Régulateurs de tension fixes à 3 bornes - Circuits de travail et d'application

Les régulateurs fixes à 3 bornes populaires disponibles aujourd'hui se présentent sous la forme de IC 7805, IC 7809, IC 7812, IC 7815 et IC 7824, qui correspondent à des sorties de tension fixe de 5 V, 9 V, 12 V, 15 V et 24 V .

Ceux-ci sont appelés fixes régulateurs de tension puisque ces circuits intégrés sont capables de produire d'excellentes tensions de sortie CC fixes stabilisées en réponse à une tension d'entrée CC non régulée beaucoup plus élevée.

Ces régulateurs de tension monolithiques haut de gamme peuvent être achetés à très bas prix de nos jours, ce qui est normalement moins coûteux et moins compliqué à travailler, par rapport à la construction. circuit régulateur discret équivalents.

Ces régulateurs à 3 bornes sont incroyablement faciles à câbler, comme on peut le voir dans le schéma de circuit ci-dessous qui montre la méthode standard par laquelle ces circuits intégrés sont mis en œuvre.

Les trois bornes du CI sont pour des raisons apparentes, désignées par les noms entrée, commun et sortie .

L'alimentation positive et négative sont simplement connectées respectivement aux bornes d'entrée et communes du circuit intégré, tandis que la tension stabilisée régulée est acquise entre les bornes de sortie et communes.

La seule partie externe discrète éventuellement demandée est un condensateur sur les fils d'entrée et de sortie du circuit intégré. Ces condensateurs sont nécessaires pour améliorer le niveau de régulation de sortie de l'appareil et pour améliorer la réponse transitoire. Les valeurs microfarads de ces condensateurs ne sont généralement pas critiques, et sont donc normalement comprises entre 100 nf, 220 nf ou 330 nf.

Types de régulateurs de la série 78XX

Le types de tension fixe les plus populaires et les plus largement utilisés , les régulateurs de tension monolithiques sont les régulateurs positifs de la série 78XX et les régulateurs négatifs de la série 79XX.

Ceux-ci se trouvent avec 3 spécifications de courant de sortie. Ils vous fournissent 9 types positifs et 9 9 types négatifs de variantes, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.

Ces séries de circuits intégrés 78XX sont livrées avec des tensions nominales supplémentaires sous forme positive et négative. Les plages standard pour ces régulateurs 78XX sont 8 V, 9 V, 10 V, 18 V, 20 V et 24 V, qui correspondent aux CI 7808, 7809, 7810, 7818, 7820, 7824 CI.

Beaucoup de ces appareils portent des suffixes ou des chiffres avec leur numéro imprimé, selon le fabricant ou le type de marque.

Cependant, tous sont essentiellement les mêmes avec une cote identique. Plusieurs revendeurs de pièces ne feront pas la promotion de ces circuits intégrés par numéro de type, mais indiqueront simplement leur polarité, leurs spécifications de tension et de courant, et occasionnellement en référence à leur style de boîtier.

Caractéristiques principales

Ces circuits intégrés comportent une limitation de courant intégrée et une protection contre les courts-circuits pour la charge de sortie. Dans les séries de régulateurs 78XX de moyenne et haute puissance, cette fonction est généralement du type repliable. La limitation du courant de repli est une condition dans laquelle une surcharge de sortie n'est tout simplement pas répondue par le courant de sortie en raison d'une limitation de courant automatique.

Quelle est la limite de courant de repli

La réaction de repli d'un circuit de limitation de courant de repli peut être observée sur la figure suivante, qui démontre clairement comment le courant de sortie minimise dans des conditions de surcharge à typiquement moins de 50% du courant de sortie idéal. La principale raison de l'utilisation de la limitation du courant de repli est qu'elle réduit considérablement la dissipation dans le régulateur en cas de court-circuit.

La réponse de limitation du courant de repli peut être comprise à partir de l'explication suivante:

Supposons que nous ayons 7805 IC avec une entrée de 10 V et qu'il subisse un court-circuit entre ses bornes de sortie. Dans cette situation, sous le type ordinaire de limitation de courant, la sortie du circuit intégré continuera à générer un courant de 1 ampère donnant une dissipation de 10 watts. Mais avec un courant de repli spécial limitant le courant de court-circuit peut être limité à environ 400 mA, ce qui entraîne une dissipation dans l'appareil de seulement 4 watts.

Fonction d'arrêt thermique

La majorité des régulateurs de tension monolithiques disposent également d'un circuit intégré de protection contre les coupures thermiques. Cette fonction permet de réduire le courant de sortie en cas de surchauffe de l'appareil.

Ces types de circuits intégrés régulateurs de tension sont par conséquent extrêmement robustes et ne sont jamais facilement endommagés même lorsqu'ils ne sont pas utilisés correctement. Cela dit, l'un des moyens par lesquels ils pourraient être détruits est l'application d'une tension d'alimentation d'entrée supérieure à la plage spécifiée.

Vous trouverez des variations dans les tensions d'entrée maximales tolérables spécifiées par différents fournisseurs pour ces circuits intégrés du même type standard, bien que 25 volts soit apparemment la plage minimale offerte pour tout appareil 5 volts (7805). Les plus grands régulateurs de tension peuvent gérer un minimum de 30 volts, tandis que pour les variétés 20 et 24 volts, la plage d'entrée peut atteindre 40 volts.

Pour que le circuit fonctionne correctement, la tension d'entrée doit être supérieure de 2,5 volts à la tension de sortie requise, à l'exception du régulateur 7805 où la tension d'entrée est censée être juste plus de 2 V au-dessus de la sortie requise de 5 V, ce qui signifie qu'elle devrait être au moins 7 V.

Courant de veille sans charge

Le courant de repos ou la consommation de courant de repos de ces circuits intégrés sans aucune charge en sortie peut être compris entre 1 et 5 mA, bien que cela puisse aller jusqu'à 10 mA dans certaines variantes de très haute puissance.

Régulation de ligne et de charge

La régulation de ligne pour tous les circuits intégrés de régulateur 78XX est inférieure à 1%. Cela signifie que la tension de sortie peut présenter une variation de moins de 1% quelle que soit la variation de tension d'entrée par rapport à la plage de tension d'entrée maximale et minimale.

La régulation de charge est également normalement inférieure à 1% pour la plupart de ces appareils. Cette fonction garantit que la sortie continuera à fournir la tension de sortie nominale constante quelles que soient les conditions de charge de sortie.

La fonction de réjection d'ondulation pour la plupart de ces circuits intégrés de régulation est voisine de 60 dB avec un niveau de bruit de sortie qui peut être inférieur à 100 microvolts.

Dissipation de puissance

Lorsque vous utilisez ces circuits intégrés de régulation 78XX, vous devez vous rappeler que ces circuits intégrés sont conçus pour ne gérer qu'une quantité limitée de dissipation de puissance. Par conséquent, sous la charge de sortie la plus élevée, la tension d'entrée ne doit jamais dépasser de quelques volts la limite d'entrée maximale tolérable.

La dissipation de puissance maximale à température ambiante normale (25 degrés Celsius) pour les gammes d'appareils 78XX basse, moyenne et haute puissance est de 0,7 watts, 1 watts et 2 watts respectivement.

La limitation ci-dessus pourrait être considérablement améliorée à 1,7 watts, 5 watts et 15 watts respectivement si les appareils sont montés sur un dissipateur thermique sensiblement grand. La puissance dissipée dans tous ces dispositifs de régulation est proportionnelle à la différence entre les tensions d'entrée et de sortie, multipliée par le courant de sortie.

Comment appliquer le dissipateur thermique aux circuits intégrés 78XX

Dans cette situation, lorsque l'appareil est complètement chargé à environ 800 mA, la dissipation de l'appareil peut atteindre 4 watts (0,8 A x 5 V = 4 W).

Cela semble être deux fois plus que le PD maximum autorisé de 2 watts pour le périphérique 7815. Cela implique que les 2 watts supplémentaires doivent être compensés par un dissipateur thermique.

Une large sélection de dissipateurs thermiques est généralement disponible sur le marché, et ceux-ci sont identifiés avec une cote d'un degré / watt particulier.

Cette cote indique essentiellement l'élévation de température causée pour chaque watt de puissance dissipé via le dissipateur thermique. Cela indique également que pour un dissipateur thermique plus grand, les degrés par watt seront proportionnellement inférieurs.

La plus petite taille de dissipation thermique nécessaire pour un dispositif de régulation 78xx pourrait être déterminée de la manière suivante.

Nous devons avant tout connaître la température atmosphérique nominale à l'endroit où l'appareil est utilisé. Sauf si l'appareil est susceptible d'être utilisé dans un environnement exceptionnellement chaud, un chiffre d'environ 30 degrés centigrades peut être considéré comme une hypothèse raisonnable.

Cote de température sécuritaire

Ensuite, il peut être essentiel de connaître la température nominale maximale de sécurité pour le circuit intégré du régulateur 78XX spécifique. Pour les régulateurs monolithiques 78XX, cette plage peut être de 125 degrés centigrades. Cela dit, il s'agit en fait de la température de jonction et non de la température du boîtier à laquelle le CI peut résister.

La température absolue maximale autorisée du boîtier est d'environ 100 degrés centigrades. Par conséquent, il devient important de ne pas permettre à la température de l'appareil d'augmenter au-dessus de 70 degrés centigrades (100 - 30 = 70).

Parce qu'une puissance de 2 watts peut entraîner une augmentation de la température d'un maximum de 70 degrés, un dissipateur thermique évalué pour dissiper de 35 degrés centigrades / watt ou moins (70 degrés divisés par 2 watts = 35 degrés C par watt) sera bon suffisant.

En pratique, un dissipateur thermique relativement plus grand devrait être utilisé, car le transfert de chaleur n'est jamais très efficace dans la plupart des cas.

De plus, pour obtenir une stabilité durable, il faut s'assurer que l'appareil fonctionne idéalement à un niveau légèrement inférieur à la plage de température nominale maximale admissible.

Si possible, assurez une marge raisonnable de +/- 20 degrés ou peut-être plus.

Lorsque le circuit intégré du régulateur est enfermé dans un conteneur et couvert à l'écart de l'atmosphère libre, l'air emprisonné dans le conteneur peut se réchauffer par la dissipation du régulateur. Cela pourrait à son tour faire fonctionner les autres pièces sensibles du PCB dans des conditions plus chaudes. Une telle situation pourrait nécessiter un dissipateur thermique plus grand pour le circuit intégré du régulateur.

Circuits d'application

Un circuit d'application typique d'une alimentation utilisant un régulateur de tension monolithique 78XX à tension fixe peut être vu ci-dessous.

Dans cette conception, un circuit intégré 7815 est utilisé comme circuit intégré de régulation, ce qui nous fournit environ +15 volts à un courant d'environ 800 mA.

Le transformateur utilisé est évalué à 18-0 - 18V pour le secondaire avec un courant nominal de 1 ampère.

Il est connecté à un redresseur pleine onde push-pull qui fournit une tension à vide d'environ 27 V CC après avoir été filtré à travers C1.

Les condensateurs C2 et C3 fonctionnent comme des condensateurs de découplage d'entrée et de sortie qui doivent être fixés relativement plus près du corps du CI. Lorsque la charge de sortie est pleine, vous verrez la tension d'entrée appliquée à l'IC1 atteindre un niveau de 19 à 20 volts, permettant une différence d'environ 5 volts sur l'entrée / la sortie du régulateur.

Comment faire un double circuit d'alimentation

Étant donné que les régulateurs monolithiques 78XX à tension fixe peuvent être achetés dans des variantes négatives et positives, ils semblent parfaits pour la mise en œuvre alimentations équilibrées doubles .

Lorsque, par exemple, une alimentation régulée est nécessaire pour faire fonctionner un circuit basé sur l'ampli opérationnel avec des alimentations positives et négatives de 12 volts à 100 mA, la conception illustrée dans la figure suivante pourrait être appliquée.

Dans cet exemple, T1 est un transformateur de 15-0-15 volts évalué avec un courant nominal secondaire de 200 mA ou plus. Vous pouvez trouver quelques redresseurs pleine onde push-pull D2 et D3 qui vous donnent une sortie positive.

D1 et D4 fournissent une sortie négative. L'alimentation positive est filtrée par C1 tandis que la ligne négative est nettoyée et filtrée par C2.

IC1 vous donne une sortie d'alimentation positive régulée, tandis que l'IC2 fonctionne comme un régulateur d'alimentation négatif. C3 à C6 sont positionnés comme des condensateurs de découplage pour améliorer l'efficacité de sortie en termes de meilleure réponse aux pics, au bruit et aux transitoires.

Tension de sortie plus élevée en utilisant un circuit de régulateur en série

La configuration illustrée ci-dessus peut également être utilisée pour obtenir les valeurs de tension combinées des deux régulateurs. Cela signifie que si le 79L12 est remplacé par un régulateur 78L12, la sortie sera de 24 V.

Dans une telle configuration, la ligne 0V peut être ignorée et la sortie + 24V peut être accédée directement à travers les lignes positives et négatives de la sortie.

Tension de sortie plus élevée en utilisant le circuit de diode de série

Il est en fait très facile d'obtenir une petite augmentation de tension à la sortie en utilisant une diode de redressement entre la broche de masse du circuit intégré et la ligne de masse.

Cette approche permet à l'utilisateur d'accéder à un niveau de tension un peu plus élevé qui peut ne pas être obtenu directement à partir d'un dispositif régulateur prêt à l'emploi.

La technique exacte de câblage de cette configuration peut être illustrée dans l'image suivante.

Dans cet exemple, nous avons estimé la tension de sortie requise à environ 6 V et l'avons implémentée via un circuit intégré de régulation de 5 volts en augmentant la sortie de 1 volt.

Comme on peut le voir, cette élévation de 1 V est effectivement obtenue en incorporant simplement quelques diodes redresseurs en série avec le fil commun du régulateur.

Les redresseurs sont câblés pour s'assurer qu'ils sont polarisés en direct via le courant de repos utilisé par le régulateur, et qui se déplace via la borne GND commune de l'appareil.

En conséquence, les diodes attachées se comportent un peu comme des diodes Zener basse tension, dans lesquelles chaque diode chute d'environ 0,5 à 0,6 volt, permettant une tension Zener combinée d'environ 1 à 1,2 volt.

L'objectif de la conception est de soulever la borne commune du régulateur de 1 volt sur le potentiel d'alimentation à la terre. Ici, le régulateur 7805 IC stabilise en fait la sortie nominale à 5 V au-dessus de la ligne de masse, par conséquent, en élevant la borne de terre d'environ 1 V, la sortie est également augmentée de la même magnitude, ce qui entraîne également la régulation de la sortie à environ Niveau 6 V. Cette procédure fonctionne extrêmement bien avec les trois CI de régulation de tension terminaux 78XX.

Résistance de polarisation pour les diodes

Cependant, dans certains cas, vous devrez peut-être connecter une résistance externe à travers le GND et la broche de sortie de l'IC pour aider un peu de courant supplémentaire aux diodes, afin qu'elles puissent conduire de manière optimale pour les résultats escomptés.

Étant donné que chaque diode de redressement facilitera une chute vers l'avant d'environ 0,65 V environ, en calculant plus de diodes de ce type en série, nous pouvons atteindre un niveau proportionnellement plus élevé de tension augmentée à travers la sortie du circuit intégré.

Cependant, pour que cela se produise, le niveau d'entrée doit être supérieur d'au moins 3 V au niveau de sortie final estimé. Les diodes au silicium comme 1N4148 fonctionneront très bien pour l'application.

Alternativement, si les diodes semblent encombrantes, une seule diode Zener équivalente peut également être utilisée pour obtenir le même effet, comme illustré dans l'exemple suivant.

Cela dit, veuillez vous assurer que la procédure est mise en œuvre pour ne pas dépasser 3 V plus haut que la puissance réelle de l'appareil. Au-delà de ce niveau, la stabilisation de la sortie peut être affectée.

Augmentation de la capacité actuelle

Une autre modification importante d'un régulateur 78XX pourrait être mise en œuvre pour obtenir un courant de sortie accru supérieur à la puissance maximale de l'appareil.

Une méthode pour ce faire est illustrée ci-dessous.

Le rapport de configuration R1 et R2 indiqué garantit que pour chaque milliampère de courant qui traverse R1, D1 et le régulateur, un peu de courant supérieur à 4 mA est décalé via Tr1 et R2.

En conséquence, lorsque le plein 1 ampère est utilisé via IC1, nous avons un courant de plus de 4 ampères passant par Tr1. Cette situation permet au circuit de fournir un courant de sortie optimal qui est un peu supérieur à 5 ampères.

Même dans des conditions de surcharge, les courants traversant Tr1 et IC1 continuent à avoir un rapport légèrement supérieur à 4: 1, par conséquent, la fonction de limitation de courant du circuit intégré continue de fonctionner sans problèmes.

Les circuits de cette forme se sont avérés inutiles de nos jours en raison de la disponibilité de dispositifs de régulation de puissance supérieure comme les 78H05, 781-112, etc. qui ont un courant nominal maximum de 5 ampères et permettent à l'utilisateur de les configurer exactement avec la même facilité que les homologues à courant inférieur.