Stabilisateurs de tension linéaires - objectif, paramètres de base et circuits de commutation

Peut-être aujourd'hui, aucune carte électronique ne peut se passer d'au moins une source de tension constante constante. Et très souvent, des régulateurs de tension linéaires sous forme de microcircuits servent de telles sources. Contrairement à un redresseur avec un transformateur, où la tension d'une manière ou d'une autre dépend du courant de charge et peut varier légèrement pour diverses raisons, un microcircuit intégré - un stabilisateur (régulateur) est capable de fournir une tension constante dans une plage précisément définie de courants de charge.

Ces microcircuits sont construits à base de transistors à effet de champ ou bipolaires, fonctionnant en permanence en mode actif. En plus du transistor de régulation, un circuit de commande est également installé sur le cristal du microcircuit du stabilisateur linéaire.

Historiquement, avant qu'il ne devienne possible de fabriquer de tels stabilisateurs sous forme de microcircuits, il s'agissait de résoudre le problème de la stabilité de température des paramètres, car avec le chauffage pendant le fonctionnement, les paramètres des nœuds de microcircuit vont changer.

La solution est venue en 1967, lorsque l'ingénieur américain en électronique Robert Widlar a proposé un circuit stabilisateur dans lequel un transistor de régulation serait connecté entre une source de tension d'entrée non régulée et une charge, et un amplificateur d'erreur avec une tension de référence compensée en température serait présent dans le circuit de commande. En conséquence, la popularité des stabilisateurs intégrés linéaires sur le marché a bondi rapidement.

Regardez la photo ci-dessous. Voici un schéma simplifié d'un régulateur de tension linéaire (tel que le LM310 ou le 142ENxx). Dans ce schéma, un amplificateur opérationnel à rétroaction de tension négative non inverseur, utilisant son courant de sortie, contrôle le degré de déverrouillage du transistor de régulation VT1, connecté dans un circuit avec un collecteur commun - émetteur suiveur.

L'ampli-op lui-même est alimenté par la source d'entrée sous la forme d'une tension positive unipolaire. Et bien que la tension négative ne soit pas adaptée à l'alimentation ici, la tension d'alimentation de l'ampli-op peut être doublée sans problème, sans crainte de surcharge ou de dommage.

La conclusion est que la rétroaction négative profonde neutralise l'instabilité de la tension d'entrée, dont la valeur dans ce circuit peut atteindre 30 volts. Ainsi, les tensions de sortie fixes vont de 1,2 à 27 volts, selon le modèle de puce.

Le microcircuit stabilisateur comporte traditionnellement trois broches : entrée, commun et sortie.La figure montre un circuit typique d'un amplificateur différentiel dans le cadre d'un microcircuit pour obtenir une tension de référence Diode Zener appliquée.

Dans les régulateurs basse tension, la référence de tension est obtenue au niveau de l'entrefer, comme Widlar l'a proposé pour la première fois dans son premier régulateur intégré linéaire, le LM109. Un diviseur est installé dans le circuit de rétroaction négative des résistances R1 et R2, par l'action duquel la tension de sortie s'avère simplement proportionnelle à la tension de référence conformément à la formule Uout = Uvd (1 + R2 / R1).

La résistance R3 et le transistor VT2 intégrés au stabilisateur servent à limiter le courant de sortie, donc si la tension sur la résistance de limitation de courant dépasse 0,6 volt, le transistor VT2 s'ouvrira immédiatement, ce qui entraînera le courant de base du transistor de commande principal VT1 à être limité. Il s'avère que le courant de sortie dans le mode de fonctionnement normal du stabilisateur est limité à 0,6 / R3. La puissance dissipée par le transistor de régulation dépendra de la tension d'entrée et sera égale à 0,6 (Uin — Uout) / R3.

Si, pour une raison quelconque, un court-circuit se produit à la sortie du stabilisateur intégré, la puissance dissipée sur le cristal ne doit pas être laissée comme avant, proportionnelle à la différence de tension et inversement proportionnelle à la résistance de la résistance R3. Par conséquent, le circuit contient des éléments de protection - la diode Zener VD2 et la résistance R5, dont le fonctionnement définit le niveau de protection de courant en fonction de la différence de tension Uin -Uout.

Dans le graphique ci-dessus, vous pouvez voir que le courant de sortie maximal dépend de la tension de sortie, ainsi le microcircuit du stabilisateur linéaire est protégé de manière fiable contre les surcharges.Lorsque la différence de tension Uin-Uout dépasse la tension de stabilisation de la diode zener VD2, le diviseur des résistances R4 et R5 créera suffisamment de courant dans la base du transistor VT2 pour l'éteindre, ce qui entraînera la limite de courant de base pour augmenter du transistor de régulation VT1.

Les derniers modèles de régulateurs linéaires, tels que l'ADP3303, sont équipés d'une protection contre les surcharges thermiques lorsque le courant de sortie chute fortement lorsque le cristal est chauffé à 165 ° C. Le condensateur du schéma ci-dessus est nécessaire pour égaliser la fréquence.

Au fait, à propos des condensateurs. Il est d'usage de connecter des condensateurs d'une capacité minimale de 100 nf à l'entrée et à la sortie des stabilisateurs intégrés pour éviter une fausse activation des circuits internes du microcircuit. Parallèlement, il existe des stabilisateurs dits sans capuchon, tels que le REG103, pour lesquels il n'est pas nécessaire d'installer des condensateurs de stabilisation à l'entrée et à la sortie.

En plus des stabilisateurs linéaires avec une tension de sortie fixe, il existe également des stabilisateurs avec une tension de sortie réglable pour la stabilisation. Dans ceux-ci, le diviseur des résistances R1 et R2 est manquant et la base du transistor VT4 est amenée sur une jambe séparée de la puce pour connecter un diviseur externe, comme dans la puce 142EN4.

Les stabilisateurs plus modernes, dans lesquels la consommation de courant du circuit de commande est réduite à plusieurs dizaines de microampères, comme le LM317, n'ont que trois broches.Pour être juste, nous notons qu'il existe aujourd'hui également des régulateurs de tension de haute précision tels que le TPS70151, qui, du fait de la présence de plusieurs broches supplémentaires, permettent d'appliquer une protection contre les chutes de tension aux fils de connexion, un contrôle de décharge de charge, etc. .

Ci-dessus, nous avons parlé de stabilisateurs de tension positifs, par rapport au fil commun. Des schémas similaires sont également utilisés pour stabiliser les tensions négatives, il suffit seulement d'isoler galvaniquement la tension de sortie de l'entrée du point commun. La broche de sortie est ensuite connectée au point de sortie commun, et le point de sortie négatif sera le point d'entrée moins connecté au point commun de la puce stabilisatrice. Les régulateurs de tension à polarité négative comme le 1168ENxx sont très pratiques.

S'il est nécessaire d'obtenir deux tensions à la fois (polarité positive et négative), il existe à cet effet des stabilisateurs spéciaux qui donnent une tension positive et négative stabilisée symétriquement en même temps, il suffit simplement d'appliquer des tensions d'entrée positives et négatives aux entrées. Un exemple d'un tel stabilisateur bipolaire est le KR142EN6.

La figure ci-dessus en est un schéma simplifié. Ici, l'amplificateur différentiel # 2 pilote le transistor VT2, donc l'égalité -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop est respectée. Et l'amplificateur #1 commande le transistor VT1 pour que le potentiel à la jonction des résistances R2 et R4 reste nul. Si en même temps les résistances R2 et R4 sont égales, alors la tension de sortie (positive et négative) restera symétrique.

Pour un réglage indépendant de l'équilibre entre deux tensions de sortie (positive et négative), vous pouvez connecter des résistances de réglage supplémentaires aux broches spéciales du microcircuit.

La plus petite caractéristique de chute de tension des circuits de régulation linéaires ci-dessus est de 3 volts. C'est beaucoup pour les appareils alimentés par batterie ou par batterie et il est généralement souhaitable de minimiser la chute de tension. A cet effet, le transistor de sortie est réalisé de type pnp afin que le courant de collecteur de l'étage différentiel soit simultané au courant de base du transistor de régulation VT1. La chute de tension minimale sera désormais de l'ordre de 1 volt.

Les régulateurs de tension négatifs fonctionnent de manière similaire avec un statisme minimal. Par exemple, les régulateurs de la série 1170ENxx ont une chute de tension d'environ 0,6 volt et ne surchauffent pas lorsqu'ils sont fabriqués dans le boîtier TO-92 à des courants de charge jusqu'à 100 mA. Le stabilisateur lui-même ne consomme pas plus de 1,2 mA.

Ces stabilisateurs sont classés comme à faible statisme. Une chute de tension encore plus faible est obtenue sur les régulateurs basés sur MOSFET (environ 55 mV à une consommation de courant de puce de 1 mA) tels que la puce MAX8865.

Certains modèles de stabilisateur sont équipés de broches d'arrêt pour réduire la consommation électrique des appareils en mode veille - lorsqu'un niveau logique est appliqué à cette broche, la consommation du stabilisateur est réduite à presque zéro (ligne LT176x).

Parlant de stabilisateurs linéaires intégraux, ils notent leurs caractéristiques, ainsi que des paramètres dynamiques et précis.

Les paramètres de précision sont le facteur de stabilisation, la précision du réglage de la tension de sortie, l'impédance de sortie et le coefficient de température de tension. Chacun de ces paramètres est répertorié dans la documentation ; ils sont liés à la précision de la tension de sortie en fonction de la tension d'entrée et de la température actuelle du cristal.

Les paramètres dynamiques tels que le taux de suppression des ondulations et l'impédance de sortie sont définis pour différentes fréquences de courant de charge et de tension d'entrée.

Caractéristiques de performance telles que plage de tension d'entrée, tension de sortie nominale, courant de charge maximal, dissipation de puissance maximale, différence de tension d'entrée et de sortie maximale au courant de charge maximal, courant à vide, plage de température de fonctionnement, tous ces paramètres affectent le choix d'un ou l'autre.stabilisateur pour un certain circuit.

Caractéristiques des régulateurs de tension linéaires

Voici les circuits typiques et les plus populaires pour inclure des stabilisateurs linéaires :

S'il est nécessaire d'augmenter la tension de sortie d'un stabilisateur linéaire avec une tension de sortie fixe, une diode zener est ajoutée en série à la borne commune :

Pour maximiser le courant de sortie admissible, un transistor plus puissant est connecté en parallèle avec le stabilisateur, transformant le transistor de régulation à l'intérieur du microcircuit en une partie d'un transistor composite :

S'il est nécessaire de stabiliser le courant, le stabilisateur de tension est activé selon le schéma suivant.

Dans ce cas, la chute de tension aux bornes de la résistance sera égale à la tension de stabilisation, ce qui entraînera des pertes importantes si la tension de stabilisation est élevée.À cet égard, il sera plus approprié de choisir un stabilisateur pour la tension de sortie la plus basse possible, comme le KR142EN12 pour 1,2 volts.