3 Klemmen-Festspannungsregler - Arbeits- und Anwendungsschaltungen

Die heute verfügbaren beliebten 3-poligen Festregler sind IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 und IC 7824, die Festspannungsausgängen von 5 V, 9 V, 12 V, 15 V und 24 V entsprechen .

Diese werden als fest bezeichnet Spannungsregler da diese ICs in der Lage sind, ausgezeichnete stabilisierte feste DC-Ausgangsspannungen als Reaktion auf eine viel höhere ungeregelte DC-Eingangsspannung zu erzeugen.

Diese monolithischen High-End-Spannungsregler können heutzutage sehr billig gekauft werden, was normalerweise weniger kostspielig und im Vergleich zum Bauen weniger kompliziert zu handhaben ist diskrete Reglerschaltung Äquivalente.

Diese 3-poligen Regler sind unglaublich einfach zu verdrahten, wie im folgenden Schaltplan zu sehen ist, der die Standardmethode demonstriert, mit der diese ICs implementiert werden.

Die drei Anschlüsse des IC sind aus offensichtlichen Gründen mit den Namen gekennzeichnet Eingabe, gemeinsame und Ausgabe .

Die positive und negative Versorgung werden einfach über die Eingangs- und gemeinsamen Anschlüsse des IC angeschlossen, während die geregelte stabilisierte Spannung über den Ausgang und die gemeinsamen Anschlüsse erfasst wird.

Der einzige diskrete externe Teil, der optional benötigt wird, ist ein Kondensator an den Eingangs- und Ausgangsleitungen des IC. Diese Kondensatoren sind erforderlich, um den Pegel der Ausgangsregelung des Geräts zu verbessern und das Einschwingverhalten zu verbessern. Die Mikrofaradwerte dieser Kondensatoren sind im Allgemeinen nicht kritisch und liegen daher normalerweise zwischen 100 nf, 220 nf oder 330 nf.

Arten von Reglern der 78XX-Serie

Das beliebteste und am weitesten verbreitete Arten von Festspannung Monolithische Spannungsregler sind die positiven Regler der 78XX-Serie und die negativen Regler der 79XX-Serie.

Diese werden mit 3 Ausgangsstromspezifikationen gefunden. Sie bieten Ihnen 9 positive Typen und neun 9 negative Variantentypen, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.

Diese ICs der 78XX-Serie verfügen über zusätzliche Nennspannungen in positiver und negativer Form. Standardbereiche für diese 78XX-Regler sind 8 V, 9 V, 10 V, 18 V, 20 V und 24 V, die den ICs 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824 entsprechen.

Viele dieser Geräte tragen je nach Hersteller oder Markentyp Suffixzeichen oder -abbildungen mit ihrer gedruckten Nummer.

Alle sind jedoch im Wesentlichen gleich bei identischer Bewertung. Einige Teilehändler bewerben diese ICs nicht nach Typennummer, sondern weisen lediglich auf ihre Polarität, Spannungs- und Stromspezifikationen und gelegentlich auf ihren Gehäusestil hin.

Haupteigenschaften

Diese ICs verfügen über eine eingebaute Strombegrenzung und einen Kurzschlussschutz für die Ausgangslast. Bei Reglern der 78XX-Serie mittlerer und hoher Leistung ist diese Funktion im Allgemeinen vom Foldback-Typ. Die Foldback-Strombegrenzung ist ein Zustand, in dem eine Ausgangsüberlastung aufgrund einer automatischen Strombegrenzung einfach nicht vom Ausgangsstrom beantwortet wird.

Was ist die Foldback-Strombegrenzung?

Die Foldback-Reaktion einer Foldback-Strombegrenzungsschaltung ist in der folgenden Abbildung zu sehen, die deutlich zeigt, wie der Ausgangsstrom unter Überlastbedingungen auf typischerweise weniger als 50% des idealen Ausgangsstroms minimiert wird. Der Hauptgrund für die Verwendung der Foldback-Strombegrenzung besteht darin, dass sie die Verlustleistung innerhalb des Reglers unter Kurzschlusssituationen erheblich verringert.

Die Rücklaufstrombegrenzungsantwort kann aus der folgenden Erklärung verstanden werden:

Angenommen, wir haben einen 7805-IC mit einem 10-V-Eingang und er hat einen Kurzschluss an seinen Ausgangsanschlüssen. In dieser Situation wird unter normalen Strombegrenzungen der Ausgang des IC weiterhin 1 Ampere Strom erzeugen, was eine Verlustleistung von 10 Watt ergibt. Bei einer speziellen Begrenzung des Rückklappstroms kann der Kurzschlussstrom jedoch auf etwa 400 mA begrenzt werden, was zu einer Verlustleistung von nur 4 Watt im Gerät führt.

Thermische Abschaltfunktion

Die meisten monolithischen Spannungsregler verfügen ebenfalls über eine eingebaute Schutzschaltung für die thermische Abschaltung. Diese Funktion hilft, den Ausgangsstrom zu reduzieren, falls das Gerät eine Überhitzungssituation durchläuft.

Diese Arten von Spannungsregler-ICs sind daher äußerst robust und können auch bei unsachgemäßer Verwendung nicht leicht beschädigt werden. Eine Möglichkeit, sie zu zerstören, besteht darin, eine höhere Eingangsversorgungsspannung als den angegebenen Bereich anzulegen.

Sie werden Variationen in den maximal tolerierbaren Eingangsspannungen finden, die von verschiedenen Anbietern für diese ICs des identischen Standardtyps angegeben wurden, obwohl 25 Volt anscheinend der minimal angebotene Bereich für jedes 5-Volt-Gerät (7805) ist. Größere Spannungsregler können mindestens 30 Volt verarbeiten, während bei 20- und 24-Volt-Varianten der Eingangsbereich bis zu 40 Volt beträgt.

Damit die Schaltung ordnungsgemäß funktioniert, muss die Eingangsspannung um 2,5 Volt höher sein als die erforderliche Ausgangsspannung, mit Ausnahme des 7805-Reglers, bei dem die Eingangsspannung nur etwas mehr als 2 V über dem erforderlichen 5-V-Ausgang liegen soll mindestens 7 V sein.

Standby-Strom ohne Last

Der Ruhestrom oder die Leerlaufstromaufnahme dieser ICs ohne Last am Ausgang kann zwischen 1 und 5 mA liegen, obwohl dies in einigen Varianten mit sehr hoher Leistung bis zu 10 mA betragen kann.

Leitungs- und Lastregelung

Die Leitungsregelung für alle 78XX-Regler-ICs ist kleiner als 1%. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung unabhängig von der Änderung der Eingangsspannung vom maximalen und minimalen Eingangsspannungsbereich eine Abweichung von weniger als 1% aufweisen kann.

Die Lastregelung liegt bei den meisten dieser Geräte normalerweise unter 1%. Diese Funktion stellt sicher, dass der Ausgang unabhängig von den Ausgangslastbedingungen weiterhin die konstante Nennausgangsspannung liefert.

Die Welligkeitsunterdrückungsfunktion für die meisten dieser Regler-ICs liegt in der Nähe von 60 dB zusammen mit einem Ausgangsrauschpegel, der niedriger als 100 Mikrovolt sein kann.

Energieverschwendung

Wenn Sie diese 78XX-Regler-ICs verwenden, müssen Sie berücksichtigen, dass diese ICs nur für eine begrenzte Verlustleistung ausgelegt sind. Daher sollte unter der höchsten Ausgangslast die Eingangsspannung niemals einige Volt höher als die maximal tolerierbare Eingangsgrenze überschreiten dürfen.

Die maximale Verlustleistung bei normaler Raumtemperatur (25 Grad Celsius) für die 78XX-Gerätebereiche mit niedriger, mittlerer und hoher Leistung beträgt 0,7 Watt, 1 Watt bzw. 2 Watt.

Die obige Einschränkung könnte signifikant auf 1,7 Watt, 5 Watt bzw. 15 Watt verbessert werden, wenn die Geräte auf einem wesentlich großen Kühlkörper montiert sind. Die in all diesen Reglern verbrauchte Leistung ist proportional zur Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, multipliziert mit dem Ausgangsstrom.

So wenden Sie einen Kühlkörper auf 78XX-ICs an

In dieser Situation, wenn das Gerät mit etwa 800 mA voll beladen ist, kann die Verlustleistung vom Gerät bis zu 4 Watt betragen (0,8 A x 5 V = 4 W).

Dies scheint zweimal mehr als die maximal zulässige PD von 2 Watt für das 7815-Gerät zu sein. Dies bedeutet, dass die zusätzlichen 2 Watt durch einen Kühlkörper ausgeglichen werden müssen.

Auf dem Markt ist im Allgemeinen eine breite Auswahl an Kühlkörpern erhältlich, die mit einer Leistung von einem bestimmten Grad / Watt gekennzeichnet sind.

Diese Bewertung gibt im Wesentlichen den Temperaturanstieg an, der für jedes einzelne Watt Leistung verursacht wird, das über den Kühlkörper abgegeben wird. Dies zeigt auch an, dass bei größeren Kühlkörpern die Grad pro Watt proportional niedriger sind.

Die niedrigste Kühlkörpergröße, die für ein 78xx-Reglergerät erforderlich ist, kann auf folgende Weise bestimmt werden.

Wir müssen in erster Linie die nominelle atmosphärische Temperatur ermitteln, bei der das Gerät verwendet wird. Außer wenn das Gerät wahrscheinlich in einer ungewöhnlich warmen Umgebung verwendet wird, kann eine Zahl von etwa 30 Grad Celsius als vernünftige Annahme angesehen werden.

Sichere Temperaturbewertung

Als nächstes kann es wichtig sein, die maximale sichere Temperaturbewertung für den spezifischen 78XX-Regler-IC zu ermitteln. Bei monolithischen 78XX-Reglern kann dieser Bereich bei 125 Grad Celsius liegen. Dies ist jedoch tatsächlich die Sperrschichttemperatur und nicht die Gehäusetemperatur, der der IC standhalten kann.

Die absolut maximal zulässige Gehäusetemperatur liegt bei ca. 100 Grad Celsius. Daher ist es wichtig, dass die Gerätetemperatur nicht über 70 Grad Celsius (100 - 30 = 70) steigt.

Da eine Leistung von 2 Watt zu einem Temperaturanstieg von maximal 70 Grad führen kann, ist ein Kühlkörper mit einer Verlustleistung von 35 Grad Celsius / Watt oder weniger (70 Grad geteilt durch 2 Watt = 35 Grad C pro Watt) gut genug.

In der Praxis sollte ein relativ größerer Kühlkörper verwendet werden, da die Wärmeübertragung in den meisten Fällen nie sehr effizient ist.

Um eine dauerhafte Stabilität zu erreichen, muss außerdem sichergestellt sein, dass das Gerät idealerweise etwas unterhalb des maximal zulässigen Nenntemperaturbereichs betrieben wird.

Wenn möglich, sorgen Sie für einen angemessenen Spielraum von +/- 20 Grad oder mehr.

Wenn der Regler-IC in einem Behälter eingeschlossen und von der freien Atmosphäre abgedeckt ist, kann sich die im Behälter eingeschlossene Luft durch die Verlustleistung des Reglers erwärmen. Dies kann wiederum dazu führen, dass die anderen empfindlichen Teile auf der Leiterplatte unter wärmeren Bedingungen arbeiten. Eine solche Situation könnte einen größeren Kühlkörper für den Regler-IC erfordern.

Anwendungsschaltungen

Eine typische Anwendungsschaltung einer Stromversorgung unter Verwendung eines monolithischen Spannungsreglers 78XX mit fester Spannung ist unten zu sehen.

Bei dieser Konstruktion wird ein 7815-IC als Regler-IC verwendet, der uns mit ca. +15 Volt bei ca. 800 mA Strom versorgt.

Der verwendete Transformator hat eine Nennspannung von 18 - 0 - 18 V für die Sekundärwicklung mit einer Nennstromstärke von 1 Ampere.

Es ist mit einem Gegentakt-Vollweggleichrichter verbunden, der nach dem Filtern durch C1 eine unbelastete Spannung von etwa 27 V DC liefert.

Die Kondensatoren C2 und C3 arbeiten wie Eingangs- und Ausgangsentkopplungskondensatoren, die relativ näher am Gehäuse des IC angebracht werden sollten. Wenn die Ausgangslast voll ist, wird die an den IC1 angelegte Eingangsspannung einen Pegel von 19 bis 20 Volt erreichen, wodurch eine Differenz von ungefähr 5 Volt über den Eingang / Ausgang des Reglers zugelassen wird.

So stellen Sie einen doppelten Stromversorgungskreis her

Da monolithische 78XX-Regler mit fester Spannung sowohl in negativer als auch in positiver Variante erhältlich sind, scheinen sie perfekt für die Implementierung zu sein zwei symmetrische Netzteile .

Wenn zum Beispiel eine geregelte Versorgung zum Betrieb eines benötigt wird Operationsverstärker-basierte Schaltung Bei positiven und negativen Versorgungen von 12 Volt bei 100 mA könnte das in der folgenden Abbildung gezeigte Design angewendet werden.

In diesem Beispiel ist T1 ein 15-0-15-Volt-Transformator mit einem Sekundärstrom von 200 mA oder mehr. Sie finden einige Push-Pull-Vollweggleichrichter D2 und D3, die Ihnen einen positiven Ausgang geben.

D1 liefert zusammen mit D4 einen negativen Ausgang. Die positive Versorgung wird von C1 gefiltert, während die negative Leitung von C2 gereinigt und gefiltert wird.

IC1 gibt Ihnen einen geregelten positiven Versorgungsausgang, während der IC2 wie ein negativer Versorgungsregler arbeitet. C3 bis C6 sind wie Entkopplungskondensatoren positioniert, um die Ausgangseffizienz im Hinblick auf eine bessere Reaktion auf Spitzen, Rauschen und Transienten zu verbessern.

Höhere Ausgangsspannung mit Serienreglerschaltung

Die oben gezeigte Konfiguration könnte auch verwendet werden, um kombinierte Spannungswerte der beiden Regler zu erhalten. Das heißt, wenn der 79L12 durch einen 78L12-Regler ersetzt wird, kann der Ausgang 24 V betragen.

In einer solchen Konfiguration kann die 0-V-Leitung ignoriert werden, und auf den + 24-V-Ausgang kann direkt über die positiven und negativen Leitungen des Ausgangs zugegriffen werden.

Höhere Ausgangsspannung mit Series Diode Circuit

Es ist tatsächlich sehr einfach, eine kleine Spannungsverstärkung am Ausgang zu erhalten, indem eine Gleichrichterdiode zwischen dem Erdungsstift des IC und der Erdungsleitung verwendet wird.

Dieser Ansatz ermöglicht es dem Benutzer, auf einen etwas höheren Spannungspegel zuzugreifen, der möglicherweise nicht direkt von einem vorgefertigten Regler erhalten wird.

Die genaue Art der Verkabelung dieser Konfiguration kann in der folgenden Abbildung dargestellt werden.

In diesem Beispiel haben wir die erforderliche Ausgangsspannung auf ungefähr 6 V geschätzt und diese durch einen 5-Volt-Regler-IC implementiert, indem der Ausgang um 1 Volt erhöht wurde.

Wie zu sehen ist, wird diese 1-V-Erhöhung effektiv erreicht, indem einfach ein paar Reihengleichrichterdioden in die gemeinsame Leitung des Reglers eingebaut werden.

Die Gleichrichter sind verdrahtet, um sicherzustellen, dass sie durch den vom Regler verwendeten Ruhestrom in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind und sich über den gemeinsamen GND-Anschluss des Geräts bewegen.

Infolgedessen verhalten sich die angeschlossenen Dioden etwas wie Niederspannungs-Zenerdioden, wobei jede Diode um 0,5 bis 0,6 Volt abfällt, was eine kombinierte Zenerspannung von etwa 1 bis 1,2 Volt ermöglicht.

Ziel des Entwurfs ist es, den gemeinsamen Anschluss des Reglers um 1 Volt über das Erdungspotential anzuheben. Hier stabilisiert der IC des Reglers 7805 den Nennausgang tatsächlich bei 5 V über der Erdungsleitung. Durch Anheben des Erdungsanschlusses um etwa 1 V wird der Ausgang ebenfalls um die gleiche Größe angehoben, wodurch der Ausgang ebenfalls auf ungefähr geregelt wird 6 V Pegel. Dieses Verfahren funktioniert sehr gut mit allen drei Spannungsregler-ICs der Klemme 78XX.

Vorspannungswiderstand für die Dioden

In einigen Fällen müssen Sie jedoch möglicherweise einen externen Widerstand über den GND und den Ausgangspin des IC anschließen, um den Dioden etwas mehr Strom zuzuführen, damit sie für die beabsichtigten Ergebnisse optimal leiten können.

Da jede Gleichrichterdiode einen Durchlassabfall von ungefähr 0,65 V ermöglicht, können wir durch Berechnen von mehr solcher Dioden in Reihe einen proportional höheren Pegel der verstärkten Spannung über dem IC-Ausgang erreichen.

Dazu muss der Eingangspegel jedoch um mindestens 3 V höher sein als der endgültige geschätzte Ausgangspegel. Siliziumdioden wie 1N4148 eignen sich sehr gut für die Anwendung.

Wenn Dioden umständlich aussehen, kann alternativ auch eine einzelne äquivalente Zenerdiode verwendet werden, um den gleichen Effekt zu erzielen, wie im folgenden Beispiel gezeigt.

Stellen Sie jedoch sicher, dass das Verfahren so implementiert ist, dass nicht mehr als 3 V über der tatsächlichen Nennleistung des Geräts liegen. Jenseits dieses Niveaus kann die Ausgangsstabilisierung beeinträchtigt werden.

Aktuelle Kapazität erhöhen

Eine weitere großartige Modifikation eines 78XX-Reglers könnte implementiert werden, um einen erhöhten Ausgangsstrom zu erzielen, der über der maximalen Nennleistung des Geräts liegt.

Eine Methode hierfür ist unten dargestellt.

Das angegebene Konfigurationsverhältnis von R1 und R2 stellt sicher, dass für jeden Milliamperestrom, der durch R1, D1 und den Regler fließt, ein Bitstrom von mehr als 4 mA über Tr1 und R2 verschoben wird.

Wenn der volle 1 Ampere über IC1 verwendet wird, fließt über Tr1 ein Strom von mehr als 4 Ampere. Diese Situation ermöglicht es der Schaltung, einen optimalen Ausgangsstrom zu liefern, der etwas höher als 5 Ampere ist.

Selbst unter Überlastbedingungen haben die Ströme durch Tr1 und IC1 weiterhin ein Verhältnis von etwas mehr als 4: 1, daher funktioniert das Strombegrenzungsmerkmal des IC weiterhin ohne Probleme.

Schaltungen dieser Form haben sich heutzutage aufgrund der Verfügbarkeit von tatsächlich als unnötig erwiesen Geräte mit höheren Leistungsreglern wie die 78H05, 781-112 usw., die mit einer maximalen Stromstärke von 5 Ampere ausgestattet sind und es dem Benutzer ermöglichen, sie genau so einfach zu konfigurieren wie die Gegenstücke mit niedrigerem Strom.