3 Regolatori a tensione fissa a terminale - Circuiti di lavoro e di applicazione

I popolari regolatori fissi a 3 terminali disponibili oggi sono nella forma di IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 e IC 7824, che corrispondono a uscite a tensione fissa di 5 V, 9 V, 12 V, 15 V e 24 V .

Questi sono chiamati fissi regolatori di tensione poiché questi circuiti integrati sono in grado di produrre eccellenti tensioni di uscita CC fisse stabilizzate in risposta a una tensione di ingresso CC non regolata molto più elevata.

Questi regolatori di tensione monolitici di fascia alta possono essere acquistati molto a buon mercato al giorno d'oggi, che normalmente è meno costoso e meno complicato da lavorare, rispetto alla costruzione circuito regolatore discreto equivalenti.

Questi regolatori a 3 terminali sono incredibilmente facili da cablare, come si può vedere nello schema del circuito sottostante che mostra il metodo standard con cui questi circuiti integrati sono implementati.

I tre terminali dell'IC sono per ragioni apparenti, designati con i nomi ingresso, comune e uscita .

L'alimentazione positiva e negativa sono semplicemente collegate rispettivamente ai terminali di ingresso e comune dell'IC, mentre la tensione stabilizzata regolata viene acquisita attraverso l'uscita e i terminali comuni.

L'unica parte esterna discreta facoltativamente richiesta è un condensatore sull'ingresso e sui cavi di uscita dell'IC. Questi condensatori sono necessari per aumentare il livello di regolazione dell'uscita del dispositivo e per migliorare la risposta ai transienti. I valori dei microfarad di questi condensatori non sono generalmente critici e quindi sono normalmente compresi tra 100 nf, 220 nf o 330 nf.

Tipi di regolatori serie 78XX

Il i tipi di tensione fissa più diffusi e ampiamente utilizzati , i regolatori di tensione monolitici sono i regolatori positivi della serie 78XX e i regolatori negativi della serie 79XX.

Questi si trovano con 3 specifiche di corrente di uscita. Forniscono 9 tipi positivi e nove 9 tipi negativi di varianti, come mostrato nella tabella sottostante.

Questi circuiti integrati della serie 78XX sono dotati di valori nominali di tensione aggiuntivi sia in forma positiva che negativa. Le gamme standard per questi regolatori 78XX sono 8 V, 9 V, 10 V, 18 V, 20 V e 24 V, che corrispondono ai circuiti integrati 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824.

Molti di questi dispositivi portano caratteri o cifre suffissi con il loro numero stampato, a seconda del produttore o del tipo di marca.

Tuttavia, tutti sono essenzialmente gli stessi con la stessa valutazione. Diversi rivenditori di componenti non promuoveranno effettivamente questi circuiti integrati in base al numero di tipo, ma si limiteranno a indicarne le specifiche di polarità, tensione e corrente e, occasionalmente, con riferimento allo stile del loro pacchetto.

Caratteristiche principali

Questi circuiti integrati sono dotati di limitazione di corrente incorporata e protezione da cortocircuito per il carico in uscita. Nei regolatori serie 78XX di media e alta potenza questa caratteristica è generalmente di tipo foldback. La limitazione della corrente di ripiegamento è una condizione in cui un sovraccarico di uscita non viene semplicemente risposto dalla corrente di uscita a causa di una limitazione di corrente automatica.

Che cos'è Foldback Current Limit

La reazione di ripiegamento di un circuito limitatore di corrente di ripiegamento può essere osservata nella figura seguente, che dimostra chiaramente come la corrente di uscita si riduce al minimo in condizioni di sovraccarico fino a tipicamente meno del 50% della corrente di uscita ideale. Il motivo principale per utilizzare la limitazione della corrente di ripiegamento è che riduce significativamente la dissipazione all'interno del regolatore in situazioni di cortocircuito.

La risposta di limitazione della corrente di foldback può essere compresa dalla seguente spiegazione:

Supponiamo di avere un IC 7805 con un ingresso di 10 V e che subisca un cortocircuito tra i terminali di uscita. In questa situazione in condizioni di tipo ordinario di limitazione di corrente, l'uscita dell'IC continuerà a generare 1 amp di corrente dando una dissipazione di 10 watt. Ma con una speciale corrente di foldback che limita la corrente di cortocircuito può ridursi a circa 400 mA, determinando una dissipazione nel dispositivo di soli 4 watt.

Funzione di arresto termico

Anche la maggior parte dei regolatori di tensione monolitici è dotata di un circuito di protezione per lo spegnimento termico integrato. Questa funzione aiuta a ridurre la corrente di uscita nel caso in cui il dispositivo attraversi una situazione di surriscaldamento.

Questi tipi di circuiti integrati per regolatori di tensione sono di conseguenza estremamente robusti e non si danneggiano mai facilmente anche se utilizzati in modo errato. Detto questo, un modo attraverso il quale potrebbero essere distrutti è l'applicazione di una tensione di alimentazione di ingresso elevata rispetto all'intervallo specificato.

Troverete variazioni nelle tensioni di ingresso massime tollerabili specificate da diversi fornitori per questi circuiti integrati dello stesso tipo standard, sebbene 25 volt sia apparentemente la gamma minima offerta per qualsiasi dispositivo a 5 volt (7805). I regolatori di tensione maggiori possono gestire un minimo di 30 volt, mentre per le varietà da 20 e 24 volt l'intervallo di ingresso è fino a 40 volt.

Affinché il circuito funzioni correttamente, la tensione di ingresso deve essere superiore di 2,5 volt rispetto alla tensione di uscita richiesta, ad eccezione del regolatore 7805 in cui la tensione di ingresso dovrebbe essere appena più di 2 V al di sopra dell'uscita 5 V richiesta, il che significa che dovrebbe essere minimo 7 V.

Corrente di standby senza carico

La corrente di quiescenza o il consumo di corrente inattivo di questi circuiti integrati senza alcun carico in uscita può essere compreso tra 1 e 5 mA, sebbene questo possa essere fino a 10 mA in alcune varianti di potenza molto elevata.

Regolazione della linea e del carico

La regolazione di linea per tutti i circuiti integrati del regolatore 78XX è inferiore all'1%. Ciò significa che la tensione di uscita può mostrare una variazione inferiore all'1% indipendentemente dalla variazione della tensione di ingresso dall'intervallo di tensione di ingresso massimo e minimo.

Anche la regolazione del carico è normalmente inferiore all'1% per la maggior parte di questi dispositivi. Questa caratteristica garantisce che l'uscita continuerà a fornire la tensione di uscita costante nominale indipendentemente dalle condizioni di carico dell'uscita.

La funzione di reiezione delle ondulazioni per la maggior parte di questi circuiti integrati del regolatore è in prossimità di 60 dB insieme a un livello di rumore in uscita che può essere inferiore a 100 microvolt.

Dissipazione di potenza

Quando si utilizzano questi circuiti integrati del regolatore 78XX, è necessario ricordare che questi circuiti integrati sono classificati per gestire solo una quantità finita di dissipazione di potenza. Pertanto, sotto il carico di uscita più elevato, la tensione di ingresso non dovrebbe mai superare di pochi volt il limite di ingresso massimo tollerabile.

La massima dissipazione di potenza a temperatura ambiente normale (25 gradi Celsius) per le gamme di dispositivi 78XX a bassa, media e alta potenza è rispettivamente di 0,7 watt, 1 watt e e 2 watt.

La limitazione di cui sopra potrebbe essere notevolmente migliorata a 1,7 watt, 5 watt e 15 watt rispettivamente se i dispositivi sono montati su un dissipatore di calore sostanzialmente grande. La potenza dissipata in tutti questi dispositivi regolatori è proporzionale alla differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita, moltiplicata per la corrente di uscita.

Come applicare il dissipatore di calore ai circuiti integrati 78XX

In questa situazione, quando il dispositivo è completamente carico a circa 800 mA, la dissipazione dal dispositivo potrebbe essere fino a 4 watt (0,8 A x 5 V = 4 W).

Questo sembra essere due volte più del massimo consentito di 2 watt PD per il dispositivo 7815. Ciò implica che i 2 watt extra devono essere compensati tramite un dissipatore di calore.

Un'ampia selezione di dissipatori di calore è generalmente disponibile sul mercato e questi sono identificati con una valutazione di un particolare grado / watt.

Questa valutazione indica fondamentalmente l'aumento di temperatura causato per ogni singolo watt di potenza dissipata tramite il dissipatore di calore. Ciò indica anche che per un dissipatore di calore più grande, i gradi per watt saranno proporzionalmente inferiori.

La dimensione minima del dissipatore di calore necessaria per un dispositivo regolatore 78xx potrebbe essere determinata nel modo seguente.

Dobbiamo principalmente scoprire la temperatura atmosferica nominale in cui viene utilizzato il dispositivo. Tranne se è probabile che il dispositivo venga utilizzato in un ambiente insolitamente caldo, una cifra di circa 30 gradi centigradi può essere considerata un'ipotesi ragionevole.

Valutazione della temperatura sicura

Successivamente, potrebbe essere essenziale conoscere la temperatura nominale massima di sicurezza per il circuito integrato del regolatore 78XX specifico. Per i regolatori 78XX monolitici questo intervallo può essere di 125 gradi centigradi. Detto questo, questa è in realtà la temperatura di giunzione e non la temperatura del case che l'IC può sopportare.

La temperatura massima assoluta consentita della custodia è di circa 100 gradi centigradi. Diventa quindi importante non consentire alla temperatura del dispositivo di aumentare oltre i 70 gradi centigradi (100 - 30 = 70).

Poiché una potenza di 2 watt può comportare un aumento della temperatura di un massimo di 70 gradi, un dissipatore di calore valutato per dissipare di 35 gradi centigradi / watt o meno (70 gradi diviso 2 watt = 35 gradi C per watt) andrà bene abbastanza.

In pratica, dovrebbe essere impiegato un dissipatore di calore relativamente più grande, poiché il trasferimento di calore non è mai molto efficiente nella maggior parte dei casi.

Inoltre, per ottenere una stabilità di lunga durata, è necessario garantire che il dispositivo funzioni idealmente a una temperatura leggermente inferiore alla gamma di temperatura massima ammissibile nominale.

Se possibile, assicurati un margine ragionevole di +/- 20 gradi o forse più.

Quando l'IC del regolatore è racchiuso all'interno di un contenitore e coperto dall'atmosfera libera, l'aria intrappolata nel contenitore può riscaldarsi a causa della dissipazione del regolatore. Ciò potrebbe a sua volta far sì che le altre parti sensibili sul PCB funzionino in condizioni più calde. Tale situazione potrebbe richiedere un dissipatore di calore più grande per l'IC del regolatore.

Circuiti di applicazione

Di seguito è riportato un tipico circuito di applicazione di un alimentatore che utilizza un regolatore di tensione monolitico 78XX a tensione fissa.

In questo progetto viene utilizzato un IC 7815 come IC regolatore che ci fornisce circa +15 volt a circa 800 mA di corrente.

Il trasformatore utilizzato è valutato con 18 -0 - 18V per il secondario con una corrente nominale di 1 amp.

È collegato a un raddrizzatore push-pull a onda intera che fornisce una tensione a vuoto di circa 27 V cc dopo essere stato filtrato attraverso C1.

I condensatori C2 e C3 funzionano come condensatori di disaccoppiamento di ingresso e uscita che dovrebbero essere collegati relativamente più vicini al corpo dell'IC. Quando il carico di uscita è pieno, la tensione di ingresso applicata all'IC1 raggiunge un livello da 19 a 20 volt, consentendo una differenza di circa 5 volt sull'ingresso / uscita del regolatore.

Come realizzare un doppio circuito di alimentazione

Poiché i regolatori monolitici 78XX a tensione fissa possono essere acquistati sia in variante negativa che positiva, risultano perfetti per l'implementazione alimentatori doppi bilanciati .

Quando, ad esempio, è necessaria una fornitura regolamentata per gestire un circuito basato su amplificatore operazionale con alimentazioni positive e negative di 12 volt a 100 mA, potrebbe essere applicato il design mostrato nella figura seguente.

In questo esempio, T1 è un trasformatore da 15-0-15 volt classificato con corrente nominale secondaria di 200 mA o superiore. Puoi trovare un paio di raddrizzatori push-pull a onda intera D2 e ​​D3 che ti danno un output positivo.

D1 insieme a D4 forniscono un'uscita negativa. L'alimentazione positiva viene filtrata da C1 mentre la linea negativa viene pulita e filtrata da C2.

IC1 fornisce un'uscita di alimentazione positiva regolata, mentre IC2 funziona come un regolatore di alimentazione negativa. Da C3 a C6 sono posizionati come condensatori di disaccoppiamento per migliorare l'efficienza di uscita in termini di migliore risposta a picchi, rumore e transitori.

Tensione di uscita più alta utilizzando il circuito del regolatore in serie

La configurazione mostrata sopra potrebbe essere utilizzata anche per ottenere valori di tensione combinati dei due regolatori. Ciò significa che se il 79L12 viene sostituito con il regolatore 78L12, l'uscita sarà 24V.

In tale configurazione, la linea 0V può essere ignorata e l'uscita + 24V può accedere direttamente attraverso le linee positiva e negativa dell'uscita.

Tensione di uscita più elevata utilizzando il circuito a diodi in serie

In realtà è molto facile ottenere un piccolo aumento di tensione in uscita utilizzando un diodo raddrizzatore tra il pin di terra dell'IC e la linea di terra.

Questo approccio consente all'utente di accedere a un livello di tensione leggermente superiore che potrebbe non essere ottenuto direttamente da alcun dispositivo regolatore già pronto.

La tecnica esatta di cablaggio di questa configurazione può essere illustrata nell'immagine seguente.

In questo esempio abbiamo stimato che la tensione di uscita richiesta sia di circa 6 V e abbiamo implementato la stessa tramite un regolatore IC da 5 volt aumentando l'uscita di 1 volt.

Come si può vedere, questa elevazione di 1 V si ottiene efficacemente semplicemente incorporando una coppia di diodi raddrizzatori in serie con il cavo comune del regolatore.

I raddrizzatori sono cablati per assicurarsi che siano polarizzati in avanti attraverso la corrente di riposo utilizzata dal regolatore e che si muove attraverso il terminale GND comune del dispositivo.

Di conseguenza, i diodi collegati si comportano in qualche modo come i diodi zener a bassa tensione, in cui ciascun diodo scende da 0,5 a 0,6 volt circa consentendo una tensione zener combinata di circa 1 a 1,2 volt.

L'obiettivo del progetto è sollevare il terminale comune del regolatore di 1 volt sul potenziale di alimentazione di terra. Qui il regolatore 7805 IC stabilizza effettivamente l'uscita nominale a 5 V sopra la linea di terra, quindi, elevando il terminale di terra di circa 1 V, anche l'uscita viene sollevata della stessa grandezza, facendo sì che l'uscita venga regolata a circa Livello 6 V. Questa procedura funziona molto bene con tutti e tre i circuiti integrati del regolatore di tensione 78XX del terminale.

Resistenza di polarizzazione per i diodi

Tuttavia in alcuni casi potrebbe essere necessario collegare un resistore esterno attraverso il GND e il pin di uscita dell'IC per aiutare un po 'di corrente in più ai diodi, in modo che possano condurre in modo ottimale per i risultati desiderati.

Poiché ciascun diodo raddrizzatore faciliterà una caduta diretta di circa 0,65 V circa, calcolando più diodi di questo tipo in serie è possibile ottenere un livello proporzionalmente più elevato di tensione potenziata sull'uscita IC.

Tuttavia, affinché ciò avvenga, il livello di ingresso deve essere superiore di almeno 3 V rispetto al livello di uscita stimato finale. I diodi al silicio come 1N4148 funzioneranno abbastanza bene per l'applicazione.

In alternativa, se i diodi sembrano ingombranti, è possibile utilizzare anche un singolo diodo zener equivalente per ottenere lo stesso effetto, come mostrato nell'esempio seguente.

Detto questo, assicurarsi che la procedura sia implementata per ottenere non più di 3 V in più rispetto alla potenza nominale del dispositivo. Oltre questo livello, la stabilizzazione dell'output potrebbe risentirne.

Capacità di corrente crescente

Un'altra grande modifica a un regolatore 78XX potrebbe essere implementata per ottenere una maggiore corrente di uscita superiore alla potenza massima del dispositivo.

Un metodo per farlo è mostrato di seguito.

Il rapporto di configurazione R1 e R2 indicato assicura che per ogni milliamp di corrente che passa attraverso R1, D1 e il regolatore, un bit di corrente superiore a 4 mA viene spostato tramite Tr1 e R2.

Di conseguenza, quando l'intero amplificatore 1 viene utilizzato tramite IC1, abbiamo una corrente di oltre 4 ampere che passa attraverso Tr1. Questa situazione consente al circuito di fornire una corrente di uscita ottimale che è leggermente superiore a 5 ampere.

Anche in condizioni di sovraccarico, le correnti attraverso Tr1 e IC1 continuano ad avere un rapporto leggermente superiore a 4: 1, pertanto la funzione di limitazione della corrente dell'IC continua a funzionare senza problemi.

Circuiti di questa forma si sono effettivamente rivelati inutili oggigiorno a causa della disponibilità di dispositivi regolatori di potenza superiore come il 78H05, 781-112 ecc. che hanno una corrente nominale massima di 5 ampere e consentono all'utente di configurarli esattamente con la stessa facilità delle controparti a corrente inferiore.