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.

Stabilitroniga pingestabilisaator
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 (VZ) sisendpinge (skeemil Ue) valitakse 1,5–2,0 korda vajalikust väljundpingest (Ua) suurem. Eeltakisti Rv 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.

Jadatransistoriga stabilisaator

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 DZ ülesandeks hoida püsivana üksnes transistori baasipinget. Stabilisaatori koormusvooluks on transistori emitterivool, mis emitterjärguril on baasivoolust vooluülekandeteguri kordselt tugevam. Koormus RL 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 UBE (baasipinget hoiab stabilitron püsivana) ja järelikult ka baasivool. Tulemusena avaneb transistor rohkem ning tema kollektori ja emitteri vaheline pingelang UCE väheneb sedavõrd, et pinge koormusel jääb peaaega püsivaks. Niisiis toimib transistor reguleerelemendina, reageerides baasi ja emitteri vahelise pinge muutustele.

Kollektorkoormusega stabilisaator 

Kollektorkoormusega stabilisaatorite silutegur q jääb vahemikku 200–300, mis on paljude elektroonikalülituste jaoks piisav. Väljundtakistus Rv= 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.

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

Kaitsemehhanism: kui koormusvool ületab lubatava väärtuse Ivmax, 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.

Püsivooluallikaga pingestabilisaator

Stabilitroniga lülituse stabiliseerimis- ja silutegurit saab umbes 10-kordselt suurendada, kui hoida stabilitroni vool püsivana, asendades eeltakisti Rv püsivooluallikaga (Q1, D1, 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%.

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.

Vastusideahelaga jadastabilisaator

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.

Pingestabilisaatorite liigkoormuskaitse
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 Rp, mille takistus peab olema nii suur, et isegi väljundi lühise korral reguleertransistoril eralduv võimsus ei ületaks lubatavat väärtust:

kus U0 on alaldi väljundpinge voltides, Pcmax transistori suurim lubatav hajuv võimsus ja Ria alaldi sisetakistus oomides.

Üledimensioneerimine
Reguleerelemendi transistorid valitakse 5–10-kordse võimsusvaruga, nii et voolu lähenedes väärtusele Us/Ria, ei ületata suurimat transistoril hajuvat võimsust Pcmax. 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.
RööpstabilitronReguleertransistori kaitsmine tema kollektori ja emitteri vahele ühendatava võimsusstabilitroniga. Lülitust kasutatakse mõnesaja milliamprise koormusvoolu korral. Stabilitroni pinge Uz peab olema selline, et ta hakkab juhtima, kui pingelang transistoril tõuseb väärtuseni, mil temal eralduv võimsus ulatub lubatava piirini.

SulavkaitseKiirsulav 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 Q3, 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.

Integraalstabilisaatorid
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.

Fikseeritud väljundpingega regulaatori perekond 78xx ja 79xx 
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.

Tabel 1. 78xx komponentide minimaalne nõutav sisendpinge vastava stabiliseerimispinge juures.https://www.st.com/resource/en/datasheet/l78.pdf

Eelised
 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.

Puudused
 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.

Muudetava väljundpingega regulaatorid 
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
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.

Tabel 2. LM317 parameetrid 

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

Selleks, et muuta väljund stabiilsemaks, hoiab LM317 jõudevoolu Ireg alla 100 µA.

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

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

Viited 

Elektroonika