مثبتات الجهد الخطية - الغرض والمعلمات الأساسية ودوائر التبديل
ربما اليوم ، لا يمكن للوحة إلكترونية الاستغناء عن مصدر واحد على الأقل لجهد ثابت. وغالبًا ما تعمل منظمات الجهد الخطي على شكل دوائر كهربائية كمصادر. على عكس المعدل الذي يحتوي على محول ، حيث يعتمد الجهد بطريقة أو بأخرى على تيار الحمل ويمكن أن يختلف قليلاً لأسباب مختلفة ، فإن الدائرة الدقيقة المتكاملة - المثبت (المنظم) قادر على توفير جهد ثابت في نطاق محدد بدقة من تيارات الحمل.
هذه الدوائر الدقيقة مبنية على أساس التأثير الميداني أو الترانزستورات ثنائية القطب ، وتعمل باستمرار في الوضع النشط. بالإضافة إلى الترانزستور المنظم ، يتم أيضًا تثبيت دائرة تحكم على بلورة الدائرة المصغرة للمثبت الخطي.
تاريخيًا ، قبل أن يصبح من الممكن تصنيع مثل هذه المثبتات في شكل دوائر كهربائية دقيقة ، كانت هناك مسألة حل مشكلة ثبات درجة حرارة المعلمات ، لأنه مع التسخين أثناء التشغيل ، ستتغير معلمات عقد الدوائر المصغرة.
جاء الحل في عام 1967 ، عندما اقترح مهندس الإلكترونيات الأمريكي روبرت ويدلار دائرة استقرار يتم فيها توصيل ترانزستور منظم بين مصدر جهد دخل غير منظم وحمل ، ومضخم خطأ بجهد مرجعي معوض لدرجة الحرارة سيكون موجودًا في دائرة التحكم. نتيجة لذلك ، قفزت شعبية المثبتات الخطية المتكاملة في السوق بسرعة.
تحقق من الصورة أدناه. يظهر هنا رسم تخطيطي مبسط لمنظم جهد خطي (مثل LM310 أو 142ENxx). في هذا المخطط ، يتحكم مضخم تشغيلي غير مقلوب للجهد السالب ، باستخدام تيار الخرج ، في درجة فتح الترانزستور المنظم VT1 ، المتصل في دائرة بمجمع مشترك - تابع باعث.
يتم تشغيل جهاز op-amp نفسه بواسطة مصدر الإدخال في شكل جهد موجب أحادي القطب. وعلى الرغم من أن الجهد السالب غير مناسب للتزويد هنا ، إلا أنه يمكن مضاعفة جهد الإمداد لجهاز op-amp دون مشاكل ، دون خوف من الحمل الزائد أو التلف.
الاستنتاج هو أن ردود الفعل السلبية العميقة تحيد عدم استقرار جهد الدخل ، والذي يمكن أن تصل قيمته في هذه الدائرة إلى 30 فولت. لذلك ، تتراوح الفولتية الناتجة الثابتة من 1.2 إلى 27 فولت ، اعتمادًا على طراز الشريحة.
تحتوي الدائرة المصغرة للمثبت تقليديًا على ثلاثة دبابيس: المدخلات والمشتركة والمخرجات.يوضح الشكل دائرة نموذجية لمكبر تفاضلي كجزء من دائرة كهربائية صغيرة للحصول على جهد مرجعي تطبيق الصمام الثنائي زينر.
في منظمات الجهد المنخفض ، يتم الحصول على مرجع الجهد عند الفجوة ، كما اقترح Widlar لأول مرة في أول منظم خطي متكامل له ، LM109. يتم تثبيت مقسم في دائرة التغذية المرتدة السلبية للمقاومات R1 و R2 ، من خلال الإجراء الذي يتضح فيه أن جهد الخرج يتناسب ببساطة مع الجهد المرجعي وفقًا للصيغة Uout = Uvd (1 + R2 / R1).
يعمل المقاوم R3 والترانزستور VT2 المدمجان في المثبت على الحد من تيار الخرج ، لذلك إذا تجاوز الجهد على المقاوم المحدد الحالي 0.6 فولت ، فسيتم فتح الترانزستور VT2 على الفور ، مما يتسبب في أن يكون التيار الأساسي لترانزستور التحكم الرئيسي VT1 محدود. اتضح أن تيار الخرج في الوضع العادي للتشغيل للمثبت يقتصر على 0.6 / R3. ستعتمد الطاقة التي يتبددها الترانزستور المنظم على جهد الدخل وستكون مساوية لـ 0.6 (Uin - Uout) / R3.
إذا حدثت دائرة كهربائية قصيرة لسبب ما عند خرج المثبت المتكامل ، فلا ينبغي ترك الطاقة المشتتة على البلورة كما كانت من قبل ، بما يتناسب مع فرق الجهد ويتناسب عكسياً مع مقاومة المقاوم R3. لذلك ، تحتوي الدائرة على عناصر واقية - الصمام الثنائي زينر VD2 والمقاوم R5 ، حيث يعمل تشغيلهما على تحديد مستوى الحماية الحالية اعتمادًا على الاختلاف في الجهد Uin -Uout.
في الرسم البياني أعلاه ، يمكنك أن ترى أن الحد الأقصى لتيار الخرج يعتمد على جهد الخرج ، وبالتالي فإن الدائرة الدقيقة للمثبت الخطي محمية بشكل موثوق من الحمل الزائد.عندما يتجاوز فرق الجهد Uin-Uout جهد التثبيت الخاص بصمام zener diode VD2 ، فإن مقسم المقاومات R4 و R5 سيخلق تيارًا كافيًا في قاعدة الترانزستور VT2 لإيقاف تشغيله ، مما يؤدي بدوره إلى الحد من التيار الأساسي لزيادة الترانزستور المنظم VT1.
تم تجهيز أحدث طرازات المنظمين الخطيين ، مثل ADP3303 ، بحماية من الحمل الزائد الحراري عندما ينخفض تيار الخرج بشكل حاد عند تسخين البلورة إلى 165 درجة مئوية. يلزم وجود مكثف في الرسم البياني أعلاه لمعادلة التردد.
بالمناسبة ، حول المكثفات. من المعتاد توصيل المكثفات بسعة لا تقل عن 100 nf بإدخال وإخراج المثبتات المدمجة لتجنب التنشيط الخاطئ للدوائر الداخلية للدائرة الدقيقة. وفي الوقت نفسه ، هناك ما يسمى بالمثبتات بدون غطاء ، مثل REG103 ، والتي لا داعي لتركيب مكثفات التثبيت عند المدخلات والمخرجات.
بالإضافة إلى المثبتات الخطية بجهد خرج ثابت ، هناك أيضًا مثبتات بجهد خرج قابل للتعديل من أجل التثبيت. في نفوسهم ، يكون مقسم المقاومات R1 و R2 مفقودًا ، ويتم إخراج قاعدة الترانزستور VT4 إلى جزء منفصل من الشريحة لتوصيل مقسم خارجي ، كما هو الحال في شريحة 142EN4.
تحتوي المثبتات الأكثر حداثة ، والتي يتم فيها تقليل الاستهلاك الحالي لدائرة التحكم إلى عدة عشرات من ميكرو أمبير ، مثل LM317 ، على ثلاثة دبابيس فقط.لكي نكون منصفين ، نلاحظ أنه يوجد اليوم أيضًا منظمات جهد عالية الدقة مثل TPS70151 ، والتي ، نظرًا لوجود العديد من المسامير الإضافية ، تجعل من الممكن تطبيق حماية انخفاض الجهد على الأسلاك الموصلة ، والتحكم في تفريغ الحمولة ، إلخ. .
تحدثنا أعلاه عن مثبتات الجهد الموجبة ، بالنسبة للسلك الشائع. تُستخدم مخططات مماثلة أيضًا لتثبيت الفولتية السالبة ، ويكفي فقط عزل جهد الخرج للمدخلات من النقطة المشتركة. ثم يتم توصيل دبوس الإخراج بنقطة الإخراج المشتركة ، وستكون نقطة الإخراج السالبة هي نقطة الإدخال ناقص نقطة متصلة بالنقطة المشتركة لرقاقة المثبت. تعتبر منظمات الجهد القطبية السالبة مثل 1168ENxx مريحة للغاية.
إذا كان من الضروري الحصول على جهدين في وقت واحد (قطبية موجبة وسالبة) ، فهناك مثبتات خاصة لهذا الغرض تعطي جهدًا متماثلًا موجبًا وسالبًا في نفس الوقت ، يكفي فقط تطبيق جهد إدخال موجب وسالب للمدخلات. مثال على هذا المثبت ثنائي القطب هو KR142EN6.
الشكل أعلاه هو رسم تخطيطي مبسط لها. هنا ، يقوم مكبر الصوت التفاضلي رقم 2 بتشغيل الترانزستور VT2 ، لذلك يتم ملاحظة المساواة -UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop. ويتحكم مكبر الصوت رقم 1 في الترانزستور VT1 بحيث تظل الإمكانات عند تقاطع المقاومات R2 و R4 صفراً. إذا كانت المقاومات R2 و R4 متساوية في نفس الوقت ، فإن جهد الخرج (الموجب والسالب) سيظل متماثلًا.
من أجل الضبط المستقل للتوازن بين جهدين إخراج (موجب وسالب) ، يمكنك توصيل مقاومات تشذيب إضافية بالدبابيس الخاصة بالدائرة الصغيرة.
أصغر خاصية انخفاض في الجهد للدوائر التنظيمية الخطية المذكورة أعلاه هي 3 فولت. هذا كثير جدًا بالنسبة للأجهزة التي تعمل بالبطاريات أو البطاريات ومن المستحسن عمومًا تقليل انخفاض الجهد. لهذا الغرض ، يتم تصنيع الترانزستور الناتج من النوع pnp بحيث يكون تيار المجمع للمرحلة التفاضلية في نفس الوقت مع التيار الأساسي للترانزستور المنظم VT1. سيكون الحد الأدنى لانخفاض الجهد الآن في حدود 1 فولت.
تعمل منظمات الجهد السالب بطريقة مماثلة بأقل قدر من التدلي. على سبيل المثال ، تتمتع منظمات سلسلة 1170ENxx بانخفاض في الجهد يبلغ حوالي 0.6 فولت ولا تسخن عند تصنيعها في علبة TO-92 عند تيارات تحميل تصل إلى 100 مللي أمبير. لا يستهلك المثبت نفسه أكثر من 1.2 مللي أمبير.
تصنف هذه المثبتات على أنها تدلى منخفض. يتم تحقيق انخفاض أقل في الجهد على المنظمين المستندة إلى MOSFET (حوالي 55 مللي فولت عند استهلاك تيار رقاقة 1 مللي أمبير) مثل شريحة MAX8865.
تم تجهيز بعض طرز المثبت بدبابيس إيقاف التشغيل لتقليل استهلاك الطاقة للأجهزة في وضع الاستعداد - عند تطبيق مستوى منطقي على هذا الدبوس ، يتم تقليل استهلاك المثبت إلى الصفر تقريبًا (الخط LT176x).
عند الحديث عن المثبتات الخطية المتكاملة ، لاحظوا خصائصها ، بالإضافة إلى المعلمات الديناميكية والدقيقة.
معلمات الدقة هي عامل التثبيت ودقة ضبط جهد الخرج ومقاومة الخرج ومعامل درجة حرارة الجهد. يتم سرد كل من هذه المعلمات في الوثائق ؛ ترتبط بدقة جهد الخرج اعتمادًا على جهد الدخل ودرجة حرارة البلورة الحالية.
يتم تعيين المعلمات الديناميكية مثل نسبة قمع التموج ومقاومة الخرج للترددات المختلفة لتيار الحمل والجهد الداخل.
خصائص الأداء مثل نطاق جهد الإدخال ، جهد الخرج المقنن ، أقصى تيار للحمل ، أقصى تبديد للطاقة ، أقصى فرق جهد الدخل والإخراج عند أقصى حمل للحمل ، تيار بدون حمل ، نطاق درجة حرارة التشغيل ، كل هذه المعلمات تؤثر على اختيار واحد أو الآخر. المثبت لدائرة معينة.
فيما يلي الدوائر النموذجية والأكثر شيوعًا لتضمين المثبتات الخطية:
إذا كان من الضروري زيادة جهد الخرج لمثبت خطي بجهد خرج ثابت ، تتم إضافة صمام زينر على التوالي إلى الطرف المشترك:
لتعظيم تيار الخرج المسموح به ، يتم توصيل ترانزستور أقوى بالتوازي مع المثبت ، مما يحول الترانزستور المنظم داخل الدائرة المصغرة إلى جزء من ترانزستور مركب:
إذا كان من الضروري تثبيت التيار ، يتم تشغيل مثبت الجهد وفقًا للمخطط التالي.
في هذه الحالة ، سيكون انخفاض الجهد عبر المقاوم مساويًا لجهد التثبيت ، مما سيؤدي إلى خسائر كبيرة إذا كان جهد التثبيت مرتفعًا.في هذا الصدد ، سيكون من الأنسب اختيار مثبت لأدنى جهد خرج ممكن ، مثل KR142EN12 لـ 1.2 فولت.