IC spanningsregelaars 2
Oorspronkelijk waren geintegreerde spanningsregelaars met vast ingestelde uitgangsspanning bedoeld voor 'on-card-stabilisering', met een gestabiliseerde uitgangsspanning van 5 V ten behoeve van omvangrijke TTL-schakelingen. Tegenwoordig bestaan er reeds gehele families 'driebenige' spanningsregelaars en een grote verscheidenheid in hun (vast-ingestelde) uitgangsspanning.
Met de uitdrukking 'driebenige' spanningsregelaars wordt bedoeld dat dit tipe regelaars slechts drie aansluitingen heeft. Deze zijn: ingang, uitgang en een voor deze beide aansluitingen gemeenschappelijke massa-aansluiting.
De regelaars werken praktisch volgens hetzelfde principe als het in deel 1 besproken IC 723. Ze hebben t.o.v. dit tipe echter minstens een voordeel. Alle uitvoeringen hebben inwendige 'uitgangsstroom-terugregeling', ofwel 'foldback'-karakteristiek. Bij de nieuwere tipen zijn nog meer beveiligingsschakelingen geïntegreerd, zoals bv. thermische overbelastingsbeveiliging. De uit-gangtransistor spert als de substraattemperatuur boven +165°C stijgt. Ook is bij veel tipen een zogenaamde 'safe-area begrenzing' ingebouwd. Deze beschermt de serie-transistor als het werkgebied door overbelasting wordt overschreden. Het aanbod omvat reeds een groot gebied. Er zijn regelaars verkrijgbaar voor spanningen tussen +5 V en +24 V, en tussen -5 V en -24 V. Wat de uitgangsstroom betreft is er keuze uit tipen met stroomwaarden tussen 100 mA en 3 A. Omdat de ontwikkeling nog steeds door. gaat, kan dit artikel niet volledig zijn. De tabellen geven slechts een overzicht van de programma's van enkele fabrikanten.
Schakeling
Bij toepassing van een driebenige spanningsregelaar bevat een voedingsapparaat nog slechts enkele komponenten; trafo, gelijkrichter, afvlakkondensator en de regelaar. In sommige gevallen komen hier nog twee tantaalelko's bij (CE en CA in figuur 1 en 2), deze verbeteren de eigenschappen van de stabilisatieschakeling.
Figuur 1: Schakeling voor een voedingseenheid met een driebenige spanningsregelaar voor vaste positieve uitgangsspanning. Het omstreepte gedeelte met trafo, gelijkrichter en bufferkondensator dient in overeenstemming met de individuele eisen te worden gedimensioneerd.
Figuur 2: Schakeling voor een regelaar met vaste negatieve uitgangsspanning.
De dimensionering van dergelijke voedingsapparaten vraagt geen hersengymnastiek, omdat met de keuze van een geschikte spanningsregelaar praktisch alle andere waarden zijn vastgelegd. Figuur 1 toont het principe-schema van een voedingsapparaat met positieve uitgangsspanning, terwijl figuur 2 een apparaat met negatieve uitgangsspanning weergeeft.
Dimensionering
Aan de hand van een voorbeeld zal worden nagegaan hoe de berekening van een voeding met een driebenige regelaar verloopt. Hierbij wordt het schema van figuur 1 genomen.
Stel dat er een voorversterker moet worden gevoed met een spanning van 24 V en een stroomopname van ongeveer 60 mA. Volgens tabel 1 is hiervoor de regelaar tipe LM78L24 bruikbaar. Deze kan maks. 100 mA leveren bij een gestabiliseerde spanning van 24 V. Gekozen wordt de uitvoering in een TO-5 huis, omdat deze eenvoudig van een koelster kan worden voorzien. Hierbij wordt erop gewezen dat op dit gebied nog geen standaardisatie bestaat wat de aansluitingenvolgorde betreft.
De ingangsspanning van het regelaar-IC mag, zoals in tabel 1 is te zien, tussen 27,5 V en 38 V liggen. Wordt de ingangsspanning te dicht bij de ondergrens gekozen, dan blijft er onvoldoende ruimte over voor netspanningsvariaties en dergelijke. Indien de ingangsspanning dicht bij de bovengrens ligt, wordt er mogelijk teveel vermogen in warmte omgezet. Dit gaat uiteraard ten koste van het rendement. De meest geschikte ingangsspanning zal dan ook vaak ongeveer in het midden tussen de minimaal en de maksimaal toelaatbare ingangsspanning liggen.
In dit geval zou de ingangsspanning dus 32,75 V moeten bedragen. Gekozen wordt 33 V. Hieruit wordt de sekundaire spanning van de trafo berekend:
Wordt hiervoor een trafo genomen voor 24 V en 100 mA, terwijl gerekend wordt met 1,4 V spanningsval over de gelijkrichter, dan volgt daaruit:
Deze waarde ligt dus zeer dicht bij de berekende gemiddelde waarde.
Voor de dimensionering van de afvlakelko geldt de vuistregel: 2200 µF per ampère afgenomen stroom.
Een waarde van 220 µF zou dus voldoende zijn. Aangezien de voeding in dit voorbeeld dienst moet doen voor een gevoelige voorversterker, wordt daarom voor de elko een grotere waarde gekozen, bv. 1000 µF/40 V.
De bromonderdrukking van de regelaar LM78L24 bedraagt, volgens de gegevens van de fabrikant, minimaal 30 dB bij 120 Hz; als tipische waarde wordt opgegeven 43 dB bij 120 Hz (deze 120 Hz stamt van de Amerikaanse netfrekwentie 60Hz en dubbelfazige gelijkrichting). Voor Europese toepassing - netfrekwentie 50 Hz, bromfrekwentie bij dubbelfazige gelijkrichting 100 Hz - mag de genoemde waarde voor de bromonderdrukking wel worden aangehouden. De bromonderdrukking van de regelaar kan door een kondensator CA over de uitgang van de regelaar soms nog enkele dB's verbeterd worden, omdat deze kondensator een verhoging van de stabiliteit geeft. De kapaciteit van deze kondensator kan tussen 1 µF en 10 µF worden gekozen. Alle fabrikanten van geïntegreerde spanningsregelaars adviseren het gebruik van tantaalelko's voor CE en CA, omdat deze -vooral bij hogere frekwenties- een kleinere induktieve weerstand hebben dan aluminium-elko's. De ingangskondensator CE is alleen noodzakelijk als het stabilisatie-1C niet in de onmiddelijke nabijheid van de bufferkondensator CL is aangebracht. Dit geldt in het bijzonder voor 'on-cardstabilisering', dus bijvoorbeeld als de voorversterker en de eindtrappen op verschillende prints zijn gebouwd. In dat geval kan de regelaar samen met CE en CA op de print van de voorversterker worden gemonteerd. De voeding voor de eindtrappen kan dan eventueel de ingangsspanning voor de regelaar leveren. Een vanzelfsprekende voorwaarde voor deze kombinatie is dat de uitgangsspanning van de eindtrapvoeding overeenkomt met de karakteristieke gegevens van de regelaar. Dat betekent in dit geval: bij vol-uitgestuurde eindtrappen moet minstens 28 V ter beschikking staan, anderzijds mag de ingangsspanning van de regelaar bij niet-uitgestuurde versterker het toelaatbare maksimum (38 V) niet overschrijden. Wordt aan deze voorwaarden voldaan, dan wordt met 'on-card-stabilisering' ook nog een uitstekende ontkoppeling van de voedingsspanningen voor voor- en eindversterker bereikt. Dit gaat uiteraard alleen op als de massaleiding van de voorversterker langs de kortste weg met de minpool van de voeding is verbonden. Het voorbeeld toont aan dat de dimensionering van de voedingsschakeling geen moeilijkheden oplevert. De gestelde voorwaarden gelden logischerwijze ook voor het ontwerpen van schakelingen met andere uitgangsspanningen en -stromen. Bij alle dimensioneringsproblemen is het aanbevelingswaardig steeds de gegevens van de fabrikant te raadplegen. Deze bevatten alle noodzakelijke opgaven en dat is veel meer dan in de korte overzichten in tabel 1 en 2 staat.
| Tipe | Uuit (gestab.) (V) | Iuit maks. (A) | Uin (V) | Stroombegr. intern | Thermische overbelastingsbeveiliging | Safe-Area begrenzing | Behuizing | Aansluitschema figuur 9. | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| min. | maks. | ||||||||
| LM78L05 | 5 | 0,1 | 7 | 20 | X | X | X | TO-5, TO-92 | 1; 2 |
| TBA 625 A | 5 | 0,13 | 8 | 20 | X | - | - | TO-5 | 3 |
| LM342-05 | 5 | 0,2 | 7,5 | 20 | X | X | X | TO 202 P | 4 |
| MA 78M05 | 5 | 0,2 | 7 | 20 | X | X | X | TO-5 | 1 |
| LM341.5,0 | 5 | 0,5 | 7,5 | 20 | X | X | X | TO-202 P | 4 |
| L 129 | 5 | 0,85 | 7,5 | 20 | X | - | - | TO-126 | 5 |
| LM 309 K | 5 | ≈ 1 | 7 | 35 | X | X | - | TO-3 | 6 |
| LM 340-05 | 5 | 1,5 | 7 | 35 | X | X | X | TO-220 | 7 |
| LM 323 K | 5 | 3 | 7,5 | 20 | X | X | X | TO-3 | 6 |
| LM 5000 | 5 | 3 | 9 | 20 | X | X | - | TO-3 | 8 |
| LM 342-6 | 6 | 0,2 | 8 | 25 | X | X | X | TO-202 P | 4 |
| LM 341-6,0 | 6 | 0,5 | 7,2 | 25 | X | X | X | TO-202 P | 4 |
| µA 78M06 | 6 | 0,5 | 9 | 21 | X | X | X | TO-5 | 1 |
| LM 340-6 | 6 | 1,5 | 8 | 25 | X | X | X | TO-220; TO-3 | 7; 6 |
| µA 7806 | 6 | 1,5 | 8 | 25 | X | X | - | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| LM 78L08 | 8 | 0,1 | 10,5 | 23 | X | X | X | TO-5; TO-92 | 1; 2 |
| LM 342-8 | 8 | 0,2 | 11 | 23 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| µA 78M08 | 8 | 0,5 | 11,5 | 23 | X | X | X | TO-5 | 1 |
| LM 341-8,0 | 8 | 0,5 | 10,5 | 25 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| NA 7808 | 8 | 1,5 | 10,5 | 25 | X | X | - | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| LM 340-8 | 8 | 1,5 | 10,5 | 25 | X | X | X | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| TBA 435 | 8,5 | 0,14 | 11,5 | 20 | X | - | - | TO-5 | 3 |
| LM 342-10 | 10 | 0,2 | 13 | 25 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| TBA 625 B | 12 | 0,1 | 15 | 27 | X | - | - | TO-5 | 3 |
| LM 78L12 | 12 | 0,1 | 14,5 | 27 | X | X | X | TO-5; TO-92 | 1; 2 |
| LM 342-12 | 12 | 0,2 | 15 | 30 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| LM 341-12 | 12 | 0,5 | 14,5 | 30 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| LA 78M12 | 12 | 0,5 | 14,5 | 30 | X | X | X | TO-5 | 1 |
| L 130 | 12 | 0,72 | 14,5 | 27 | X | - | - | TO-126 | 5 |
| LM 340-12 | 12 | 1,5 | 17,5 | 30 | X | X | X | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| µA 7812 | 12 | 1,5 | 14,5 | 30 | X | X | - | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| TBA 625 C | 15 | 0,1 | 18 | 27 | X | - | - | TO-5 | 3 |
| LM 78L15 | 15 | 0,1 | 17,5 | 30 | X | X | X | TO-5; TO-92 | 1; 2 |
| LM 342-15 | 15 | 0,2 | 18 | 30 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| µA 78M15 | 15 | 0,2 | 17,5 | 30 | X | X | X | TO-5 | 1 |
| LM 341-15 | 15 | 0,5 | 17,6 | 30 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| L 131 | 15 | 0,6 | 17,5 | 27 | X | - | - | TO-126 | 5 |
| LM 340-15 | 15 | 1,5 | 17,5 | 30 | X | X | X | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| pA 7815 C | 15 | 1,5 | 17,5 | 30 | X | - | - | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| LM 78L18 | 18 | 0,1 | 21,4 | 33 | X | X | X | TO-5; TO-92 | 1; 2 |
| LM 342-18 | 18 | 0,2 | 21 | 33 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| LM 341-18 | 18 | 0,5 | 20,7 | 30 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| LM 340-18 | 18 | 1 | 21 | 33 | X | X | X | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| µA 7818 | 18 | 1,5 | 21 | 33 | X | X | - | T0-3;10-220 | 6; 7 |
| µA 78M20 | 20 | 0,5 | 23 | 36 | X | X | X | TO-5 | 1 |
| LM 78L24 | 24 | 0,1 | 27,5 | 38 | X | X | X | TO-5; TO-92 | 1; 2 |
| LM 342-24 | 24 | 0,2 | 27,2 | 38 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| LM 341-24 | 24 | 0,5 | 27 | 38 | X | X | X | TO-202 | 4 |
| LM 340-24 | 24 | 1 | 27 | 38 | X | X | X | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| µA 7824 | 24 | 1,5 | 27 | 38 | X | X | - | TO-3; TO-220 | 6; 7 |
| Tipe | Uuit (gestab.) (V) | Iuit maks. (A) | Uin (V) | Stroombegr. intern | Thermische overbelastingsbeveiliging | Safe-Area begrenzing | Behuizing | Aansluitschema figuur 9. | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| min. | maks. | ||||||||
| LM320T5,0 | -5 | 1,5 | -7,5 | -25 | X | X | - | TO-220 | 9 |
| LM345 | -5 | 3,0 | -7,8 | -20 | X | X | X | TO-3 | 8 |
| LM320T6,0 | -6 | 1,5 | -8,5 | -25 | X | X | - | TO-220 | 9 |
| LM320T8,0 | -8 | 1,5 | -10,5 | -25 | X | X | - | TO-220 | 9 |
| LM320T12 | -12 | 1,5 | -14,5 | -32 | X | X | - | TO-220 | 9 |
| LM320T15 | -15 | 1,5 | -17,5 | -35 | X | X | - | TO-220 | 9 |
| LM320T18 | -18 | 1,5 | -21 | -35 | X | X | - | TO-220 | 9 |
| LM320T24 | -24 | 1,5 | -27 | -35 | X | X | - | TO-220 | 9 |
Figuur 9: Aansluitschema's van de regelaars uit de tabellen:
huis 1, 2, 3, 6 en 8: onderaanzicht
huis 4, 5, 7 en 9: bovenaanzicht
Verandering van de uitgangsspanning
Ondanks de grote keus die bestaat in de uitgangsspanningen van driebenige regelaars, kan het voorkomen dat in speciale gevallen behoefte bestaat aan een gestabiliseerde spanning die buiten de reeks valt. In dat geval kan de regelaar met de gemeenschappelijke massa-aansluiting op een spanningsdeler R1/R2 'omhooggebracht' worden (figuur 3). Voor deze schakeling geldt:
Figuur 3: De uitgangsspanning van de regelaar kan met behulp van een spanningsdeler worden verhoogd; de massa-aansluiting van de regelaar wordt 'omhooggebracht'.
In deze vergelijking is U1 de inwendige ingestelde spanning van de regelaar; en IR is de ruststroom van de regelaar. Wordt R2 vervangen door een potmeter dan is de uitgangsspanning binnen bepaalde grenzen instelbaar (figuur 4). Staat het loperkontakt aan de massazijde van de potmeter, dan is de uitgangsspanning gelijk aan de normale uitgangsspanning van de regelaar. Staat de loper echter aan de zijde van R1 dan volgt de uitgangsspanning uit de vergelijking:
Figuur 4: Spanningsregelaar met instelbare, verhoogde uitgangsspanning. De karakteristieken tonen de stroombegrenzing bij minimale en maksimale uitgangsspanning.
Volgens de fabrieksgegevens kan de ruststroom van de TBA625A tussen 5 mA en 16 mA liggen. Bij een proefopstelling volgens figuur 1 werd in de verbinding van regelaar naar massa een stroom van 9,5 mA gemeten. Een waarde van 10 mA ingevuld in de vorige vergelijking geeft dan:
Uuit = 7,65 + 0,01 × 250 = 10,15 ≈ 10 V. R1 wordt zodanig gedimensioneerd, dat door deze weerstand een stroom loopt, die minstens even groot is als de ruststroom van de regelaar. Dus:
Voor R1 werd dus een waarde gekozen van 470 Ω.
De karakteristiek van figuur 4 toont het gedrag bij 'uitgangsstroomterugregeling' (foldback-karakteristiek). Deze karakteristieken tonen aan dat de ingebouwde overbelastingsbeveiliging van de regelaar bij deze schakeling over het gehele instelbereik werkzaam is.
De gegevens van deze schakeling zijn in het kort:
Uuit = +5 ... +10 V instelbaar Uin = +16V luit = tot 80 à 85 mA Ruit = 100 mΩEen schakeling met een uitgebreider instelbereik kan worden gerealiseerd met behulp van een als spanningsvolger geschakelde opamp. Bij de schakeling volgens figuur 5 is het instelbereik +7 ... +30 V met een maksimale uitgangsstroom van ongeveer 1 A. Er dient op gelet te worden dat de ingangsspanning onder geen enkele voorwaarde boven +36 V mag stijgen, aangezien dan gevaar voor de opamp bestaat. De uitgangsspanning kan niet tot de nominale waarde van de regelaarspanning (5 V) worden teruggeregeld, omdat het 'massa'-punt van de regelaar door de 1 k-weerstand boven nul potentiaal is gebracht.
Figuur 5: Door toevoeging van een opamp kan het instelbereik van de uitgangsspanning aanzienlijk worden vergroot.
Verhoogde uitgangsstroom
De uitgangsstroom van driebenige regelaars kan door uitwendige schakeling van vermogenstransistoren aanzienlijk worden verhoogd. Het principe hiervan is in figuur 6 weergegeven. De regelaar is weliswaar voorzien van een inwendige overbelastingsbeveiliging, maar deze heeft geen nut voor de uitwendige transistor. Kortsluiten van de uitgang leidt zeker tot vernieling van de vermogenstransistor.
Figuur 6: Hogere uitgangsstromen kunnen door eksterre toevoeging van vermogenstransistoren worden bereikt.
In de schakeling volgens figuur 7 is om deze reden een overbelastingsbeveiliging voor de uitwendige vermogenstransistor aangebracht. De weerstand RS wordt zo gedemensioneerd, dat de spanningsval over die weerstand ongeveer 0,65 V bedraagt. Stijgt de uitgangsstroom tot een hogere waarde dan de toelaatbare, dan wordt T1 geleidend waardoor T2 spert. Bij deze schakeling is te zien dat een verdeling van de ingangsstroom tussen de regelaar en de uitwendige vermogenstransistor optreedt. Bij het opzetten van schakelingen met andere regelaars en vermogenstransistoren kan door de dimensionering van R1 en Rs de stroomverdeling worden vastgelegd. Een van de fabrikanten geeft als advies: regelaar 0,2 Itot en vermogenstransistor 0,8 Itot. Daarbij dient er op gelet te worden dat de weerstanden voldoende belastbaar moeten zijn.
Figuur 7: De eksterre vermogenstransistor is in deze schakeling beveiligd tegen overbelasting.
Duale spanningsregelaars
Duale spanningsregelaars kunnen eenvoudig met behulp van een driebenige regelaar voor positieve en een voor negatieve uitgangsspanning worden opgebouwd. Figuur 8 geeft hiervan een voorbeeld. Het is niet noodzakelijk twee gelijksoortige regelaars te gebruiken. Naar behoefte kunnen regelaars met verschillende uitgangspanningen en/of verschillende uitgangsstromen met elkaar worden gekombineerd. Een keuze kan worden gemaakt uit de tabellen 1 en 2. Een vanzelfsprekende voorwaarde bij alle kombinaties is de juiste dimensionering van de ingangsspanningen.
Figuur 8: Eenvoudige duale voeding met een regelaar voor positieve en een voor negatieve uitgangsspanning.
Algemene aanwijzingen
Tot slot volgen in het kort nog enkele aanwijzigingen:
- stroomvoerende leidingen zo dik als nodig en zo kort mogelijk,
- printsporen zo breed als nodig en zo kort mogelijk,
- aardlussen absoluut vermijden,
- sterpunt voor alle massaleidingen is de massaaansluiting van de bufferkondensator CL,
- ontkoppelkondensatoren CE en CA zo dicht mogelijk bij de IC-aansluitingen opstellen,
- voor voldoende koeling zorgen.
Literatuur
- Technische gegevens en applikatie-gegevens van de firma's: EEP, Fairchild en National.
Deel 1 - Deel 2