Vaste spanningsregelaars met 3 aansluitingen - werk- en toepassingscircuits

De populaire vaste regelaars met 3 aansluitingen die vandaag beschikbaar zijn, zijn in de vorm van IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 en IC 7824, die overeenkomen met vaste spanningsuitgangen van 5 V, 9 V, 12 V, 15 V en 24 V .

Deze worden vast genoemd spanningsregelaars aangezien deze IC's uitstekende gestabiliseerde vaste DC-uitgangsspanningen kunnen produceren als reactie op een veel hogere ongereguleerde DC-ingangsspanning.

Deze hoogwaardige monolithische spanningsregelaars kunnen tegenwoordig heel goedkoop worden gekocht, wat normaal gesproken minder duur en minder gecompliceerd is om mee te werken in vergelijking met bouwen. discrete regulator circuit equivalenten.

Deze regelaars met 3 aansluitingen zijn ongelooflijk eenvoudig te bedraden, zoals te zien is in het onderstaande schakelschema dat de standaardmethode laat zien waarmee deze IC's worden geïmplementeerd.

De drie terminals van de IC zijn om duidelijke redenen aangeduid met de namen input, common en output ​

De positieve en negatieve voeding zijn eenvoudigweg verbonden met respectievelijk de ingangs- en gemeenschappelijke aansluitingen van de IC, terwijl de gereguleerde gestabiliseerde spanning wordt verkregen via de uitgangs- en gemeenschappelijke aansluitingen.

Het enige discrete externe onderdeel dat optioneel vereist is, is een condensator op de ingangs- en uitgangskabels van het IC. Deze condensatoren zijn nodig om het niveau van de uitgangsregeling van het apparaat te verbeteren en om de transiënte respons te verbeteren. De microfaradwaarden van deze condensatoren zijn over het algemeen niet kritisch en liggen daarom normaal gesproken tussen 100 nf, 220 nf of 330 nf.

Typen 78XX-serie regelaars

De meest populaire en meest gebruikte soorten vaste spanning Monolithische spanningsregelaars zijn de 78XX serie positieve regulatoren en de 79XX serie negatieve regulatoren.

Deze worden gevonden met 3 uitgangsstroomspecificaties. Ze bieden u 9 positieve varianten en 9 negatieve varianten, zoals weergegeven in de onderstaande tabel.

Deze 78XX-serie IC's worden geleverd met extra spanningswaarden, zowel in positieve als negatieve vorm. Standaardreeksen voor deze 78XX-regelaars zijn 8 V, 9 V, 10 V, 18 V, 20 V en 24 V, wat overeenkomt met IC's 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824 IC's.

Veel van deze apparaten hebben achtervoegsels of cijfers met hun gedrukte nummer, afhankelijk van de fabrikant of het merktype.

Ze zijn echter allemaal in wezen hetzelfde met dezelfde beoordeling. Verschillende partdealers zullen deze IC's niet echt op typenummer promoten, maar alleen wijzen op hun polariteit, spanning en stroomspecificaties, en af ​​en toe met verwijzing naar hun pakketstijl.

Belangrijkste kenmerken

Deze IC's hebben een ingebouwde stroombegrenzing en kortsluitbeveiliging voor de uitgangsbelasting. In de 78XX-serie regelaars met gemiddeld en hoog vermogen is deze functie doorgaans van het foldback-type. Foldback-stroombegrenzing is een toestand waarin een outputoverbelasting simpelweg niet wordt gereageerd door de outputstroom vanwege een automatische stroombegrenzing.

Wat is Foldback Current Limit

De foldback-reactie van een foldback-stroombegrenzingscircuit is te zien in de volgende afbeelding, die duidelijk laat zien hoe de uitgangsstroom onder overbelastingsomstandigheden wordt geminimaliseerd tot typisch minder dan 50% van de ideale uitgangsstroom. De belangrijkste reden voor het gebruik van foldback-stroombegrenzing is dat het de dissipatie binnen de regelaar in kortsluitsituaties aanzienlijk vermindert.

De terugvouwstroombeperkende respons kan worden begrepen uit de volgende uitleg:

Stel dat we een 7805 IC hebben met een 10 V-ingang en het ondergaat een kortsluiting over de uitgangsklemmen. In deze situatie zal onder normale stroombeperking de output van de IC 1 ampère stroom blijven genereren, wat een dissipatie van 10 watt oplevert. Maar met een speciale foldback-stroom die de kortsluitstroom beperkt, kan dit worden beperkt tot ongeveer 400 mA, wat resulteert in een dissipatie in het apparaat van slechts 4 watt.

Thermische uitschakelfunctie

De meeste monolithische spanningsregelaars hebben ook een ingebouwde thermische uitschakelbeveiliging. Deze functie helpt om de uitgangsstroom te verminderen in het geval dat het apparaat door een oververhittingssituatie gaat.

Dit soort spanningsregelaar-IC's zijn daardoor extreem robuust en nooit gemakkelijk beschadigd, zelfs niet bij onjuist gebruik. Dat gezegd hebbende, een manier waarop ze kunnen worden vernietigd, is door toepassing van een hoge ingangsspanning dan het gespecificeerde bereik.

U vindt variaties in de maximaal toelaatbare ingangsspanningen gespecificeerd door verschillende leveranciers voor deze IC's van hetzelfde standaardtype, hoewel 25 volt blijkbaar het minimum aangeboden bereik is voor elk 5 volt apparaat (7805). Hogere spanningsregelaars kunnen minimaal 30 volt aan, terwijl voor 20 en 24 volt varianten het ingangsbereik tot 40 volt is.

Om het circuit correct te laten werken, moet de ingangsspanning 2,5 volt hoger zijn dan de vereiste uitgangsspanning, met uitzondering van de 7805-regelaar, waar de ingangsspanning net meer dan 2 V boven de vereiste 5 V-uitgang zou moeten zijn, wat betekent dat het zou moeten zijn minimaal 7 V.

Stand-bystroom zonder belasting

De ruststroom of het inactieve stroomverbruik van deze IC's zonder enige belasting aan de uitgang kan tussen 1 en 5 mA liggen, hoewel dit bij sommige varianten met zeer hoog vermogen tot 10 mA kan zijn.

Lijn- en belastingregeling

De lijnregeling voor alle 78XX-regulator-IC's is kleiner dan 1%. Dit betekent dat de uitgangsspanning een variatie van minder dan 1% kan vertonen, ongeacht de variatie van de ingangsspanning van het maximale en minimale ingangsspanningsbereik.

De belastingregeling is normaal gesproken ook lager dan 1% voor de meeste van deze apparaten. Deze functie zorgt ervoor dat de uitgang de nominale constante uitgangsspanning blijft leveren, ongeacht de belasting van de uitgang.

De rimpelonderdrukkingsfunctie voor de meeste van deze regulator-IC's ligt in de buurt van 60 dB, samen met een uitgangsruisniveau dat lager kan zijn dan 100 microvolt.

Vermogensverlies

Wanneer u deze 78XX-regulator-IC's gebruikt, moet u er rekening mee houden dat deze IC's slechts een beperkte hoeveelheid vermogensdissipatie aankunnen. Daarom mag onder de hoogste uitgangsbelasting de ingangsspanning nooit een paar volt hoger zijn dan de maximaal toelaatbare ingangslimiet.

De maximale vermogensdissipatie bij normale kamertemperatuur (25 graden Celsius) voor de 78XX-apparaten met een laag, gemiddeld en hoog vermogen is respectievelijk 0,7 watt, 1 watt en 2 watt.

De bovenstaande beperking kan aanzienlijk worden verbeterd tot respectievelijk 1,7 watt, 5 watt en 15 watt als de apparaten op een aanzienlijk groot koellichaam worden gemonteerd. Het vermogen dat in al deze regelaars wordt gedissipeerd, is evenredig met het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning, vermenigvuldigd met de uitgangsstroom.

Heatsink toepassen op 78XX IC's

In deze situatie, wanneer het apparaat volledig is belast met ongeveer 800 mA, kan de dissipatie van het apparaat wel 4 watt (0,8 A x 5 V = 4 W) zijn.

Dit blijkt twee keer meer te zijn dan de maximaal toelaatbare 2 watt PD voor het 7815-apparaat. Dit houdt in dat de extra 2 watt moet worden gecompenseerd via een heatsink.

Een brede selectie van heatsinks is algemeen verkrijgbaar in de markt, en deze worden geïdentificeerd met een rating van een bepaalde graden / watt.

Deze beoordeling geeft in feite de temperatuurstijging aan die wordt veroorzaakt voor elke watt aan vermogen die via het koellichaam wordt gedissipeerd. Dit geeft ook aan dat voor grotere heatsink het aantal graden per watt proportioneel lager zal zijn.

De laagste maat koellichaam die nodig is voor een 78xx-regelaar kan op de volgende manier worden bepaald.

We moeten primair de nominale atmosferische temperatuur achterhalen waar het apparaat wordt gebruikt. Behalve als het apparaat waarschijnlijk in een ongewoon warme omgeving wordt gebruikt, kan een waarde van rond de 30 graden Celsius als een redelijke aanname worden beschouwd.

Veilige temperatuurclassificatie

Vervolgens kan het essentieel zijn om de maximale veilige temperatuurclassificatie voor de specifieke 78XX-regelaar-IC te leren. Voor monolithische 78XX-regelaars kan dit bereik 125 graden Celsius zijn. Dat gezegd hebbende, dit is eigenlijk de junctietemperatuur, en niet de temperatuur van de behuizing die de IC kan weerstaan.

De absoluut maximaal toelaatbare temperatuur van de behuizing is ongeveer 100 graden Celsius. Daarom wordt het belangrijk om de temperatuur van het apparaat niet boven de 70 graden Celsius (100 - 30 = 70) te laten stijgen.

Omdat een vermogen van 2 watt kan resulteren in een temperatuurstijging van maximaal 70 graden, is een koellichaam dat geschikt is voor een dissipatie van 35 graden Celsius / watt of minder (70 graden gedeeld door 2 watt = 35 graden C per watt) goed genoeg.

Praktisch gezien zou een relatief grotere heatsink moeten worden gebruikt, aangezien de warmteoverdracht in de meeste gevallen nooit erg efficiënt is.

Om een ​​langdurige stabiliteit te verkrijgen, moet er bovendien voor worden gezorgd dat het apparaat ideaal wordt gebruikt bij iets onder het nominale maximaal toegestane temperatuurbereik.

Zorg indien mogelijk voor een redelijke marge van +/- 20 graden of misschien meer.

Als de regulator-IC is ingesloten in een container en wordt afgedekt van de vrije atmosfeer, kan de opgesloten lucht in de container opwarmen door de dissipatie van de regulator. Dit kan er op zijn beurt voor zorgen dat de andere gevoelige onderdelen op de printplaat onder warmere omstandigheden gaan werken. Een dergelijke situatie kan een grotere heatsink vereisen voor de regulator-IC.

Toepassingscircuits

Een typisch toepassingscircuit van een voeding die een 78XX monolithische spanningsregelaar met vaste spanning gebruikt, is hieronder te zien.

In dit ontwerp wordt een 7815 IC gebruikt als de regulator IC die ons voorziet van ongeveer +15 volt bij ongeveer 800 mA stroom.

De gebruikte transformator heeft een vermogen van 18-0 - 18V voor de secundaire met een stroomsterkte van 1 ampère.

Het is verbonden met een push-pull dubbelzijdige gelijkrichter die een onbelaste spanning van ongeveer 27 V DC levert na te zijn gefilterd door C1.

Condensatoren C2 en C3 werken als ontkoppelingscondensatoren voor invoer en uitvoer die relatief dichter bij het lichaam van de IC moeten worden bevestigd. Wanneer de uitgangsbelasting vol is, ziet u dat de toegepaste ingangsspanning op de IC1 een niveau bereikt van 19 tot 20 volt, waardoor een verschil van ongeveer 5 volt over de ingang / uitgang van de regelaar mogelijk is.

Hoe een dubbel voedingscircuit te maken

Omdat 78XX monolithische regelaars met vaste spanning zowel in negatieve als positieve varianten kunnen worden gekocht, lijken ze perfect om te implementeren dubbele gebalanceerde voedingen ​

Wanneer er bijvoorbeeld een gereguleerde voeding nodig is voor het exploiteren van een op amp gebaseerd circuit met positieve en negatieve voedingen van 12 volt bij 100 mA, zou het ontwerp dat in de volgende afbeelding wordt weergegeven, kunnen worden toegepast.

In dit voorbeeld is T1 een transformator van 15-0-15 volt met een nominale secundaire stroom van 200 mA of meer. U kunt een paar push-pull-dubbelzijdige gelijkrichters D2 en D3 vinden die u een positieve output geven.

D1 levert samen met D4 een negatieve output op. De positieve toevoer wordt gefilterd door C1 terwijl de negatieve lijn wordt gereinigd en gefilterd door C2.

IC1 geeft u een gereguleerde positieve voedingsuitgang, terwijl de IC2 werkt als een negatieve voedingsregelaar. C3 tot C6 zijn geplaatst als ontkoppelingscondensatoren om de output-efficiëntie te verbeteren in termen van betere respons op pieken, ruis en transiënten.

Hogere uitgangsspanning met behulp van serie-regelaarcircuit

De bovenstaande configuratie kan ook worden gebruikt om gecombineerde spanningswaarden van de twee regelaars te krijgen. Dit betekent dat als de 79L12 wordt vervangen door een 78L12-regelaar, de output 24V wordt.

In een dergelijke configuratie kan de 0V-lijn worden genegeerd en is de +24 V-uitgang rechtstreeks toegankelijk via de positieve en negatieve lijnen van de uitgang.

Hogere uitgangsspanning met behulp van seriediodecircuit

Het is eigenlijk heel gemakkelijk om een ​​kleine spanningsverhoging aan de uitgang te krijgen met behulp van een gelijkrichterdiode tussen de aardingspin van de IC en de aardingslijn.

Deze benadering stelt de gebruiker in staat om toegang te krijgen tot een iets hoger spanningsniveau dat mogelijk niet direct wordt verkregen uit een kant-en-klaar regelaarapparaat.

De exacte techniek van het bedraden van deze configuratie kan in de volgende afbeelding worden weergegeven.

In dit voorbeeld hebben we de vereiste uitgangsspanning geschat op ongeveer 6V en hebben we hetzelfde geïmplementeerd via een 5 volt regulator IC door de output met 1 volt te verhogen.

Zoals te zien is, wordt deze verhoging van 1 V effectief bereikt door simpelweg een paar seriegelijkrichterdiodes op te nemen met de gemeenschappelijke leiding van de regelaar.

De gelijkrichters zijn bedraad om ervoor te zorgen dat ze voorwaarts worden voorgespannen door de ruststroom die door de regelaar wordt gebruikt en die via de gemeenschappelijke GND-aansluiting van het apparaat beweegt.

De aangesloten diodes gedragen zich daardoor enigszins als laagspannings-zenerdiodes, waarbij elke diode ongeveer 0,5 tot 0,6 volt daalt, waardoor een gecombineerde zenerspanning van ongeveer 1 tot 1,2 volt mogelijk is.

Het doel van het ontwerp is om de gemeenschappelijke klem van de regelaar met 1 volt over het aardingspotentiaal te tillen. Hier stabiliseert de regelaar 7805 IC feitelijk het nominale uitgangsvermogen op 5 V boven de aardingslijn, dus door de aardingsklem met ongeveer 1 V te verhogen, wordt de uitgang ook met dezelfde grootte opgetild, waardoor de uitgang ook wordt geregeld op ongeveer 6 V-niveau. Deze procedure werkt buitengewoon goed met alle drie klem 78XX spanningsregelaar IC's.

Biasing-weerstand voor de diodes

In sommige gevallen kan het echter nodig zijn om een ​​externe weerstand over de GND en de uitgangspen van de IC te bevestigen om wat extra stroom naar diodes te geven, zodat ze optimaal kunnen geleiden voor de beoogde resultaten.

Omdat elke gelijkrichterdiode een voorwaartse daling van ongeveer 0,65 V mogelijk maakt, kunnen we door meer van dergelijke diodes in serie te berekenen een proportioneel hoger niveau van verhoogde spanning over de IC-uitgang bereiken.

Om dit te laten gebeuren, moet het ingangsniveau echter minstens 3V hoger zijn dan het uiteindelijke geschatte uitgangsniveau. Siliciumdiodes zoals 1N4148 zullen best goed werken voor de toepassing.

Als diodes er omslachtig uitzien, kan ook een enkele equivalente zenerdiode worden gebruikt om hetzelfde effect te krijgen, zoals in het volgende voorbeeld wordt getoond.

Dat gezegd hebbende, zorg ervoor dat de procedure wordt geïmplementeerd om niet meer dan 3 V hoger te krijgen dan de werkelijke classificatie van het apparaat. Boven dit niveau kan de outputstabilisatie worden beïnvloed.

Huidige capaciteit vergroten

Een andere grote aanpassing aan een 78XX-regelaar zou kunnen worden geïmplementeerd om een ​​verhoogde uitgangsstroom te bereiken die hoger is dan de maximale classificatie van het apparaat.

Hieronder ziet u een methode om dit te doen.

De aangegeven R1- en R2-configuratieverhouding zorgt ervoor dat voor elke milliampère stroom die door R1, D1 en de regelaar gaat, een beetje stroom van meer dan 4 mA wordt verschoven via Tr1 en R2.

Het resultaat is dat wanneer de volledige 1 ampère wordt gebruikt via IC1, we een stroom van meer dan 4 ampère hebben die via Tr1 gaat. Door deze situatie kan het circuit een optimale uitgangsstroom leveren die iets hoger is dan 5 ampère.

Zelfs bij overbelasting blijven de stromen door Tr1 en IC1 een verhouding hebben die iets hoger is dan 4: 1, daarom blijft de stroombegrenzende functie van de IC probleemloos werken.

Circuits van deze vorm zijn tegenwoordig eigenlijk overbodig gebleken vanwege de beschikbaarheid van apparaten met hogere vermogensregelaars zoals de 78H05, 781-112 enz. die worden geleverd met een maximale stroomsterkte van 5 ampère, en de gebruiker in staat stellen om ze precies te configureren met hetzelfde gemak als de tegenhangers met een lagere stroomsterkte.