Один из важных параметров последовательных стабилизаторов напряжения (в том числе и микросхемных) - минимально допустимое напряжение между входом и выходом стабилизатора (ΔUмин) при максимальном токе нагрузки. Он показывает, при какой минимальной разности входного (Uвх) и выходного (Uвых) напряжений все параметры стабилизатора находятся в пределах нормы. К сожалению, не все радиолюбители обращают на него внимание, обычно их интересуют только выходное напряжение и максимальный выходной ток. Между тем этот параметр оказывает существенное влияние как на качество выходного напряжения, так и на КПД стабилизатора.
Например, у широко распространенных микросхемных стабилизаторов серии 1_М78хх (хх - число, равное напряжению стабилизации в вольтах) минимально допустимое напряжение дUмин= 2 В при токе 1 А. На практике это означает, что для стабилизатора на микросхеме LM7805 (Uвых = 5 В) напряжение Uвхмин должно быть не менее 7 В. Если амплитуда пульсаций на выходе выпрямителя достигает 1 В, то значение Uвхмин повышается до 8 В, а с учетом нестабильности сетевого напряжения в пределах ±10 % возрастает до 8,8 В. В результате КПД стабилизатора не превысит 57 %, а при большом выходном токе микросхема будет сильно нагреваться.
Возможный выход из положения - применение так называемых Low Dropout (с низким падением напряжения) микросхемных стабилизаторов, например, серии КР1158ЕНхх (ΔUмин = 0,6 В при токе 0,5 А) или LM1084 (Uмин= 1,3 В при токе 5 А). Но еще меньших значений Uмин можно добиться, если в качестве регулирующего элемента использовать мощный полевой транзистор. Именно о таком устройстве и пойдет речь далее.
Схема предлагаемого стабилизатора показана на рис. 1. Полевой транзистор VT1 включен в плюсовую линию питания. Применение прибора с п-каналом обусловлено результатами проведенных автором испытаний: оказалось, что такие транзисторы менее склонны к самовозбуждению и к тому же, как правило, сопротивление открытого канала у них меньше, чем у р-канальных. Управляет транзистором VT1 параллельный стабилизатор напряжения DA1. Для того чтобы полевой транзистор открылся, напряжение на его затворе должно быть как минимум на 2,5 В больше, чем на истоке. Поэтому необходим дополнительный источник с выходным напряжением, превышающим напряжение на стоке полевого транзистора именно на эту величину.
Такой источник - повышающий преобразователь напряжения - собран на микросхеме DD1. Логические элементы DD1.1, DD1.2 использованы в генераторе импульсов с частотой следования около 30 кГц, DD1.3, DD1.4 - буферные; диоды VD1, VD2 и конденсаторы СЗ, С4 образуют выпрямитель с удвоением напряжения, резистор R2 и конденсатор С5 - сглаживающий фильтр.
Конденсаторы С6, С7 обеспечивают устойчивую работу устройства. Выходное напряжение (его минимальное значение 2,5 В) устанавливают подстроеч-ным резистором R4.
Лабораторные испытания макета устройства показали, что при токе нагрузки 3 А и снижении входного напряжения с 7 до 5,05 В выходное уменьшается с 5 до 4,95 В. Иными словами, при указанном токе минимальное падение напряжения ΔUмин не превышает 0,1 В. Это позволяет более полно использовать возможности первичного источника питания (выпрямителя) и повысить КПД стабилизатора напряжения.
Детали устройства монтируют на печатной плате (рис. 2) из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм. Постоянные резисторы - Р1-4, МЛТ, подстроечный - СПЗ-19а, конденсаторы С2, С6, С7 - керамические К10-17, остальные - оксидные импортные, например, серии ТК фирмы Jamicon. В стабилизаторе с выходным напряжением 3...6 В следует применять полевой транзистор с напряжением открывания не более 2,5 В. У таких транзисторов фирмы International Rectifier в маркировке, как правило, присутствует буква L (см. справочный листок "Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier" в "Радио", 2001, № 5, с. 45). При токе нагрузки более 1,5...2 А необходимо использовать транзистор с сопротивлением открытого канала не более 0,02... 0,03 Ом.
Во избежание перегрева полевой транзистор закрепляют на тепло-отводе, к нему же через изолирующую прокладку можно приклеить плату. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 3.
Выходное напряжение стабилизатора можно повысить, однако не следует забывать, что максимальное напряжение питания микросхемы К561ЛА7- 15 В, а предельное значение напряжения затвор-исток полевого транзистора в большинстве случаев не превышает 20 В.
Поэтому в подобном случае следует применить повышающий преобразователь, собранный по иной схеме (на элементной базе, допускающей более высокое напряжение питания), и ограничить напряжение на затворе полевого транзистора, подключив параллельно конденсатору С5 стабилитрон с соответствующим напряжением стабилизации. Если стабилизатор предполагается встроить в источник питания с понижающим трансформатором, то преобразователь напряжения (микросхему DD1, диоды VD1, VD2, резистор R1 и конденсаторы С2, СЗ) можно исключить, а "основной" выпрямитель на диодном мосте VD5 (рис. 4) дополнить удвоителем напряжения на диодах VD3, VD4 и конденсаторе С9 (нумерация элементов продолжает начатую на рис. 1).
Дата публикации: 29.09.2009
Мнения читателей
- Серегй
/ 06.10.2011 - 08:34
Какие номиналы нужно изменить, чтоб Uвых стало 9в? - Николай
/ 30.07.2011 - 22:30
Удачная схема, спасибо. Использовал ее для стабилизации напряжения при токах до 0,5А от источника с сильно просаживающимся напряжением при увеличении тока нагрузки. Стал вопрос о собственном потреблении управляющей части - много жрет:), от 18,6 мА (U вх макс) до 8,7 мА. Поставил R3 = 8,2 кОм (TL431 в номинальном режиме, I > 1мА, хотя типичный минимальный ток 450 мкА) и регулирующий R4 = 50 кОм. потребляемый ток снизился до 2,3 мА - 1,1 мА. При такой модификации можно использовать конденсаторы С3-С5 меньшей емкости, я использовал 10мкФ.
Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.
Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и припаял его к плате с помощью проводков.
Входное напряжение для этой схемы может быть от 6 и до 50 вольт. На выходе же получаем 3-27V с возможностью регулирования подстрочным резистором 33k. Выходной ток довольно большой, до 10 Ампер, в зависимости от радиатора.
Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.
Мощность, которую сможет рассеять такой не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2). Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.
Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.
Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.
Обсудить статью СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
вызвала много откликов и вопросов. На некоторые вопросы я попытался ответить в комментариях к оригинальной статье. Здесь приведу несколько простейших вариаций на тему данного стабилизатора.Кстати, пока суть да дело я справился построить два 120-Ваттных блока питания, два "бочонка" со стабилизаторами собранным по обсуждаемой схеме.
Рабочий прототип
Окорпусение моих поделок всегда было проблемой. В этот раз, как мне кажется, я удачно выкрутился применив подставки для кухонной утвари из Икеи и кругляк, вырезанный из 6-миллиметровой плиты MDF.
| 120Ватт из бочонка |
Ради чего весь сыр-бор?
Меня частенько называют сумасшедшим 🙂 И правда ведь: сегодня можно подобрать готовый импульсный источник питания практически под любые параметры. Стоить он будет возможно даже не дороже низкочастотного трансформатора, к тому же обычно оказывается и легче и компактней. Я же заплатил кучу деньгов за трансы и потратил несколько вечеров на сборку этих бочек. При том, что у меня уже были все необходимые источники. Итог: 7 импульсных коробочек были отправлены на хранение в подвал.
Открою секрет своего сумасшествия: это моя попытка уменьшить плотность электромагнитных полей в своём обиталище. К примеру микроволновка уже несколько лет тому назад была задарена людям, что выносят мусор из нашего подвала. Правда совесть немного всё же мучает: они ведь теперь облучаются и едят модифицированную пищу. Да и транс там был шикарный на 1килоВатт. 🙂
Вообще тема электромагнитных помех достойна диссера. Наверняка ещё не раз вернусь к ней в блоге...
На картинки можно "кликнуть" для просмотра в более высоком разрешении.
 |
| Распаяно "паутинкой" (МГТФ + Kynar) |
Вариации на тему
Во всех приводимых ниже набросках сохранена нумерация элементов из .
Две вторичных обмотки + плавный старт
Вкратце я уже предлагал такую модификацию в предыдущей статье. Плавный запуск можно обеспечить добавлением всего лишь одного резистора R9.
 |
| Эффективный первичный источник - две вторичных обмотки |
Примерный набор компонентов:
- VD1, VD2 = диоды Шоттки 8A 40В
- VD5-8 = 0.5A 200В маленький мостик
- C1 = 15000 мкФ 25 В
- C2, C3 = 47 мкФ 25 В
- C4 = 1000 мкФ 35 В
- R9 = 1 кОм
- C6 = 0.1 мкФ керамика
Обратите внимание на увеличившуюся ёмкость C4. Совместно с R9 она обеспечивает плавное нарастание напряжения "V++" при включении устройства. Поскольку напряжение на выходе регулятора не может превышать V++ за вычетом порогового напряжения МДП транзистора, данная модификация обеспечивает так же и плавное нарастание выходного напряжения при старте.
Единственная вторичная обмотка + плавный старт
На схеме данной вариации от диодных мостов рябит в глазах 🙂 Спешу напомнить, что собственно умножитель остался без изменений: всё тот же маленький мостик и 3 конденсатора.
В случае, когда в системе уже присутствует какой-либо другой источник положительного напряжения (на несколько вольт выше того, что необходимо получить на выходе данного регулятора) - разумно будет использовать его в качестве "V++". От источника "V++" регулятор потребляет всего лишь несколько миллиампер, что не должно быть слишком обременительно для другого источника. Таким образом можно запросто избавиться от умножителя.
Обойдёмся без ограничителя тока
Без ограничителя тока схема может работать с пренебрежимо малым напряжением падения на проходном транзисторе и по-прежнему обеспечивать большие токи нагрузки, что недоступно ни одному из известных мне на сегодня промышленных LDO регуляторов.
Примерный список номиналов см. ниже.
Пожалуйста, не экономьте на предохранителях. Лучше заменить копеечную стеклянную трубочку с проволочкой, нежели тушить дымящийся трансформатор.
Рекомендую поставить "медленный" предохранитель (с буквой "T" - time) сразу после вторичной обмотки трансформатора. Предохранитель должен быть рассчитан на ток, примерно вдвое больший номинального тока нагрузки. Настоятельно не советую полагаться на предохранитель, стоящий в сетевом проводе, особенно в случае, когда трансформатор имеет несколько вторичных обмоток от которых запитаны разные узлы устройства. В таком случае "дымный" сценарий может быть такой: одна вторичка перегружена и уже дымит, тогда как общее потребление остаётся в пределах нормы, например из-за отключения остальных узлов устройства.
Полная схема регулятора
Просто перерисованная так, чтобы легче читалось, я надеюсь.
Пример номиналов из моего прототипа:
- R1, R6 = 2.2 кОм
- R2, R3 = 470 Ом
- R4 = 0.22 Ом 3Вт
- R5 = 12 кОм
- R7 = 2.2 кОм многооборотный
- C5 = 10 nF керамика
- VT1 = IRFZ40
- VT2 = 2N2222
- VD9 = 1N5244B (стабилитрон на 14В)
Тестируем!
Картинка замечательного устройства, выручавшего меня неоднократно при отладке аудио-усилителей. В этот раз с его помощью оттестировал мои "бочонки", рассчитанные на 12.6V 2A по стабилизированному выходу. Ограничитель тока установлен примерно на 2.5A.
 |
|
Дальнейшее развитие идеи
- Внешний контроль включения в сочетании с плавным стартом;
- Термо-регулируемый вентилятор;
- Термический предохранитель;
- Набор для самостоятельной сборки;
- Программируемый источник...
Так что заглядывайте почаще, а лучше - подпишитесь на рассылку 😉
This entry was posted in , by . Bookmark the .
Одним из важнейших свойств стабилизаторов питания является наименьшее допускаемое напряжение между выходом и входом стабилизатора при наибольшем нагрузочном токе. Он выдает информацию, при какой наименьшей разности напряжений параметры прибора находятся в нормальном состоянии.
Одним способом повышения КПД линейной настройки является снижение до наименьшего значения падения напряжения регулировочного элемента. Это особенно важно для миниатюрных регуляторов, на которых каждые вспомогательные 50 милливольт падения преобразуются в несколько сотен милливатт теплоты со сложным рассеиванием в небольшом корпусе устройства.
Поэтому для подключения подобных схем многие фирмы предлагают проектировщикам микросхемы с малым падением до 100 милливольт. Хорошие параметры имеет микросхема ST 1L 08 при токовой нагрузке до 0,8 А наименьшее падение на транзисторе имеется около 70 милливольт.
Из заводских стабилизаторов можно отметить те, у которых при снижении нагрузочного тока до наименьшего значения падение снижается до 0,4 милливольта. Для уменьшения шума такие микросхемы снабжены вспомогательным буферным усилителем с клеммой для подключения наружного фильтра емкостью до 0,01 мкФ. К такому фильтру предъявляются наименьшие требования: величина емкости должна быть от 2,2 до 22 мкФ.
Особое внимание необходимо обратить на микросхему LD CL 015. При хороших свойствах и низком падении напряжения это один из стабилизаторов, работающих без конденсаторного фильтра. Это достигается схемой операционного усилителя с запасом по фазе. Однако для улучшения параметров и уменьшения шума на выходе целесообразно установить на выходе и входе прибора емкости около 0,1 мкФ.
Прибор с падением до 0,05 вольт
При подключении разной аппаратуры от аккумуляторов, чаще всего есть необходимость выравнивать напряжение и расходуемый ток. Например, для образования лазера видеопроигрывателя или фонарика на светодиодах. Для решения такой задачи на производстве уже спроектировано несколько микросхем в виде драйверов. Они представляют собой низковольтный преобразователь напряжения с внутренним стабилизатором. Новой разработкой является микросхема LТ 130 8А.
Не снижая преимущества таких драйверов, нужно заметить, что в большом областном городе нет таких микросхем. Можно заказать по высокой стоимости, около 10 евро. Поэтому есть дешевая простая и эффективная схема прибора из одного радио журнала.
Коэффициент стабилизации такого устройства равен 10000. Напряжение на выходе настраиваем сопротивлением 2,4 килома от 2 до 8 вольт. При величине питания на входе ниже выхода, настроечный транзистор открыт, и снижение питания равно нескольким мВ. Если входное напряжение выше выходного, то на стабилитроне оно равно 0,05 вольт. Это становится возможным для от пальчиковых батареек. Даже, меняя нагрузочный ток в интервале от 0 до 0,5 ампера, выходное напряжение изменится только на 1 мВ.
Для такого простого стабилизатора плату не обязательно травить, а можно вырезать специальным ножом. Оно изготавливается из сломанных полотен по железу, затачивается на шлифовальном круге. Затем ручку обматывают для удобства пользования.
Таким резаком можно процарапать дорожки на медной плате.
Плату чистим шлифшкуркой, лудим, припаиваем детали и все готово.
На фотографиях видно, что нет необходимости в травлении платы и ее сверлении.
Такой способ всегда применяется для производства маленьких простых схем. Нет необходимости оснащать радиатором охлаждения мощный транзистор. Он из-за небольшого падения напряжения не нагревается. При настройке обязательно необходимо подключить слабую нагрузку на выход.
Устройство выравнивания питания с малым падением
Наиболее важным свойством обладает стабилизатор с малым падением питания, так же как и на микросхемах, наименее допустимая разность потенциалов выхода и входа при наибольшей токовой нагрузке. Он определяет, при какой наименьшей разности напряжений между выходом и входом все свойства прибора находятся в норме.
- У наиболее распространенных стабилизаторов, выполненных на микросхемах серии М78 наименьшее допускаемое напряжение равно 2 вольта при силе тока 1 ампер.
- Прибор на микросхеме с минимальным напряжением на входе должен выдавать напряжение 7 вольт на выходе. При амплитуде импульсов на выходе прибора доходит до 1 вольта, то величина входного наименьшего напряжения увеличивается до 8 вольт.
- С учетом нестабильности напряжения сети в интервале 10% увеличивается до 8,8 вольт.
В итоге КПД прибора не превзойдет 57%, при значительном токе на выходе микросхема сильно нагреется.
Применение микросхем с низким падением
Хорошим выходом из ситуации является использование таких сборок, как КР 1158 ЕН, или LМ 10 84.
Работа прибора на микросхеме заключается в следующем:
- Малых значений напряжения можно достичь, применяя для регулировки мощный полевик.
- Транзистор работает в положительной линии.
- Использование стабилизатора с n-каналом предполагается по испытаниям: такие полупроводники не склонны к самовозбуждению.
- Сопротивление открытой цепи ниже, по сравнению с p-канальным.
- Транзистором управляет параллельный стабилизатор.
- Для открытия полевого транзистора, напряжение на затворе доводят на 2,5 вольта выше истока.
Такой вспомогательный источник необходим, если у него напряжение на выходе выше напряжения стока полевого транзистора на это значение.
На основе мощных переключательных полевых транзисторов можно построить линейные стабилизаторы напряжения. Подобное устройство было ранее описано в . Немного изменив схему, как показано на рис. 1, можно улучшить параметры описанного стабилизатора, существенно (в 5…6 раз) уменьшив падение напряжения на регулирующем элементе, в качестве которого применен транзистор IRL2505L. Он имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,008 Ом), обеспечивает ток до 74 А при температуре корпуса 100 °С, отличается высокой крутизной характеристики (59 А/В). Для управления им требуется небольшое напряжение на затворе (2,5…3 В). Предельное напряжение сток-исток - 55 В, затвор-исток - ±16 В, мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 200 Вт.
Подобно современным микросхемным стабилизаторам, предлагаемый модуль имеет три вывода: 1 - вход, 2 - общий, 3 - выход. В качестве управляющего элемента применена микросхема DA1 - параллельный стабилизатор напряжения КР142ЕН19 (TL431). Транзистор VT1 выполняет функцию согласующего элемента, а стабилитрон VD1 обеспечивает стабильное напряжение для его базовой цепи. Значение выходного напряжения можно рассчитать по формуле
Uвых=2,5(1+R5/R6).
Выходное напряжение регулируют, изменяя сопротивление резистора R6. Конденсаторы обеспечивают устойчивую работу стабилизатора. Устройство работает следующим образом. При увеличении выходного напряжения повышается напряжение на управляющем входе микросхемы DA1, в результате чего ток через нее увеличивается. Напряжение на резисторе R2 увеличивается, а ток через транзистор VT1 уменьшается. Соответственно напряжение затвор-исток транзистора VT2 уменьшается, вследствие чего сопротивление его канала возрастает. Поэтому выходное напряжение уменьшается, восстанавливаясь до прежнего значения.
Регулирующий полевой транзистор VT2 включен в минусовый провод, а управляющее напряжение поступает на него с плюсового провода. Благодаря такому решению стабилизатор способен обеспечить ток нагрузки 20…30 А, при этом входное напряжение может быть всего на 0,5 В больше выходного. Если предполагается использовать модуль при входном напряжении более 16 В, то транзистор VT2 необходимо защитить от пробоя с помощью маломощного стабилитрона с напряжением стабилизации 10…12 В, катод которого подключают к затвору, анод - к истоку.
В устройстве можно применить любой n-канальный полевой транзистор (VT2), подходящий по току и напряжению из списка, приведенного в , желательно выделенный желтым цветом. VT1 - КТ502, КТ3108, КТ361 с любыми буквенными индексами. Микросхему КР142ЕН19 (DA1) допустимо заменить на TL431. Конденсаторы - К10-17, резисторы - Р1-4, МЛТ, С2-33.
Схема подключения модуля стабилизатора приведена на рис. 2.
При большом токе нагрузки на транзисторе VT2 рассеивается большая мощность, поэтому необходим эффективный теплоотвод. Транзисторы этой серии с буквенными индексами L и S устанавливают на теплоотвод с помощью пайки. В авторском варианте в качестве теплоотвода и одновременно несущей конструкции применен корпус от неисправного транзистора КТ912, КП904. Этот корпус разобран, удалена его верхняя часть так, что осталась позолоченная керамическая шайба с кристаллом транзистора и выводами-стойками. Кристалл аккуратно удален, покрытие облужено, после чего к нему припаян транзистор VT2. К покрытию шайбы и выводам транзистора VT2 припаяна печатная плата из двусторонне фольгированного стеклотекстолита (рис. 3). Фольга на обратной стороне платы целиком сохранена и соединена с металлизацией шайбы (стоком транзистора VT2) После налаживания и проверки модуля стабилизатора плата приклеена к корпусу. Выводы 1 и 2 - площадки на печатной плате, а вывод 3 (сток транзистора VT2) - металлический вывод-стойка на керамической шайбе.
Если применить детали для поверхностного монтажа: микросхему TL431CD (рис. 4), транзистор VT1 КТ3129А-9, транзистор VT2 IRLR2905S, резисторы Р1-12, то часть их можно разместить на печатной плате, а другую часть - навесным монтажом непосредственно на керамической шайбе корпуса. Внешний вид собранного устройства показан на рис. 5. Модуль стабилизатора напряжения не имеет гальванической связи с основанием (винтом) корпуса, поэтому его можно непосредственно разместить на теплоотводе, даже если он соединен с общим проводом питаемого устройства.
Также допустимо использовать корпус от неисправных транзисторов серий КТ825, КТ827. В таком корпусе кристаллы транзистора прикреплены не к керамической, а к металлической шайбе. Именно к ней, предварительно удалив кристалл, припаивают транзистор VT2. Остальные детали устанавливают аналогично. Сток транзистора VT2 в этом случае соединен с корпусом, поэтому модуль можно непосредственно установить на теплоотвод, соединенный с минусовым проводом питания нагрузки.
Налаживание устройства сводится к установке требуемого выходного напряжения подстроечным резистором R6 и к проверке отсутствия самовозбуждения во всем интервале выходного тока. Если оно возникнет, его нужно устранить увеличением емкости конденсаторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. - Радио, 2001, № 5, с. 45.
2. Нечеев И. Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе. - Радио, 2003, № 8. с. 53, 54.
И. НЕЧАЕВ, г. Курск
“Радио” №2 2005г.
