logo
Finnish English EstonianLatvian Lithuanian

FINTRONIC OY
Malmin kauppatie 8 A
00700 HELSINKI
Finland

fintronic(at)fintronic.fi
etunimi.sukunimi@fintronic.fi

Puh.(09) 2512 7770
Fax.(09) 879 7770

Uudet lineaariregulaattorit ratkaisevat vanhoja ongelmia

Linear LT3081 Lineaariregulaattoreiden arkkitehtuuri on pysynyt suunnilleen samana kolmenapaisen kelluvan regulaattorin esittelyn jälkeen vuodesta 1976. Valittavana on ollut kelluva arkkitehtuuri (LT317) tai vahvistin, jossa on takaisinkytkentä lähdöstä. Kumpikaan tapa ei ole optimaalinen monipuolisuuden, säädettävyyden ja tarkkuuden kannalta. Vuonna 2007 Linear Technology julkisti LT®3080-piirin, esitellen uuden lineaariregulaattoriarkkitehtuurin joka on monipuolisempi, parantaa suorituskykyä ja mahdollistaa helpon rinnakkainkytkennän. LT3081 kuuluu tähän uuteen regulaattorisukupolveen, sen erikoisominaisuutena on myös laaja toiminta-alue (SOA).

Vanha tapa
Vanhassa regulaattoriarkkitehtuurissa (kuva 1) takaisinkytkentävastukset asettivat lähtöjännitteen vaimentamalla lähtöjännitteen regulaattorin vahvistimelle. Tässä järjestelyssä säädön tarkkuus on prosentteja lähtöjännitteestä, joten lähtöjännitteen tarkkuus voltteina vähenee kun lähtöjännite kasvaa, vaikka suhteellinen tarkkuus pysyy samana. Säädön kaistaleveys myöskin muuttuu lähtöjännitteen mukana, silmukkavahvistuksen pudotessa kaistaleveys vähenee kun lähtöjännite kasvaa, samalla transienttivaste huononee ja aaltoilu kasvaa. Lisäksi kuvan 1 arkkitehtuurissa virranrajoitus asetetaan piirillä, siksi eri virroille tarvitaan eri piirit jos virranrajoitus halutaan valita sovelluksen mukaan. Kuva 1 Kuva 1 Kuva 2

Uusi tapa
Vuonna 2007 Linear Technology esitteli uuden arkkitehtuurin, jossa referenssijännite asetetaan virta-lähteellä ja lähtövahvistimena on jänniteseuraaja (kuva 2). Tällä uudella järjestelyllä on useita etuja, muun muassa helppo rinnankytkentä lähtövirran kasvattamiseksi ja mahdollisuus säätää jännite nollaan volttiin asti. Koska lähtövahvistin toimii aina yksikkövahvistuksella, kaistaleveys ja absoluuttinen tarkkuus pysyvät samoina koko lähtöjännitealueella. Transienttivaste on riippumaton lähtöjännitteestä ja säätötarkkuuden voi määritellä millivoltteina sen sijaan että se kerrottaisiin prosentteina lähtöjännitteestä.

Taulukossa 1 on perheen regulaattorit ja niiden tärkeimmät ominaisuudet. Eri lähtövirtojen lisäksi näihin piireihin on lisätty ominaisuuksia, joita aiemmin ei lineaariregulaattoreissa ole ollut. Näitä ovat lähdöt piirin lämpötilan ja lähtövirran seuraamiseksi sekä virtarajan ulkoinen asetus. Yhdessä piirissä (LT3086) on aseteltavissa oleva lämpötilaraja. Kaikkia regulaattoreita voi kytkeä rinnan lähtövirran lisäämiseksi, virta jakaantuu silloin tasan samoin kuin hukkalämpö. Taulukko

LT3081, lineaariregulaattori teollisuuskäyttöön
LT3081:llä on laaja käyttöalue. Sen lähtövirta on 1,5 A, se on säädettävissä nollaan asti, suojattu väärinpäin olevalta jännitteeltä ja siinä on lähdöt lämpötilan ja lähtövirran mittaamiseen. Lisäksi virtarajaa voi säätää ulkoisella vastuksella. Kuvassa 3 on LT3081:n peruskytkentä.
Kuva 3 Kuva 3
Virran ja lämpötilan mittauslähdöt ovat virtalähtöjä ja ne toimivat alueella 0,4 volttia yli lähtöjännitteen ja aina 40 volttiin alle lähtöjännitteen. Lämpötilalähtö on 1 µA/°C ja virtalähtö on IOUT/5000. Virran voi muuttaa jännitteeksi kytkemällä virtalähteestä vastuksen signaalimaahan. Koska mittauksen tulee toimia myös lähdön ollessa nolla, käytettävissä oleva dynaaminen alue on 400 mV. Käytettäessä yhden kilo-ohmin vastusta marginaalia on riittävästi myös lähdön ollessa oikosuljettu.

Lähtöjännite asetellaan vastuksella ST-nastasta maahan. 50 µA tarkka virtalähde asettaa lähtöjännitteen. Piirin jänniteseuraaja pitää lähtöjännitteen samana kuin SET-nastan jännite. Erikoisuutena LT3081:ssä on mahdollinen lähtökondensaattorin poisjättäminen. Regulaattori on stabiili sekä lähtökondensaattorilla että ilman sitä. Piirin oma virta kulkee kuormaan ja pieni, 5 mA:n kuorma tarvitaan kaikilla lähtöjännitteillä täyden reguloinnin takaamiseksi.

Jännitteen asetukseen käytetty vastus vaikuttaa jännitteen lämpötilaryömintään. Kaupallisten pintaliitos-vastusten lämpötilakertoimet vaihtelevat huomattavasti, valmistajasta riippuen aina 100 - 500 ppm. Vaikka regulaattori ei lämmitä vastusta, laajalla lämpötila-alueella sen muutokset voivat aiheuttaa jopa 4 % muutoksen lähtöjännitteeseen. Tarkkuussovelluksissa pitää käyttää ohutkalvovastusta, jonka lämpötilakerroin on riittävän pieni.

Referenssivirtalähteen käytön hyödyt perinteiseen jännitelähteen käyttöön verrattuna eivät ole aivan ilmeisiä. Referenssivirtalähde mahdollistaa regulaattorin vahvistuksen ja kaistan riippumattomuuden tulon impedanssista. Aikaisemmilla regulaattoreilla, esimerkiksi LT1086:lla, silmukkavahvistus ja kaista muuttuvat lähtöjännitteen mukana. Jos säätönasta yhdistetään kondensaattorilla maahan, myös kaista muuttuu. Virtalähteen käyttö mahdollistaa kaiken puskurivahvistuksen käytön säätöön, vahvistusta ei tarvita referenssijännitteen nostamiseen lähtöjännitteen tasolle.

Kuva 4 Kuva 4 Teollisuussovelluksissa tarvitaan usein laajaa toiminta-aluetta, Safe Operating Area, SOA. laaja SOA tarkoittaa suurta lähtövirtaa myös suurilla tulo- ja lähtöjännitteen eroilla. Eri regulaattoreiden SOA on vertailtu kuvassa 4. LT1086, esitelty 1980-luvun puolivälissä, on 1,5 ampeerin regulaattori, jonka lähtövirta putoaa alas kun tulon ja lähdön jännite-ero on 20 V, vain 100 mA on silloin enää käytettävissä. Tästä seuraa lähtöjännitteen muutos jos kuormavirta on 100 mA ja tulon transientti nostaa jännitteen niin suureksi, että virtaraja saavutetaan. LT1963A on perinteinen regulaattori, myöskin rajoitetulla toiminta-alueella.

LT3081:n SOA on laaja, lähes 1 A lähtövirta vielä 25 voltin tulo- ja lähtöjännitteen erotuksella. Regulaattoria voi silloin helposti käyttää myös sovelluksissa joissa tulojännite voi käytössä muuttua. Laaja SOA on aikaansaatu käyttämällä suurta PNP-transistoria tehoasteessa. LT3081 (ja kuorma) on myös suojattu väärinpäin olevalta tulojännitteeltä.

Kuvassa 5 on LT3081:n lohkokaavio. Piirillä on kolme virtalähdettä: lähtö-virtaa ja lämpötilaa mittaavat sekä 50 µA tarkka virtalähde lähtöjännitteen asettamiseen. Vaikka LT3081 ei varsinainen LDO olekaan, se toimii kuitenkin aina 1,2 voltin jännite-eroon asti, hiukan parempi kuin esim. LT1086. Kuva 5
Kuva 5


Vahvistimen rakenne yhdessä hyvin reguloitujen sisäisten bias-virtojen kanssa saa LT3091:n stabiiliksi sekä lähtökondensaattoreilla että ilman. Pitää kuitenkin muistaa, että piiri ei välttämättä ole stabiili kaikilla mah-dollisilla tulolähteillä ja kuormilla, stabiilisuus pitää aina tarkistaa todellisessa käytössä. Jos epästabiilisuutta esiintyy, ulkoisilla kondensaattoreilla piiri saadaan stabiiliksi kaikilla virroilla. Lähtökondensaattorilla voi myös parantaa transienttivastetta, vahvistimen kaista ei enää silloin rajaa vastetta.

Virran lisääminen rinnankytkennällä
Kuva 6 Kuva 6 Piirien kytkeminen rinnan, perinteisesti ei suositeltu ratkaisu, on helppoa johtuen virtalähteen käytöstä jännitteen asetuksessa. Rinnankytkentää voi käyttää lähtövirran suurentamiseksi tai lämmön tasaamiseksi. Koska regulaattori on jänniteseuraaja, SET-nastojen kytkeminen yhteen asettaa lähtöjännitteet samoiksi. Kun kaikkien lähtöjen jännitteet ovat samat, muutamien milliohmien tasausvastukset riittävät tasaamaan virran regulaattoreiden kesken. Kuvassa 6 on esitetty offsett-jännitteiden hajonta LT3081-piireissä. Jännitteet eroavat alle 1 mV, siksi 10 milliohmin tasausvastuksilla saadaan jo parempi kuin 10% tarkkuus virtojen jaossa. Tyypillisesti parin sentin folio piirilevyllä riittää tasausvastukseksi. Kuvassa 7 on kahden regulaattorin kytkentä kolmen ampeerin lähtövirralle. Jännitteenasetusvastuksen virta on nyt 100 µA (kahden piirin ISET) ja 10 milliohmin vastukset jakavat virran tasan regulaattoreille. Jos ulkoista virranrajoitusvastusta käytetään, yhteinen vastus riittää. Kuva 7
Kuva 7 Kuva 8


Kuvassa 8 LT3081 on kytketty normaalin kiinteän regulaattorin rinnalle lisäämään lähtövirtaa. Vastusjaolla kiinteäjännitteisen regulaattorin lähdössä LT3081:n SET-nasta on asetettu 4 mV alle lähtöjännitteen. Silloin LT3081:n kautta ei kulje virtaa ilman kuormaa ja 20 milliohmin vastusten jännitehäviö poistaa tämän offsetin ja jakavat vastukset jakavat kuormavirran tasan regulaattoreiden kesken.

Piirilevyn suunnittelu
Jännitteen asettelussa käytettävä 50 µA virta on niin pieni, että vuotovirrat SET-nastaan voivat aiheuttaa virhettä jännitteessä. Siksi piirilevy on puhdistettava hyvin juotoksen jälkeen ja kosteissa olosuhteissa piirilevyn päällystäminen voi olla tarpeellinen kosteussulku. Vuotovirrat kannattaa minimoida ympäröimällä SET-nasta ja sen komponentit suojajohtimella, joka on yhdistetty OUT-nastaan.

Kuvan 9 mukaisesti virtaa asetusvastuksen läpi voi suurentaa, jos esimerkiksi halutaan käyttää pieniohmi-sempia ja vähäkohinaisempia lankapotentiometreja jännitteen asettelussa. Tässä vastuksella R2 otetaan virtaa lähtöjännitteestä ja yhdistetään se SET-nastan virtaan niin että vastuksen RSET läpi kulkee 5,05 mA virta maahan. R2 pitää kytkeä suoraan piirin lähtöön, jännitehäviöt lähtöjohtimessa aiheuttavat virhettä jännitteen säätöön.
Kuva 9
Kuva 8 Kuva 9


Toinen vaihtoehto pienemmän potentiometrin mahdollistamiseen on kuvassa 10. Siinä LT3092 on käytetty ulkoisena 1 mA virtalähteenä. Tämä sallii pienemmän säätövastuksen käytön ja mahdollistaa samalla säädön nollaan volttiin asti.

Yhteenveto
LT3081 kuuluu uuteen lineaariregulaattoriperheeseen, jonka uuden arkkitehtuurin ansiosta päästään kertaluokkaa parempaan säätöön vanhoihin regulaattoreihin verrattuna. Säätötarkkuus ja transienttivaste millivoltteina mitattuna ovat nyt vakioita lähtöjännitteestä riippumatta.

Uudet regulaattorit ovat helppokäyttöisiä ja monipuolisempia kuin aikaisemmat sukupolvet ja niihin on lisätty ominaisuuksia joita aikaisemmissa ei ollut mukana. Lämpötilan ja lähtövirran mittaus ja säädettävä virtaraja on lisätty uusiin regulaattoreihin. Rinnankytkennällä voi lisätä lähtövirtaa ilman monimutkaisia lisäpiirejä ja virtaraja on helposti aseteltavissa haluttuun arvoon. LT3081:ssä erityisesti on lisätty laajempi SOA lähtövirta-alueen kasvattamiseksi myös suuremmilla jännite-eroilla.

Takaisin

Etusivu | Palvelut | Edustukset | Yhteystiedot | Vip-lehti | Korvaustaulukot