3 Reguladors de tensió fixa de terminals: circuits de treball i aplicació

Els populars reguladors fixos de 3 terminals disponibles avui en dia tenen la forma d’IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 i IC 7824, que corresponen a sortides de tensió fixa de 5 V, 9 V, 12 V, 15 V i 24 V .

S’anomenen fixes reguladors de tensió ja que aquests circuits integrats són capaços de produir excel·lents tensions de sortida de CC fixes estabilitzades en resposta a una tensió d'entrada de CC no regulada molt més alta.

Aquests reguladors de tensió monolítics de gamma alta es poden comprar molt econòmicament avui en dia, cosa que normalment és menys costosa i és menys complicada de treballar, en comparació amb la construcció circuit regulador discret equivalents.

Aquests reguladors de 3 terminals són increïblement fàcils de connectar, com es pot veure al diagrama de circuits que mostra el mètode estàndard mitjançant el qual s’implementen aquests circuits integrats.

Els tres terminals de l'IC són per raons aparents, designats amb els noms entrada, comú i sortida .

El subministrament positiu i negatiu es connecten simplement a través dels terminals comuns i d’entrada de l’IC, respectivament, mentre que la tensió estabilitzada regulada s’adquireix a través dels terminals comuns i de sortida.

L’única part externa discreta que es demana opcionalment és un condensador a l’entrada i als cables de sortida de l’IC. Aquests condensadors són necessaris per millorar el nivell de regulació de sortida del dispositiu i per millorar la resposta transitòria. Els valors de les microfarades d'aquests condensadors generalment no són crítics i, per tant, normalment són entre 100 nf, 220 nf o 330 nf.

Tipus de reguladors de la sèrie 78XX

El tipus de tensió fixa més populars i àmpliament utilitzats , els reguladors de tensió monolítics són els reguladors positius de la sèrie 78XX i els reguladors negatius de la sèrie 79XX.

Es troben amb 3 especificacions de corrent de sortida. Us proporcionen 9 tipus positius i nou tipus negatius de variants, tal com es mostra al gràfic següent.

Aquestes sèries de circuits integrats 78XX vénen amb tensions addicionals classificades tant en formes positives com negatives. Els rangs estàndard d’aquests reguladors 78XX són de 8 V, 9 V, 10 V, 18 V, 20 V i 24 V, que corresponen als circuits integrats 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824.

Molts d’aquests dispositius porten caràcters o figures sufixades amb el seu número imprès, segons el fabricant o el tipus de marca.

Tot i això, tots són essencialment els mateixos amb una qualificació idèntica. Diversos dealers de peces realment no promocionaran aquests CI per número de tipus, sinó que només assenyalen la seva polaritat, tensió i especificacions de corrent i, de tant en tant, fent referència al seu estil de paquet.

Principals característiques

Aquests circuits integrats presenten una protecció de limitació de corrent incorporada i un curtcircuit per a la càrrega de sortida. En els reguladors de la sèrie 78XX de potència mitjana i alta, aquesta característica sol ser del tipus de retrocés. La limitació de corrent de retrocés és una condició en què una sobrecàrrega de sortida simplement no respon amb el corrent de sortida a causa d'una limitació automàtica de corrent.

Què és el límit actual de Foldback

La reacció de retrocés d'un circuit limitant de corrent de retrocés es pot veure a la figura següent, que demostra clarament com el corrent de sortida redueix al mínim en condicions de sobrecàrrega fins a menys del 50% del corrent de sortida ideal. La raó principal per utilitzar una limitació de corrent de retrocés és que redueix significativament la dissipació dins del regulador en situacions de curtcircuit.

La resposta limitant actual de replegament es pot entendre a partir de la següent explicació:

Suposem que tenim 7805 IC amb una entrada de 10 V i que experimenta un curtcircuit a través dels seus terminals de sortida. En aquesta situació, sota un tipus normal de corrent, la limitació de la sortida de l'IC continuarà generant corrent d'1 amperi donant una dissipació de 10 watts. Però amb un corrent de retrocés especial que limita el corrent de curtcircuit es pot restringir a uns 400 mA, cosa que provoca una dissipació del dispositiu de només 4 watts.

Funció d’aturada tèrmica

La majoria dels reguladors de tensió monolítics també tenen un circuit de protecció contra apagat tèrmic incorporat. Aquesta funció ajuda a reduir el corrent de sortida en cas que el dispositiu passi per una situació de sobreescalfament.

Com a resultat, aquest tipus de circuits reguladors de tensió són extremadament robusts i no es danyen fàcilment fins i tot quan s’utilitzen incorrectament. Dit això, una forma a través de la qual es podrien destruir és mitjançant l’aplicació d’un voltatge d’alimentació d’entrada elevat que el rang especificat.

Trobareu variacions en les tensions d’entrada màximes tolerables especificades per diferents proveïdors per a aquests circuits integrats del mateix tipus estàndard, tot i que aparentment 25 volts són el rang mínim ofert per a qualsevol dispositiu de 5 volts (7805). Els reguladors de major voltatge poden gestionar un mínim de 30 volts, mentre que per a les varietats de 20 i 24 volts el rang d’entrada és de fins a 40 volts.

Perquè el circuit funcioni correctament, la tensió d'entrada ha de ser superior en 2,5 volts a la tensió de sortida requerida, amb l'excepció del regulador 7805, on la tensió d'entrada se suposa que és més de 2 V per sobre de la sortida de 5 V necessària, el que significa que hauria de ser ser mínim 7 V.

Corrent d'espera sense càrrega

El corrent en repòs o el consum de corrent inactiu d’aquests circuits integrats sense cap càrrega a la sortida pot estar entre 1 i 5 mA, tot i que pot arribar a ser de 10 mA en algunes variants de potència molt elevades.

Regulació de línia i càrrega

La regulació de la línia per a tots els CI de reguladors 78XX és inferior a l’1%. És a dir, la tensió de sortida pot mostrar una variació inferior a l’1% independentment de la variació de la tensió d’entrada del rang màxim i mínim de la tensió d’entrada.

La regulació de la càrrega també és normalment inferior a l’1% per a la majoria d’aquests dispositius. Aquesta característica garanteix que la sortida continuï proporcionant la tensió de sortida constant independentment de les condicions de càrrega de la sortida.

La característica de rebuig de la ondulació per a la majoria d’aquests circuits reguladors IC és a prop de 60 dB juntament amb un nivell de soroll de sortida que pot ser inferior a 100 microvolts.

Dissipació de potència

Quan utilitzeu aquests CI de regulador 78XX, heu de recordar que aquests IC estan classificats per gestionar només una quantitat finita de dissipació de potència. Per tant, sota una càrrega de sortida més alta, la tensió d’entrada mai no s’ha de permetre superar uns volts més alta que el límit màxim d’entrada tolerable.

La dissipació màxima de potència a temperatura ambient normal (25 graus centígrads) per a la gamma de dispositius 78XX de baixa, mitjana i alta potència és de 0,7 watts, 1 watt i 2 watts respectivament.

La limitació anterior es podria millorar significativament fins a 1,7 watts, 5 watts i 15 watts respectivament si els dispositius es munten en un dissipador de calor substancialment gran. La potència dissipada en tots aquests dispositius reguladors és proporcional a la diferència entre les tensions d’entrada i sortida, multiplicada pel corrent de sortida.

Com aplicar el dissipador de calor als circuits integrats 78XX

En aquesta situació, quan el dispositiu està completament carregat a uns 800 mA, la dissipació del dispositiu pot arribar a ser de fins a 4 watts (0,8A x 5V = 4W).

Sembla que és dues vegades més gran que el màxim permès de 2 watts PD per al dispositiu 7815. Això implica que els 2 watts addicionals s'han de compensar mitjançant un dissipador de calor.

Generalment, al mercat hi ha una àmplia selecció de dissipadors de calor, que s’identifiquen amb la qualificació d’un grau / watt concret.

Aquesta valoració indica bàsicament l’augment de temperatura que es produeix per cada watt de potència dissipat a través del dissipador de calor. Això també indica que per a dissipadors de calor més grans, els graus per watt seran proporcionalment més baixos.

La mida més baixa de dissipador de calor necessària per a un dispositiu regulador 78xx es podria determinar de la següent manera.

Hem d’esbrinar principalment la temperatura atmosfèrica nominal on s’utilitza el dispositiu. Excepte si és probable que el dispositiu s’utilitzi en un entorn poc habitual, es pot considerar una suposició raonable d’uns 30 graus centígrads.

Classificació de temperatura segura

A continuació, pot ser essencial conèixer la temperatura màxima de seguretat segura per al CI específic del regulador 78XX. Per als reguladors monolítics 78XX, aquest rang pot estar a 125 graus centígrads. Dit això, en realitat aquesta és la temperatura de la unió i no la temperatura del cas que pot suportar la CI.

La temperatura màxima màxima permesa del cas és d’uns 100 graus centígrads. Per tant, esdevé important no permetre que la temperatura del dispositiu augmenti per sobre dels 70 graus centígrads (100-30 = 70).

Com que una potència de 2 watts pot provocar un augment de la temperatura d’un màxim de 70 graus, un dissipador de calor que es dissiparà de 35 graus centígrads / watt o menys (70 graus dividits per 2 watts = 35 graus C per watt) serà bo suficient.

Pràcticament, s’hauria d’utilitzar un dissipador de calor relativament més gran, ja que la transferència de calor mai és molt eficient en la majoria dels casos.

A més, per obtenir una estabilitat duradora, s’ha d’assegurar que el dispositiu funcioni de manera ideal a una mica per sota de l’interval màxim de temperatura permès.

Si és possible, assegureu-vos un marge raonable de +/- 20 graus o potser més.

Quan el regulador IC està tancat dins d’un contenidor i es cobreix de l’atmosfera lliure, pot provocar l’escalfament de l’aire atrapat al contenidor per la dissipació del regulador. Al seu torn, això pot provocar que les altres parts sensibles del PCB funcionin en condicions més càlides. Aquesta situació pot requerir un dissipador de calor més gran per al regulador IC.

Circuits d'aplicació

A continuació es pot veure un circuit d'aplicació típic d'una font d'alimentació que utilitza un regulador de tensió monolític 78XX de tensió fixa.

En aquest disseny s’utilitza un IC 7815 com a IC regulador que ens proporciona uns +15 volts a una intensitat aproximada de 800 mA.

El transformador utilitzat està qualificat amb 18 -0 - 18V per al secundari amb una potència nominal d’1 amperi.

Està connectat a un rectificador d'ona completa push-pull que proporciona una tensió descarregada d'aproximadament 27 V DC després de filtrar-se per C1.

Els condensadors C2 i C3 funcionen com condensadors de desacoblament d’entrada i sortida que haurien d’estar connectats relativament més a prop del cos de l’IC. Quan la càrrega de sortida estigui plena, veureu la tensió d'entrada aplicada a l'IC1 assolint un nivell de 19 a 20 volts, cosa que permet aproximadament 5 volts de diferència entre l'entrada / sortida del regulador.

Com fer un circuit d'alimentació dual

Atès que es poden comprar reguladors monolítics de tensió fixa 78XX tant en variants negatives com positives, semblen perfectes per implementar-los fonts d'alimentació de doble equilibri .

Quan, per exemple, es necessita un subministrament regulat per operar un circuit basat en amplificador operatiu amb subministraments positius i negatius de 12 volts a 100 mA, es podria aplicar el disseny que es mostra a la figura següent.

En aquest exemple, T1 és un transformador de 15-0-15 volts amb una potència de corrent secundària de 200 mA o més. Podeu trobar un parell de rectificadors d’ona completa push-pull D2 i D3 que us donin una sortida positiva.

D1 juntament amb D4 proporcionen una sortida negativa. El subministrament positiu es filtra amb C1 mentre que la línia negativa es neteja i es filtra amb C2.

IC1 us proporciona una sortida de subministrament positiva regulada, mentre que l'IC2 funciona com un regulador de subministrament negatiu. C3 a C6 es posicionen com condensadors de desacoblament per millorar l'eficiència de sortida en termes de millor resposta a pics, soroll i transitoris.

Tensió de sortida més alta mitjançant circuit regulador de sèrie

La configuració mostrada anteriorment també es podria utilitzar per obtenir valors combinats de voltatge dels dos reguladors. És a dir, si el 79L12 se substitueix per un regulador 78L12, la sortida serà de 24 V.

En aquesta configuració, es pot ignorar la línia 0V i es pot accedir directament a la sortida + 24V a través de les línies positives i negatives de la sortida.

Tensió de sortida més alta mitjançant circuit de díodes en sèrie

En realitat, és molt fàcil obtenir un petit augment de voltatge a la sortida mitjançant un díode rectificador entre el pin de terra del CI i la línia de terra.

Aquest enfocament permet a l’usuari accedir a un nivell de tensió una mica més alt que potser no s’obtindrà directament des de cap dispositiu regulador ja preparat.

La tècnica exacta de cablejat d'aquesta configuració es pot definir a la imatge següent.

En aquest exemple, hem estimat que el voltatge de sortida requerit és d’aproximadament 6 V i l’hem implementat a través d’un regulador IC de 5 volts augmentant la sortida 1 volt.

Com es pot veure, aquesta elevació de 1 V s’aconsegueix eficaçment simplement incorporant un parell de díodes rectificadors de la sèrie amb el cable comú del regulador.

Els rectificadors estan cablejats per assegurar-se que estan esbiaixats cap endavant a través del corrent de repòs utilitzat pel regulador i que es mou a través del terminal GND comú del dispositiu.

Com a resultat, els díodes connectats es comporten una mica com els díodes zener de baixa tensió, en què cada díode cau al voltant de 0,5 a 0,6 volts, cosa que permet un voltatge zener combinat d’entre 1 i 1,2 volts.

L'objectiu del disseny és elevar el terminal comú del regulador en 1 volt sobre el potencial d'alimentació a terra. Aquí el regulador 7805 IC realment estabilitza la sortida nominal a 5 V per sobre de la línia de terra, per tant, elevant el terminal de terra al voltant d’1 V, la sortida també s’eleva amb la mateixa magnitud, fent que la sortida també es reguli a aproximadament Nivell de 6 V. Aquest procediment funciona molt bé amb els tres circuits reguladors de voltatge del terminal 78XX.

Resistència de polarització per als díodes

Tanmateix, en alguns casos, és possible que hagueu de connectar una resistència externa a través del GND i el pin de sortida del CI per ajudar una mica de corrent addicional als díodes, de manera que siguin capaços de conduir de manera òptima per als resultats previstos.

Atès que cada díode rectificador facilitarà una caiguda cap endavant d’uns 0,65 V aproximadament, calculant més díodes d’aquest tipus en sèrie, podrem assolir un nivell proporcionalment superior de tensió augmentada a través de la sortida IC.

Tanmateix, perquè això passi, el nivell d'entrada ha de ser superior, com a mínim, a 3 V que el nivell de sortida estimat final. Els díodes de silici com l'1N4148 funcionaran molt bé per a l'aplicació.

Alternativament, si els díodes semblen molestos, també es podria utilitzar un únic díode zener equivalent per obtenir el mateix efecte, com es mostra a l'exemple següent.

Dit això, assegureu-vos que el procediment estigui implementat per obtenir un màxim de 3 V superior a la qualificació real del dispositiu. Més enllà d’aquest nivell, l’estabilització de la producció es pot veure afectada.

Augment de la capacitat actual

Es podria implementar una altra gran modificació d'un regulador 78XX per aconseguir un augment de corrent de sortida superior a la qualificació màxima del dispositiu.

A continuació es mostra un mètode per fer-ho.

La relació de configuració R1 i R2 indicada assegura que per a cada corrent de miliamp que passa per R1, D1 i el regulador, es canvia una mica de corrent superior a 4 mA mitjançant Tr1 i R2.

Com a resultat, quan s’utilitza l’ampli complet a través d’IC1, tenim un corrent de més de 4 amperes que passa per Tr1. Aquesta situació permet al circuit proporcionar una intensitat de sortida òptima que és una mica superior a 5 amperes.

Fins i tot en condicions de sobrecàrrega, els corrents a través de Tr1 i IC1 continuen tenint una proporció una mica superior a 4: 1, per tant, la característica limitant actual de l’IC continua funcionant sense problemes.

Actualment, els circuits d'aquesta forma han demostrat ser innecessaris a causa de la disponibilitat de dispositius reguladors de potència més elevats com el 78H05, el 781-112, etc., que vénen amb una potència màxima de 5 amperes, i permeten a l'usuari configurar-los exactament amb la mateixa facilitat que els equivalents de corrent inferior.