх (на схеме пунктир):

рис. 2.82 г

Обычно параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Наиболее часто они используются как источники опорного напряжения в компенсационных стабилизаторах напряжения.

Компенсационные стабилизаторы

Представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения постоянно сравнивается с эталонным напряжением.

В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис. 2.83, а).

рис. 2.83

Иногда регулирующий элемент включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис. 2.83, б. Здесь СУЭ и ИОН с целью упрощения не показаны). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление Rб, включаемое последовательно с нагрузкой.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы разделяют на непрерывные и импульсные (ключевые, релейные).

В непрерывных стабилизаторах регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Читайте также:  Паз напряжение бортовой сети автобус

Рассмотрим типичную принципиальную схему непрерывного стабилизатора (рис. 2.84, а). рис. 2.84 а
Эта схема соответствует приведенной выше структурной схеме последовательного стабилизатора. Для того чтобы выполнить наиболее просто анализ этой схемы на основе тех допущений, которые были рассмотрены при изучении операционного усилителя,изобразим эту схему по-другому. При этом цепи питания операционного усилителя для упрощения рисунка изображать не будем. рис. 2.84 б
Из схемы (рис. 2.84, б) очевидно, что на элементах R2, R3, DA и VT построен неинвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным каскадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное напряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R1 и VD. В соответствии с указанными выше допущениями получаем:

Подставляя выражение для iR2 в предыдущее уравнение, получим − uст/ R3· R2= uст – uвых. Следовательно, uвых = uст· ( 1 + R2/ R3)

Последнее выражение в точности повторяет соответствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение uст).

Полезно отметить, что ООС охватывает два каскада — на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматриваемая схема является убедительным примером, демонстрирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Источник

Пять особенностей линейных стабилизаторов, о которых нужно знать

С первого взгляда линейные регуляторы (LDO) кажутся достаточно простыми компонентами, однако очень часто возникают ситуации, когда они работают нештатно. В данной статье рассматриваются пять особенностей стабилизаторов: поведение LDO при запуске, потребление LDO при малых входных напряжениях, особенности отклика LDO при изменении нагрузки, влияние собственного шума и PSRR стабилизатора на общий выходной шум, а также реализация входной защиты LDO. Понимание этих особенностей делает выбор стабилизатора более осознанным и упрощает процесс отладки. Приводятся примеры интегральных стабилизаторов производства Maxim Integrated, в которых учтены перечисленные особенности.

В настоящий момент выбор подходящего линейного стабилизатора зачастую заключается в просмотре бесконечных таблиц с применением параметрических фильтров. Какое выходное напряжение нужно? Каков максимальный нагрузочный ток? Каково предельно допустимое входное напряжение? Какой диапазон входных напряжений требуется? Какое следует выбрать корпусное исполнение? Какие габариты будут у компонентов обвязки? Перечень подходящих регуляторов может быть уменьшен с учетом дополнительных параметров. Например, что если нагрузка чувствительна к колебаниям напряжения питания? Тогда стабилизатор должен обладать очень малым собственным шумом и высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Если же разрабатывается устройство с батарейным питанием, то потребуется регулятор со сверхмалым уровнем потребления.

С учетом перечисленных требований исходный список стабилизаторов сократится до нескольких подходящих моделей. Но это еще не все. Перед тем как сделать окончательный выбор, нужно ответить еще на пять вопросов:

  • Как регулятор ведет себя при запуске?
  • Останется ли ток потребления малым, если входное напряжение окажется на нижней границе рабочих напряжений (или даже меньше)?
  • Как ведет себя стабилизатор при изменении нагрузки?
  • Что является основным источником выходного шума: собственный шум стабилизатора или внешний шум из-за малого значения PSSR?
  • Как стабилизатор ведет себя при выключении?

Эти вопросы могут показаться не такими важными, пока не возникнут проблемы. Но когда проблемы появятся вы, скорее всего, почувствуете себя обманутым или, по крайней мере, недостаточно осведомленным. Придется потратить дополнительное время на устранение неполадок и, возможно, на доработку своей платы.

Попробуем пролить свет на эти вопросы. Возможно, предложенная информация будет полезна в ближайшем будущем при очередном выборе линейного регулятора.

Запуск

Многие стабилизаторы имеют вход разрешения, с помощью которого можно включать и выключать регулятор при необходимости экономии энергии. Обычно в таких стабилизаторах есть также функция плавного запуска (Soft Start). Плавный запуск предотвращает перегрузку регулятора при включении. Данная функция может быть реализована двумя способами.

Плавный запуск с ограничением тока

Первый способ – плавный запуск с ограничением тока (Current Soft Start). В большинстве регуляторов существует ограничение выходного тока. Функция плавного запуска заключается в плавном или пошаговом увеличении тока ограничения при запуске (рисунок 1). При этом выходное напряжение будет плавно нарастать, так как ток заряда выходного конденсатора оказывается меньше, чем максимально допустимый нагрузочный ток стабилизатора. Преимущество данного подхода заключается в том, что входной ток регулятора будет плавно увеличиваться согласно заданному шаблону, и помехи от пускового тока нагрузки не будут передаваться на вход стабилизатора.

Рис. 1. Временные диаграммы режимов плавного запуска с ограничением тока и напряжения

Рис. 1. Временные диаграммы режимов плавного запуска с ограничением тока и напряжения

Анализируя переходные процессы при включении стабилизатора, можно обнаружить, что на осциллограмме выходного напряжения есть точки перелома, в которых напряжение начинает уменьшаться. Рассмотрим эту особенность подробнее. После включения линейного регулятора происходит заряд выходного конденсатора и питание нагрузки. Если выходной ток превышает значение тока ограничения, напряжение на нагрузке падает ниже определенного уровня и происходит его возврат в состояние сброса. Далее цикл повторяется, и нагрузка то включается, то выключается. В конце концов, значение тока ограничения становится достаточно высоким, чтобы обеспечить необходимый ток, и схема начинает работать в штатном режиме.

Плавный запуск с ограничением напряжения

Второй способ – плавный запуск с ограничением напряжения (Voltage Soft Start). При таком подходе выходное напряжение увеличивается плавно и линейно, без каких-либо скачков при включении (рисунок 1). Подобное поведение также защищает нагрузку от повторных сбросов, так как напряжение пересекает пороговую точку сброса один раз.

В данном случае пусковой ток определяется выходной емкостью, скоростью нарастания выходного напряжения и током, потребляемым нагрузкой. Как правило, скорость нарастания выходного напряжения устанавливается на уровне, который обеспечивает пусковой ток в диапазоне 1…10% от максимального выходного тока (при использовании рекомендованного минимального выходного конденсатора). Установка пускового тока на уровне менее 10% позволяет использовать выходные конденсаторы большей емкости и компенсировать повышенный ток нагрузки. Недостатком системы запуска с ограничением напряжения является то, что входной ток зависит от нагрузки и не контролируется напрямую. А ее преимущество заключается в отсутствии множественных переходов нагрузки в состояние сброса.

На рисунке 1 представлено сравнение временных диаграмм режимов плавного запуска с ограничением тока и с ограничением напряжения.

Увеличение тока потребления при работе с малыми входными напряжениями

Если схема питается от аккумулятора, то величина собственного потребления стабилизатора имеет большое значение. Нагрузка может находиться в активном состоянии в течение краткого интервала времени, а потом надолго переходить в режим ожидания, экономя энергию. В этом случае время автономной работы будет в значительной степени определяться собственным потреблением регулятора. Если это так, вы, скорее всего, выберете линейный регулятор с минимальным питающим током.

Теперь представьте, что ваша аккумуляторная батарея разряжена до такой степени, что разница между входным и выходным напряжением стабилизатора становится минимальной. При работе в таком режиме стабилизатор старается как можно сильнее открыть внутренний силовой транзистор, чтобы обеспечить минимальное падение напряжения, даже если выходной ток нагрузки очень мал. Проблема заключается в том, что «усиленное» открывание транзистора приведет к увеличению потребления схемы управления затвором (рисунок 2). В результате режим ожидания превращается в режим быстрой разрядки батареи.

Рис. 2. Увеличение тока потребления при работе с малыми входными напряжениями из-за роста потребления схемы управления затвором силового транзистора

Рис. 2. Увеличение тока потребления при работе с малыми входными напряжениями из-за роста потребления схемы управления затвором силового транзистора

Подобное увеличение тока при работе с малыми входными напряжениями – не редкость даже для самых лучших стабилизаторов. Двукратный рост потребления не является чем-то необычным, а некоторые регуляторы характеризуются увеличением потребления в 10 раз и более. Иногда информация об увеличении потребляемого тока при работе с малыми входными напряжениями приводится в документации в виде таблиц и графиков. Однако чаще всего эта информация отсутствует.

Читайте также:  Изолирующая штанга напряжение выше 1000в

Если в конкретном приложении величина тока потребления имеет большое значение, следует выбирать стабилизатор, для которого в документации приведена подробная информация об этом параметре или самостоятельно измерять уровень тока, чтобы убедиться, что регулятор отвечает предъявляемым требованиям.

Отклик стабилизатора на изменение нагрузки

Линейные регуляторы имеют возможность стабилизации выходного напряжения при изменении нагрузки. Когда происходит изменение нагрузки, напряжение на затворе встроенного силового транзистора также должно измениться. Время, необходимое для того чтобы напряжение на затворе достигло нового значения, обычно определяет уровень перерегулирования и недорегулирования.

Обычно быстрый переход к полной нагрузке является худшим случаем с недорегулированием выходного напряжения. Перед сравнением динамических характеристик регуляторов всегда следует проверять значения начальных токов. Переход от нагрузки 10% к нагрузке 100% будет более быстрым, чем переход от начальной нагрузки 1% к нагрузке 100%, так как в первом случае выходное напряжение будет ближе к конечному значению. Гораздо труднее добиться хороших показателей при переходе от состояния с нулевой нагрузкой к полной нагрузке.

Можно предположить, что поддержание некоторого минимального тока нагрузки поможет избежать значительной задержки при включении максимальной нагрузки. Да, поможет, но это не всегда является хорошим решением. Дело в том, что при обратном переходе от полной нагрузки к минимальной часто возникает перерегулирование выходного напряжения. При этом регулятор находится в наиболее уязвимом состоянии, в котором его внутренний силовой транзистор полностью отключен. Если в этот момент нагрузка вновь увеличится, то будет наблюдаться недорегулирование, которое окажется еще более значительным, чем при первоначальном переходе.

Если работа схемы предполагает наличие быстрых перепадов нагрузки, следует проверять динамические характеристики стабилизаторов с использованием описанного выше алгоритма. На рисунке 3 показано ухудшение отклика регулятора при повторном быстром увеличении нагрузки.

Рис. 3. Ухудшение отклика регулятора при повторном быстром увеличении нагрузки

Рис. 3. Ухудшение отклика регулятора при повторном быстром увеличении нагрузки

Собственный шум стабилизатора и коэффициент подавления помех по питанию (PSRR)

Регуляторы, предназначенные для создания малошумящих приложений, как правило, обладают и высоким значением коэффициента подавления нестабильности питания (PSRR). Это логично, так как чувствительность нагрузки к помехам не зависит от причины их возникновения.

Если стабилизатор подключен к импульсному регулятору, то малый коэффициент PSRR может создать больше проблем, чем собственный выходной шум стабилизатора. Рассмотрим случай совместного использования стабилизатора с понижающим импульсным регулятором для питания чувствительной к шуму нагрузки. Если на частоте 100 кГц пульсации выходного напряжения импульсного преобразователя составляют 50 мВ (от пика до пика), а величина PSRR линейного регулятора на той же частоте 100 кГц равна 60 дБ, то на выходе стабилизатора будут наблюдаться пульсации 50 мкВ (от пика до пика), что эквивалентно среднеквадратичному выходному шуму 15 мкВ. Допустим, выбран малошумящий стабилизатор, для которого в полосе частот 10 Гц…100 кГц собственный выходной шум составляет менее 5 мкВ (среднеквадратичное значение). Тогда окажется, что шум из-за входных пульсаций от DC/DC-преобразователя и малого PSRR будет в три раза выше собственного шума стабилизатора (рисунок 4).

Рис. 4. Общий выходной шум определяется вкладом PSRR

Рис. 4. Общий выходной шум определяется вкладом PSRR

При работе с высокими выходными напряжениями собственный шум линейного регулятора может преобладать над PSRR. Это связано с тем, что собственный шум увеличивается в соответствии с делителем обратной связи. Рассмотрим схему, в которой линейный регулятор используется для преобразования зашумленного напряжения 17 В от повышающего DC/DC-преобразователя в напряжение 16 В с уровнем пульсацией менее 100 мВ. Если PSRR стабилизатора на частоте переключений составляет 60 дБ, то пульсации 50 мВ (от пика до пика) от повышающего преобразователя будут ослаблены до 50 мкВ (от пика до пика) или 15 мкВ (ср.кв.) на выходе. Шум 5 мкВ (ср.кв.) встроенного опорного источника может показаться малым и не представляющим опасности. Однако если сигнал обратной связи уменьшается до 1,25 В, а напряжение на резисторе обратной связи 16 В, то выходной шум составит 5 мкВ × (16 В/1,25 В) или 64 мкВ (ср.кв). Таким образом, собственный шум стабилизатора будет вносить основной вклад в общий выходной шум (рисунок 5).

Рис. 5. Увеличение выходного шума при работе с высокими напряжениями

Рис. 5. Увеличение выходного шума при работе с высокими напряжениями

При поиске оптимального стабилизатора для чувствительной нагрузки следует учитывать как выходной шум, так и PSRR.

Защита входа

Обычно в линейных регуляторах присутствует обратный диод, встроенный в силовой МОП-транзистор. Из-за этого диода выходное напряжение не может превышать входное напряжение больше, чем на 0,7 В. В большинстве случаев этот диод не влияет на работу стабилизатора, но есть два случая, когда он может создать проблемы.

Защита от обратного напряжения

Иногда возникают ситуации, когда на вход устройства подается напряжение питания обратной полярности, например, при использовании стандартных батареек. Хотя разъем для установки батареек в отсеке питания имеет особую формовку выводов и защищает от неправильного подключения, тем не менее, он не гарантирует полную защиту и допускает возможность ошибки с возникновением кратковременных обратных напряжений.

Защита от обратной полярности позволяет напряжению на входе быть меньше напряжения на выводе земли без существенного увеличения тока. Для этого необходимо отключить встроенный диод силового транзистора с помощью дополнительного последовательного ключа. У большинства регуляторов на входе есть диоды, защищающие от обратной полярности и электростатических разрядов (ESD). Их также необходимо исключить и использовать специализированную схему защиты (рисунок 6).

Рис. 6. Защита от обратного напряжения

Рис. 6. Защита от обратного напряжения

Примером стабилизатора с защитой от обратной полярности является MAX1725, который способен выдерживать обратные напряжения до -12 В без значительного увеличения входного тока.

Защита от обратного тока

Очень часто защиту от обратного тока в линейных регуляторах путают с защитой от обратного напряжения. Хотя для ее реализации также требуется блокировка встроенного диода силового транзистора, тем не менее, механизм защиты имеет значительные отличия. На рисунке 7 показано как работает схема защиты от обратного тока.

Рис. 7. Защита от обратного тока

Рис. 7. Защита от обратного тока

Рассмотрим случай, когда значительная емкостная нагрузка, например, аудиосистема со множеством развязывающих конденсаторов, питается от линейного регулятора. Предположим также, что линейный регулятор, в свою очередь, питается от мощного понижающего преобразователя. Кроме того, при выключении выход импульсного преобразователя замыкается на землю. Вполне ожидаемо, что при первом же выключении линейный регулятор выйдет из строя, так как конденсаторы нагрузки начнут одновременно разряжаться, и ток будет протекать через встроенный диод силового транзистора стабилизатора.

В линейных регуляторах с защитой от обратного тока эта проблема решена. В них внутренний диод отключается, если уровень входного напряжения падает ниже выходного. Если до этого стабилизатор находился в рабочем состоянии, то силовой транзистор отключится не сразу, и некоторое время ток будет течь в обратном направлении. Стоит отметить, что данная функция защищает от протекания тока от выхода ко входу, и не ограничивает входной ток при приложении входного напряжения обратной полярности.

Примером стабилизатора с защитой от обратного тока является MAX8902, который блокирует обратный разрядный ток выходных конденсаторов нагрузки, если вход закорочен на землю.

Заключение

Рассмотренные в статье особенности линейных регуляторов могут оказаться чрезвычайно важными для многих приложений. К сожалению, они редко учитываются в параметрическом поиске. Кроме того, по предоставляемой документации не всегда удается определить, какой набор функций имеет тот или иной стабилизатор. Тем не менее, знание возможных потенциальных проблем делает выбор оптимального регулятора более осознанным.

Источник