Geïntegreerde spanningsregelaars 1
Sinds geruime tijd bestaat de mo gelijkheid om spanningsstabilisatoren, in plaats van met diskrete komponenten, op te bouwen met behulp van geintegreerde spanningsregelaars. De bouw van een voedingsapparaat wordt daarmee aanzienlijk vereenvoudigd, terwijl toepassing van dergelijke IC's meestal ook een financiële besparing oplevert.
In dit artikel wordt een beschrijving gegeven van het principe waarop de werking van deze geïntegreerde spanningsregelaars berust. Voorts worden een aantal richtlijnen gegeven voor de praktische toepassing van deze IC's, terwijl het geheel wordt gekompleteerd door enkele tabellen met de belangrijkste technische gegevens.
Bij praktisch alle geintegreerde spanningsregelaars wordt gebruik gemaakt van hetzelfde principe dat ook bij diskreet opgebouwde schakelingen wordt toegepast. Figuur 1 geeft hiervan een schematische voorstelling. Een verschilversterker (2) vergelijkt de uitgangsspanning (of een gedeelte daarvan) met een stabiele referentiespanning (1); de hoogte van de uitgangsspanning van de verschilversterker vormt daardoor de benodigde informatie over mogelijke verschillen tussen de ingestelde en de werkelijke spanning. De uitgangsspanning van de verschilversterker stuurt vervolgens een regelversterker (3). Dit gebeurt zodanig dat schommelingen in de uitgangsspanning volledig worden gekompenseerd en eventuele variaties van de ingangsspanning geen invloed hebben op de uitgangsspanning. De vermogenstransistor aan de uitgang van de regelversterker doet in feite dienst als variabele serieweerstand in de stroomkring van de schakeling die gevoed wordt; in figuur 1 is dat dan ook gestippeld aangegeven.
Figuur 1. In principe bevat een geintegreerde spanningsregelaar een stabiele referentie-spanningsbron, een verschilversterker en een regelversterker.
Omdat de serietransistor in bepaalde gevallen (overbelasting of kortsluiting in de belasting RL) nogal wat vermogen moet dissiperen, zijn in het regelcircuit meestal ook nog beveiligingsschakelingen opgenomen. Deze beschermen het IC tegen thermische overbelasting en begrenzen de uitgangsstroom op een veilige waarde.
Verschillende tipen
Bij geïntegreerde spanningsregelaars kunnen ruwweg twee hoofdtipen worden onderscheiden; IC's waarbij door variatie van de eksterre komponenten verschillende uitgangsspanningen mogelijk zijn en eksemplaren die intern op een vaste uitgangsspanning zijn ingesteld. Bij de eerstgenoemde tipen ligt (afhankelijk van de uitvoering) de uitgangsstroom tussen 25 mA en 150 mA, terwijl bij de IC's met een vaste uitgangsspanning de kleinste tipen al 100 mA tot 130 mA en de 'zwaardere' tipen zelfs 1,3 A en meer kunnen leveren. Bij beide tipen kan de uitgangsstroom worden verhoogd door toevoeging van een ekstra vermogenstransistor.
Voorts zijn er tipen die een positieve uitgangsspanning leveren en tipen met een negatieve uitgangsspanning. Bovendien zijn er spanningsregelaars die zowel een positieve als negatieve uitgangsspanning leveren, hetgeen bijvoorbeeld van pas kan komen wanneer opamps of versterkers simmetrisch gevoed moeten worden.
De uitgangsspanning van de vast-ingestelde spanningsregelaars is door middel van een foefje toch binnen bepaalde grenzen te variëren. Hierop zal nog worden terug gekomen.
723
Het IC 723, dat door praktisch alle bekende fabrikanten van IC's wordt geleverd, is een bizonder universele spanningsregelaar die legio toepassingen mogelijk maakt. Figuur 2 geeft het inwendig schema van dit IC en tevens de aansluitingen van de beide gangbare behuizingen.
Figuur 2. Het inwendig schema van de 723 en de aansluitingen van de beide gangbare behuizingen. De pennummers tussen haakjes in het schema slaan op de DIL-behuizing.
In het schema zijn van links naar rechts te onderscheiden: de inwendige spanningsstabilisatie met D1, de gestabiliseerde referentie-spanningsbron met D2, de verschilversterker (T11, T12) en de regelversterker T14 samen met de eindtrap T15. Transistor 116 zorgt voor begrenzing van de uitgangsstroom. Tussen de basis en de emitter van deze transistor wordt een eksterne weerstand aangebracht, waarvan de waarde bepalend is voor het begrenzingsnivo.
In de DIL-uitvoering van de 723 is aan de uitgang nog een ekstra zenerdiode (D3) aangebracht; bij de metalen uitvoering moet deze zever, indien nodig, dus ekstern worden toegevoegd. De tussen haakjes geplaatste nummers van de aan-sluitpennen in figuur 2 betreffen de DIL-behuizing.
De absolute maksimum-waarden van de 723C zijn vermeld in tabel 1, terwijl in tabel 2 de belangrijkste technische gegevens zijn samengevat. Opmerkelijk is de hoge stabiliteit van de uitgangsspanning alsmede de uitstekende bromonderdrukking van 74dB; laatstgenoemde waarde is door bepaalde maatregelen (die nog zullen worden besproken) zelfs te verbeteren tot 86 dB. Soortgelijke, gedeeltelijk zelfs nog betere, specifikaties worden geboden door het IC NE 550 van Signetics; de prijs van dit IC is echter ook wat hoger.
| Maksimale ingangsspanning | 40 V |
| Maksimaal spanningsverschil tussen in- en uitgang | 40 V |
| Maksimale differentiële ingangsspanning (tussen aansluitingen 3(5) en 2(4)) | 5 V |
| Maksimale spanning tussen niet-inverterende ingang en -U | +8 V |
| Maksimale stroom referentie-zener | 15 mA |
| Maksimale stroom uitgang-zener | 25 mA |
| Maksimale dissipatie metalen behuizing | 800 mw |
| Maksimale dissipatie DIL-behuizing | 1000 mW |
| Temperatuurbereik 723 C | 0 °C ... +70 °C |
| Min | Typ | Maks. | ||
|---|---|---|---|---|
| Ingangsspanningsbereik Uin | 9,5 | 40 | V | |
| Uitgangsspanningsbereik Uuit | 2,0 | 37 | V | |
| Verschil tussen in- en uitgangsspanning, Uin - Uuit | 3,0 | 38 | V | |
| Referentiespanning; Uref | 6,80 | 7,15 | 7,50 | V |
| Opgenomen stroom bij IL = 0, Uin = 30 V | 2,3 | 4,0 | mA | |
| Ruis aan de uitgang (f = 100 Hz ... 10 kHz) C1 = 0 ueff C1 = 5 µF ueff | ||||
| 20 | µV | |||
| 2,5 | µV | |||
| Gemiddelde temperatuurcoëfficiënt van de uitgangsspanning TA 0 °C ... +75 °C | 0,003 | 0,015 | %/°C | |
| Uitgangsspanningsvariaties bij TA = 25 °C en 12 V < Uin < 15 V 12 V < Uin < 40 V | ||||
| 0,01 | 0,1 | %Uuit | ||
| 0,1 | 0,5 | %Uuit | ||
| Uitgangsstroom ΔIL = 1,0 mA ... 50mA | 0,1 | 0,5 | %Uuit | |
| Bromonderdrukking (f = 50 Hz ... 10 kHz) C1 = 0 C1 = 5 µF | ||||
| 74 | dB | |||
| 86 | dB | |||
Basisschakelingen met de 723
Wanneer geen hogere stromen dan 100mA (maks. 130mA) worden verlangd, dan is er geen ekstra vermogenstransistor nodig. Omdat de referentiespanning een tipische waarde heeft van 7,15 V (6,80 - 7,50 V), zijn er twee verschillende basisschakelingen; een voor uitgangsspanningen lager dan 7 V (figuur 3), en een voor uitgangsspanningen van 7 ... 37 V (figuur 5).
Figuur 3. Basisschakeling met de 723 voor uitgangsspanningen tussen +2 V en +7 V. De referentiespanning wordt hierbij gedeeld tot de waarde van de uitgangsspanning.
Met de in figuur 3 afgebeelde schakeling zijn, bij een juiste dimensionering van R1 en R2 , vaste uitgangsspanningen mogelijk tussen +2 V en +7 V. De weerstanden R1 en R2 vormen een spanningsdeler waarmee de referentiespanning op de gewenste waarde wordt gebracht. Bij een bepaalde uitgangsspanning geldt voor de dimensionering van de spanningsdeler de volgende formule:
Hierbij moet voor de referentiespanning 7,15 V worden aangehouden en moet worden gerekend met een stroom van 1 mA door de spanningsdeler.
In tabel 3 en 4 zijn de waarden van R1 en R2 aangegeven voor verschillende ingangsspanningen en polariteiten. In deze tabellen is tevens aangegeven voor welke schakeling een bepaalde dimensionering geldt. Het blijkt dat de tabellen voor R1 en R2 vaak 'rare' waarden voorschrijven, die alleen door serie- of parallelschakeling van verschillende weerstanden kunnen worden verkregen. In figuur 3 is de oplossing daarvoor reeds aangegeven, omdat daar de beide vaste weerstanden zijn vervangen door de kombinatie R1, P en R2 ; daardoor kunnen weerstanden uit de E-reeks worden gebruikt en is de uitgangsspanning enigszins (± 10%) instelbaar. In de tabellen zijn ook hiervoor de weerstandswaarden aangegeven.
| Uuit (V) | Uuit vast ± 5% | Uuit instelbaar ± 10% | toepasbaar bij figuur | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| R1 | R2 | R1 | P | R2 | ||
| + 3.0 | 4.12 | 3.01 | 1.8 | 0.5 | 1.2 | 3; 7; 12 (13) |
| + 3.6 | 3.57 | 3.65 | 1.5 | 0.5 | 1.5 | 3; 7; 12 (13) |
| + 5.0 | 2.15 | 4.99 | 0.75 | 0.5 | 2.2 | 3; 7; 12 (13) |
| + 6.0 | 1.15 | 6.04 | 0.5 | 0.5 | 2.7 | 3; 7; 12 (13) |
| + 9.0 | 1.87 | 7.15 | 0.75 | 1.0 | 2.7 | 5; 6; 8 (13) |
| + 12 | 4.87 | 7.15 | 2.0 | 1.0 | 3.0 | 5; 6; 8 (13) |
| + 15 | 7.87 | 7.15 | 3.3 | 1.0 | 3.0 | 5; 6; 8 (13) |
| + 28 | 21.0 | 7.15 | 5.6 | 1.0 | 2.0 | 5; 6; 8 (13) |
| + 45 | 3.57 | 48.7 | 2.2 | 10 | 39 | 10 |
| + 75 | 3.57 | 78.7 | 2.2 | 10 | 68 | 10 |
| +100 | 3.57 | 102 | 2.2 | 10 | 91 | 10 |
| +250 | 3,57 | 255 | 2.2 | 10 | 240 | 10 |
| alle weerstanden in kΩ | ||||||
| Uuit (V) | Uuit vast ± 5% | Uuit instelbaar ± 10% | toepasbaar bij figuur | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| R1 | R2 | R1 | P | R2 | ||
| - 6 | 3.57 | 2.43 | 1.2 | 0.5 | 0.75 | 9 |
| - 9 | 3.48 | 5.36 | 1.2 | 0.5 | 2.0 | 9 |
| - 12 | 3.57 | 8.45 | 1.2 | 0.5 | 3.3 | 9 |
| - 15 | 3.65 | 11.5 | 1.2 | 0.5 | 4.3 | 9 |
| - 28 | 3.57 | 24.3 | 1.2 | 0.5 | 10 | 9 |
| - 45 | 3.57 | 41.2 | 2.2 | 10 | 33 | 11 |
| -100 | 3.57 | 97.6 | 2.2 | 10 | 91 | 11 |
| -250 | 3.57 | 249 | 2.2 | 10 | 240 | 11 |
| alle weerstanden in kΩ | ||||||
Kondensator C1 elimineert de door de zenerdiode geproduceerde ruis grotendeels; een waarde van 4,7 µF is voldoende, ofschoon een hogere waarde geen kwaad kan. Praktisch alle fabrikanten bevelen voor C1 en C3 het gebruik van tantaalelko's aan. Hoewel de toevoeging van C3 niet per se noodzakelijk is, wordt de stabiliteit en vooral de bromonderdrukking er aanzienlijk door verbeterd. Met behulp van een oscilloskoop is het verschil tenminste zeer duidelijk waarneembaar.
De waarde van de weerstand R3 is van invloed op het temperatuurgedrag van de schakeling. De temperatuurdrift is het geringste als voor de dimensionering de volgende formule in acht wordt genomen:
De met Rs gemerkte weerstand is bepalend voor het stroombegrenzingsnivo; de waarde kan worden berekend aan de hand van de volgende formule:
In deze formule stelt het getal 0,7 de basis-emitter-spanning voor van T16 (uit figuur 2) en wordt met Ilimit de uitgangsstroom bedoeld waarbij de begrenzing dient te beginnen. De grafiek van figuur 4 toont duidelijk dat bij een hogere omgevingstemperatuur de stroombegrenzing eerder begint te werken, hetgeen binnen bepaalde grenzen dus tevens een beveiliging tegen thermische overbelasting betekent. Desondanks is het aan te bevelen om het IC van een koellichaam te voorzien, vooral wanneer de stroom tijdens het gebruik voortdurend rond het maksimum ligt.
Figuur 4. Stroombegrenzingskurven bij verschillende temperaturen.
+7 V ... +37 V
Wanneer een vaste uitgangsspanning tussen +7 V en +37 V nodig is, moet de basisschakeling volgens figuur 5 worden gebruikt.
Figuur 5. Basisschakeling voor uitgangsspanningen tussen +7 V en +37 V. Bij deze schakeling wordt de uitgangsspanning gedeeld tot op het nivo van de referentiespanning.
De referentiespanning hoeft in dit geval niet te worden gedeeld en wordt daarom in zijn geheel via R3 aan de niet-inverterende ingang van de verschilversterker toegevoerd. De met R1 en R2 opgebouwde spanningsdeler dient nu om een deel van de uitgangsspanning (ter grote van de referentiespanning) af te nemen, waarna deze spanning naar de inverterende ingang van de verschilversterker wordt geleid. Voor de berekening van de uitgangsspanning geldt bij deze schakeling het volgende:
Voor de verdere dimensionering geldt uiteraard hetzelfde als voor de schakeling van figuur 3. Ook bij deze schakeling verdient de konstruktie van de spanningsdeler met R1, P en R2 de voorkeur. De komponentenwaarden voor de spanningsdeler zijn in tabel 3 terug te vinden.
Hogere uitgangsstroom
Als het stroomverbruik van het te voeden apparaat meer dan 130 ... 150mA bedraagt, kan op eenvoudige wijze een eksterne vermogenstransistor aan de spanningsregelaar worden toegevoegd. In figuur 6 is een voorbeeld van een voeding met een uitgangsspanning van 15 V die een stroom van maksimaal 2 A kan leveren. Duidelijk blijkt dat, behalve de vermogenstransistor (2N3055), hiervoor geen ekstra komponenten nodig zijn. Wanneer men de schakeling van figuur 6 vergelijkt met het inwendig schema van de 723 (figuur 2), dan ziet men dat achter de uitgangstransistor van het IC simpelweg een power-emittervolger is geplaatst. Als de 2N3055 wordt vervangen door een darlington-transistor (bijv. TIP 140) zijn uitgangsstromen tot 10 A mogelijk; wanneer de maksimum stroom niet hoger is dan 1 A, kan met bijv. een BD 241 worden volstaan. Het spreekt vanzelf dat er wel voor voldoende koeling voor de vermogenstransistor dient te worden gezorgd.
Figuur 6. Door toevoeging van een eksterne vermogenstransistor kan de uitgangsstroom worden verhoogd.
Om een hogere uitgangsstroom te krijgen kan als eksterne transistor ook een pnp-tipe worden toegepast. Figuur 7 geeft een voorbeeld van een dergelijke schakeling. Deze voeding levert een gestabiliseerde uitgangsspanning van +5 V, bij een maksimum stroom van ca. 1 A. Ingangsspanningsvariaties van 3 V hebben schommelingen in de uitgangsspanning van slechts 0,5mV (!) tot gevolg, terwijl belastingsvariaties tussen nul en de maksimale stroom (1 A) aan de uitgang schommelingen veroorzaken van maksimaal 5mV; een afdoende bewijs van de uitstekende stabiliserende eigenschappen van de 723.
Figuur 7. Schakeling voor een uitgangsspanning van +5 V, waarbij een pnp-vermogenstransistor is gebruikt om een maksimum stroom van 1 A te verkrijgen.
Dezelfde goede eigenschappen biedt de 12 V-voeding die in figuur 8 is afgebeeld. Ook hier zorgt een eksterre transistor BD 242 voor een maksimale stroom van 1 A.
Figuur 8. 12 V-voeding met een eksterne pnp-vermogenstransistor.
Negatieve uitgangsspanning
In sommige gevallen is een voeding nodig die een negatieve uitgangsspanning levert. Ook dan kan voor de stabilisatie van de voedingsspanning een 723 worden toegepast. Figuur 9 geeft een voorbeeld van een dergelijke schakeling. Hierbij wordt de halve referentiespanning aan de inverterende ingang van de spanningsregelaar toegevoerd, terwijl een vanuit de uitgang verkregen vergelijkingsspanning naar de niet-inverterende ingang wordt geleid. De berekening van de uitgangsspanning gaat met behulp van de volgende formule:
Figuur 9. Op deze wijze zijn negatieve uitgangsspanningen te realiseren. Stroombegrenzing met Rs is hierbij helaas niet mogelijk.
De weerstanden R3 en R4 moeten in dit geval dezelfde waarde hebben.
Het enige nadeel van de schakeling is dat er geen stroombegrenzing met Rs kan worden toegepast, zodat in geval van kortsluiting de BD 242 onmiddellijk zal sneuvelen! Bij het bouwen van de schakeling volgens figuur 9 dient te worden gelet op de polariteit van de kondensatoren C, en C3.Hoge uitgangsspanningen
Ondanks het feit dat de gestabiliseerde uitgangsspanning van de 723 'van huis uit' is beperkt tot een maksimum van 37 V, kunnen met behulp van dit IC toch beduidend hogere spanningen worden gestabiliseerd. Gebruikt men namelijk het IC plus eksterne komponenten als een gestuurde 'zwevende serieweerstand' in de stroomkring van het te voeden apparaat, dan kunnen met de schakeling van figuur 10 positieve uitgangsspanningen tot 250 V (en hoger) worden gestabiliseerd.
Figuur 10. De 723, geschakeld als 'zwevende' regelaar, kan uitgangsspanningen tot +250 V stabiliseren.
Wanneer de 723 voor de stabilisatie van dergelijke hoge spanningen wordt gebruikt, dient men er op toe te zien dat de toegestane bedrijfsspanning van het IC niet wordt overschreden. In de schakeling van figuur 10 is daarmee rekening gehouden doordat zenerdiode D1 en de bijbehorende stroombegrenzingsweerstand R5 zijn toegevoegd. De voedingsspanning van het IC is op deze wijze begrensd op de minimale waarde van 12 V; maksimaal mag deze spanning 36 V bedragen. Bij de keuze van een geschikte zener en serieweerstand dient men wel te beseffen dat deze weerstand (R5) betrekkelijk veel vermogen moet konsumeren; in figuur 10 is dan ook een 2 W-tipe voorgeschreven.
De gestabiliseerde uitgangsspanning van de voeding volgens figuur 10 kan worden berekend aan de hand van de volgende formule:
Daarbij geldt dat R3 = R4.
Ook negatieve spanningen hoger dan 37 V kunnen met behulp van de 723 worden gestabiliseerd. Figuur 11 geeft daarvan een voorbeeld. Ook in deze schakeling doet de spanningsregelaar dienst als 'zwevende' gestuurde serieweerstand in de stroomkring van de schakeling die gevoed wordt.
Figuur 11. Dezelfde schakeling als in figuur 10, maar nu negatieve uitgangsspanningen tot -250 V.
Ook bij het bouwen van deze schakeling moet worden gelet op de polariteit van C3 en moet voor R5 een 2 W-weerstand worden gebruikt. Voor uitgangsspanningen tussen -6 V en -250 V geldt de volgende formule:
Hierbij geldt dat R3 = R4.
Foldback stroombegrenzing
De term 'foldback' stroombegrenzing is ontstaan door de tipische kurve-vorm van de uitgangsstroom van de spanningsregelaar; zij 'buigt terug' a.h.w., wanneer een bepaalde instelbare waarde van de uitgangsstroom wordt overschreden. De stroomwaarde waarbij dit gebeurt draagt de benaming 'kniestroom' (Iknie). Figuur 12 geeft een voorbeeld van een foldback-kurve, waaruit duidelijk blijkt dat de uitgangsstroom en de uitgangsspanning meteen terugzakken naar een ongevaarlijke waarde, zodra de kniestroom wordt overschreden.
Figuur 12. Een foldback-kurve. Wanneer de 'kniestroom' wordt overschreden zakt de uitgangsstroom tot een ongevaarlijke waarde.
In figuur 13 is een voorbeeld geschetst van een schakeling met de 723, die is gedimensioneerd voor een uitgangsspanning van 5 V en beveiligd is tegen stromen hoger dan 20mA.
Figuur 13. Voorbeeld van een 5 V-voeding, waarbij vanaf 20mA de stroombegrenzing in werking treedt.
Voor de dimensionering van de schakeling volgens figuur 13 gelden de volgende formules:
Hierbij wordt de kortsluitstroom voorgesteld door Ik en de over Rs vallende spanning door Usense.
Shunt-regelaar
Bij de schakeling volgens figuur 14 is parallel aan de belasting een eksterne transistor geschakeld, die in geval van belastingvariaties het te veel aan vermogen dissipeert. Variaties in de belasting van 100mA hebben bij deze schakeling schommelingen in de uitgangsspanning van slechts 1,5 mV tot gevolg. De schakeling biedt dus wezenlijke voordelen bij een sterk schommelende belasting, maar heeft daarentegen het nadeel dat er nogal wat vermogen verloren gaat. De shunt-transistor moet derhalve uitgebreid worden gekoeld.
Figuur 14. De eksterne transistor doet dienst als parallelweerstand aan de belasting, waardoor belastingvariaties worden opgevangen.
Chopper-voedingen
Het geringste vermogensverlies wordt verkregen bij het gebruik van z.g.n. chopper-voedingen. Hierbij wordt een regeltransistor zodanig geschakeld dat de uitgangsstroom afhankelijk is van de belasting, zonder dat hierbij het vermogensoverschot door een transistor moet worden gedissipeerd.
In een volgend artikel zullen dit soort voedingen en hun perikelen apart worden behandeld. Ook hierbij zullen weer schakelingen met het IC 723 aan de orde komen.
Print en komponentenopstelling bij het schema van figuur 6.
Deel 1 - Deel 2