Lineaarne pingestabilisaator

Lineaarne pingestabilisaator ehk lineaarstabilisaator on pingestabilisaator, milles pinget reguleeriv element ‒ reguleerelement ‒ töötab võimendusrežiimis, s.t tema väljund- ja sisendpinge vahel on lineaarne ehk võrdeline seos. Reguleerelemendi vooluahelat on võimalik ühendada koormusega rööbiti või järjestikku. Rööpühenduses pingestabilisaatoreist on lihtsaim stabilitroniga lülitus. Jadastabilisaatoris on reguleerelemendiks emitterjärgurina ühendatud transistor. Stabiliseerimisomaduste parandamiseks lisatakse stabilisaatorile negatiivse tagasiside ahel. Niisuguse üldise skeemilahenduse järgi valmistatakse pingestabilisaatoreid integraallülitustena, mis ei vaja toiteallikasse ühendamisel mingeid või siis ainult mõningaid väliskomponente.

Stabilitronil ehk Zeneri dioodil põhinevaid rööppingestabilisaatoreid tuntakse ka parameetriliste stabilisaatoreina. Nimelt põhineb nende pinget stabiliseeriv ehk püsistav toime sellel, et stabilitroni üks põhiparameetreid ‒ diferentsiaalne ehk dünaamiline takistus ‒ on palju väiksem tema staatilisest takistusest. (Diferentsiaalne on selline takistus, mida stabilitron avaldab teda läbiva voolu muutustele, staatiline ‒ takistus püsivale voolule.)

Stabilitroni (V_Z) sisendpinge (skeemil U_e) valitakse 1,5–2,0 korda vajalikust väljundpingest (U_a) suurem. Eeltakisti R_v takistus võetakse selline, et stabilitroni tööpunkt asuks läbilöögipiirkonnas, ent vool ei ületaks suurimale lubatud hajuvõimsusele vastavat väärtust.

Niisugust lülitust kasutatakse nõrga vooluga (kuni mõnikümmend milliamprit) ahelate toitepinge püsistamiseks, peamiselt aga tugipinge allikana keerukama skeemiga stabilisaatorites.

Eelvaadeldud stabilitronstabilisaatori väljundvoolu ja kasutegurit saab oluliselt tõsta ja ühtlasi väljundtakistust vähendada, kui lisada lülitusse emitterjärgur, s.o ühise kollektoriga ühenduses transistor. Sel juhul on stabilitroni D_Z ülesandeks hoida püsivana üksnes transistori baasipinget. Stabilisaatori koormusvooluks on transistori emitterivool, mis emitterjärguril on baasivoolust vooluülekandeteguri kordselt tugevam. Koormus R_L ühendatakse transistori kollektori-emitteri ahelasse järjestikku ning nii saadakse jadastabilisaator.

Jadastabilisaator töötab järgmiselt. Kui tema väljundpinge (transistori emitteripinge) näiteks väheneb koormusvoolu suurenemise tõttu, siis suureneb baasi ja emitteri vaheline pinge U_BE (baasipinget hoiab stabilitron püsivana) ja järelikult ka baasivool. Tulemusena avaneb transistor rohkem ning tema kollektori ja emitteri vaheline pingelang U_CE väheneb sedavõrd, et pinge koormusel jääb peaaega püsivaks. Niisiis toimib transistor reguleerelemendina, reageerides baasi ja emitteri vahelise pinge muutustele.

Kollektorkoormusega stabilisaatorite silutegur q jääb vahemikku 200–300, mis on paljude elektroonikalülituste jaoks piisav. Väljundtakistus R_v= 0,2–0,5 Ω, kuid kui reguleerelement koostada erijuhtivustüübiga transistoridest, siis u. 10 korda väiksem. Seda lülitust iseloomustab väga hea enesekaitsetoime liigkoormuse ja väljundi lühise korral.^[1]

Tööpõhimõte: Normaalkoormusel läbib takistit R₃ transistori Q₂ emittervool ja stabilitroni D₁ vool. Kui väljundpinge langeb ΔU_vvõrra, siis samavõrra väheneb ka Q₂ emitterpotentsiaal, sest pinge stabilitronil jääb tema väikese diferentsiaaltakistuse tõttu muutumatuks. Võimendustransistori Q₂ baasipinge aga langeb vähem, nimelt ΔU_v*R₂/(R₁+R₂) võrra. Seetõttu väljundpinge vähenemisel võimendustransistori baasipinge U_BEsuureneb, vastavalt suureneb ka tema kollektorivool ning reguleertransistori baasivool, järelikult reguleerelemendi Q₁ takistus väheneb, kompenseerides väljundpinge languse.^[2]

Kaitsemehhanism: kui koormusvool ületab lubatava väärtuse I_vmax, siis stabilisaatori väljundpinge väheneb, samuti väheneb stabilitroni vool ning diferentsiaaltakistus kasvab. Pinge edasisel alanemisel lakkab stabilitroni vool täiesti ehk viimane sulgub, mis on samaväärne ahela katkemisega. Nüüd väljundpinge langedes pinge võimendustransistori Q₂ baasil väheneb; järelikult väheneb ka reguleertransistori baasivool ja pingelang reguleerelemendil suureneb; seetõttu langeb väljundpinge veelgi, kuni reguleertransistor sulgub täiesti.

Stabilitroniga lülituse stabiliseerimis- ja silutegurit saab umbes 10-kordselt suurendada, kui hoida stabilitroni vool püsivana, asendades eeltakisti R_v püsivooluallikaga (Q_1, D_1, R₁ ja R₂). Madala tugipinge vajadusel võib asendada stabilitronid päripingestatavate ränidioodidega. Ühe dioodi stabiliseerimispinge on vahemikus 0,5–0,7 V. Neid järjestikku ühendades, liituvad nende stabiliseerimispinged; ühtlasi liituvad ka nende diferentsiaaltakistused. Sellise püsivooluallikast toituva tugipingeallika stabiliseerimistegur on 200–300, seega näiteks toitepinge muutmisel vahemikus 1,5–9 V muutub pinge dioodil D₂ 2–3%.^[3]

Kahe vastassuunalise püsivooluallikaga pingestabilisaator

Liites kokku kaks vastassuunalist püsivooluallikat, mis vastastikku dioodide D1, D2 voole stabiliseerivad, saame kahe väljundiga (+Uv, -Uv) pingestabilisaatori, mille stabiliseerimistegur küünib 10 000-ni. Takisti R3 kompenseerib dioodide D1, D2 läbiva voolu suurenemist transistoride pinge Uce kasvamisel.^[3]

Eelvaadeldud lülituse stabiliseerimisvõimet ja kasutegurit saab märksa parandada, kui rakendada lülituses vastusidet, s.t negatiivset tagasisidet. Selleks tuleb lisada väljundpinge jagur ja sellelt saadavat pinget võimendav element (skeemil on pingejaguriks R₁R₂R₃ ja võimenduselemendiks operatsioonvõimendi OA). Niiviisi saadakse automaatreguleerimissüsteem, mis võrdleb väljundpinge osa tugipingega. Kui väljundpinge muutub nimiväärtusest erinevaks, muutub ka pinge, mis rakendub võimenduselemendile; selle poolt võimendatud vastusidesignaal tüürib reguleerelemendil (Q) tekkivat pingelangu sellises suunas, et väljundpingemuutus väheneb.

Vaadeldaval skeemil on pingejaguri ahelas takisti R2, mis võimaldab teatud piires valida väljundpinge väärtust. Ühe kindla väljundpingega stabilisaatoris see takisti puudub.

Stabilisaatori koormusvool ulatub enamasti ampritesse. See vool läbib ka reguleerelementi, millena kasutatakse siis ühe võimsustransistori asemel kahest või kolmest transistorist moodustatud liittransistori.

Jadastabilisaatori liigkoormamisel kasvab reguleerelemendil eralduv võimsus ja temale rakenduv pinge (olles lühise korral võrdne sisendpingega), mille tagajärjeks on reguleertransistori soojuslik või elektriline läbilöök.

Piiramistakisti Alaldi ja stabilisaatori vahele ühendatakse takisti R_p, mille takistus peab olema nii suur, et isegi väljundi lühise korral reguleertransistoril eralduv võimsus ei ületaks lubatavat väärtust:

${\displaystyle R_{p}\geq {\frac {U_{0}}{0,7P_{c}max}}-R_{i}a}$
kus U₀ on alaldi väljundpinge voltides, P_cmax transistori suurim lubatav hajuv võimsus ja R_ia alaldi sisetakistus oomides.

Üledimensioneerimine
Reguleerelemendi transistorid valitakse 5–10-kordse võimsusvaruga, nii et voolu lähenedes väärtusele U_s/R_ia, ei ületata suurimat transistoril hajuvat võimsust P_cmax. Selline lahendus toimib suhteliselt nõrga (kuni 0,1 A) koormusvoolu korral. Kestva lühise korral tuleb transistor paigutada jahutusradiaatorile. Nii piiramistakisti kasutamisel kui ka üledimensioneerimisel peab transistori lubatav kollektoripinge Ucemax olema kõrgem alaldi väljundpingest.
Rööpstabilitron
Reguleertransistori kaitsmine tema kollektori ja emitteri vahele ühendatava võimsusstabilitroniga. Lülitust kasutatakse mõnesaja milliamprise koormusvoolu korral. Stabilitroni pinge U_z peab olema selline, et ta hakkab juhtima, kui pingelang transistoril tõuseb väärtuseni, mil temal eralduv võimsus ulatub lubatava piirini.

Sulavkaitse
Kiirsulav kaitse (tüübitähisega F) ühendatakse toiteallika ja stabilisaatori vahele. Selle parameetrite leidmisel leitakse kõige pealt, pingestabilisaatori väljundi lühise korral, reguleertransistorit läbiv vool. Kui selle tõttu ületatakse transistori suurim lubatav hajuv võimsus, tuleb toiteallika ja stabilisaatori vahele ühendada piiramistakisti.

Transistoriga kaitselülitus

Lihtsaimas lülituses kasutatakse stabilisaatori väljundahelas jadatakistist R₁ ja sellega rööbiti olevat kaitsetransistori Q_3, mille kollektori-baasi vahemik sildab reguleertransistori Q1 baasiahelat. Jadatakisti on üldiselt madalaoomiline ja valitakse selline, et stabilisaatori nimikoormusel oleks kaitsetransistor suletud ega mõjutaks stabilisaatori tööd. Kui koormusvool ületab teatud piiri, kasvab pingelang jadatakistil R₁ väärtuseni, mis vastab võimendusrežiimis transistori normaalse baasipingeni (0,6–0,7 V Si- ja 0,15–0,25 V Ge-kaitsetransistori korral). Transistor VT3 avaneb ja reguleertransistor Q₁ sulgub, kuna selle emitter ja baas omavad sama potentsiaali.

Eelvaadeldud automaatreguleerimise põhimõttel töötavad ka integraalülitusena (kiibina) valmistatud lineaarstabilisaatoreid. Need on senivaadelduist märksa keerukama skeemiga, sisaldades muuhulgas ka vooluahelaid, mis kaitsevad lülitust ülekoormuse ja väljundi lühise eest.

Ühe kindla väljundpingega kiibil on toiteallika trükkplaadile ühendamiseks kolm kontaktviiku (skeemil IN, OUT, GND). Kiibi ette ja järele on vaja ühendada kondensaatorid, mille peamine ülesanne on ära hoida parasiitvõnkumisi, mis võivad kaasneda koormuse järsu muutumisega. Nende kondensaatorite minimaalselt vajalik mahtuvus leidub iga stabilisaatoritüübi andmestikus.

Seatava väljundpingega kiipidel on vähemalt neli kontaktviiku ja nende ühendusskeem on keerukam.

78xx esindab positiivse ja 79xx negatiivse väljundpingega lineaarseid regulaatoreid, kus xx tähistab nominaalstabiliseerpinge väärtust. Kõige levinumad neist on 5- ja 12-voldised regulaatorid. 79xx komponente võib leida kahepolaarsetes toitelülitustes.

TO-220 kesta sisse integreeritud stabilisaatorid omavad nimivoolu väärtusi 100 mA ja 500 mA, kuid kõige levinumad on 1 A, lubatud koormusvooluga ja fikseeritud väljundpingega stabilisaatorid. Nimivoolu ületavate lülituste jaoks on komponentide andmelehtedes ära toodud vastavad skeemid. Nendes kasutatakse võimsustransistore, mis asetsevad koormuse suhtes jadamisi toimides vooluventiilidena. Sisendvool jaguneb nendes lülitustes kaheks – osa liigub läbi stabilisaatori, ülejäänud läbib võimsustransistori. Takisti R₁ väärtusest oleneb, voolu jagunemine. Kui viimast läbib suurenev vool, tõuseb pingelang takistil, mille tõttu hakkab võimsustransistor voolu juhtima.^[5]

• 78xx komponendid ei vaja lisakomponente, et toimida püsivapingega toiteallikana; neid on väga lihtne kasutada ja need võtavad vähe ruumi.
• Omavad sisseehitatud ülekoormuse ja ülekuumenemise kaitset, mis on abiks ülejäänud elektroonikalülituste kaitsmisel.

• Sisendpinge peab teatud suuruse võrra olema alati väljundpingest kõrgem.
• Kuna tegemist on lineaarstabilisaatoril põhineva arhitektuuriga, on vajalik sisendvool alati sama nagu väljundvool. Seega stabilisaatori sisendis olev võimsus on suurem kui väljundis ning üleliigne võimsus eraldub soojusena. See muudab käsitletava kiipstabilisaatori ebaefektiivseks, seda enam, mida suurem on sisend- ja väljundpingete erinevus.

78xx perekondadega sarnanevad muudetava väljundpingega regulaatorid nagu LM317 (78xx) ja LM337 (79xx), kus väljundpinge reguleerimine toimub pingejärguri abil. Ka 78xx stabilisaatorid on põhimõtteliselt võimalik tüürida, kuid nende puhul on rahuolukorra vool suurem kui spetsiaalsetel muudetava väljundpingega regulaatoritel ja seetõttu on esimesed ebastabiilsed.

LM317^[8]
Kolme väljaviiguga positiivse reguleeritava väljundpingega regulaator, mis talub kuni 1,5 A voolu väljundpingete vahemikus 1,25–37 V. Kaitselülitused toimivad ka juhul, kui tüürväljaviik on ühendamata.

Takistitid R1 ja R2, stabilisaatori väljundi ja maanduse vahel, moodustavad pingejäguri, mille abil reguleeritakse mitteinverteeriva operatsiooni võimendi referentspinget U_ref. Väljundpinge avaldub:

${\displaystyle U_{v}=U_{ref}(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}})+I_{reg}R_{2}}$
Selleks, et muuta väljund stabiilsemaks, hoiab LM317 jõudevoolu I_reg alla 100 µA.^[8]

• Lihtne kasutada, vajab üksikuid väliskomponente
• Stabiilne ja häirekindel
• Suur väljundpinge reguleerimisulatus

• Reguleerelemendil hajuv võimsus on seda suurem, mida rohkem erinevad üksteisest stabilisaatori sisend ja väljundpinge
• Suur soojuskadu
• Vajab jahutusradiaatorit

v r Elektriahelad
Analoogelektroonika	Vooluallikas • Pingeallikas • Pingejagur • Võimendi • Atenuaator • Antenn • Ostsillaator • Alaldi (sildalaldi) • Inverter • Segusti • Pingestabilisaator (lineaarne) • Vooluregulaator • Impulsstoiteallikas (pinge) • Filter (pinnalainefilter • RC-filter)
Digitaalelektroonika	Analoog-digitaalmuundur • Digitaal-analoogmuundur • Kooder • Dekooder
Vaata ka	Elektriskeem • Tingmärgid