Принцип работы и типовые схемы компенсационных стабилизаторов напряжения на транзисторах

Наиболее широкое практическое применение находят компенсационные последовательные стабилизаторы напряжения. Типовая схема такого стабилизатора приведена на рис. 1. В зависимости от величины тока нагрузки регулирующий транзистор может быть составным (как показано на рис. 1) или одиночным.

Основными недостатками типовой схемы являются низкий коэффициент стабилизации и довольно большие пульсации на выходе стабилизатора.

Последнее особенно сильно проявляется при больших токах нагрузки. Это объясняется тем, что база регулирующего транзистора питается от нестабилизированного источника. Увеличение емкости конденсатора C1 уменьшает пульсации лишь тогда, когда эта емкость будет равна не скольким тысячам мкф, что практически трудно реализовать.

Качество стабилизатора существенно улучшится, если базовую цепь регулирующего транзистора питать от стабилизированного источника или источника с малым напряжением пульсаций переменного тока.

Ниже рассматривается несколько вариантов улучшения стабилизатора по этому принципу.

На рис. 2 приведена схема стабилизатора со сглаживающим фильтром в базовой цени регулирующего транзистора. В этом стабилизаторе резистор R5 заменен двумя — R5`R5″ добавлен конденсатор С2. Так как ток, протекающий через этот фильтр, весьма мал, то даже при емкости С2 в несколько десятков мкФ пульсации на базе регулирующего транзистора, а следовательно, и на выходе стабилизатора существенно уменьшаются. Следует иметь в виду, что сумма сопротивлений резисторов R5` и R5″ должна быть равна сопротивлению резистора R5 на схеме рис. 1.

В стабилизаторе, схема которого показана на рис. 3, для питания цепей баз регулирующего транзистора и транзистора усилителя обратной связи применен стабилизирующий трехполюсник. Этот стабилизатор позволяет отказаться от применения составного регулирующего транзистора при значительных токах нагрузки. В стабилизирующем трехполюснике используется n-р-n транзистор, напряжение на базе которого стабилизировано с помощью диода Д2. В качестве диода Д2 могут быть использованы кремниевые стабилитроны, которые имеют напряжение стабилизации в прямом направлении порядка 0,5В. Поскольку напряжение перехода база — эмиттер транзистора стабилизировано, ток Iк2, коллектора транзистора Т2 не меняется при изменении входного напряжения Uвх и при наличии пульсаций на входе.

Базовые цепи регулирующего транзистора и транзистора усилителя обратной связи в стабилизаторе, схема которого дана на рис. 4, питаются от стабилизированного источника. При больших токах нагрузки мощность рассеяния на регулирующем транзисторе этого стабилизатора резко увеличивается. Поэтому применение его целесообразно лишь при сравнительно небольших токах нагрузки (до 0,3—0,5A).

На рис. 5 изображена схема стабилизатора, качество работы которого улучшено применением транзистора Т2 типа n-р-n взамен р-n-р в стабилизаторе по схеме рис. 1 и изменением места включения опорного стабилитрона. Нетрудно видеть, что колебания входного напряжения поступают на эмиттерные переходы всех транзисторов только через достаточно большие сопротивления коллекторных переходов, и таким образом, дестабилизирующее влияние источника питания на стабилизатор существенно уменьшается.

 

 

В стабилизаторе, схема которого приведена на рис. 6, применены регулирующий и усилительный транзисторы разных типов проводимости. Особенностью стабилизатора является то, что регулирующий транзистор подключен к положительному полюсу стабилизируемого напряжения. Так как коллекторный ток усилительного транзистора и базовый ток регулирующего транзистора направлены согласованно, отпадает необходимость в специальном нагрузочном резисторе и источнике вспомогательного напряжения, а также значительно упрощается согласование режимов транзисторов. Роль нагрузки усилительного каскада здесь играет весьма значительное по величине сопротивление коллекторного перехода регулирующего транзистора. При выполнении стабилизатора по этой схеме можно обойтись без применения в регулирующем элементе составного транзистора до токов нагрузки 300—500 мА.

Все стабилизаторы напряжения, описанные в статье, испытывались при токе нагрузки Iн—300 мА и выходном напряжении Uн=15 в.

Во время испытаний стабилизаторы питались от выпрямителя, собранного по мостовой схеме без сглаживающего фильтра.

В заключение следует отметить, что коэффициент стабилизации всех схем, приведенных выше, можно повысить увеличением доли выходного напряжения, действующей на усилитель обратной связи стабилизатора. С этой целью необходимо увеличивать значение коэффициента n=R2/R1+R2 (для схемы рис. 1), что возможно путем выбора опорного напряжения, близкого к значению Uн. Другим путем является замена резистора R1 (см. рис. 1) таким стабилитроном (показан пунктиром), чтобы Uст. Д1+Uст.Д2≈Uн. Такая замена позволяет увеличить коэффициент стабилизации стабилизатора по схеме рис. 1 с 20 до 50.

 

 

Ознакомиться с основными характеристиками и цоколевкой интегральных микросхем стабилизаторов напряжения можно на страницах нашего сайта:

Справочная информация по интегральным стабилизаторам напряжения AN серии
Справочная информация по интегральным стабилизаторам напряжения MC серии
Справочная информация по интегральным стабилизаторам напряжения LM серии

Линейные стабилизаторы напряжения | Основы электроакустики

Выходное напряжение на выходе фильтра обычно имеет значительные пульсации, так как емкости конденсаторов не могут быть выбраны бесконечно большими.

Кроме того, выходное напряжение таких схем сильно зависит от колебаний напряжения сети и изменения нагрузки. Для уменьшения влияния этих факторов обычно используют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатор напряжения (СН) – это устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Обычно СН представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования напряжения, в которой выходное напряжение поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, создаваемому специальным источником опорного напряжения (ИОН). Стабилизаторы такого типа, называемые компенсационными, содержат регулирующий элемент (биполярный или полевой транзистор), включаемый последовательно или параллельно нагрузке. Регулирующий элемент может работать в активном (непрерывном) режиме, в этом случае стабилизатор называется линейным или с непрерывным регулированием, а также в ключевом режиме. В этом случае стабилизатор называется ключевым или импульсным.

Линейные стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. Параметрические стабилизаторы являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Схема и принцип действия такого стабилизатора рассматривались в главе 4.

Параметрические стабилизаторы применяются в основном для построения источников опорного напряжения (ИОН). Так как стабильность ИОН определяет качество компенсационных стабилизаторов, то к стабилитронам применяются особые требования по стабильности характеристик. Чтобы повысить коэффициент стабилизации, применяют температурно-компенсиро-ванные двух- и трехвыводные стабилитронные интегральные микросхемы. Такие ИМС имеют в своем составе транзисторы, операционные усилители и обладают весьма стабильными характеристиками. На рис.17.2, а показана схема источника опорного напряжения

TL431С (отечественный аналог – 142ЕН19). Это недорогой источник опорного напряжения на «программируемом стабилитроне», его схема включения показана на рис. 17.2, б.

Рис.17.2. ИМС ИОН (а) и схема ее включения (б)

 

«Стабилитрон» включается, когда управляющее напряжение достигает 2,75 В («стабилитрон» собран из биполярных транзисторов). Этот прибор по управляющему входу потребляет то всего лишь в несколько микроампер и имеет малый температурный коэффициент выходного напряжения. При указанных в схеме параметрах на выходе получается стабилизированное напряжение 10 В.

Компенсационные стабилизаторы (рис.17.3) представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора является ИОН, элемент сравнения и усиления (ЭСУ) и регулирующий элемент (РЭ).

 

Рис.17.3. Структурная схема компенсационного стабилизатора

 

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения сравнивается с эталонным напряжением. В зависимости от их соотношения ЭСУ вырабатывает сигнал для РЭ, изменяющий режим его работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

Чаще всего РЭ включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным. В случае включения РЭ параллельно нагрузке стабилизатор называют параллельным.

Простейшим последовательным стабилизатором (рис.17.4) напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения. В схеме опорное напряжение получается с помощью параметрического стабилизатора на стабилитроне VD и резисторе R.

 

Рис.17.4. Простейший компенсационный стабилизатор напряжения

 

За чет отрицательной обратной связи по напряжению выходное напряжение стабилизатора устанавливается равным величине U_ВЫХ = U_ОПОРН – U_БЭ.

Схема работает следующим образом. Возьмем для примера, что входное напряжение увеличилось. В первый момент выходное напряжение также будет увеличиваться, управляющее напряжение транзистора U_БЭ = U_ОПОРН – U_ВЫХ уменьшается, транзистор подзапирается, сопротивление коллектор-эмиттер его увеличивается, а выходное напряжение уменьшается, компенсируя изменение входного сигнала. В данной схеме транзистор совмещает в себе функции ЭСУ и РЭ. Для улучшения параметров схемы дополнительно включают усилитель сигнала рассогласования (рис.17.5).

 

Рис.17.5. Стабилизатор напряжения с усилителем на ОУ

 

Недостатком таких схем является критичность к короткому замыканию (КЗ) на выходе. В случае короткого замыкания рассеиваемая на транзисторе мощность превысит допустимую и транзистор выйдет из строя. Для защиты схемы от КЗ используется принцип, который поясняется схемой, приведенной на рис.17.6.

 

 

Рис.17.6. Стабилизатор с защитой от короткого замыкания

Для защиты от КЗ в схему дополнительно введены резистор R₃ и транзистор VT₂. Если произойдет недопустимое увеличение тока, то падение напряжения на R₃ превысит величину, равную приблизительно 0,6 В, транзистор VТ₂ откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VT₁.

В настоящее время стабилизаторы напряжения выпускаются в виде интегральных микросхем. Наиболее известная серия отечественных ИМС компенсационных линейных стабилизаторов – серия К142ЕН. В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжением.

ИМС стабилизаторов имеют всего три внешних вывода (вход, выход и общий) и настраивается изготовителем на нужное фиксированное напряжение. На рис. 17.7 показано, как легко сделать стабилизатор, например на 5 В с применением одной из этих схем.

 

Рис.17.7. Стабилизатор на ИМС К142ЕН5

 

Конденсатор, поставленный параллельно выходу, улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное сопротивление на низком уровне при высоких частотах. ИМС стабилизаторов выпускаются в пластмассовых и металлических корпусах, как и транзисторы. На рис. 17.8 приведена схема блока питания с ИМС стабилизатора напряжения.

 

Рис.17.8. Блок питания на ИМС стабилизатора напряжения

 

В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами (рис.17.9).

ИМС стабилизаторов, как правило, снабжены внутренней защитой от повреждений в случае перегрева или чрезмерного тока нагрузки (ИМС не «сгорает», а выключается). Кроме того, предусмотрена защита прибора при выходе его из области безопасной работы за счет уменьшения предельно возможного выходного тока при увеличении разности входного и выходного напряжений.

 

Рис.17.9. ИМС стабилизатора с внешним транзистором

 

ИМС стабилизаторов дешевы, удобны в использовании, имеют широкую номенклатуру. Такое разнообразие схем дает возможность разработчикам не «изобретать» самостоятельно схемы стабилизаторов, а выбирать готовые по каталогам фирм-производителей.

Основной недостаток линейных СН – малый коэффициент полезного действия. КПД схемы зависит от соотношения входного U_ВХ и выходного U_ВЫХ . Для большинства линейных стабилизаторов значение КПД невелико и не превышает 50%, однако известны схемные решения, увеличивающие КПД до 90%. Особенно невыгодно применение линейных СН в случае большой разницы входного и выходного напряжения, отметим также, что все линейные СН являются понижающими, то есть U_ВЫХ для них всегда ниже U_ВХ.

 

 

 

Схема стабилизатора напряжения сети 220В » Паятель.Ру

Стабилизатор представляет собой сетевой автотрансформатор, отводы обмотки которого переключаются автоматически в зависимости от величины напряжения в электросети. Стабилизатор позволяет поддерживать выходное напряжение на уровне 220V при изменении входного от 180 до 270 V. Точность стабилизации 10V. Принципиальную схему можно разделить на слаботоковую схему (или схему управления) и сильнотоковую (или схему автотрансформатора).

Схема управления показана на рисунке 1. Роль измерителя напряжения возложена на поликомпараторную микросхему с линейной индикацией напряжения, — А1 (LM3914).

Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку маломощного трансформатора Т1. У этого трансформатора есть две вторичные обмотки, по 12V на каждой, имеющие один общий вывод (или одна обмотка на 24V с отводом от середины).

Выпрямитель на диоде VD1 служит для получения питающего напряжения. Напряжение с конденсатора С1 поступает на цепь питания микросхемы А1 и светодиодов оптопар Н1.1-Н9.1. А так же, он служит для получения образцовых стабильных напряжений минимальной и максимальной отметки шкалы.

Для их получения используется параметрический стабилизатор на VD3 и R1. Предельные значения измерения устанавливаются подстроечными резисторами R2 и R3 (резистором R2 — верхнее значение, резистором R3 — нижнее).

Измеряемое напряжение берется с другой вторичной обмотки трансформатора Т1. Оно выпрямляется диодом VD2 и поступает на резистор R5. Именно по уровню постоянного напряжения на резисторе R5 производится оценка степени отклонения сетевого напряжения от номинального значения В процессе налаживания резистор R5 предварительно устанавливают в среднее положение, а резистор R3 в нижнее по схеме.

Затем, на первичную обмотку Т1 от автотрансформатора типа ЛАТР подают повышенное напряжение (около 270V) и резистором R2 выводят шкалу микросхемы на значение, при котором горит светодиод, подключенный к выводу 11 (временно вместо светодиодов оптопар можно подключить обычные светодиоды).

Затем входное переменное напряжение уменьшают до 190V и резистором R3 выводят шкалу на значение когда горит светодиод, подключенный к выводу 18 А1.

Если вышеуказанные настройки сделать не удается, нужно подстроить немного R5 и повторить их снова. Так, путем последовательных приближений добиваются результата, когда изменению входного напряжения на 10V соответствует переключение выходов микросхемы А1.

Рис.2
Всего получается девять пороговых значений, — 270V, 260V, 250V, 240V, 230V, 220V, 210V, 200V, 190V. Принципиальная схема автотрансформатора показана на рисунке 2. В его основе лежит переделанный трансформатор типа ЛАТР.

Корпус трансформатора разбирают и удаляют ползунковый контакт, который служит для переключения отводов. Затем по результатам предварительных измерений напряжений от отводов делают выводы (от 180 до 260V с шагом в 10V), которые, в дальнейшем переключают при помощи симисторных ключей VS1-VS9, управляемых системой управления посредством оптопар Н1-Н9.

Оптопары подключены так, что при снижении показания микросхемы А1 на одно деление (на 10V) происходит переключение на повышающий (на очередные 10V) отвод автотрансформатора. И наоборот, — увеличение показаний микросхемы А1 приводит к переключению на понижающий отвод автотрансформатора.

Подбором сопротивления резистора R4 (рис. 1) устанавливают ток через светодиоды оптопар, при котором симисторные ключи переключаются уверенно. Схема на транзисторах VT1 и VT2 (рис. 1) служит для задержки включения нагрузки автотрансформатора на время, необходимое на завершение переходных процессов в схеме после включения. Эта схема задерживает подключение светодиодов оптопар к питанию.

Вместо микросхемы LM3914 нельзя использовать аналогичные микросхемы LM3915 или LM3916, из-за того, что они работают по логарифмическому закону, а здесь нужен линейный, как у LM3914. Трансформатор Т1 — малогабаритный китайский трансформатор типа TLG, на первичное напряжение 220V и два вторичных по 12V (12-0-12V) и ток 300mA. Можно использовать и другой аналогичный трансформатор.

Трансформатор Т2 можно сделать из ЛАТРа, как описано выше, или намотать его самостоятельно. Симисторы можно использовать другие, — все зависит от мощности нагрузки. Можно даже использовать в качестве элементов коммутации электромагнитные реле.

Сделав другие настройки резисторами R2, R3, R5 (рис. 1) и, соответственно, другие отводы Т2 (рис. 2) можно изменить шаг переключения напряжения.

Стабилизаторы напряжения — Теоретические материалы — Теория

Стабилизатором напряжения (СТН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения — это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов.

Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей — стабилитрона. Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рис. 1 — Параметрический стабилизатор напряжения

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначительно. Входное напряжение через ограничительный резик R_бал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение U_вх передается на R_бал, что приводит к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резике.

Часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника гуляет (т. е. нестабильно), а сопротивление нагрузки постоянно. Для нормального режима стабилизации сопротивление резика R_огр должно иметь определенное значение. Если напряжение U_вх гуляет от U_min до U_max, то для расчета R_огр можно воспользоваться формулой:

R_огр = (U_вх.ср — U_ст)/(I_ср + I_н),

где U_вх.ср = 0.5(U_вх.min + U_вх.max) — среднее значение напряжения источника, I_ср. = 0.5(I_min + I_max) — средний ток стабилитрона, I_н = U_н/R_н — ток нагрузки. При изменении входного напряжения в ту или иную сторону будет изменяться ток стабилитрона, на напряжение на нем, следовательно и на нагрузке будет оставаться постоянным.

Коли все изменения напряжения источника гасятся в R_огр, то наибольшее изменение напряжения (U_{вх. max} — U_вх.min = ΔU_вх) должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация (I_max — I_min = ΔI_ст). Отсюда следует, что стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия:

ΔU_вх ≦ ΔI_стR_огр

Бывает режим стабилизации, когда входное напряжение постоянно, а сопротивление нагрузки изменяется, т. е. гуляет от R_н.min до R_н.max. Для такого режима R_огр определяется по формуле:

R_огр = (U_вх — U_ст)/(I_ср + I_н.ср),

где I_н.ср = 0.5(I_н.min + I_н.max), причем I_н.min = U_ст/R_н.max, а I_н.max = U_ст/R_н.min.

Иногда необходимо получить такое напряжение, на которое стабилитрон не рассчитан. В этом случае применяют последовательное соединение стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет соответствовать сумме напряжений стабилизаций последовательно включенных стабилитронов.

Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов. Говоря проще, берут несколько вышерассмотренных схем и включают одну за другой. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больше, чем следующего. Такие схемы применяют для увеличения коэффициента стабилизации. Бывает еще и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоретически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности (хотя в это верится с трудом).

К сожалению большой мощи с вышерассмотренной схемы не снять. Поэтому придумали ниже приведенную схемку, которая проста до безобразия.

Рис. 2 — Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности

Как видим, ничего сложного. Просто нагрузку воткнули через транзистор, включенный по схеме ОК, выполняющего роль усилителя мощности.

Ахтунг: Как-то один препод втулял на полном серьезе, что схема на рисунке 2 — компенсационный стабилизатор напряжения. Тогда меня чуть не вывернуло. Не ведитесь на такую фигню. Про КСН чуть ниже. Там и будет понятно отличие ПСН от КСН.

Такая схема при малых и средних токах нагрузки работает как стабилизатор, а при больших токах нагрузки — как транзисторный фильтр (если параллельно стабилитрону влепить кондер). Если параллельно стабилитрону влепить переменный (подстроечный) резик, то выходное напряжение становиться регулируемым. Можно также влепить параллельно нагрузке кондер. Кондеров вообще можно повтыкать несколько штук, не повредит. Для уменьшения высокочастотной (ВЧ) составляющей выходного напряжения параллельно нагрузке втыкают кондер емкостью 0,01…1 мкФ. Это касается любых источников питания. В умных книжках пишут, что кондер должен быть керамический, хотя и бумажные, слюдяные, пленочные и прочие работают ничтяково.

Тип транзистора в схеме на рисунке 2 выбирается из учета мощности нагрузки. Например, для питания усилка (особенно большой мощности), когда ток нагрузки велик, втыкают составной транзистор. Составной транзистор — это когда берут два (или больше) транзистора и коллектор или эмиттер одного подключают к базе другого, а оставшийся вывод первого транзистора соединяют с оставшимся выводом следующего. На рисунке ниже это намного понятнее:

Это составной транзистор

И это составной транзистор

Теперь ясно? Вся фишка в том, что у составного транзистора коэффициент передачи равен произведению коэффициентов передачи каждого транзистора. То есть берем два говяненьких транзистора с коэффициентом усиления, скажем, 100, делаем составной и получаем транзистор с коэффициентом передачи 10 000. Суть ясна?

Итак, для больших токов используют составные транзисторы, ну а для питания парочки микросхем подойдет транзистор средней и малой мощности. Даже 315-е работают вполне удовлетворительно.

Бывает ешчё куча всяких схем ПСН, но наиболее употребительные две вышерассмотренные. Ну понятно, наверное, чтобы получить напряжение обратной полярности, просто переворачиваем стабилитрон вверх ногами (на рис.1), а транзистор втыкаем другого типа проводимости (рис.2; был n-p-n, ставим p-n-p). Полярность кондеров тоже необходимо поменять, не забывая при этом поменять полярность входного напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Из названия видно, что КСН чего-то там компенсирует. В общем-то принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. А вот и определение из книжки — КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Для рывка рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа.

Рис. 3 — КСН последовательного типа

РЭ — это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор ( биполярный или полевой), СУ — схема управления — собственно управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача — усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д — делитель напряжения, ИОН — источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется — последовательная.

Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. Короче, если, к примеру, напряжение на входе скакнуло, эта фигня, естественно, передается на выход. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их. При рассмотрении принципиальной схемы все станет ясней.

Параллельную схему КСН рассмотрим только в структуре. Ее изображение приведено на рисунке 4.

Рис.4 — КСН параллельного типа

Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ (опять же, в соответствии с управляющим сигналом), вызывающее изменение падения напряжения на балластом резике. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство — при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети.

Ну а теперь перейдем к самому главному: к схемам. Очень простая и понятная, так сказать, типичная схема приведена на рисунке 5.

Рис.5 — Принципиальная схема КСН.

Итак, разберем все деталюшки. Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резиком R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из резиков R2-R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода изменяется, и напряжение на нагрузке остается постоянным. С помощью резика R3 можно регулировать выходное напряжение.

В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1-0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.

Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются. Правда злоупотреблять этим не следует (т. е. ради интереса замыкать плюс с минусом). Защита от КЗ кратковременная. Но работает!

На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резиком между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах. Иногда пишут, что резик, шунтирующий переход коллектор-эмиттер РЭ, служит для запуска стабилизатора. Ну в принципе, наверное, понятно, что для смены полярности необходимо поменять тип транзисторов, направление включения стабилитрона и, соответственно, полярность включения кондеров (на схеме не показаны).

Итак, практическая схема вышеописанного стабилизатора приведена ниже:

Рис. 6 — КСН

Эта схема содрана с блока питания магнитофона приставки «Карат МП-201С» и, как видно, отличие состоит лишь в кондерах и резике R1. Резиком R4 подстраивают выходное напряжение. Подбирая стабилитрон VD1 можно изменять выходное напряжение ( при изменении входного, соответственно). При этом надо менять сопротивление резика R1. Две черточки на его корпусе обозначают мощность, т. е. 2 Вт. При больших токах нагрузки резик R1 греется. Естественно, транзистор VT1 необходимо установить на радиатор, площадью хотя бы 50 см², т. к. и он может «пыхнуть».

Одной из разновидностей схем такого рода является так называемая схема с «холодным» коллектором. Её отличием является то, что регулирующий транзистор включается в цепь общего провода, а не «горячего». А это значит, что изолировать транзистор от радиатора или радиатор от корпуса устройства не надо, чего не скажешь о схемах на рисунках 5 и 6. В этих схемах транзисторы вылетают, как с добрым утром, если забыли изолировать коллектор (для тех, кто в танке, коллектор мощных транзисторов электрически соединен с корпусом транзистора или его частью для лучшего теплового контакта). На рисунке 7 эта схема и показана. Схема слизана с журнала Радио аж за 1984 год (Радио №12/1984).

Рис. 7 — КСН с «холодным» коллектором

Как видно, практически никаких отличий от предыдущей схемы. В качестве регулирующего использован составной транзистор КТ827А. Его можно легко заменить двумя — КТ815 и КТ819. Недостаток схемы — меньший ток нагрузки, нежели у схемы на рисунке 6. Да к тому же для такого стабилизатора необходим отдельный выпрямитель . Другими словами, если нужно несколько стабилизаторов, то для каждого придется забабахать свой выпрямитель. Зато все регулирующие транзисторы можно поставить на один теплоотвод, не изолируя их.

Russian HamRadio — Транзисторные стабилизаторы напряжения с защитой от перегрузки.

О стабилизаторах напряжения непрерывного действия написано, кажется, все. Тем не менее

, разработка надежного и не слишком сложного (не более трех-четырех транзисторов) стабилизатора, особенно с повышенным током нагрузки, — достаточно серьезная задача, потому что на одно из первых мест выдвигается требование надежной защиты регулирующих транзисторов от перегрузки. При этом желательно, чтобы после устранения причины перегрузки нормальная работа стабилизатора восстановилась автоматически. Стремление выполнить эти требования зачастую приводит к значительному усложнению схемы стабилизатора и заметному уменьшению его КПД. В предлагаемой статье пытаемся найти оптимальное решение.

Прежде чем искать оптимальное решение, проанализируем нагрузочные характеристики Uых

= f( Iвых ) стабилизаторов напряжения, выполненных по наиболее распространенным схемам. У стабилизатора, описанного в [1], при перегрузке выходное напряжение Uвых быстро снижается до нуля. Однако ток при этом не уменьшается и может быть достаточным, чтобы повредить нагрузку, да и мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором, иногда превышает допустимую. В [2] подобный стабилизатор дополнен триггерной защитой. При перегрузке уменьшается не только выходное напряжение, но и ток. Однако защита недостаточно эффективна, так как срабатывает лишь после падения выходного напряжении ниже 1В и при некоторых условиях не устраняет тепловой перегрузки регулирующего транзистора. Чтобы возвратить подобный стабилизатор в рабочий режим, необходимо практически полностью отключить нагрузку, а это не всегда приемлемо, особенно для стабилизатора, служащего составной частью более сложного устройства.

Защита стабилизатора, схема которого изображена на рис. 1, срабатывает уже при небольшом уменьшении выходного напряжения, вызванном перегрузкой.

Рис.1.

Номиналы элементов схемы даны для выходного напряжения 12В в двух вариантах: без скобок, если VD1 — Д814Б, и в скобках, если он — КС139Е.

Краткое описание работы подобного стабилизатора имеется в [3]. Его хорошие параметры объясняются тем, что все необходимые сигналы сформированы из стабилизированного выходного напряжения, а оба транзистора (регулирующий VT1 и управляющий VT2) работают в режиме усиления напряжения.

Рис.2.

Экспериментально снятые нагрузочные характеристики этого стабилизатора приведены на рис. 2 (кривые 3 и 4).

При отклонении выходного напряжения от номинала его приращение через стабилитрон VD1 передается на эмиттер транзистора VT2 почти полностью.

Если не учитывать дифференциальное сопротивление стабилитрона,

∆ Uэ » ∆Uвых. Это — сигнал отрицательной ОС. Но в устройстве имеется и положительная.

Ее создает часть приращения выходного напряжения, поступающая на базу транзистора через делитель напряжения R2R3:Суммарная обратная связь в режиме стабилизации — отрицательная, сигналом ошибки служит величина, которая по абсолютной величине тем больше, чем меньше R3 по сравнению с R2. Уменьшение этого отношения благоприятно сказывается на коэффициенте стабилизации и выходном сопротивлении стабилизатора. Учитывая, что стабилитрон VD1 следует выбирать на максимально возможное, но меньшее выходного напряжение стабилизации.

Если заменить резистор R3 двумя включенными в прямом направлении и соединенными последовательно диодами (как предложено, например, в [4]), параметры стабилизатора улучшатся, так как место R3 в выражениях для

∆Uб и ∆Uбэ займет малое дифференциальное сопротивление открытых диодов. Однако подобная замена приводит к некоторым проблемам при переходе стабилизатора в защитный режим. На них остановимся ниже, а пока резистор R3 оставим на прежнем месте.

В режиме стабилизации падение напряжения на резисторе R1 остается практически неизменным. Ток, протекающий через этот резистор, — сумма тока стабилитрона VD1 и тока эмиттера транзистора VT2, практически равного току базы транзистора VT1.

С уменьшением сопротивления нагрузки последняя составляющая тока, текущего через R1, растет, а первая (ток стабилитрона) — уменьшается вплоть до нулевого значения, после чего приращение выходного напряжения больше не передается на эмиттер транзистора VT2 через стабилитрон.

В результате цепь отрицательной ОС оказывается разорванной, а продолжающая действовать положительная ОС приводит к лавинообразному закрыванию обоих транзисторов и отсечке тока нагрузки. Ток нагрузки, при превышении которого срабатывает защита, можно оценить по формуле

:

где h31э — коэффициент передачи тока транзистором VT1. К сожалению, h3i3 имеет большой разброс от экземпляра к экземпляру транзистора, зависит от тока и температуры.

Поэтому резистор R1 зачастую приходится подбирать при налаживании. В стабилизаторе, рассчитанном на большой ток нагрузки, сопротивление резистора R1 невелико. В результате ток через стабилитрон VD1 при снижении тока нагрузки возрастает настолько, что приходится применять стабилитрон повышенной мощности.

Наличие в нагрузочных характеристиках (см. кривые 3 и 4 на рис. 2) сравнительно протяженных переходных участков между рабочим и защитным режимами (заметим, эти участки — самые тяжелые с точки зрения теплового режима транзистора VT1) объясняется в основном тем, что развитию процесса переключения препятствует местная отрицательная ОС через резистор R1. Чем меньше напряжение стабилизации стабилитрона VD1, тем больше при прочих равных условиях номинал резистора R1 и тем более «затянут» переход из рабочего в защитный режим стабилизатора.

Этот, как и ранее сделанный, вывод о целесообразности применения стабилитрона VD1 с возможно большим напряжением стабилизации подтверждается экспериментально. Выходное напряжение стабилизатора по схеме, показанной на рис. 1, со стабилитроном Д814Б (UCT= 9 В), по сравнению с аналогичным стабилитроном КС139Е (UCT = 3,9 В), значительно меньше зависит от нагрузки и он более «круто» переходит в защитный режим при перегрузке.

Рис.3.

Уменьшить и даже полностью устранить переходный участок нагрузочной характеристики стабилизатора удается, добавив в него дополнительный транзистор VT3, как показано на рис. 3.

В рабочем режиме этот транзистор находится в насыщении и практически не оказывает влияния на работу стабилизатора, лишь незначительно ухудшая температурную стабильность выходного напряжения.

Когда в результате перегрузки ток стабилитрона VD1 стремится к нулю, транзистор VT3 переходит в активное состояние, а затем закрывается, создавая условия для быстрого включения защиты. Плавный переходный участок нагрузочной характеристики в этом случае отсутствует (см. кривую 1 на рис. 2).

Диоды VD2 и VD3 в рабочем режиме стабилизируют напряжение на базе транзистора VT2, что способствует улучшению основных параметров стабилизатора. Однако без дополнительного транзистора VT3 это негативно сказывается на защите, так как ослабляет положительную составляющую ОС. Переключение в защитный режим в этом случае очень затянуто и происходит только после снижения напряжения на нагрузке до величины, близкой к поддерживаемой диодами VD2 и VD3 на базе транзистора VT2 (см. кривую 2 на рис. 2).

Рассмотренные стабилизаторы обладают существенным для многих применений недостатком: остаются в защитном состоянии после устранения причины перегрузки, а нередко и при подаче напряжения питания с подключенной нагрузкой не переходят в рабочий режим. Известны различные способы их запуска, например, с помощью дополнительного резистора, установленного параллельно участку коллектор—эмиттер транзистора VT1, или (как предложено в [4]) «подпиткой» базы транзистора VT2. Проблема решается за счет компромисса между надежностью запуска под нагрузкой и величиной тока короткого замыкания, что не всегда приемлемо. Варианты узлов запуска, рассмотренные в [5] и [6], более эффективны, однако усложняют стабилизатор в целом.

Малораспространенный, но интересный способ вывода стабилизатора из защитного режима предложен в [7]. Он заключается в том, что специально предусмотренный генератор импульсов периодически принудительно открывает регулирующий транзистор, переводя стабилизатор на некоторое время в рабочий режим. Если причина перегрузки устранена, по окончании очередного импульса защита не сработает вновь и стабилизатор продолжит нормальную работу. Средняя мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе при перегрузке, возрастает незначительно.

Рис.4.

На рис. 4 приведена схема одного из возможных вариантов стабилизатора, работающего по такому принципу. Он отличается от описанного в [7] отсутствием отдельного узла — генератора импульсов.

При перегрузке стабилизатор переходит в колебательный режим за счет положительной ОС, замыкающейся через конденсатор С1. Резистор R3 ограничивает ток зарядки конденсатора, a R4 служит нагрузкой генератора при замыкании внешней нагрузки.

В отсутствие перегрузки после подачи напряжения питания стабилизатор запускается благодаря резистору R2. Так как конденсатор С1 зашунтирован соединенными последовательно открытым диодом VD2 и резисторами R3—R5, условия самовозбуждения не выполняются и устройство работает аналогично рассмотренному ранее (см. рис. 1). Во время перехода стабилизатора в защитный режим конденсатор С1 действует как форсирующий, ускоряя развитие процесса.

Рис.5.

Эквивалентная схема стабилизатора в защитном режиме показана на рис. 5. При сопротивлении нагрузки RH, равном нулю, плюсовой вывод конденсатора С1 соединен через резистор R4 с общим проводом (минусом источника входного напряжения).

Напряжение, до которого конденсатор зарядился еще в режиме стабилизации, приложено к базе транзистора VT2 в отрицательной полярности и поддерживает транзистор закрытым.

Конденсатор разряжается током i1, текущим через резисторы R3—R5 и открытый диод VD2. Когда напряжение на базе VT1 превысит — 0,7В, диод VD2 закроется, но перезарядка конденсатора продолжится током i2, протекающим через резистор R2.

По достижении небольшого положительного напряжения на базе транзистора VT2 последний, а вместе с ним и VT1 начнут открываться. За счет положительной ОС через конденсатор С1 оба транзистора откроются полностью и некоторое время останутся в таком состоянии, пока конденсатор не зарядится током i3 почти до напряжения Uвх, после чего транзисторы закроются и цикл повторится.

При указанных на схеме рис. 5 номиналах элементов длительность генерируемых импульсов — единицы миллисекунд, период повторения — 100…200 мс. Амплитуда импульсов выходного тока в защитном режиме приблизительно равна току срабатывания защиты. Среднее значение тока короткого замыкания, измеренное стрелочным миллиамперметром, — примерно 30 мА.

С увеличением сопротивления нагрузки RH наступает момент, когда при открытых транзисторах VT1 и VT2 отрицательная ОС «перевешивает» положительную и генератор вновь превращается в стабилизатор напряжения. Величина RH, при которой происходит смена режимов, зависит в основном от сопротивления резистора R3. При слишком малых его значениях (менее 5 Ом) в нагрузочной характеристике появляется гистерезис, причем при нулевом сопротивлении R3 стабилизация напряжения восстанавливается лишь при сопротивлении нагрузки более 200 Ом. Излишнее увеличение сопротивления резистора R3 приводит к тому, что в нагрузочной характеристике проявляется переходный участок.

Амплитуда импульсов отрицательной полярности на базе транзистора VT2 достигает 10В, что может привести к электрическому пробою участка база—эмиттер этого транзистора. Однако пробой обратим, а ток его ограничен резисторами R1 и R3. Работы генератора он не нарушает. При выборе транзистора VT2 необходимо также учитывать, что напряжение, приложенное к его участку коллектор—база, достигает суммы входного и выходного напряжений стабилизатора.

В действующей аппаратуре выход стабилизатора напряжения обычно зашунтирован конденсатором (С2, показан на рис. 4 штриховой линией). Его емкость не должна превышать 200 мкФ. Ограничение связано с тем, что при перегрузке, не сопровождающейся полным замыканием выхода, этот конденсатор входит в цепь положительной ОС генератора. Практически это выражается в том, что генератор «заводится» только при значительной перегрузке, а в нагрузочной характеристике появляется гистерезис.

Сопротивление резистора R4 должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем во время импульса было достаточным для открывания транзистора VT2 (» 1 В) и обеспечивало выполнение условий автогенерации при нулевом сопротивлении нагрузки. К сожалению, в режиме стабилизации этот резистор лишь уменьшает КПД устройства.

Для четкой работы защиты необходимо, чтобы при любом допустимом токе нагрузки минимальное (с учетом пульсаций) входное напряжение стабилизатора оставалось достаточным для его нормального функционирования. При проверке всех рассмотренных выше стабилизаторов с номинальным выходным напряжением 12В источником питания служил мостовой диодный выпрямитель на 14В с конденсатором емкостью 10000 мкФ на выходе. Напряжение пульсаций на выходе выпрямителя, измеренное милливольтметром ВЗ-38, не превышало 0,6 В.

При необходимости импульсный характер защиты можно использовать для индикации состояния стабилизатора, в том числе звуковой. В последнем случае при перегрузке будут слышны щелчки с частотой повторения импульсов.

Рис.6.

На рис. 6 показана схема более сложного стабилизатора с импульсной защитой, в значительной мере лишенного недостатков рассмотренного в первой части статьи (см. рис. 4).

Его выходное напряжение — 12В, выходное сопротивление — 0,08 Ом, коэффициент стабилизации — 250, максимальный рабочий ток — ЗА, порог срабатывания защиты — 3,2А, средний ток нагрузки в защитном режиме — 60 мА.

Наличие усилителя на транзисторе VT2 позволяет при необходимости значительно увеличить рабочий ток, заменив транзистор VT1 более мощным составным. Алгоритм работы защиты этого стабилизатора мало отличается от ранее описанного.

В защитном режиме транзисторы VT2 и VT3 образуют генератор импульсов с частотозадающим конденсатором С1. Конденсатор С2 подавляет высокочастотную паразитную генерацию.

Ухудшающий КПД последовательный резистор в выходной цепи стабилизатора (аналогичный R4, см. рис. 4) отсутствует, нагрузкой генератора служит резистор R1. Назначение диодов VD1, VD2 и транзистора VT4 аналогично элементам VD2, VD3 и VT3 в стабилизаторе по схеме, изображенной на рис. 3.

Номинал ограничительного резистора R4 может находиться в пределах от десятков ом до 51 кОм. Выход стабилизатора допускается зашунтировать конденсатором емкостью до 1000 мкФ, что приводит, однако, к возникновению гистерезиса в нагрузочной характеристике: при пороге срабатывания защиты 3,2А измеренное значение тока возврата в режим стабилизации — 1,9 А.

Для четкого переключения режимов необходимо, чтобы с уменьшением сопротивления нагрузки ток через стабилитрон VD3 прекратился раньше, чем войдет в насыщение транзистор VT2.

Поэтому номинал резистора R1 выбирают таким образом, чтобы перед срабатыванием защиты между коллектором и эмиттером этого транзистора оставалось напряжение не менее 2…3 В. В защитном режиме транзистор VT2 входит в насыщение, в результате амплитуда импульсов тока нагрузки может в 1,2… 1,5 раза превышать ток срабатывания защиты. Следует учитывать, что при значительном уменьшении сопротивления R1 ощутимо возрастает рассеиваемая на транзисторе VT2 мощность.

Наличие конденсатора С1 теоретически способно привести к росту пульсации выходного напряжения стабилизатора. Однако на практике этого наблюдать не приходилось.

Выходное стабилизированное напряжение равно сумме падений напряжения на диодах VD1 и VD2, участке база—эмиттер транзистора VT4 и напряжения стабилизации стабилитрона VD3 за вычетом падения напряжения на участке база—эмиттер транзистора VT3 — приблизительно на 1,4В больше напряжения стабилизации стабилитрона. Ток срабатывания защиты вычисляют по формуле

Благодаря дополнительному усилителю на транзисторе VT2 ток, протекающий через резистор R3, сравнительно невелик, даже при значительных расчетных токах нагрузки.

Это, с одной стороны, улучшает КПД стабилизатора, но с другой — заставляет применять в качестве VD3 стабилитрон, способный работать при малых токах. Минимальный ток стабилизации показанного на схеме (см. рис. 6) стабилитрона КС211Ж — 0,5 мА.

Подобный стабилизатор, кроме своего прямого назначения, может служить ограничителем разрядки аккумуляторной батареи. Для этого выходное напряжение устанавливают таким, чтобы при напряжении батареи меньше допустимого сработала защита, предотвращая дальнейшую разрядку. Номинал резистора R6 в этом случае целесообразно увеличить до 10 кОм. В результате ток, потребляемый устройством в рабочем режиме, уменьшится с 12 до 2,5 мА. Следует иметь в виду, что на грани срабатывания защиты этот ток возрастает приблизительно до 60 мА, но с запуском генератора импульсов среднее значение тока разрядки батареи падает до 4…6 мА.

По рассмотренному принципу импульсной защиты можно строить не только стабилизаторы напряжения, но и самовосстанавливающиеся электронные «предохранители», устанавливаемые между источником питания и нагрузкой. В отличие от плавких вставок, такие предохранители можно использовать многократно, не заботясь о восстановлении после устранения причины срабатывания.

Электронный предохранитель должен выдерживать как кратковременное, так и продолжительное, полное или частичное замыкание нагрузки. Последнее нередко возникает при длинных соединительных проводах, сопротивление которых — заметная часть полезной нагрузки. Этот случай наиболее тяжел для коммутационного элемента предохранителя.

Рис.7.

На рис. 7 приведена схема простого самовосстанавливающегося электронного предохранителя с импульсной защитой. Принцип его работы близок к описанному выше стабилизатору напряжения (см. рис. 4), но до срабатывания защиты транзисторы VT1 и VT2 находятся в состоянии насыщения и выходное напряжение практически равно входному. Если ток нагрузки превысил допустимое значение, транзистор VT1 выходит из насыщения и выходное напряжение начинает уменьшаться.

Его приращение через конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT2, закрывая последний, а вместе с ним и VT1. Выходное напряжение уменьшается еще больше, и в результате лавинообразного процесса транзисторы VT1 и VT2 оказываются закрытыми полностью. Через некоторое время, зависящее от постоянной времени цепи R1C1, они откроются вновь, однако, если перегрузка сохранилась, опять закроются. Этот цикл повторяется до устранения перегрузки.

Частота генерируемых импульсов — приблизительно 20 Гц при нагрузке, незначительно превышающей допустимую, и 200 Гц при ее полном замыкании. Скважность импульсов в последнем случае — более 100. При увеличении сопротивления нагрузки до допустимого значения транзистор VT1 войдет в насыщение и генерация импульсов прекратится. Ток срабатывания «предохранителя» можно ориентировочно определить по формуле

Коэффициент 0,25, подобранный экспериментально, учитывает, что в момент перехода транзистора VT1 из насыщения в активный режим его коэффициент передачи тока значительно меньше номинального.

Измеренный ток срабатывания защиты при входном напряжении 12В — 0,35А, амплитуда импульсов тока нагрузки при ее замыкании — 1,3 А.

Гистерезис (разность токов срабатывания защиты и восстановления рабочего режима) не обнаружен. К выходу «предохранителя» при необходимости можно подключить блокировочные конденсаторы суммарной емкостью не более 200 мкФ, что увеличит ток срабатывания приблизительно до 0,5 А.

При необходимости ограничить амплитуду импульсов тока нагрузки в эмиттерную цепь транзистора VT2 следует включить резистор в несколько десятков ом и немного увеличить номинал резистора R3.

При неполном замыкании нагрузки возможен электрический пробой участка база—эмиттер транзистора VT2. На работу генератора это влияет незначительно, да и для транзистора опасности не представляет, так как заряд, накопленный в конденсаторе С1 перед пробоем, сравнительно невелик.

Рис.8.

Недостатки «предохранителя», собранного по рассмотренной схеме (рис. 7), — низкий КПД из-за включенного последовательно в цепь нагрузки резистора R3 и не зависящего от нагрузки тока базы транзистора VT1.

Последнее характерно и для других подобных устройств [8]. Обе причины, снижающие КПД, устранены в более мощном «предохранителе» с максимальным током нагрузки 5А, схема которого показана на рис. 8.

Его КПД превышает 90 % в более чем десятикратном интервале изменения тока нагрузки. Ток, потребляемый в отсутствие нагрузки, — менее 0,5 мА.

Для уменьшения падения напряжения на «предохранителе» в качестве VT4 применен германиевый транзистор. При токе нагрузки меньше допустимого этот транзистор находится на грани насыщения. Это состояние поддерживает петля отрицательной ОС, которую при открытом и насыщенном транзисторе VT2 образуют транзисторы VT1 и VT3. Падение напряжения на участке коллектор—эмиттер транзистора VT4 не превышает 0,5В при токе нагрузки 1 А и 0,6 В — при 5 А.

При токе нагрузки, меньшем тока срабатывания защиты, транзистор VT3 находится в активном режиме и напряжение между его коллектором и эмиттером достаточно для открывания транзистора VT6, что обеспечивает насыщенное состояние транзистора VT2 и в конечном итоге — проводящее состояние ключа VT4. С увеличением тока нагрузки ток базы VT3 под действием отрицательной ОС увеличивается, а напряжение на его коллекторе уменьшается до закрывания транзистора VT6. В этот момент и срабатывает защита. Ток срабатывания можно оценить по формуле

где Рэкв — общее сопротивление соединенных параллельно резисторов R4, R6 и R8.

Коэффициент 0,5, как и в предыдущем случае, — экспериментальный. При замыкании нагрузки амплитуда импульсов выходного тока приблизительно в два раза больше тока срабатывания защиты.

Благодаря действию положительной ОС, замыкающейся через конденсатор С2, транзистор VT6, а с ним и VT2—VT4 полностью закрываются, VT5 — открывается. Транзисторы остаются в указанных состояниях до окончания зарядки конденсатора С2 током, текущим через участок база—эмиттер транзистора VT5 и резисторы R7, R9, R11, R12. Так как из перечисленных резисторов самый большой номинал у R12, он и определяет период повторения генерируемых импульсов — приблизительно 2,5с.

После окончания зарядки конденсатора С2 транзистор VT5 закроется, VT6 и VT2—VT4 откроются. Конденсатор С2 приблизительно за 0,06 с разрядится через транзистор VT6, диод VD1 и резистор R11. При замкнутой нагрузке коллекторный ток транзистора VT4 в это время достигает 8… 10А. Затем цикл повторится. Однако во время первого же после устранения перегрузки импульса транзистор VT3 не войдет в насыщение и «предохранитель» вернется в рабочий режим.

Интересно, что во время импульса транзистор VT6 не открывается полностью. Этому препятствует образованная транзисторами VT2, VT3, VT6 петля отрицательной ОС. При указанном на схеме (рис. 8) номинале резистора R9 (51 кОм) напряжение на коллекторе транзистора VT6 не опускается ниже 0,3Uвх..

Самая неблагоприятная для «предохранителя» нагрузка — мощная лампа накаливания, у которой сопротивление холодной нити в несколько раз меньше, чем разогретой. Проверка, проведенная с автомобильной лампой 12В 32 + 6 Вт, показала, что 0,06 с для разогрева вполне достаточно и «предохранитель» после ее включения надежно входит в рабочий режим. Но для более инерционных ламп длительность и период повторения импульсов возможно придется увеличить, установив конденсатор С2 большего номинала (но не оксидный).

Скважность генерируемых импульсов в результате такой замены останется прежней. Равной 40 она выбрана не случайно. В этом случае, как при максимальном токе нагрузки (5 А), так и при замыкании выхода «предохранителя», на транзисторе VT4 рассеивается приблизительно одинаковая и безопасная для него мощность.

Транзистор ГТ806А можно заменить другим из этой же серии или мощным германиевым, например, П210слюбым буквенным индексом. Если германиевые транзисторы отсутствуют или необходимо работать при повышенной температуре, можно использовать и кремниевые с

h31э>40, например, КТ818 или КТ8101 с любыми буквенными индексами, увеличив номинал резистора R5 до 10 кОм. После такой замены напряжение, измеренное между коллектором и эмиттером транзистора VT4, не превышало 0,8В при токе нагрузки 5А.

При изготовлении «предохранителя» транзистор VT4 необходимо установить на теплоотвод, например, алюминиевую пластину размерами 80

x 50 x 5 мм. Теплоотвод площадью 1,5…2 см² нужен и транзистору VT3,

Первое включение устройства производите без нагрузки, и прежде всего проверьте напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT4, которое должно быть приблизительно 0,5 В. Затем к выходу через амперметр подключите проволочный переменный резистор сопротивлением 10…20 Ом и мощностью 100 Вт.

Плавно уменьшая его сопротивление, переведите устройство в защитный режим. С помощью осциллографа убедитесь, что переключение режимов происходит без затянутых переходных процессов, а параметры генерируемых импульсов соответствуют указанным выше. Точное значение тока срабатывания защиты можно установить подборкой резисторов R4, R6, R8 (желательно, чтобы их номиналы оставались одинаковыми). При продолжительном замыкании нагрузки температура корпуса транзистора VT4 не должна превышать допустимое для него значение

.

А. Москвин

Литература

:

1. Клюев Ю. Абашев С. Стабилизатор напряжения. — Радио, 1975, № 2, с. 23.

2. Попович В. Усовершенствование стабилизатора напряжения. — Радио, 1977, № 9, с. 56.

3. Поляков В. Теория: понемногу — обо всем. Стабилизаторы напряжения. — Радио, 2000, № 12, с. 45, 46.

4. Каныгин С. Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок. — Радио, 1980, № 8, с. 45,46.

5. За рубежом. Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки. — Радио, 1984, № 9, с. 56.

6. Козлов В. Стабилизатор напряжения с защитой от короткого замыкания и перегрузки потоку. — Радио, 1998, № 5, с. 52—54.

7. Андреев В. Дополнительная защита стабилизатора от перегрева. — Радио, 2000, № 4, с. 44.

8. Бобров О. Электронный предохранитель. — Радио, 2001, № 3, с. 54.

 

Простой стабилизатор напряжения на 3 вольта схема. Миниатюрные стабилизаторы напряжения

Основой стабилизатора напряжения (см. рис.1)является микросхема К157ХП2. Прекрасный и не справедливо забытый стабилизатор, с дополнительным транзистором, например КТ972А, может работать с током до 4А.

В данной схеме выходное напряжение стабилизатора равно 3В. Стабилизатор предназначен для питания низковольтной радиоаппаратуры. Вообще, при указанных на схеме номиналах резисторов, выходное напряжение можно устанавливать от 1,3 до 6В. При больших токах нагрузки транзистор должен быть установлен на соответствующий радиатор. Входное напряжение, подаваемое на стабилизатор, должно быть не менее семи вольт, хотя практически оно может быть вплоть до сорока. Такой стабилизатор хорошо работает от автомобильного аккумулятора. Главное, чтобы выделяющаяся мощность на транзисторе не превышала максимально допустимую 8Вт. Выключателем SB1 можно коммутировать выходное напряжение. При больших токах нагрузки это очень удобно — возможно применение маломощных тумблеров.

Доступность и относительно невысокие цены на сверхъяркие светодиоды (LED) позволяют использовать их в различных любительских устройствах. Начинающие радиолюбители, впервые применяющие LED в своих конструкциях, часто задаются вопросом, как подключить светодиод к батарейке? Прочтя этот материал, читатель узнает, как зажечь светодиод практически от любой батарейки, какие схемы подключения LED можно использовать в том или ином случае, как выполнить расчет элементов схемы.

В принципе, просто зажечь светодиод, можно от любой батарейки. Разработанные радиолюбителями и профессионалами электронные схемы позволяют успешно справиться с этой задачей. Другое дело, сколько времени будет непрерывно работать схема с конкретным светодиодом (светодиодами) и конкретной батарейкой или батарейками.

Для оценки этого времени следует знать, что одной из основных характеристик любых батарей, будь то химический элемент или аккумулятор, является емкость. Емкость батареи – С выражается в ампер-часах. Например, емкость распространенных пальчиковых батареек формата ААА, в зависимости от типа и производителя, может составлять от 0.5 до 2.5 ампер-часов. В свою очередь светоизлучающие диоды характеризуются рабочим током, который может составлять десятки и сотни миллиампер. Таким образом, приблизительно рассчитать, на сколько хватит батареи, можно по формуле:

T= (C*U бат)/(U раб. led *I раб. led)

В данной формуле в числителе стоит работа, которую может совершить батарея, а в знаменателе мощность, которую потребляет светоизлучающий диод. Формула не учитывает КПД конкретно схемы и того факта, что полностью использовать всю емкость батареи крайне проблематично.

При конструировании приборов с батарейным питанием обычно стараются, чтобы их ток потребления не превышал 10 – 30% емкости батареи. Руководствуясь этим соображением и приведенной выше формулой можно оценить сколько нужно батареек данной емкости для питания того или иного светодиода.

Как подключить от пальчиковой батарейки АА 1,5В

К сожалению, не существует простого способа запитать светодиод от одной пальчиковой батарейки. Дело в том, что рабочее напряжение светоизлучающих диодов обычно превышает 1.5 В. Для эта величина лежит в диапазоне 3.2 – 3.4В. Поэтому для питания светодиода от одной батарейки потребуется собрать преобразователь напряжения. Ниже приведена схема простого преобразователя напряжения на двух транзисторах с помощью которого можно питать 1 – 2 сверхъярких LED с рабочим током 20 миллиампер.

Данный преобразователь представляет собой блокинг-генератор, собранный на транзисторе VT2, трансформаторе Т1 и резисторе R1. Блокинг-генератор вырабатывает импульсы напряжения, которые в несколько раз превышают напряжение источника питания. Диод VD1 выпрямляет эти импульсы. Дроссель L1, конденсаторы C2 и С3 являются элементами сглаживающего фильтра.

Транзистор VT1, резистор R2 и стабилитрон VD2 являются элементами стабилизатора напряжения. Когда напряжение на конденсаторе С2 превысит 3.3 В, стабилитрон открывается и на резисторе R2 создается падение напряжения. Одновременно откроется первый транзистор и запирет VT2, блокинг-генератор прекратит работу. Тем самым достигается стабилизация выходного напряжения преобразователя на уровне 3.3 В.

В качестве VD1 лучше использовать диоды Шоттки, которые имеют малое падение напряжения в открытом состоянии.

Трансформатор Т1 можно намотать на кольце из феррита марки 2000НН. Диаметр кольца может быть 7 – 15 мм. В качестве сердечника можно использовать кольца от преобразователей энергосберегающих лампочек, катушек фильтров компьютерных блоков питания и т. д. Обмотки выполняют эмалированным проводом диаметром 0.3 мм по 25 витков каждая.

Данную схему можно безболезненно упростить, исключив элементы стабилизации. В принципе схема может обойтись и без дросселя и одного из конденсаторов С2 или С3 . Упрощенную схему может собрать своими руками даже начинающий радиолюбитель.

Cхема хороша еще тем, что будет непрерывно работать, пока напряжение источника питания не снизится до 0.8 В.

Как подключить от 3В батарейки

Подключить сверхъяркий светодиод к батарее 3 В можно не используя никаких дополнительных деталей. Так как рабочее напряжение светодиода несколько больше 3 В, то светодиод будет светить не в полную силу. Иногда это может быть даже полезным. Например, используя светодиод с выключателем и дисковый аккумулятор на 3 В (в народе называемая таблеткой), применяемый в материнских платах компьютера, можно сделать небольшой брелок-фонарик. Такой миниатюрный фонарик может пригодиться в разных ситуациях.

От такой батарейки — таблетки на 3 Вольта можно запитать светодиод

Используя пару батареек 1.5 В и покупной или самодельный преобразователь для питания одного или нескольких LED, можно изготовить более серьезную конструкцию. Схема одного из подобных преобразователей (бустеров) изображена на рисунке.

Бустер на основе микросхемы LM3410 и нескольких навесных элементов имеет следующие характеристики:

• входное напряжение 2.7 – 5.5 В.
• максимальный выходной ток до 2.4 А.
• количество подключаемых LED от 1 до 5.
• частота преобразования от 0.8 до 1.6 МГц.

Выходной ток преобразователя можно регулировать, изменяя сопротивление измерительного резистора R1. Несмотря на то, что из технической документации следует, что микросхема рассчитана на подключение 5-ти светодиодов, на самом деле к ней можно подключать и 6. Это обусловлено тем, что максимальное выходное напряжение чипа 24 В. Еще LM3410 позволяет свечения светодиодов (диммирование). Для этих целей служит четвертый вывод микросхемы (DIMM). Диммирование можно осуществлять, изменяя входной ток этого вывода.

Как подключить от 9В батарейки Крона

«Крона» имеет относительно небольшую емкость и не очень подходит для питания мощных светодиодов. Максимальный ток такой батареи не должен превышать 30 – 40 мА. Поэтому к ней лучше подключить 3 последовательно соединенных светоизлучающих диода с рабочим током 20 мА. Они, как и в случае подключения к батарейке 3 вольта не будут светить в полную силу, но зато, батарея прослужит дольше.

Схема питания от батарейки крона

В одном материале трудно осветить все многообразие способов подключения светодиодов к батареям с различным напряжением и емкостью. Мы постарались рассказать о самых надежных и простых конструкциях. Надеемся, что этот материал будет полезен как начинающим, так и более опытным радиолюбителям.

Схема устройства

Схема, изображенная на рисунке 1, представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения и позволяет получить выходное напряжение в пределах 1.25 — 30 вольт. Это позволяет использовать данный стабилизатор для питания пейджеров с 1.5 вольтовым питанием (например Ultra Page UP-10 и т.п.), так и для питания 3-х вольтовых устройств. В моем случае она используется для питания пейджера «Moongose PS-3050», то есть выходное напряжение установлено в 3 вольта.

Работа схемы

При помощи переменного резистора R2 можно установить необходимое выходное напряжение. Выходное напряжение можно рассчитать по формуле Uвых=1.25(1 + R2/R1) .
В качестве регулятора напряжения используется микросхема SD 1083/1084 . Без всяких изменений можно использовать российские аналоги этих микросхем 142 КРЕН22А/142 КРЕН22 . Они различаются только выходным током и в нашем случае это несущественно. На микросхему необходимо установить небольшой радиатор, так как при низком выходном напряжении регулятор работает в токовом режиме и существенно нагревается даже на «холостом» ходу.

Монтаж устройства

Устройство собрано на печатной плате размером 20х40мм. Так как схема очень простая рисунок печатной платы не привожу. Можно собрать и без платы с помощью навесного монтажа.
Собранная плата помещается а отдельную коробочку или монтируется непосредственно в корпусе блока питания. Я разместил свою в корпусе AC-DC адаптера на 12 вольт для радиотелефонов.

Примечание.

Необходимо сначала установить рабочее напряжение на выходе стабилизатора (при помощи резистора R2) и лишь, затем подключать нагрузку.

Другие схемы стабилизаторов.

Это одна из самых простых схем, которую можно собрать на доступной микросхеме LM317LZ . Путем подключения/отключения резистора в цепи обратной связи мы получаем на выходе два разных напряжения. При этом, ток нагрузки может достигать 100 мА.

Только обратите внимание на распиновку микросхемы LM317LZ. Она немного отличается от привычных стабилизаторов.

Простой стабилизатор на различные фиксированные напряжения (от 1,5 до 5 вольт) и ток до 1А. можно собрать на микросхеме AMS1117 -X.X (CX1117-X.X) (где X.X — выходное напряжение). Есть экземпляры микросхем на следующие напряжения: 1.5, 1.8, 2.5, 2.85, 3.3, 5.0 вольт. Также есть микросхемы с регулируемым выходом с обозначением ADJ. Этих микросхем очень много на старых компьютерных платах. Одним из достоинств этого стабилизатора является низкое падение напряжения — всего 1,2 вольта и небольшой размер стабилизатора адаптированный под СМД-монтаж.

Для его работы требуется всего пара конденсаторов. Для эффективного отвода тепла при значительных нагрузках необходимо предусмотреть теплоотводную площадку в районе вывода Vout. Этот стабилизатор также доступен в корпусе TO-252.

Светодиоды разного цвета имеют свою рабочую зону напряжения. Если мы видим светодиод на 3 вольта, то он может давать белый, голубой или зеленый свет. Напрямую подключать его к источнику питания, который генерирует более 3 вольт нельзя.

Расчет сопротивления резистора

Чтобы понизить напряжение на светодиоде, в цепь перед ним последовательно включают резистор. Основная задача электрика или любителя будет заключаться в том, чтобы правильно подобрать сопротивление.

В этом нет особой сложности. Главное, знать электрические параметры светодиодной лампочки, вспомнить закон Ома и определение мощности тока.

R=Uна резисторе/Iсветодиода

Iсветодиода – это допустимый ток для светодиода. Он обязательно указывается в характеристиках прибора вместе с прямым падением напряжения. Нельзя, чтобы ток, проходящий по цепи, превысил допустимую величину. Это может вывести светодиодный прибор из строя.

Зачастую на готовых к использованию светодиодных приборах пишут мощность (Вт) и напряжение или ток. Но зная две из этих характеристик, всегда можно найти третью. Самые простые осветительные приборы потребляют мощность порядка 0,06 Вт.

При последовательном включении общее напряжение источника питания U складывается из Uна рез. и Uна светодиоде. Тогда Uна рез.=U-Uна светодиоде

Предположим, необходимо подключить светодиодную лампочку с прямым напряжением 3 вольта и током 20 мА к источнику питания 12 вольт. Получаем:

R=(12-3)/0,02=450 Ом.

Обычно, сопротивление берут с запасом. Для того ток умножают на коэффициент 0,75. Это равносильно умножению сопротивления на 1,33.

Следовательно, необходимо взять сопротивление 450*1,33=598,5=0,6 кОм или чуть больше.

Мощность резистора

Для определения мощности сопротивления применяется формула:

P=U²/ R= Iсветодиода*(U-Uна светодиоде)

В нашем случае: P=0,02*(12-3)=0,18 Вт

Такой мощности резисторы не выпускаются, поэтому необходимо брать ближайший к нему элемент с большим значением, а именно 0,25 ватта. Если у вас нет резистора мощность 0,25 Вт, то можно включить параллельно два сопротивления меньшей мощности.

Количество светодиодов в гирлянде

Аналогичным образом рассчитывается резистор, если в цепь последовательно включено несколько светодиодов на 3 вольта. В этом случае от общего напряжения вычитается сумма напряжений всех лампочек.

Все светодиоды для гирлянды из нескольких лампочек следует брать одинаковыми, чтобы через цепь проходил постоянный одинаковый ток.

Максимальное количество лампочек можно узнать, если разделить U сети на U одного светодиода и на коэффициент запаса 1,15.

N=12:3:1,15=3,48

К источнику в 12 вольт можно спокойно подключить 3 излучающих свет полупроводника с напряжением 3 вольта и получить яркое свечение каждого из них.

Мощность такой гирлянды довольно маленькая. В этом и заключается преимущество светодиодных лампочек. Даже большая гирлянда будет потреблять у вас минимум энергии. Этим с успехом пользуются дизайнеры, украшая интерьеры, делая подсветку мебели и техники.

На сегодняшний день выпускаются сверхяркие модели с напряжением 3 вольта и повышенным допустимым током. Мощность каждого из них достигает 1 Вт и более, и применение у таких моделей уже несколько иное. Светодиод, потребляющий 1-2 Вт, применяют в модулях для прожекторов, фонарей, фар и рабочего освещения помещений.

Примером может служить продукция компании CREE, которая предлагает светодиодные продукты мощностью 1 Вт, 3Вт и т. д. Они созданы по технологиям, которые открывают новые возможности в этой отрасли.

Метеостанции на .

Подумав, я пришел к выводу, что самой дорогой и объёмной частью метеостанции является плата Arduino Uno. Самым дешевым вариантом замены может стать плата Arduino Pro Mini. Плата Arduino Pro Mini производится в четырех вариантах. Для решения моей задачи подходит вариант с микроконтроллером Mega328P и напряжением питания 5 вольт. Но есть еще вариант на напряжение 3,3 вольта. Чем эти варианты отличаются? Давайте разберемся. Дело в том, что на платах Arduino Pro Mini устанавливается экономичный стабилизатор напряжения. Например такой, как MIC5205 c выходным напряжением 5 вольт. Эти 5 вольт подаются на вывод Vcc платы Arduino Pro Mini, поэтому и плата будет называться «плата Arduino Pro Mini с напряжением питания 5 вольт». А если вместо микросхемы MIC5205 будет поставлена другая микросхема с выходным напряжением 3,3 вольта, то плата будет называться «плата Arduino Pro Mini с напряжением питания 3,3 вольт»

Плата Arduino Pro Mini может получать энергию от внешнего нестабилизированного блока питания с напряжением до 12 вольт. Это питание должно подаваться на вывод RAW платы Arduino Pro Mini. Но, ознакомившись с даташитом (техническим документом) на микросхему MIC5205, я увидел, что диапазон питания, подаваемого на плату Arduino Pro Mini, может быть шире. Если, конечно, на плате стоит именно микросхема MIC5205.

Даташит на микросхема MIC5205:

Входное напряжение, подаваемое на микросхему MIC5205, может быть от 2,5 вольт до 16 вольт. При этом на выходе схемы стандартного включения должно быть напряжение около 5 вольт без заявленной точности в 1%. Если воспользоваться сведениями из даташита: VIN = VOUT + 1V to 16V (Vвходное = Vвыходное + 1V to 16V) и приняв Vвыходное за 5 вольт, мы получим то, что напряжение питания платы Arduino Pro Mini, подаваемое на вывод RAW, может быть от 6 вольт до 16 вольт при точности в 1%.

Даташит на микросхему MIC5205:
Для питания платы GY-BMP280-3.3 для измерения барометрического давления и температуры я хочу применить модуль с микросхемой AMS1117-3.3. Микросхема AMS1117 — это линейный стабилизатор напряжения с малым падением напряжения.
Фото модуль с микросхемой AMS1117-3.3:

Даташиты на микросхему AMS1117:
Схема модуля с микросхемой AMS1117-3.3:

Я указал на схеме модуля с микросхемой AMS1117-3.3 входное напряжение от 6,5 вольт до 12 вольт, основывая это документацией на микросхему AMS1117.

Продавец указывает входное напряжение от 4,5 вольт до 7 вольт. Самое интересное, что другой продавец на Aliexpress.com указывает другой диапазон напряжений — от 4,2 вольт до 10 вольт.

В чем же дело? Я думаю, что производители впаивают во входные цепи конденсаторы с максимально допустимым напряжением меньшим, чем позволяют параметры микросхемы — 7 вольт, 10 вольт. И, может быть, даже ставят бракованные микросхемы с ограниченным диапазоном питающих напряжений. Что произойдет, если на купленную мной плату с микросхемой AMS1117-3.3, подать напряжение 12 вольт, я не знаю.
Возможно для повышения надежности китайской платы с микросхемой AMS1117-3.3 надо будет поменять керамические конденсаторы на электролитические танталовые конденсаторы. Такую схему включения рекомендует производитель микросхем AMS1117А минский завод УП «Завод ТРАНЗИСТОР».

Что такое регулятор напряжения?

Регулятор напряжения — это компонент, который преобразует напряжение в более низкий (или более высокий) уровень.

Типичный пример: вы хотите использовать батарею на 9 В, но вам нужно в цепи 5 В. Например, чтобы создать портативное зарядное устройство USB. Затем вы можете использовать регулятор напряжения, который принимает эти 9 В в качестве входа и создает стабильный выход 5 В для использования в вашей схеме.

Или, если вам нужны разные уровни напряжения для схемы, которую вы строите. Допустим, у вас есть схема с микроконтроллером, которому требуется 5 В, и двигателем, которому требуется 12 В.Вместо двух блоков питания вы можете использовать только блок питания 12 В и добавить регулятор напряжения, обеспечивающий 5 В для микроконтроллера.

Как подключить регулятор напряжения

Обычно вам нужно несколько дополнительных компонентов, подключенных к регулятору напряжения, чтобы сделать выход немного более стабильным. По крайней мере, конденсатор или два. Но это зависит от того, какой вы выберете. Вы найдете информацию о том, как подключить конкретный регулятор напряжения, в его техническом описании.

Например, регулятор напряжения 7805 обычный.Это дает вам 5 В. В таблице данных 7805 вы можете найти этот пример схемы, которая показывает, что вам нужны два конденсатора:

Регулятор напряжения с выходом 5В

Типы регуляторов напряжения

Существует два распространенных типа регуляторов напряжения, о которых стоит знать:

• Линейные регуляторы напряжения
• Импульсные регуляторы постоянного тока

Линейный стабилизатор напряжения — самый простой, для работы которого требуется всего пара конденсаторов и, возможно, один или два резистора.

Примерами линейных регуляторов являются 7805 и LM317 с регулируемым выходным напряжением.

Схема LM317 с регулируемым выходом

Импульсный стабилизатор DC-DC немного сложнее, и для работы требуется индуктор и диод. Одним из примеров является LM2596. Но часто вы можете найти их в виде небольших модулей (ищите преобразователи постоянного тока в постоянный), на плате которых есть все необходимое.

Модуль преобразователя постоянного / постоянного тока

Основное различие между ними состоит в том, что линейный регулятор потребляет гораздо больше энергии, чем импульсный регулятор.Таким образом, линейный регулятор может легко сильно нагреться, если вы не обеспечите хорошее охлаждение.

Кроме того, импульсный стабилизатор — единственный, который может дать вам более высокое выходное напряжение, чем то, которое вы вставили. Линейный стабилизатор всегда будет давать вам более низкое выходное напряжение.

Как работают линейные регуляторы напряжения

Есть много способов спроектировать линейный регулятор напряжения. Вот, пожалуй, один из самых простых:

На выходе всегда будет напряжение стабилитрона диода минус напряжение V _BE транзистора.V _BE обычно составляет от 0,6 до 0,7 В. Таким образом, с стабилитроном 5,6 В на выходе будет около 5 В.

Если выходное напряжение превышает 5 В, это означает, что V _BE становится ниже. Это заставит транзистор уменьшить ток, так что напряжение снова упадет. Если выходное напряжение станет ниже 5 В, произойдет обратное.

Как работают регуляторы переключения

Другой основной тип — импульсный регулятор. Это регулятор напряжения, который включает и выключает входное напряжение и использует некоторые хитрости умных схем с индуктором для преобразования напряжения гораздо более энергоэффективным способом.

Существует 3 основных типа:

• Понижающий преобразователь — Может преобразовывать в более низкое напряжение
• Повышающий преобразователь — Может преобразовывать в более высокое напряжение
• Понижающий преобразователь — Может преобразовывать как в более низкое, так и в более высокое напряжение

Вот основная концепция понижающего преобразователя :

Когда переключатель нажат, ток течет в катушку индуктивности, конденсатор и нагрузку от батареи. И индуктор, и конденсатор заряжаются. Когда переключатель отпускается, накопленная энергия в катушке индуктивности и конденсаторе обеспечивает ток для нагрузки.

В реальной жизни переключатель заменен на транзистор. И есть чувствительный механизм, который проверяет выходное напряжение и включает и выключает транзистор быстрее (для получения большего напряжения) или медленнее (для получения меньшего напряжения).

Вопросы?

Дайте мне знать, какие вопросы у вас есть о регуляторе напряжения в разделе комментариев ниже. Я постараюсь ответить на них и соответствующим образом обновить статью!

Регуляторы напряжения

IC

Рис.2.3.1 Типовые пакеты серии LM78xx

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Распознавать часто используемые I.C. Регуляторы напряжения.
• По отношению к регуляторам напряжения серии 78xx:
• • Выберите соответствующие компоненты развязки.
• • Разберитесь с термином «отсев».
• • Узнайте о возможных причинах отказа ИС и их предотвращении.
• • Изучите методы производства положительных, отрицательных и двойных расходных материалов.

Линейка интегральных схем (ИС) LM78Xxx

Наличие схем регулятора в I.C. form значительно упростил конструкцию источников питания, и с момента их появления разнообразие конструкций, их мощность и надежность постоянно улучшались. Стабилизаторы на интегральных схемах доступны с различными номинальными значениями тока и напряжения для шунтирующих или последовательных приложений, а также для полных типов с переключаемым режимом.В настоящее время довольно редко можно найти регуляторы в действительно дискретных формах, описанных в модулях блока питания с 2.1 по 2.3, но популярные типы регуляторов 78Xxx (где X указывает подтип, а xx представляет собой выходное напряжение) используют почти те же принципы с улучшенной схемой. , в интегрированном виде.

Существуют различные диапазоны, в нескольких типах корпусов, доступных от многих производителей компонентов, некоторые из которых показаны на рис. 2.4.1. Выбор пакета зависит от требований к пространству и производительности.Типичные диапазоны приведены в таблице 1.

Таблица 1
Диапазон	Выходные напряжения (В OUT )	Максимальный ток	Максимальное входное напряжение	Типичное падение напряжения
LM78Lxx	5,0 В, 6,2 В, 8,2 В, 9,0 В, 12 В, 15 В	100 мА	35V	В ВЫХ + 1,7 В
LM78Mxx	5 В, 12 В, 15 В	500 мА	35V	В ВЫХ + 2 В
LM78xx	5.0 В, 5,2 В, 6,0 В, 8,0 В, 8,5 В, 9,0 В, 12,0 В, 15,0 В, 18,0 В, 24,0 В	1А	35 или 40 В в зависимости от типа	В ВЫХ + 2,5 В

Падение напряжения

Одна из важных частей данных, опубликованных в технических паспортах линейных I.C. регуляторами напряжения выпадения устройств. В любом линейном регуляторе, построенном из дискретных компонентов или интегрированном, таком как серия 78, выходное напряжение поддерживается стабильным для различных протеканий тока за счет изменения сопротивления регулятора (фактически, путем изменения проводимости транзистора, как описано в Модуле источников питания. 2.2).

По этой причине должны выполняться две вещи:

1. Выходное напряжение всегда должно быть ниже входного.

2. Чем больше разница между входным и выходным напряжениями (при одинаковом токе), тем больше мощности должно рассеиваться в цепи регулятора, поэтому тем сильнее она становится.

Падение напряжения для любого регулятора указывает минимально допустимую разницу между выходным и входным напряжениями, если выходное напряжение должно поддерживаться на правильном уровне.Например, если регулятор LM7805 должен обеспечивать на выходе 5 В, входное напряжение должно быть не ниже 5 В + 2,5 В = 7,5 В.

Однако падение напряжения не является абсолютным значением, оно может варьироваться примерно на 1 В в зависимости от тока, потребляемого на выходе, и температуры, при которой работает регулятор. Поэтому кажется разумным оставить комфортный запас между минимально возможным входным напряжением и минимально допустимым напряжением (выходное напряжение + падение напряжения).

Максимальное входное напряжение, указанное в таблице 1, показывает, что существует значительная допустимая разница между максимальным и минимальным входным напряжением, однако следует помнить, что чем выше входное напряжение для данного выхода, тем больше мощности необходимо рассеять через регулятор.Слишком высокое входное напряжение и потери мощности плохо сказываются на сроке службы батарей в портативном оборудовании и плохо для надежности мощного оборудования, поскольку большее нагревание означает большую вероятность неисправностей.

Например, LM7805, подающий на нагрузку 1 А при 5 В, означает, что нагрузка потребляет 5 Вт. Если входное напряжение составляет 8 В, ток через регулятор по-прежнему составляет 1 А, что составляет 8 Вт; поэтому регулятор рассеивает 8 Вт — 5 Вт = 3 Вт. Однако, если входное напряжение составляет, например, 20 В, то избыточная мощность, которая должна рассеиваться регулятором, теперь составляет 20 В x 1 А = 20 Вт минус 5 Вт, потребляемые нагрузкой = 15 Вт.

В современном линейном I.C. Однако регуляторы, а также защита от перегрузки по току и защита от перенапряжения, как описано в модуле 2.3 блока питания, существуют дополнительные схемы термического отключения для предотвращения сбоя из-за перегрева, так что если мощность слишком велика, вместо того, чтобы разрушать ИС, выход будет упадет до 0 В, пока ИС не остынет.

Даже при более разумных входных напряжениях стабилизатор I.Cs. действительно выделяют значительное количество тепла, поэтому важно, чтобы избыточное тепло эффективно рассеивалось за счет использования соответствующих радиаторов.Критерии использования радиаторов те же, что и для силовых транзисторов, обсуждаемые в Модуле 5.1 усилителей.

Дополняет серию 78xx серия 79, которая предлагает I.Cs. для обычно используемых отрицательных напряжений питания в том же диапазоне характеристик, что и серия 78, но с отрицательным выходным напряжением.

Рис. 2.3.2 Базовая схема блока питания с использованием линейного регулятора 7805 I.C.

Уменьшение пульсаций переменного тока

На рис. 2.3.2 показан регулятор серии I.C. и его связи.Обратите внимание, что C1 и C2 намного меньше, чем в источниках питания с дискретными компонентами. Большой накопительный конденсатор не требуется, так как регулирующее действие I.C. уменьшит амплитуду пульсаций переменного тока (в пределах максимального диапазона входного напряжения) до нескольких милливольт на выходе.

Обеспечение стабильности

C2 больше не является традиционным фильтрующим конденсатором, но предназначен для улучшения переходной характеристики, защиты от внезапных изменений в сети или условиях нагрузки e.грамм. скачки. Использование этих конденсаторов с указанными значениями будет поляризованного танталового типа и, хотя это не является строго обязательным для всех схем, рекомендуется для обеспечения максимальной стабильности, предотвращая любую тенденцию к ИС. колебаться. Они должны быть установлены как можно ближе к регулятору, а I.C. заземляющее соединение должно быть подключено к 0 В как можно физически ближе к заземлению нагрузки. Эти проблемы лучше всего решить, если регулятор I.C. используется в качестве регулятора «точки нагрузки», а не (или как) главный регулятор для всей системы электропитания.

Надежность

Применение линейного регулятора I.Cs. значительно повысил надежность источников питания, но поскольку эти ИС часто располагаются на подключаемых субпанелях с системой, существует опасность повреждения ИС регулятора. (а также к другим компонентам), если панели вставляются или удаляются, пока основной источник питания все еще находится под напряжением. Это может быть связано либо с тем, что система все еще подключена к электросети, либо потому, что конденсаторы основного источника питания не полностью разряжены.

Причина в том, что при отсоединении или подключении многоходовых разъемов нет гарантии, в каком порядке отдельные контакты подключаются или отключаются, и это может привести к неожиданному короткому замыканию или неисправности разомкнутой цепи, возникающим на мгновение во время процесса подключения или отключения.

Рис. 2.3.3 Защитный диод, используемый с 7805 и большими конденсаторами

Чтобы предотвратить такую ​​возможность, можно разработать несколько дополнительных мер безопасности вокруг схемы регулятора для защиты I.С.

В некоторых схемах электролитические конденсаторы могут использоваться для C1 и C2 в качестве альтернативы использованию танталовых или полиэфирных конденсаторов, но в этом случае использование емкости будет значительно больше, 25 мкФ или более. Однако в схемах, где C2 составляет 100 мкФ или более, существует вероятность того, что, если вход закорочен на землю, временно (или постоянно из-за неисправности) заряд на C2 вызовет протекание большого тока обратно в I.C. выходной терминал, повредив I.C. Чтобы предотвратить это, диод, такой как 1N4002, может быть подключен через I.C. как показано на рис. 2.3.3, так что, если в любой момент времени на входной клемме будет более низкий потенциал, чем на выходе, диод проведет любой заряд на выходной клемме на землю, вместо того, чтобы позволить току течь через I.C.

Рис. 2.3.4 Влияние разомкнутой цепи заземления на микросхему 7812 IC

Если коммутационная панель отключена, когда питание находится под напряжением, возможно, что заземление заземлено на I.C. может быть отключен на мгновение перед вводом, как показано на рис. 2.3.4. В таком случае выходная клемма может подняться до уровня напряжения нерегулируемого входа, что может вызвать повреждение компонентов, питаемых от регулятора. Также, если панель подключена к уже имеющемуся питанию, такая же ситуация с мгновенным размыканием цепи заземления, а затем повреждение I.C. похоже.

Поскольку регуляторы напряжения обычно питаются от основного источника питания, они могут быть восприимчивы к любым скачкам сетевого напряжения, а также к обратному току.м.ф. скачки напряжения от других частей схемы. Любые положительные всплески напряжения, превышающие максимально допустимое входное напряжение (около 35 В или 40 В), или любые отрицательные всплески выше -0,8 В, которые обладают достаточной энергией, чтобы вызвать протекание значительных токов, могут повредить ИС. Некоторая защита может быть обеспечена за счет использования конденсатора большой емкости на входной клемме и / или обеспечения минимизации вероятных причин переходных процессов за счет использования ограничителей переходных процессов на входе сети и предотвращения обратного тока.m.fs. как описано в модуле 3.2 теории переменного тока.

Двойные и отрицательные расходные материалы

Линейные стабилизаторы

I.C. могут также использоваться для обеспечения регулируемого отрицательного напряжения с помощью регуляторов серии LM79xx, доступных в том же диапазоне напряжений, что и серии 78xx, но с отрицательными выходами. Их можно использовать для регулирования шин отрицательного или двойного питания.

Регулировка напряжения

АНАЛИЗ НЕИСПРАВНОСТЕЙ КОНДЕНСАТОРА-ВХОДНОГО ФИЛЬТРА LC.- Шунтирующие конденсаторы подлежат на обрыв цепи, короткое замыкание и чрезмерную утечку; индукторы серии подлежат обрыв обмоток и иногда короткое замыкание витков или короткое замыкание на сердечник.

Входной конденсатор (С1) имеет наибольшее пульсирующее напряжение, приложенное к нему, является наибольшим чувствителен к скачкам напряжения и обычно имеет более высокое среднее приложенное напряжение. Как в результате входной конденсатор часто подвержен пробоям напряжения и короткому замыканию.В выходной конденсатор (C2) менее подвержен скачкам напряжения из-за последовательного включения защита обеспечивается последовательным индуктором (L1), но конденсатор может стать разомкнутым, негерметичным, или закорочены.

Закороченный конденсатор, открытый дроссель фильтра или дроссельная обмотка, замкнутая на core приводит к индикации отсутствия выхода. Закороченный конденсатор в зависимости от величины короткого замыкания может вызвать короткое замыкание выпрямителя, трансформатора или дросселя фильтра, что может привести к в перегоревшем предохранителе в первичной обмотке трансформатора.Открытый дроссель фильтра приводит к аномально высокое постоянное напряжение на входе в фильтр и отсутствие напряжения на выходе из фильтра. фильтр. Негерметичный или открытый конденсатор в цепи фильтра приводит к низкому выходному постоянному току. Напряжение. Это состояние обычно сопровождается чрезмерной амплитудой пульсаций. Закороченный витки в обмотке дросселя фильтра уменьшают эффективную индуктивность дросселя и снизить его эффективность фильтрации. В результате амплитуда пульсаций увеличивается.

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

В идеале на выходе большинства источников питания должно быть постоянное напряжение.К несчастью, этого трудно добиться. Есть два фактора, которые могут вызвать повышение выходного напряжения. изменение. Во-первых, напряжение в сети переменного тока непостоянно. Так называемые 115 вольт переменного тока могут варьироваться примерно от 105 вольт переменного тока до 125 вольт переменного тока. Это означает, что пиковое напряжение переменного тока, до которого Выпрямитель отвечает примерно от 148 вольт до 177 вольт. Только сетевое напряжение переменного тока может быть причиной почти 20-процентного изменения выходного напряжения постоянного тока. Секунда Фактором, который может изменить выходное напряжение постоянного тока, является изменение сопротивления нагрузки.В сложное электронное оборудование, нагрузка может меняться при включении и выключении цепей. В телевизионный приемник, нагрузка на тот или иной блок питания может зависеть от яркости экрана, настроек управления или даже выбранного канала.

Эти изменения сопротивления нагрузки приводят к изменению приложенного постоянного напряжения, поскольку блок питания имеет фиксированное внутреннее сопротивление. Если сопротивление нагрузки уменьшается, внутреннее сопротивление блока питания падает больше напряжения.Это вызывает уменьшение напряжение на нагрузке.

Многие схемы предназначены для работы с определенным напряжением питания. Когда поставка изменения напряжения могут отрицательно сказаться на работе схемы. Как следствие, у некоторых типов оборудования должны быть блоки питания с одинаковым выходным напряжением. независимо от изменений сопротивления нагрузки или изменения напряжения в сети переменного тока. Этот постоянное выходное напряжение может быть достигнуто добавлением схемы, называемой РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ. на выходе из фильтра.Сегодня используется множество различных типов регуляторов и обсуждение всех из них выходит за рамки данной главы.

ПРАВИЛА НАГРУЗКИ

Обычно используемым показателем достоинства источника питания является его ПРОЦЕНТ РЕГУЛИРОВАНИЯ. В добротность дает нам представление о том, насколько выходное напряжение изменяется в диапазоне значений сопротивления нагрузки. Процент регулирования помогает в определении типа регулирования нагрузки необходимо.Процент регулирования определяется по формуле:

Это уравнение сравнивает изменение выходного напряжения при двух крайних значениях нагрузки с напряжение вырабатывается при полной нагрузке. Например, предположим, что блок питания производит 12 вольт при нулевом токе нагрузки. Если выходное напряжение падает до 10 вольт при полном ток нагрузки протекает, тогда процент регулирования составляет:

В идеале выходное напряжение не должно изменяться во всем рабочем диапазоне.Что То есть, блок питания на 12 вольт должен выдавать 12 вольт на холостом ходу, при полной нагрузке и при всех точки между ними. В этом случае процент регулирования будет:

Таким образом, регулирование нагрузки с нулевым процентом является идеальной ситуацией. Это означает, что на выходе напряжение постоянно при всех условиях нагрузки. Пока надо стремиться к нулю процентов регулирование нагрузки, в практических схемах вы должны довольствоваться чем-то менее идеальным.Несмотря на это, Используя регулятор напряжения, вы можете удерживать процент регулирования на очень низком уровне.

РЕГУЛЯТОРЫ

Вы должны знать, что выходная мощность блока питания зависит от изменений входного напряжения. и требования к току нагрузки цепи. Поскольку для многих электронных устройств требуется рабочие напряжения и токи, которые должны оставаться постоянными, некоторая форма регулирования необходимо. Цепи, поддерживающие напряжение источника питания или токовые выходы в пределах указанные пределы или допуски называются РЕГУЛЯТОРАМИ.Они обозначаются как напряжение постоянного тока. или регуляторы постоянного тока, в зависимости от их конкретного применения.

Цепи регулятора напряжения являются дополнениями к основным цепям питания, которые производятся состав ректификованной и фильтрующей секций (рисунок 4-30). Назначение регулятора напряжения — для обеспечения выходного напряжения с небольшими изменениями или без них. Цепи регулятора чувствуют изменения выходных напряжений и компенсировать изменения. Регуляторы, поддерживающие напряжение в пределах плюс или минус () 0.1 процент — довольно распространенное явление.

Рисунок 4-30. — Структурная схема источника питания и регулятора.

Регуляторы напряжения серии

и шунтирующие

Существует два основных типа регуляторов напряжения. Базовые регуляторы напряжения: классифицируется как SERIES или SHUNT, в зависимости от расположения или положения регулирующий элемент (ы) по отношению к сопротивлению нагрузки цепи. Рисунок 4-31 (вид A и вид B) иллюстрирует эти два основных типа регуляторов напряжения.На практике схемотехника регулирующих устройств может быть довольно сложной. Пунктирные линии использовались в рисунок, чтобы выделить различия между последовательными и шунтирующими регуляторами.

Рисунок 4-31A. — Простые серийные и шунтирующие регуляторы. ШУНТ РЕГУЛЯТОР

Рисунок 4-31B. — Простые серийные и шунтирующие регуляторы. РЕГУЛЯТОР СЕРИИ

Схематический чертеж в виде А представляет собой шунтирующий регулятор.Это называется регулятор шунтового типа, поскольку регулирующее устройство подключено параллельно нагрузке сопротивление. Схематический чертеж в виде B представляет собой серийный регулятор. Это называется последовательный регулятор, потому что регулирующее устройство подключено последовательно с нагрузкой сопротивление. Рисунок 4-32 иллюстрирует принцип последовательного регулирования напряжения. Как ты изучите рисунок, обратите внимание, что регулятор включен последовательно с сопротивлением нагрузки (R _L ) и что постоянный резистор (R _S ) включен последовательно с сопротивлением нагрузки.

Рисунок 4-32. — Последовательный регулятор напряжения.

Вы уже знаете, что падение напряжения на фиксированном резисторе остается постоянным , если не ток, протекающий через него, меняется (увеличивается или уменьшается). В шунтирующем регуляторе, как Как показано на рисунке 4-33, регулирование выходного напряжения определяется током через параллельное сопротивление регулирующего устройства (R _V ), сопротивление нагрузки (R _L ), и последовательный резистор (R _S ).А пока предположим, что схема работает. при нормальных условиях, что входное напряжение составляет 120 вольт постоянного тока, и что желаемый регулируемый выходное напряжение 100 вольт постоянного тока. Для поддержания выхода 100 вольт необходимо сбросить 20 вольт. через последовательный резистор (R _S ). Если предположить, что стоимость R _S составляет 2 Ом, у вас должно быть 10 ампер тока через R _V и R _L . (Помните: E = IR.) Если значения сопротивления R _V и R _L равны равно, через каждое сопротивление будет протекать 5 ампер тока (R _V и R _L ).

Рисунок 4-33. — Шунтирующий регулятор напряжения.

Теперь при увеличении сопротивления нагрузки (R _L ) ток через R _L уменьшится. Например, предположим, что ток через R _L теперь составляет 4 ампера. и что полный ток через R _S составляет 9 ампер. С этим падением тока, падение напряжения на R _S составляет 18 вольт; следовательно, выход регулятор увеличился до 102 вольт.В это время регулирующее устройство (R _V ) сопротивление уменьшается, и через это сопротивление протекает ток 6 ампер (R _V ). Таким образом, общий ток R _S снова составляет 10 ампер (6 ампер через R _V ; 4 ампера через R _L ). Следовательно, на R _S падает 20 вольт. заставляя выходное напряжение снова уменьшаться до 100 вольт. К настоящему моменту вы должны знать, что если нагрузка сопротивление (R _L ) увеличивается , регулирующее устройство (R _V ) уменьшается его сопротивление, чтобы компенсировать изменение.Если R _L уменьшается, наоборот возникает эффект, и R _V увеличивается.

Теперь рассмотрим схему, когда происходит уменьшение сопротивления нагрузки. Когда R _L уменьшается, ток через R _L впоследствии увеличивается до 6 ампер. Этот В результате воздействия через R _S проходит в общей сложности 11 ампер, который затем падает на 22 вольт. В итоге на выходе 98 вольт. Однако регулирующее устройство (R _V ) чувствует это изменение и увеличивает свое сопротивление, так что протекает меньший ток (4 ампера) через R _V .Общий ток снова становится 10 ампер, и выход снова 100 вольт.

Из этих примеров вы должны теперь понять, что шунтирующий регулятор поддерживает желаемое выходное напряжение сначала путем измерения текущего изменения параллельного сопротивления цепи, а затем путем компенсации изменения.

Снова обратитесь к схеме, показанной на рисунке 4-33, и рассмотрите, как напряжение регулятор работает, чтобы компенсировать изменения входных напряжений.Вы, конечно, знаете, что входное напряжение может изменяться, и любые отклонения должны компенсироваться регулирующее устройство. Если происходит увеличение входного напряжения , сопротивление R _В автоматически уменьшается для поддержания правильного деления напряжения между R _В и Р _S . Таким образом, вы должны увидеть, что регулятор работает в обратном направлении. для компенсации уменьшения входного напряжения .

Пока были объяснены только регуляторы напряжения, в которых используются переменные резисторы .Однако у этого типа регулирования есть ограничения. Очевидно, переменный резистор не может достаточно быстро отрегулировать, чтобы компенсировать частые колебания напряжения. С входное напряжение часто и быстро колеблется, переменный резистор — , а не А. Практический метод регулирования напряжения. Регулятор напряжения, который работает непрерывно и автоматически регулировать выходное напряжение без внешних манипуляций не требуется для практического регулирования.

Q.28 Цепи, поддерживающие постоянное напряжение или ток на выходе, называются постоянным напряжением. или постоянный ток ___.
Q.29 Назначение регулятора напряжения — обеспечить выходное напряжение с небольшим или нулевым ___.
Q.30 Двумя основными типами регуляторов напряжения являются ___ и ___.
Q.31 Когда для управления выходными напряжениями используется последовательный регулятор напряжения, любое увеличение входное напряжение дает увеличение / уменьшение (какой именно) сопротивления регулирующего устройства.
Q.32 Шунтирующий регулятор напряжения подключен к последовательно / параллельно (какой именно) с нагрузочным сопротивлением.

регуляторы напряжения и тока

регуляторы напряжения и тока

Elliott Sound Products

Регуляторы напряжения и тока

© 20013, Род Эллиотт верхний

---

Указатель статей
Основной указатель

---

Содержание

---

Введение

Потребность в регулировании источника питания является общим требованием, но не все знают, почему необходимо регулировать источник питания или когда цепь может безопасно работать от нерегулируемого источника питания.Существует много неправильных представлений о регулирующих органах в целом и много дезинформации о том, что необходимо, а что просто чрезмерно. К сверхстабильным регулируемым источникам питания предъявляются некоторые требования, но в подавляющем большинстве приложений это бывает редко.

Необходимость регулирования часто понимается неправильно, утверждая, что основные схемы операционных усилителей в аудио (например) должны работать от строго регулируемых источников питания, иначе звуковая сцена пострадает, или будет потеряна «авторитетность» низких частот (что бы это ни было может означать), или, возможно, высокие частоты будут «завуалированы», а средние частоты будут «загромождены».По большей части это ерунда, но эти мифы широко распространяются до тех пор, пока они каким-то образом не становятся «самоочевидными» из-за количества ссылок, перекрестных ссылок и людей, ссылающихся на сайты, на которых есть информация, которая, по их мнению, «подтверждает» их точку зрения.

Регуляторы напряжения можно найти почти в каждом элементе электронного оборудования и варьируются от типов с очень низким напряжением (например, 3,3 В для многих микропроцессоров) до сотен вольт, используемых в некоторых ламповых усилителях и другом оборудовании, которое работает с высоким напряжением.

Не каждое напряжение нужно регулировать. Обычно операционные усилители, используемые в аудиосистеме, поставляются с регулируемыми источниками питания (обычно ± 15 В), но в первую очередь это делается для обеспечения низких пульсаций (100 или 120 Гц) и шума. Операционные усилители не заботятся о том, есть ли шум в источнике питания, и они совершенно счастливы, даже если напряжения питания немного изменяются во время работы. При условии, что их максимальное рабочее напряжение не превышается, а источники питания остаются достаточно высокими, чтобы пропускать сигнал без искажений, колебания напряжения питания не приведут к значительным изменениям выходного сигнала.

Однако обычно это считается неприемлемым. Подача на операционные усилители должна регулироваться , потому что ни один операционный усилитель не имеет бесконечного PSRR , и он ухудшается на высоких частотах, поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура падает из-за внутренней (или внешней) частотной компенсации. Во многих случаях может быть достаточно простого стабилизатора на стабилитроне, но он неэффективен и по современным стандартам считается очень «низкотехнологичным».

Регуляторы напряжения

IC очень недорогие и дают отличные результаты.Конечно, есть ограничения. Дифференциальное напряжение входа-выхода никогда не должно превышаться, некоторые из них сравнительно шумны, и необходим радиатор, если они используются для передачи выходного тока от умеренного до высокого. До регуляторов IC люди обычно использовали дискретные версии, и их можно было заставить работать очень хорошо. Естественно, высокая производительность требует большей сложности схемы, и в наши дни мало случаев, когда дискретный стабилизатор является лучшим предложением, чем версия IC.

Эту статью следует читать вместе с блоками питания малой мощности.Эти две статьи охватывают схожие области, но эта версия больше нацелена на полное понимание концепции , а не на предоставление идей для конструкторов.

Стабилитроны тоже имеют свою страничку. Примечание по применению AN008 — Как использовать стабилитроны описывает многие из основных характеристик стабилитронов, а также некоторые основные характеристики и другую полезную информацию. Особый интерес представляет динамическое сопротивление, которое представляет собой спецификацию, которая показывает, насколько хорошо стабилитрон может уменьшить пульсации и шум.Чем ниже динамическое сопротивление, тем лучше стабилитрон будет регулировать и подавлять шум.

Существует ряд терминов, которые используются для описания работы любого регулятора. Приведенная ниже таблица взята из статьи «Источники питания малой мощности» и включает краткие пояснения.

Параметр	Пояснение
Регулировка нагрузки	Процент, представляющий собой изменение напряжения при заданном изменении выходного тока
Линейное постановление	Процент.являющееся изменением выходного напряжения для данного изменения входного напряжения
Падение напряжения	Минимальный перепад напряжения между входом и выходом, прежде чем регулятор перестанет поддерживать приемлемую производительность
Максимальное входное напряжение	Абсолютное максимальное напряжение, которое может быть приложено к входной клемме регулятора относительно земли
Подавление пульсаций	Выражается в дБ, отношение входной пульсации (от нерегулируемого источника постоянного тока) к выходной пульсации
Шум	Где указано, количество случайных (тепловых) шумов, присутствующих в регулируемом выходном постоянном напряжении.
Переходная характеристика	Обычно отображается графически, показывает мгновенную производительность с изменениями линейного напряжения или тока нагрузки

Не все из вышеперечисленных спецификаций будут даны, и не все они важны для многих приложений.Переходный отклик важен для любого регулятора, который подает быстро меняющуюся нагрузку, например логику TTL. Пульсации и шум важны для низкоуровневых аудиоприложений, особенно тех, которые используют дискретные транзисторы, где схема может иметь относительно низкое подавление шума источника питания.

Иногда думают, что простого резистивного делителя напряжения достаточно, чтобы обеспечить «регулируемое» напряжение. Если выход не буферизован с помощью повторителя (интегрированного или дискретного), он не регулируется .Делитель напряжения чувствителен к нагрузке, поэтому он может выдавать номинальное напряжение только в разомкнутой цепи (без нагрузки). Как только вы потребляете ток, напряжение упадет. Кроме того, любой шум (гудение, гудение и т. Д.) На питающем делитель источнике также будет попадать на выход. Простые делители были обычным явлением в ламповых усилителях, где основной источник питания может проходить через несколько резисторов с конденсаторами для заземления на каждом переходе, и клапанные каскады, образующие нагрузку.Это не «регулирование» ни в каком виде, это просто фильтрация, и здесь не рассматривается, кроме как часть надлежащего регулятора (где такие схемы фильтрации также довольно распространены).

---

Зачем регулировать?

Итак, зачем нам стабилизированное напряжение?

При большом количестве источников напряжения и во множестве схемных топологий мы этого не делаем. Однако теперь это так просто сделать и дает столько преимуществ, что было бы почти глупо не сделать этого. Основным преимуществом является то, что пульсации источника питания (при 100 или 120 Гц) почти полностью устраняются, и мы можем работать с операционными усилителями при напряжении, близком к их максимальному напряжению, не беспокоясь о низком сетевом напряжении, вызывающем преждевременное ограничение, или о высоком сетевом напряжении, вызывающем сбои.Нерегулируемый источник питания будет изменять свое напряжение при изменении напряжения сети (что обычно изменяется на величину от + 10% до -15%). Многие люди живут в районах, где напряжение изменяется сильнее, и если подача не регулируется, оно будет колебаться примерно на тот же процент, что и входящая сеть.

Нерегулируемый источник питания также изменяет свое выходное напряжение с нагрузкой, поэтому по мере того, как схема потребляет энергию, напряжение падает. Точно так же, когда нагрузка уменьшается, напряжение возрастает. Это называется регулированием нагрузки, и при нерегулируемом питании включает отклонения от сети.Небольшая нагрузка при максимальном напряжении сети означает, что питаемые цепи получат максимально возможное напряжение, которое может превышать абсолютное максимальное значение, указанное производителем ИС. ИС логики TTL имеют очень ограниченную устойчивость к перенапряжению, и они выйдут из строя, если максимальное значение будет превышено. Рекомендуемое напряжение — 5 В, допустимый диапазон — от 4,5 до 5,5 вольт. Все используют регулируемое питание для ИС TTL просто потому, что было бы глупо (и рискованно) поступать иначе.КМОП-логика обычно будет вполне довольна очень простым стабилитронным шунтирующим стабилизатором, потому что потребление тока очень низкое. Источник питания должен быть правильно обведен с соответствующей емкостью.

Во многих ранних транзисторных усилителях мощности использовались стабилизированные источники питания, поскольку они использовали один источник питания, а колебания напряжения могли создавать дозвуковой выходной сигнал. Кроме того, во многих из этих ранних усилителей использовались транзисторы, которые работали при напряжении, близком к предельному, и если бы напряжение увеличивалось слишком сильно, они выходили из строя.В наши дни почти никто не использует регулируемые источники питания для усилителей мощности, потому что это увеличивает стоимость и значительную тепловую нагрузку и, как правило, не служит полезной цели. В некоторых ламповых усилителях используются регулируемые напряжения экранной сетки для получения максимальной мощности без нагрузки на клапаны. Другие просто подчеркнули клапаны (и даже во многих последних разработках это до сих пор так).

Очень редко можно увидеть предусилитель, использующий операционные усилители или дискретные транзисторы, в котором , а не , использует стабилизированные источники питания. Большинство людей используют регуляторы IC, но есть и те, кто считает, что дискретный регулятор даст лучшую производительность.Я не буду вступать в дебаты о предполагаемой «слышимости» регулятора и «звуке постоянного тока», потому что, насколько я понимаю, это в основном принятие желаемого за действительное, без научных оснований или подтверждения правильным проведением слепого AB-тестирования. По определению, постоянный ток — это постоянный ток, поэтому его не слышно. В некоторых случаях может быть слышен шум , наложенный на DC .

Большинство импульсных источников питания (SMPS) регулируются и могут использоваться напрямую, без дополнительных действий.Тем не менее, они почти всегда относительно шумные, имея существенное свидетельство частоты коммутации (и ее гармоник) в источнике постоянного тока. Хотя эти артефакты переключения почти всегда неслышны, они сбивают с толку и могут сильно затруднить разумные измерения в цепи.

Далее, зачем нам стабилизированный ток?

Помимо источников тока, раковин и зеркал (см. Статью), регуляторы тока раньше были больше диковинкой, чем что-либо еще.Они использовались во многих областях в течение многих лет, но только недавно стали повсеместными — светодиодное освещение. Подавляющее большинство из них работают в импульсном режиме, потому что в противном случае потери энергии будут чрезмерными, что снижает общую эффективность светодиодного источника света. Тем не менее, все еще есть примеры, когда линейный регулятор имеет больше смысла.

В частности, простой линейный стабилизатор тока легко подключить к плате Veroboard, что нелегко сделать с любой схемой переключения.Требования к линейным регуляторам тока незначительны по сравнению с регуляторами напряжения, но вы никогда не узнаете, когда он вам понадобится. В некоторых случаях вам понадобится регулировка как напряжения , так и тока , и зарядка аккумулятора является одним из наиболее очевидных случаев, когда они будут совмещены.

В целом потребность в прецизионном регуляторе тока (в отличие от источника тока в составе, например, схемы усилителя) очень ограничена, но поскольку принципы и результаты во многом одинаковы для регулирования как напряжения, так и тока, они того стоят. покрытие.

---

1 — Базовый дискретный регулятор напряжения

Первыми использованными регуляторами были газоразрядные трубки ^[1] . Питание трубки осуществлялось через резистор, и напряжение разряда было достаточно стабильным при условии, что ток не слишком сильно менялся. Если требовался большой ток, то для его подачи в качестве катодного повторителя использовался традиционный мощный вентиль (вакуумная трубка). Добавление дополнительных клапанов позволило получить хорошо регулируемое питание, на которое не повлияли изменения тока нагрузки или колебания входного напряжения.

Современный эквивалент газоразрядной трубки — стабилитрон. Они по-прежнему очень часто используются для регулирования, либо в качестве простого шунтирующего регулятора (например, газоразрядная трубка), либо с дополнительными частями для формирования дискретного регулятора. Поскольку основной шунтирующий регулятор является самым простым, на него стоит обратить внимание в первую очередь. Более подробная информация об использовании стабилитронов представлена ​​на странице Application Note 008 на веб-сайте ESP.

Рисунок 1 — Базовый стабилитрон шунтирующего регулятора

Одним из основных недостатков простого шунтирующего стабилитрона является то, что он постоянно потребляет максимально допустимый ток от источника питания.Как показано выше, напряжение питания составляет 15 В, и это только один источник питания. Я буду использовать эту же общую компоновку для большинства диаграмм, потому что это делает их менее загроможденными и более легкими для понимания. Если требуется отрицательный источник питания, обычно это просто обратное значение, указанное для положительного напряжения. Сам источник питания (трансформатор и конденсатор фильтра) используется в большинстве примеров, но не будет показан, если только понимание схемы не является важным.

В приведенном выше источнике питания R1 должен обеспечивать достаточный ток, чтобы всегда оставаться в оптимальном диапазоне стабилитрона, а также обеспечивать нагрузку.Стабилизаторы на стабилитронах не рекомендуются для любых схем, в которых ток изменяется более чем на несколько процентов. Ток стабилитрона должен составлять (примерно) от 10% до 50% от максимального тока стабилитрона, который очень просто получается из напряжения и номинальной мощности. Стабилитрон 15 В 1 Вт может выдерживать максимальный ток …

.

I = P / V
I = 1/15 = 66,7 мА

Ток стабилитрона не должен превышать 50% от максимального, чтобы поддерживать повышение температуры стабилитрона до разумного значения. Кроме того, при таком токе он будет довольно горячим, и на напряжение не будет сильно влиять температура окружающей среды.Таким образом, мы должны стремиться к 33 мА и не менее 7 мА, чтобы гарантировать, что динамическое сопротивление стабилитрона достаточно низкое, чтобы быть полезным. Поскольку номинальное входное напряжение составляет около 21 В, это означает, что сопротивление резистора должно быть около 180 Ом (R = V / I). 180 Ом дает ток стабилитрона 33 мА, но только когда ток нагрузки равен нулю, а напряжение в сети составляет точно 230 В (или 120 В), и при условии, что выходное напряжение трансформатора равно 15 В RMS.

На самом деле все вышеперечисленное обычно неверно. Нет смысла иметь стабилизированное напряжение, но без нагрузки, поэтому нам нужно знать, какой ток потребляет цепь с питанием.Это может быть доступно из таблиц данных (для операционных усилителей), или вам, возможно, придется либо рассчитать, либо измерить фактический потребляемый ток. Для этих упражнений мы предполагаем, что ток нагрузки составляет 20 мА.

Теперь, если нагрузка потребляет 20 мА, это означает, что ток стабилитрона теперь снижен до 13 мА (33–20 мА), что находится в желаемом диапазоне. Чтобы сохранить значение 33 мА, которое мы рассмотрели вначале, общий ток , потребляемый от источника питания, будет равен требуемому току стабилитрона (33 мА) плюс ток нагрузки (20 мА), всего 53 мА.R1 теперь нужно пересчитать, и он станет 113 Ом. 120 Ом в этом случае вполне нормально. Поскольку общий потребляемый ток выше ожидаемого, на конденсаторе фильтра будет больше пульсаций, чем мы ожидали. Из-за избыточного тока напряжение будет меньше запланированного нами 21 В (нерегулируемого), но, к счастью, эти ошибки обычно не настолько велики, чтобы вызвать катастрофу. Если нагрузка отключена, теоретический ток стабилитрона будет 33 мА (нормальный ток стабилитрона) плюс 20 мА, которые потребляла бы нагрузка — всего 53 мА.Стабилитрон нагреется до , и этот тип простого шунтирующего регулятора обычно не следует использовать без нагрузки.

Показанные характеристики питания должны быть разумными. Симулятор сообщает мне, что при входном среднеквадратичном напряжении 15 В мы получаем 19,4 В постоянного тока после выпрямителя и фильтра с пульсацией 94 мВ RMS (300 мВ P-P) на частоте 100 Гц. Регулируемое напряжение составляет 15,1 В с пульсацией 4,9 мВ RMS (16 мВ P-P). Ток нагрузки составляет 20 мА, но ток стабилитрона намного ниже запланированного, всего 15.7 мА. Хотя R1 можно уменьшить, чтобы обеспечить больший ток в стабилитрон, это также приведет к увеличению напряжения пульсаций и немного снизит исходное напряжение постоянного тока. Суммарный ток от выпрямителя и фильтра составляет 35,7 мА … 20 мА на нагрузку и 15,7 мА на стабилитрон. R1 рассеивает 152,7 мВт, а рассеивание стабилитрона составляет 235,5 мВт (15 В x 15,7 мА). Как выяснилось, это безопасная общая конфигурация, и стабилитрон выживет, даже если входное напряжение сети повысится до максимально возможного.

Ток трансформатора составляет немногим более 113 мА (среднеквадратичное значение), состоящий из резких пиков ± 480 мА. Обратите внимание, что ток трансформатора с мостовым выпрямителем более чем в 3 раза превышает постоянный ток в этом примере, но он может быть выше или ниже в зависимости от выходного импеданса трансформатора (я использовал значение 0,2 Ом для моделирования). Если импеданс увеличивается, среднеквадратичное значение и пиковый ток снижаются, но вместе с тем уменьшается и напряжение постоянного тока.

Как видно из вышеизложенного, необходимо учитывать несколько взаимосвязанных факторов.Когда также принимаются во внимание обычные колебания напряжения в сети, количество возможностей резко возрастает. К счастью, ошибки и отклонения от теоретических значений всегда будут, но пока проектировщик делает поправки, конечный результат все равно будет удовлетворительным. Важно знать, что почти никогда все не будет так просто, как кажется на первый взгляд.

Если R1 разделен на два резистора равного номинала (2 x 56 Ом будет работать), то второй конденсатор от центрального отвода до земли снизит пульсации напряжения.При всего лишь 220 мкФ пульсации сокращаются до менее четверти (около 1,2 мВ RMS). Два резистора необходимы для отделения дополнительной емкости от основной крышки фильтра и стабилитрона, оба из которых имеют очень низкий импеданс (вы также увидите, как этот трюк используется ниже). Возможно, неожиданно, пульсации напряжения немного больше при подключенной нагрузке. Это связано с тем, что стабилитрон пропускает меньший ток, и его динамическое сопротивление немного увеличивается.

Обратите внимание, что на Рисунке 1 показан конденсатор оконечного фильтра, и это очень важно в большинстве случаев.Он не так эффективен, как можно было бы надеяться, потому что он подключен параллельно стабилитрону с низким сопротивлением, но он немного снижает шум и (что более важно) обеспечивает мгновенный пиковый ток, который может потребоваться некоторым схемам. Фактически, очень и очень мало регуляторов любого типа следует использовать без разумной емкости на выходе. 10 мкФ часто бывает достаточно, но более высокие значения в большинстве случаев не вызовут никаких проблем.

---

2 — Следующий шаг к регулированию напряжения

Шунтирующее регулирование, описанное выше, по-прежнему является очень полезным инструментом, и во многих случаях это, безусловно, самый простой и дешевый способ получить, например, слаботочный стабилизированный источник питания для вспомогательных цифровых схем.Однако регулирование линии и нагрузки не является прекрасным, поэтому этот метод не подходит для нагрузок, которые имеют быстрые (или большие) изменения тока. Следующая разработка — это простой последовательный транзистор, добавляемый к стабилитрону, и это описано в статье о малых источниках питания. Здесь это повторяться не будет. Когда ток нагрузки регулятора проходит через транзистор, схема называется «последовательным» регулятором, потому что активное выходное устройство включено последовательно с током нагрузки.

Ниже показан базовый дискретный регулятор.Раньше это была очень распространенная схема до появления 3-контактных IC-регуляторов. Производительность может быть неплохой, но это ни в коем случае не точный регулятор. В основную форму схемы внесено несколько хитрых дополнений, которые описаны ниже. Трансформатор и мостовой выпрямитель точно такие же, как на рис. 1. C4 часто требуется для предотвращения высокочастотных колебаний, и его значение обычно находится где-то между 47 пФ и 1 нФ. Более высокие значения замедлят схему, и она не сможет достаточно быстро отреагировать на быстрые изменения нагрузки (плохая переходная характеристика).

Рисунок 2 — Простой дискретный регулятор серии

Хотя показанная схема имеет (почти) такое же выходное напряжение, что и шунтирующий стабилизатор, показанный выше, она потребляет меньше тока от выпрямителя. При той же подключенной нагрузке 20 мА (750 Ом) он потребляет 29,8 мА (а не постоянные 35,7 мА, независимо от того, подключена нагрузка или нет). Уменьшение тока означает, что входная пульсация уменьшается, а обратная связь, используемая в цепи, помогает еще больше.

В частности, обратите внимание, что есть два резистора (R1 и R2) для обеспечения тока базы для последовательного каскада Дарлингтона.Центральный отвод подключается к C2, и это снижает пульсации напряжения с ~ 78 мВ RMS на C1 до примерно 500 мкВ на C2 и менее 100 мкВ на базе Q1. Пульсации на выходе составляют всего 28 мкВ — на 70 дБ меньше пульсаций на C1. Сравните это с рисунком 1, который позволяет подавить пульсацию только около 25 дБ.

Следующий хитрый трюк использует R6. Если бы этого не было, ток стабилитрона был бы максимум ~ 630 мкА, что слишком мало для обеспечения стабильной работы. R1 и R2 можно было бы уменьшить, но тогда C2 нужно было бы больше.Таким образом, регулируемое и сглаженное выходное напряжение используется для подачи тока, достаточного для правильной работы стабилитрона. Он добавляет немного более 8,7 мА стабилитрона (в моделировании общее значение составляет 9,4 мА). Это превышает минимум 5%, необходимый для стабильности (стабилитрон 6,2 В 1 Вт может потреблять до 161 мА при 25 ° C).

Чтобы учесть допуск стабилитрона (до ± 10%), было принято делать R5 переменной. В показанном примере вы можете использовать банк в 20k (что было бы довольно грубо) или R5 можно было бы уменьшить до 8.2к с банком 5к последовательно. Эта схема имеет обратную связь, а коэффициент усиления регулятора устанавливается R4 и R5. Стабилитрон — это опорное напряжение. Этот регулятор представляет собой ту же базовую схему, которую я использовал для Project 96, источника фантомного питания 48 В для микрофонов.

Опорное напряжение (стабилитрон) должно быть близко к 1/2 выходного напряжения, если возможно, но может быть и меньше 1/4. Так что, если вам нужен выход 100 В, вы можете использовать стабилитрон на 24 В.

R4 и R5 образуют цепь обратной связи и определяют коэффициент усиления схемы.Если они равны, коэффициент усиления схемы равен 2. Напряжение база-эмиттер Q3 добавляется к опорному напряжению, так что на самом деле это не 6,2 В, а 6,85 В для схемы, показанной на рисунке 2. Это также добавляет ошибку из-за до температуры перехода Q3, которая обычно принимается равной -2 мВ / ° C. При условии, что температура Q3 не меняется очень сильно, ошибка не имеет большого значения.

Выходное напряжение можно определить следующим образом …

Усиление = (R4 / R5) + 1
Усиление = (12/10) + 1 = 2.2
В _ВЫХ = В _REF × усиление
В _ВЫХ = 6,85 × 2,2 = 15,07 В постоянного тока

Для разработки дискретного регулятора, такого как показанный на рисунке 2, есть несколько общих рекомендаций. R1 + R2 должны обеспечивать достаточный базовый ток для последовательной комбинации Q1 и Q2. Необходимый базовый ток определяется коэффициентом усиления пары (предположим, 1000 для типичной комбинации), и должен быть абсолютным минимумом двойной , который необходим при максимальном выходном токе.Если оно меньше этого, Q3 (усилитель ошибки) не будет иметь достаточного тока для работы, и вы потеряете регулирование. Согласно общепринятому практическому правилу, базовый ток последовательного транзистора (транзисторов) должен быть в 5–10 раз больше, чем в худшем случае. Однако это можно смягчить, если вам не нужна идеальная регулировка.

Итак, для приведенной выше схемы мы можем использовать следующие основные уравнения для R1 и R2 …

R1 + R2 = V _IN — V _OUT / I _B × 10 — где I _B определяется как…
I _B = I _OUT / h _FE (Q1 × Q2) … (предположим, что усиление равно 1000), поэтому …
I _OUT = 20 мА
I _B = 20 мкА × 10 = 200 мкА
В _IN — В _OUT = 19,4 — 15 = 4,4 В
R1 + R2 = 4,4 В / 200 мкА = 22 кОм, поэтому R1 = R2 = 11 кОм

Хотя это можно было бы заставить работать, это было бы довольно глупо, потому что регулятор мог бы выдавать только 20 мА, если вы придерживаетесь рекомендаций по проектированию. Уменьшив значения R1 и R2 до 2.2k, схема будет отлично работать с выходным током не менее 100 мА. При 100 мА выходное напряжение упадет до 14,99 В, а пульсации увеличатся до 115 мкВ. Учитывая относительную простоту схемы, производительность неплохая!

Обратите внимание, что устройство последовательного прохода показано как пара транзисторов, подключенных в конфигурации Дарлингтона, но транзистор Дарлингтона и N-канальный MOSFET также будут работать. Стабилитрон должен быть подключен между затвором и истоком полевого МОП-транзистора — 4.Стабилитрон 7 В обеспечит более чем достаточный ток при использовании полевого МОП-транзистора IRF540 (или аналогичного), а также обеспечит базовое ограничение тока или . Поскольку коэффициент усиления у полевого МОП-транзистора не такой высокий, как у пары Дарлингтона, стабилизация и характеристики пульсации не так хороши. Однако затвор не потребляет ток, поэтому значения R1 и R2 могут быть выше, чем требуется для биполярных транзисторов.

Добавив некоторую сложность, схему можно заставить работать еще лучше, но для 99% приложений в этом нет никакого смысла.Единственное, чего у нет у , так это защиты от короткого замыкания. Если выход закорочен, последовательные транзисторы (Q1 и Q2) выйдут из строя. Если мы просто ограничим ток до заранее установленного максимума, мы можем обнаружить, что рассеивание Q2 находится за пределами допустимой безопасной области. При 20 В на входе (достаточно близко) и (скажем) на выходе 100 мА и закороченном выходе рассеивание в Q2 будет 20 * 0,1 = 2 Вт. Очевидно, это не проблема при низком входном напряжении и малом токе регулятора, но становится серьезной проблемой при увеличении напряжения или тока.

Рисунок 3 — Простой дискретный серийный регулятор с ограничением тока

Добавляя Q4 и R7, мы можем применить базовую защиту от короткого замыкания с помощью простого ограничения тока. Когда напряжение на R7 достигнет 0,6–0,7 В, Q4 будет проводить и «красть» ток из последовательно проходящих транзисторов. Это только самая простая форма защиты, и хотя она работает, это определенно не высокотехнологичное решение проблемы. Как показано, ток ограничен примерно 130 мА, а рассеивание в Q2 составляет примерно 2.4 Вт (радиатор будет обязательно). Показанная компоновка ни в коем случае не единственный метод, но он работает достаточно хорошо. Дополнительное сопротивление снижает характеристики регулирования, и при приближении к пределу тока наблюдается заметный провал напряжения.

Более продвинутое ограничение тока включает в себя так называемое ограничение «обратного отсчета», когда доступный ток постепенно уменьшается по мере падения выходного напряжения. Например, до тех пор, пока выходное напряжение близко к 15 В, предел может быть установлен на (скажем) 1 А, но если выход закорочен, максимальный доступный ток может быть уменьшен до 100 мА.Ограничение обратного тока является более сложным и в некоторых случаях может привести к отказу источника питания от запуска — например, если схема с питанием потребляет ток, превышающий нормальный, при низких входных напряжениях. Поскольку эта статья посвящена общим принципам, ограничение тока обратной связи не будет включено.

---

2.1 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

Дискретная схема по-прежнему имеет преимущества, когда вам нужен источник питания с более высокими требованиями к напряжению, чем могут удовлетворить стандартные 3-контактные ИС.Хотя доступны высоковольтные версии, их бывает трудно получить, и они все еще имеют ограниченный перепад входного-выходного напряжения. Вы можете представить, что LM317HV (например) подойдет, так как он имеет максимальное дифференциальное напряжение на входе-выходе 60 В.

Легко упустить из виду тот факт, что максимальное входное напряжение на самом деле составляет всего 60 В для LM317HV, потому что при первом включении выходной конденсатор разряжен и близок к короткому замыканию. Точно так же регуляторы серии 317/337 имеют защиту от короткого замыкания, но если входное напряжение превышает максимальное дифференциальное напряжение на входе-выходе, есть большая вероятность того, что ИС выйдет из строя.

Можно создать дискретную схему с любым входным напряжением, которое вам нравится, ограниченное только выбором последовательно проходных транзисторов и других необходимых компонентов. Если вам нужен стабилизированный источник питания на 250 В, то вам просто не повезло, если вы попытаетесь использовать любой доступный стабилизатор IC. Если вы знаете, как построить дискретный регулятор, то (почти) нет ограничений на входное или выходное напряжение.

При разработке регуляторов высокого напряжения необходимо учитывать множество факторов, особенно защиту от короткого замыкания.Если у вас есть нерегулируемое напряжение (скажем) 500 В и вам нужно регулируемое 400 В, представьте мгновенное рассеивание мощности в устройстве последовательного прохода, если выход закорочен! Без продуманных мер защиты короткое замыкание вызовет мгновенный отказ устройства последовательного прохода, и чрезвычайно сложно обеспечить какую-либо достаточно быструю схему защиты. Это можно сделать, но здесь мы не будем рассматривать, потому что для этого потребуется обширное тестирование, чтобы убедиться, что схема защиты будет работать должным образом (это не конструкторская статья — она ​​предназначена только для объяснения принципов).

Рисунок 4 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

Схема слева на Рисунке 4 (A) выглядит безопасной, но в момент включения выходная крышка разряжается и представляет собой кратковременное короткое замыкание. Колпачок большего размера может некоторое время казаться очень низким импедансом, как показано справа (B). Таким образом, дифференциальное напряжение представляет собой полное входное напряжение (45 В), которое может значительно превышать номинальные значения для регулятора и вызвать отказ. Если выход закорочен (возможно, в оборудовании есть танталовые конденсаторы для развязки источника питания ¹), регулятор будет иметь полное входное напряжение на нем до тех пор, пока не будет отключено питание или он не выйдет из строя!

Примечание 1:

Танталовые конденсаторы (и всегда были) самые ненадежные конденсаторы из когда-либо созданных.Они совершенно не переносят сильные импульсные токи, и уникальны тем, что их режим отказа — короткое замыкание (которое может быть прерывистым). Как известно постоянным читателям, я никогда не рекомендую танталовые крышки для чего-либо.

Очень важно, чтобы входное и выходное дифференциальное напряжение не превышалось, и для IC-регуляторов это значение указано в спецификации (обычно как абсолютное максимальное значение). Для дискретного регулятора это максимальное напряжение на последовательном и других транзисторах, которое ограничивается напряжением пробоя коллектор-эмиттер или напряжением сток-исток для полевого МОП-транзистора.

Вы вполне можете спросить, а зачем на регуляторе диод. В некоторых случаях общая емкость на выходе регулятора может быть такой, что он сохраняет заряд дольше, чем крышка основного фильтра (C1). Это особенно верно, если перед регулятором берется дополнительная нерегулируемая нагрузка. Если регулятор должен иметь обратное смещение, он почти наверняка выйдет из строя, поэтому вы не сможете подключить стендовый источник питания напрямую к цепи, не повредив регулятор.Добавление диода означает, что любое напряжение на выходе передается на вход регулятора, что предотвращает возможное повреждение внутренней цепи. Диод также следует добавить к дискретным регуляторам, если есть вероятность, что на выходе может быть напряжение, но не на входе.

---

2.2 — Требования к дифференциальному напряжению ввода-вывода

Несмотря на то, что важно гарантировать, что максимальный дифференциал ввода-вывода никогда не будет превышен, также важно убедиться, что имеется достаточно дифференциала для предотвращения проблем.Минимум обычно указывается в даташите, и это не относится к среднему значению! Мгновенное входное напряжение никогда не должно падать настолько (из-за пульсаций напряжения), чтобы регулятор больше не мог поддерживать выходное напряжение. Например, если регулятору требуется минимум 2 В дифференциала для поддержания регулирования, мгновенное входное напряжение всегда должно быть более чем на 2 В выше выходного напряжения.

Сюда входят пульсации напряжения и любое снижение сетевого напряжения, которое находится в пределах обычно ожидаемого диапазона для входящего источника переменного тока.Некоторые люди спрашивали, почему я рекомендую трансформатор 15–0–15 В для источников постоянного тока ± 15 В, когда я знаю, что напряжение трансформатора обычно выше, чем указано при небольшой нагрузке. В общем, вы можете ожидать около 25 В постоянного тока на входе регулятора, что может показаться чрезмерным. Тем не менее, это включает в себя значительную поправку на низкое напряжение в сети, пульсации и дополнительное сглаживание.

Рисунок 5 — Пульсация входного напряжения относительно напряжения. Регулируемая мощность

На рисунке 5 вы можете увидеть, что произойдет, если входящий постоянный ток упадет ниже минимума, необходимого для поддержания регулирования.Поскольку крышка входного фильтра слишком мала, пульсации позволяют входному напряжению упасть ниже предела, при котором регулятор может поддерживать выходное напряжение на уровне 15 В. В результате пульсация передается от входа к выходу.

В случае, показанном выше, очевидным ответом является увеличение емкости фильтрующего конденсатора, чтобы пульсации были уменьшены до разумного значения, и проблема была решена. Однако вам все же нужно рассмотреть случай, когда напряжение в сети падает — это может иметь точно такой же эффект.Если напряжение сети упадет на 20% (с 230 В до 184 В или с 120 до 96 В), то же самое произойдет и с выходом трансформатора. Это означает, что вместо номинальных 15 В переменного тока выходная мощность будет снижена до 12 В переменного тока, а этого недостаточно, чтобы позволить ИС поддерживать регулирование — даже при условии, что ноль пульсации напряжения!

Неважно, является ли регулятор дискретным или основанным на ИС — результаты будут одинаковыми. Единственным решением было бы либо использовать трансформатор с более высоким напряжением (например, 18 В RMS), либо использовать конструкцию стабилизатора с малым падением напряжения (LDO), либо в виде интегральной схемы, либо в виде дискретного.У регуляторов LDO могут быть проблемы со стабильностью из-за их конструкции, и, как правило, их следует избегать, если нет другого варианта. См. Регуляторы LDO, если вы хотите узнать о них больше.

---

3 — Регуляторы IC Регуляторы

IC (3-полюсные) в настоящее время являются наиболее распространенными из всех аналоговых / линейных типов. В течение многих лет у нас были регуляторы 78xx (положительный) и 79xx (отрицательный), а также множество аналогичных устройств с разными номерами деталей, и было доступно несколько стандартных напряжений.Были доступны версии на 5, 8, 12, 15, 18 и 24 В, но они (в основном) рационализированы до 3–5 В, 12 В и 15 В. Некоторые из странных напряжений все еще могут быть доступны, если вы внимательно присмотритесь. Регулируемые регуляторы (LM317 / 337) позволяют людям создавать источники питания практически для любого напряжения, которое им нравится, от 1,25 В до 50 В, если вы используете версии с высоким напряжением.

Они удобны, фиксированные регуляторы также доступны в маломощных версиях в корпусе TO-92. 78L05 особенно распространен, поскольку он может обеспечивать регулируемое питание для небольших микроконтроллеров, проектов на основе PIC и других логических схем с низким энергопотреблением.Внутренняя схема этих микросхем в настоящее время довольно развита, и они обладают очень хорошими характеристиками. Все они имеют защиту от короткого замыкания и включают внутренние предохранители от перегрева, поэтому они практически неразрушимы … почти!

Многие энтузиасты аудио часто считают обычные регуляторы серий 78xx / 79xx «низшими», но это неоправданно. Да, они несколько шумные, но типичный выходной шум низкий и очень редко вызывает проблемы со схемами операционных усилителей, но это может быть проблема с простыми схемами с плохим отклонением источника питания.Стоит отметить, что выходной конденсатор нужен в первую очередь для стабильности, и без него регулятор наверняка будет колебаться. Неважно, 10 мкФ или 1000 мкФ, пульсация на выходе не изменится.

Это явно странное поведение связано с выходным сопротивлением регулятора. Согласно таблице данных на 7815, он имеет выходное сопротивление 0,008 Ом (8 миллиом) на частотах до 1 кГц, после чего оно возрастает до 6 дБ / октаву. На частоте 100 Гц конденсатор 1 мФ (1000 мкФ) имеет реактивное сопротивление равное 1.59 Ом, и это абсолютно не влияет на 8 миллиомов регулятора. Выходное сопротивление остается ниже 1 Ом на любой частоте до 1 МГц, а на крайних частотах конденсатор будет иметь некоторое влияние.

Подавление пульсаций заявлено как минимум 54 дБ (7815) при типичном значении 70 дБ. Типичный выходной шум заявлен как 90 мкВ. Простой способ уменьшить шум и пульсации напряжения — это добавить простой резистивно-конденсаторный фильтр на выходе регулятора. Для выходных токов 100 мА или менее резистор 10 Ом и конденсатор на 1000 мкФ уменьшат выходное напряжение на 1 В при 100 мА, но уменьшат пульсации 100 Гц еще на 16 дБ (минимум).Это также уменьшит широкополосный шум. На частоте 1 кГц любой шум регулятора уменьшается на 36 дБ, а на частоте 10 кГц — на 56 дБ. В сочетании с уже и без того низким уровнем шума и пульсации остаточная величина незначительна. Как и следовало ожидать, эту технику можно успешно использовать только при сравнительно небольших токах.

Также можно использовать фильтр, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, но необходимо очень внимательно следить за тем, чтобы частота -3 дБ была значительно ниже частоты пульсаций, иначе вы можете легко получить больше пульсаций вместо меньших! Например, LC-фильтр, состоящий из индуктора 1 мГн и конденсатора 1 мФ (1000 мкФ), имеет частоту 159 Гц и увеличит пульсацию на 4 дБ.Увеличение индуктивности до 10 мГн приводит к уменьшению пульсации на 10 дБ, а также к быстрому ослаблению всех частот выше 50 Гц. В идеале катушка индуктивности (или конденсатор) должна быть больше, а любой LC-фильтр чувствителен к импедансу нагрузки и может вызывать переходные колебания при изменении нагрузки — рекомендуется соблюдать особую осторожность!

Многие люди также думают, что добавление большого конденсатора к выходу уменьшит шум и пульсации. Как отмечалось выше, это не работает. Очевидно, что параллельное включение емкостного реактивного сопротивления более 1 Ом и менее 20 мОм не даст многого.На более высоких частотах выходное сопротивление регулятора будет расти, поэтому емкость от 10 мкФ до 100 мкФ имеет смысл для ограничения ВЧ-шума и обеспечения стабильности регулятора.

Обратите внимание, что LDO (регуляторы с низким падением напряжения) часто имеют строгие критерии стабильности, поэтому я предлагаю вам прочитать статью, в которой рассматриваются эти потенциально сварливые ИС. В основном они ведут себя прилично, но это не гарантируется, если вы не сделаете все правильно.

---

3.1 — Регулируемые регуляторы IC

LM317 / 337 рекомендуются для замены фиксированных регуляторов и обеспечивают гораздо большую гибкость.Они стабильны и хорошо работают. Самое главное, у них нет вредных привычек, и это важный фактор для любого дизайна. Project 05 — это пример двойного регулятора, использующего эти универсальные ИС. При использовании, как показано в проекте, производительность примерно такая же, как у фиксированного регулятора. Это можно улучшить, но для этого потребуется несколько дополнительных деталей. Дополнительные конденсаторы включены в плату Project 05.

Выходное напряжение устанавливается с помощью пары резисторов. Нормальный ток от вывода «Adj» (регулировка) может варьироваться от ~ 50 до 100 мкА, и необходимо обеспечить больший постоянный ток, который, по крайней мере, на порядок больше, чем нормальный ток от этого вывода.Обычно это делается путем добавления резистора между выходом и регулировочным контактом, обычно 100 или 120 Ом. Опорное напряжение номинально составляет 1,25 В, но оно может варьироваться от 1,2 В до 1,3 В от одной микросхемы к другой. Предполагая, что 1,25 В, ток через внешний резистор на 100 Ом составляет 12,5 мА, что значительно превышает ток регулировочного штыря. Полная схема подключения показана ниже.

Рисунок 6 — Регулируемый регулятор, показан LM317

Как отмечалось выше, внутреннее опорное напряжение равно 1.25 В, поэтому через R1 проходит 12,5 мА. Мы можем игнорировать ток регулировочного вывода, потому что он будет не более 0,1 мА, и хотя это вызывает небольшую ошибку, это меньше, чем изменение опорного напряжения. Значение R1 довольно важно. Если он слишком велик, внутренний рабочий ток ИС приведет к увеличению выходного напряжения без нагрузки. Максимальное значение зависит от устройства — отрицательная версия требует меньшего сопротивления. Большинство дизайнеров используют значения от 100 до 220 Ом.Минимальный выходной ток для LM317 составляет около 5 мА или 10 мА для LM337. Использование резисторов 100 Ом гарантирует стабильный выходной сигнал как для положительных, так и для отрицательных регуляторов.

Значение для R2 вычислить легко, потому что мы знаем, что он передает 12,5 мА и всегда будет на 1,25 В меньше выходного напряжения. Следовательно, на выходе 15В получаем …

I _R2 = 12,5 мА
В _R2 = В _ВЫХ — 1,25 = 13,75
R2 = В / I = 13,75 / 12.5 = 1,1 тыс.

Это сильно отличается от формулы, представленной в таблице данных, и хотя процесс немного дольше, по крайней мере, вы можете вспомнить, как это делать, потому что он основан на простой математике (закон Ома), которую гораздо легче запомнить, чем формула. Из-за допуска опорного напряжения (1,2–1,3 В) фактическое выходное напряжение может варьироваться от 14,4 В до 15,6 В (± 1%), хотя большинство ИС будут ближе к расчетному значению. Разница напряжений не имеет значения для схем операционных усилителей.Формула, представленная в таблицах данных: …

V _ВЫХ = 1,25 × (1 + R2 / R1) + I _{ADJ × R2}

Это учитывает ток регулировочного штыря (обычно 50 мкА), который прибавит около 55 мВ при использовании резисторов 1,1 кОм. В общем, нет смысла стремиться к такому уровню точности, потому что IC представляет собой стабилизатор напряжения , а не прецизионный эталон. Если вам нужна точность, вы должны использовать прецизионный источник опорного напряжения, такой как TL431, LM336, LT1009, или решение, описанное в SLYT183 — Прецизионные источники опорного напряжения от Texas Instruments.

Назначение D1 такое же, как описано выше — он предотвращает повреждение, подаваемое на выход регулятора. D2 должен разрядить C2. Если этот диод не установлен, регулировочный штифт может на мгновение стать больше, чем выходное значение (например, если выход закорочен), что приведет к повреждению ИС. D3 немного сложнее.

Если вы построите один регулятор, D3 можно не устанавливать. Однако, если вы собираете источник питания с двойной полярностью (например, ± 15 В), D3 должен быть включен (на оба источника).Это защитный диод, который не дает регулятору получить отрицательный выход на выходе, что может привести к отключению микросхемы … , и она не восстановится! Но как это может случиться? Когда используются два источника питания, неизбежно, что один будет немного быстрее другого. Нагрузка (операционные усилители или другие схемы) обычно использует только заземление в качестве эталона, поэтому мощность потребляется между источниками, а , а не , от каждого источника к земле. Тот, который появляется первым, может принудить выход более медленного регулятора к противоположной полярности, и это может привести к фиксации ИС в состоянии неисправности, из которого она не может восстановиться.

Это реальная проблема, и диоды (D3 и его противоположный номер на отрицательном питании) должны быть включены . Это можно увидеть на принципиальной схеме Project 05. Что может еще больше усугубить, так это то, что проблема может быть периодической, и ее трудно отследить, если вы не знаете, что искать.

---

4 — Повышение тока от регуляторов IC

Совсем не редкость, что вам может потребоваться намного больший выходной ток, чем вы можете получить от микросхемы трехконтактного стабилизатора.Существуют версии TO-3, которые имеют более высокий ток, но этого может быть недостаточно, например, если вы запитываете большой микшерный пульт. Существует очень распространенный прием, который используется для увеличения выходной мощности, а для положительного регулятора требуется просто добавить один резистор и силовой транзистор PNP. Если вы используете TIP36C (самый доступный и дешевый силовой транзистор, который вы можете получить), его легко получить до 10 А, хотя вам необходимо установить очень хороший радиатор и тщательно управлять входным напряжением, чтобы обеспечить безопасную рабочую зону. не превышено.

Рисунок 7 — Регулируемый регулятор с усилением, использующий LM317 и TIP36C

ИС регулятора будет обеспечивать ток до предела, определенного R3. Как только напряжение на R3 превысит 0,7 В, Q1 и Q2 включатся и подадут столько тока, сколько потребует нагрузка. Входное напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить правильное регулирование при более высоком токе, и крышка основного фильтра также должна иметь соответствующий размер, чтобы минимизировать входные пульсации. Вышеупомянутая схема обычно требует обмотки на трансформаторе 20 В RMS, а диоды также должны выдерживать максимальный непрерывный ток.

Будьте осторожны — здесь нет защиты от короткого замыкания, потому что регулятор не сможет отключить добавленные транзисторы в случае неисправности. Вы, , могли бы спасти транзисторы, включив предохранитель, как показано, но не рассчитывайте на это. Несмотря на очевидные ограничения, это очень полезная схема, и ее часто рекомендуют в технических описаниях и примечаниях к применению. В показанной конфигурации и при условии, что на входе 25 В постоянного тока, стабилизатор будет обеспечивать максимум около 320 мА плюс базовый ток транзисторов, а два TIP36C обеспечивают остальное.Рассеивание на Q1 и Q2 будет почти 50 Вт при выходном токе 5 А, поэтому радиатор и монтаж должны быть отличными. Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором всего 0,5 ° C / Вт вызовет повышение температуры каждого транзистора на 12,5 ° C, поэтому использование транзисторов с параллельным проходом абсолютно необходимо.

В некоторых примечаниях к применению предлагается использовать транзистор драйвера и транзисторы с параллельным проходом, но это необходимо только в том случае, если регулятор не может обеспечить ток, достаточный для обеспечения необходимого тока базы.Если учесть в техническом описании TIP35C / 36C h FE 25, стабилизатор на 1 А может запитать достаточно транзисторов, чтобы получить выходной ток 25 А. У кого-нибудь есть схема, на которую нужно 10 000 операционных усилителей?

---

5 — Базовый регулятор тока

«Самый простой» регулятор тока — это просто высоковольтный источник питания и резистор. Например, если у вас есть источник питания постоянного тока 1 кВ и резистор 1 кОм, это даст вам 1 А при нагрузке от нуля до примерно 20 Ом (при регулировке 2%). Хотя концепция проста, реализация совсем не похожа — источник питания 1 кВ при 1 А — действительно серьезная проблема, и для резистора потребуется номинальная мощность 1000 Вт (1 А при 1 кВ — это 1 кВт).Итак, хотя концепция проста, реализация трудна, дорога и опасна.

В отличие от регулирования напряжения не существует простого диода, который мог бы регулировать ток. «Диоды» регулятора тока существуют, но на самом деле это не диоды — это микросхемы (обычно содержащие полевой транзистор и резистор). Номинальная мощность обычно очень ограничена, и они подходят только для работы с довольно низким током. Любой полевой транзистор с режимом истощения (JFET) можно использовать в качестве простого регулятора тока, но доступный ток будет довольно низким, как и максимальное напряжение.В отличие от стабилитронов, стабильность невелика, и они действительно полезны только там, где точность не требуется. Большинство из них ограничены до ~ 20 мА или около того и при относительно низких напряжениях (<100 В). Рассеиваемая мощность обычно не превышает 500 мВт.

Однако пара транзисторов может использоваться для получения очень точного регулирования тока, а приложенное напряжение ограничивается только напряжением пробоя транзисторов. Максимальный доступный ток в основном определяется безопасной рабочей зоной проходного транзистора.Как и в случае с регулятором напряжения, вам необходимо знать требования перед тем, как начать. Как и во всем электронном, необходимо идти на компромиссы, и вам нужно знать основные параметры, прежде чем переходить к кремнию.

---

6 — Более продвинутый регулятор тока

Не существует по-настоящему простого регулятора тока, который можно было бы использовать при токе, который может потребоваться для светодиодов — наиболее распространенной нагрузки, которую вы можете найти на данный момент. Ток, необходимый для типичных мощных светодиодов, составляет от 350 мА до 700 мА с прямым напряжением ~ 3.5В для каждого серийного белого светодиода. Если у нас есть 5 светодиодов по 1 Вт последовательно, нам потребуется минимальное напряжение 17,5 В (мы будем использовать источник постоянного тока 22 В) при токе 300 мА.

Схема на дискретных транзисторах, использующая дешевый полевой МОП-транзистор, будет работать на удивление хорошо, и ее довольно просто реализовать. У него есть небольшая проблема с термической стабильностью, но мы можем использовать это в наших интересах. Схема показана ниже, и это просто мощная версия очень распространенного источника тока. MOSFET рассеивает чуть больше 1.2 Вт, и эта мощность полностью тратится (радиатор для полевого МОП-транзистора необходим). Однако это не намного больше, чем мы ожидаем в потерях от импульсного регулятора тока, работающего при том же напряжении и токе, а в некоторых случаях могут быть даже меньше.

D5 (стабилитрон 12 В) не является обязательным и защищает затвор от перенапряжения. Схема регулирования достаточно быстрая, чтобы гарантировать, что напряжение на затворе никогда не будет превышать примерно 6 В, даже если повышение напряжения питания происходит мгновенно.Однако включение стабилитрона обеспечивает защиту затвора, если нагрузка отключена (или становится разомкнутой), или если цепь подключена неправильно (если вы ее построите).

Рисунок 8 — Источник дискретного тока на основе полевого МОП-транзистора

Почему я решил использовать MOSFET, а не биполярный транзистор для Q2? В этом случае все сводится к минимизации потерь тока в базе проходного транзистора, а MOSFET не нуждается в токе затвора. Резистор 10 кОм подает ток коллектора ~ 2 мА на Q1, и это необходимо, чтобы транзистор мог функционировать и обеспечивать напряжение затвора.Ток контролируется Q1, который включается, когда напряжение на R2 достигает ~ 0,7 В. Когда Q1 включается, Q2 выключается (частично), потому что напряжение затвора уменьшается. Состояние равновесия наступает за микросекунды, и система устойчива. При изменении импеданса нагрузки или входящего напряжения схема будет компенсировать. Если бы компенсация была идеальной, не было бы пульсаций тока через нагрузку — это был бы чистый постоянный ток. Показанная схема генерирует пульсацию на нагрузке примерно 380 мкА (117 мкА RMS) при среднем токе 308 мА.

Q1 имеет нормальный отрицательный температурный коэффициент 2 мВ / ° C любого кремниевого транзистора, поэтому, если он нагревается, ток будет падать. Мы можем использовать это, чтобы определить, нагреваются ли светодиоды, и уменьшить ток для компенсации. Если Q1 имеет температуру 50 ° C, ток снижается до 290 мА. Хотя это нельзя считать полным уровнем компенсации, это все же лучше, чем вообще ничего. Эта общая форма линейного регулятора тока может использоваться везде, где вам нужно, чтобы ток оставался постоянным независимо от изменений нагрузки.Вы должны знать о температурной зависимости Q1, потому что она есть, полезна она или нет.

Схема регулятора тока не будет иметь значительных отклонений между нагрузкой с нулевым сопротивлением и максимальной нагрузкой (16,7 В, что при 300 мА эквивалентно 55,5 Ом). Его можно использовать с любыми светодиодами мощностью от 1 до 5 1 Вт без изменения тока, хотя рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора, естественно, увеличится при использовании менее 5 светодиодов. На самом деле, это настолько хорошо, что даже измерить текущее изменение в симуляторе сложно.Однако, если объединенное напряжение на MOSFET и R2 меньше ~ 1,5 В, он больше не сможет обеспечивать номинальный ток.

У схемы на Рисунке 8 есть одна проблема, заключающаяся в том, что выходной ток зависит от напряжения питания. Это связано с переменным током через Q1 (через R1). Однако изменение невелико и становится довольно линейным, когда напряжение превышает необходимое для регулирования. Ток варьируется от 308 мА (вход 19 В) до 312 мА (вход 30 В). Это более чем приемлемо, но это можно улучшить, запитав Q1 от источника тока.Это добавляет сложности, которую трудно оправдать, но для некоторых других приложений это может быть требованием.

В показанной схеме «опорное напряжение» составляет 0,7 В и представляет собой просто напряжение база-эмиттер Q1. Чтобы сделать источник тока, который не меняется в зависимости от температуры, необходимо использовать прецизионный эталон с температурной компенсацией. Само собой разумеется, что это добавляет сложности с небольшой выгодой в реальном выражении.

---

6.1 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

Регулятор тока ничем не отличается от регулятора напряжения в том, что он должен иметь достаточно «запасного» напряжения, чтобы он мог нормально функционировать.В случае схемы, показанной выше, полевой МОП-транзистор почти ничего не требует (около 200 милливольт), а на R2 должно быть напряжение 650-700 мВ. Как только входное напряжение падает ниже этих комбинированных напряжений (около 1 В), либо из-за низкого напряжения в сети, либо из-за слишком высокого напряжения пульсаций, схема больше не может регулироваться. Ток через нагрузку никогда не может быть выше, чем предполагалось, но он может быть намного ниже при слабом питании или высокой пульсации.

Необходимое дополнительное напряжение зависит от схемы, но неразумно ожидать, что схема будет регулировать ток в узких пределах, если запас по напряжению недостаточен.Если напряжение чрезмерно, рассеивание в устройстве последовательного прохода увеличивается, и энергия расходуется в виде тепла. Если предполагается, что нагрузка представляет собой резистор, потребляющий тот же ток, что и нормальная нагрузка, закон Ома гласит, что доступное напряжение должно быть на выше, чем необходимое для проталкивания желаемого тока через резистор.

Например, как указано выше, для 5 светодиодов мощностью 1 Вт при 300 мА потребуется напряжение ~ 16,7 В, что эквивалентно резистору на 55,5 Ом. Мгновенное напряжение питания всегда должно быть не менее 17.7 В, чтобы полевой МОП-транзистор мог снова регулировать ток до 300 мА. Стоит отметить, что со стандартным импульсным источником питания с регулируемым током ситуация не отличается — входное напряжение всегда должно быть больше, чем максимальное напряжение на нагрузке в худшем случае. Пониженно-повышающие импульсные регуляторы могут изменять свой режим работы в зависимости от входного напряжения.

Импульсный стабилизатор выигрывает, когда входное напряжение намного больше, чем требуется для нагрузки, так как эффективность будет намного выше.При том же токе нагрузки ток от источника с импульсным стабилизатором фактически уменьшается с увеличением напряжения питания. С линейным регулятором ток остается прежним, а потери мощности (в виде тепла) увеличиваются. Однако регуляторы переключения выходят за рамки этой статьи.

---

7 — IC Регулятор тока

ИС общего регулируемого регулятора также могут использоваться в качестве регуляторов тока. В таблицах данных (и ниже) показаны примеры, и они работают достаточно хорошо.Эти схемы полагаются на опорное напряжение 1,25 В, поэтому резистор, чувствительный к току, должен понижать это напряжение во время нормальной работы ограничителя тока. В отличие от версии, показанной выше, в которой используется чувствительный резистор 2,2 Ом на 300 мА (резистор рассеивает ~ 200 мВт), если вы, например, используете LM317, чувствительный резистор должен быть около 4,2 Ом и рассеивать ближе к 400 мВт. Конечно, в этом нет ничего страшного, но это также означает, что на регуляторе требуется немного более высокий перепад напряжения.

Стандартный LM317, используемый в качестве регулятора тока, имеет отличные характеристики.Обратной стороной является то, что опорное напряжение составляет 1,25 В, в то время как «опорное» напряжение для дискретной версии, показанной выше, составляет всего 0,7 В. Это означает, что LM317 требует большего запаса по напряжению. Моделирование показывает, что показанная ниже схема не будет регулировать ток должным образом, пока входное напряжение не превысит 19,8 В, включая минимальный уровень пульсаций напряжения. C2 используется, чтобы гарантировать, что цепь не колеблется.

Рисунок 9 — LM317 как источник тока

Разницу в опорном напряжении легко увидеть, посмотрев на резистор считывания тока — R1 на рисунке 9 и R2 на рисунке 8.В то время как 2,2 Ом достаточно для схемы на Рисунке 8, для LM317 требуется резистор 4,15 Ом, который должен быть рассчитан на 1 Вт. LM317 интересует только одно — напряжение на R1. При условии, что это напряжение может поддерживаться на уровне внутреннего опорного напряжения (1,25 В), выходной ток фиксируется на уровне 300 мА. Ток равен …

I = V _REF / R1
I = 1,25 / 4,15 = 301,2 мА

Если у вас есть запасное напряжение, R1 может быть 4,7 Ом, с резистором и подстроечным резистором, подключенными параллельно, как показано на рисунке 10.Стеклоочиститель подключается к регулировочной клемме LM317, позволяя изменять ток. Показанная схема позволяет изменять ток от 267 мА до 340 мА с помощью VR1.

Рисунок 10 — LM317 как регулируемый источник тока

Вы можете использовать LM317 в качестве регулируемого регулятора тока до максимально допустимого тока и рассеиваемой мощности. Он далеко не так эффективен, как импульсный стабилизатор тока, но легко собирается на макетной плате или даже на бирках.Его можно использовать для создания прототипов и проверки концепции или даже в качестве автономного тестового источника для управления мощными светодиодами при тестировании радиаторов и схем освещения (например). Как и в схеме на Рисунке 8, ток будет практически одинаковым независимо от количества используемых светодиодов мощностью 1 Вт. Это предполагает, что прямое напряжение светодиодов примерно на 4-5 В меньше, чем напряжение питания.

---

8 — Отрицательные регуляторы

В этой статье рассматриваются только положительные регуляторы, но отрицательные регуляторы легко сделать с использованием тех же основных схем, но с частями противоположной полярности (обратные стабилитроны, PNP вместо транзисторов NPN и наоборот и т. Д.)). Таким образом, негативные регуляторы не рассматриваются сами по себе. Отрицательным эквивалентом регуляторов 78xx является серия 79xx, а LM317 соответствует LM337.

Однако есть одна конфигурация, которая на первый взгляд не выглядит так, как будто она будет работать, но она настолько полезна, что показана здесь. Требуется немного нестандартного мышления, чтобы понять, что если одна сторона источника питания регулируется (например, положительная), то по определению другая сторона (отрицательная) должна также регулироваться.Если бы было иначе, электроника в целом просто не имела бы смысла и не работала бы.

Рисунок 11 — Положительные и отрицательные напряжения с использованием только положительных регуляторов

Фактически, источники питания могут быть полностью раздельными и просто подключаться к минусу верхнего регулятора / источника питания, соединенному с плюсом нижнего. Таким образом могут быть подключены два отдельных импульсных источника питания, и он работает с любым типом источника питания, при условии, что между их вторичными источниками нет другого соединения, кроме того, которое вы делаете сами.Вы даже можете иметь разные напряжения для источников питания + ve и -ve, если хотите (но это не всегда полезно).

---

9 — Методы опорного напряжения

Для всех регуляторов напряжения и тока требуется источник опорного напряжения, поскольку он используется в качестве фиксированной точки, с которой можно сравнивать выходное напряжение или ток. Идеальное опорное напряжение будет совершенно нечувствительным к дрейфу, связанному с возрастом, изменениям температуры и входного напряжения, поэтому оно будет всегда оставаться на одном и том же напряжении.Излишне говорить, что идеального эталона не существует, но некоторые хитрости схемы действительно подходят.

Как отмечалось во введении, в схеме клапана используются газоразрядные трубки, и они не являются ни особенно точными, ни стабильными. С появлением кремниевых полупроводников ситуация значительно улучшилась, и стабилитроны стали предпочтительнее. Стабилитрон 6,2 В имеет дополнительный положительный и отрицательный температурный коэффициент (tempco) и довольно стабилен в разумном диапазоне температур.Однако напряжение действительно изменяется с током , поэтому простой резистор не обеспечит опорное напряжение с желаемой стабильностью. Это препятствие обычно преодолевается путем питания стабилитрона от источника постоянного тока — обычно два, причем один обеспечивает эталонный ток для второго.

Если бы можно было создать источник тока, нечувствительный как к приложенному напряжению, так и к температуре, то самым простым известным источником опорного напряжения был бы резистор. Если определенный (и идеально регулируемый) ток проходит через резистор с очень низкой температурой, то напряжение на этом резисторе должно быть постоянным.Конечно, вы не можете потреблять ток нагрузки, и для создания прецизионного источника тока вам понадобится прецизионный источник опорного напряжения. Совершив полный круг, очевидно, что нужно что-то более практичное.

Стабилитроны с напряжением пробоя около 6,2 В могут работать при определенном токе и будут показывать очень близкую к нулю температуру, если ток правильный. К сожалению, это не указано в технических данных, и оптимальный ток варьируется от одного диода к другому.Точный необходимый ток можно найти экспериментально, но этот метод требует много времени, и мало кто будет так склонен (в том числе и я). Это особенно верно, когда прецизионные эталонные диоды можно получить легко и дешево.

В µA723 (и LM723) используется стабилитрон 5,7 В с низкой температурой. Еще лучше — стабилитрон 5,6 В с температурой + 2 мВ / ° C (типовая), включенный последовательно с диодом, смещенным в прямом направлении, с температурой -2 мВ / ° C — результат равен нулю. Никогда не получится добиться идеального результата, и прямой ток по-прежнему должен строго контролироваться, чтобы получить стабильное напряжение.

В современных ИС наиболее распространенной ссылкой является запрещенная схема. Обратите внимание, что хотя схема называется запрещенной зоной, она фактически не зависит от ширины запрещенной зоны кремния (около 1,205 эВ — электрон-вольт), а просто имеет примерно такое же эффективное напряжение. Да, я знаю, что в этом нет особого смысла и сбивает с толку, но так оно и есть. Существует много различных версий, которые широко используются, и большинство из них в значительной степени зависят от методов обработки IC. Если бы вы построили его из отдельных частей, его почти наверняка нельзя было бы использовать.Находясь на едином куске кремния и все части находятся в непосредственной близости, означает, что все переходы имеют одинаковую температуру друг с другом. В эталонных значениях ширины запрещенной зоны используются схемы с равными, но противоположными температурными коэффициентами — точно так же, как стабилитрон и диод, описанные выше, но при более низком и более полезном напряжении. «Стандартное» (если такое есть) опорное напряжение запрещенной зоны имеет напряжение от 1,2 до 1,5 В — например, номинальное опорное напряжение для LM317 составляет 1,25 В.

Если вы хотите точно знать, как делается ссылка на запрещенную зону, в сети есть много информации.Однако большая часть из них не особенно полезна, потому что она очень техническая, и большинство статей посвящено методам изготовления ИС. Конечно, в этом есть смысл, потому что для создания работоспособного эталона запрещенной зоны необходимо изготовить ИС. Однако для полноты картины ниже показана типовая схема. Идея состоит в том, что есть две взаимодополняющие части схемы с равными, но противоположными температурными коэффициентами. Ток часто жестко регулируется, и это не редкость для схем с запрещенной зоной внутри ИС, чтобы использовать опорное напряжение запрещенной зоны для стабилизации тока питания, который питает опорную цепь!

Рисунок 12 — Концептуальная схема эталонной ширины запрещенной зоны

Некоторые примеры прецизионных источников опорного напряжения включают LM113 (первый, датированный 1971 годом и разработанный Бобом Видларом), TL431 и LM336 (оба регулируемые), а также многие другие.Концептуальная схема LM113 показана выше. Обратите внимание, что физическая площадь Q2 сделана в 16 раз больше, чем Q1, и это один из нескольких факторов, которые заставляют схему работать. Большинство используют похожую технику.

Интересно отметить, что если вам понадобится прецизионный источник тока, вам понадобится прецизионный источник опорного напряжения. В идеале, особенно если входное напряжение может изменяться более чем на небольшую величину, лучший способ питания прецизионного опорного напряжения — через источник тока.Однако это не должно создавать головоломки, потому что эталонный источник тока должен быть только хорошим, а не идеальным. Мир прецизионных источников (будь то напряжение или ток) требует большого внимания к деталям, и необходимо минимизировать колебания входного напряжения, тока нагрузки и температуры. Операционные усилители часто необходимы, потому что они имеют близко согласованные входные транзисторы, которые будут оставаться при практически одинаковых температурах.

Там, где требуется максимальная точность , всегда было обычной практикой использовать печь с электронным управлением для повышения температуры окружающей среды схемы, чтобы гарантировать, что изменения температуры окружающей среды будут иметь минимальное влияние или не повлияют на температуру схемы.Излишне говорить, что это необходимо только тогда, когда выполняются измерения с гораздо более высокой точностью, чем обычно — такие методы были обычными для счетчиков с очень высокой точностью, но не являются необходимыми для большинства повседневных приложений. Современный эталон ширины запрещенной зоны часто обеспечивает точность, необходимую для большинства измерений.

---

10 — Змеиное масло

Прискорбно, но неизбежно, что некоторые люди будут ассоциировать регуляторы напряжения с «магическими» свойствами, способными каким-то образом влиять на «темп, ритм, время и пространство» (и нет, я тоже не знаю, что это должно означать). как звуковая сцена, басовый «авторитет», высокие «воздух» и, в более широком смысле, вкус и ощущение во рту хлопьев для завтрака.Это последнее утверждение (к сожалению) не глупее всех остальных. Почти все без исключения, это вопиющая чушь, и никогда не будет подкреплен результатами двойного слепого теста.

Есть несколько «особых» дизайнов, которые, кажется, привлекли внимание, но я не собираюсь придавать им какое-либо значение, называя имена. Есть несколько (очень немного!) Конструкций, которые требуют лучшего, чем обычно, регулирования, обычно требующего более низкого уровня шума, чем можно достичь с помощью стандартных ИС регуляторов.Часто это происходит потому, что конструкция схемы также сильно пропитана змеиным маслом и может иметь особенно плохое отклонение от источника питания или быть чрезмерно чувствительной к сопротивлению источника питания.

Нет сомнений в том, что некоторые из «специальных» регуляторов могут иметь превосходные характеристики с гораздо более низким уровнем шума, чем обычные типы ИС. Если вы хотите поэкспериментировать, они могут быть очень полезными и могут доставить массу удовольствия, пока вы экспериментируете с ними. Тем не менее, они , а не , заставят любой грамотный звуковой дизайн звучать «лучше» или даже «иначе» — особенно те, которые используют операционные усилители.

Ничто из того, что я скажу или другие разумные дизайнеры, конечно, никого не изменит. Если люди склонны верить в «волшебный» аспект звука, они почти наверняка услышат разницу, и это мнение не будет оспорено двойным слепым тестированием, что укрепляет веру в то, что мы можем слышать вещи, которые нельзя измерить или количественно оценить с помощью наука или физика.

---

Выводы

Регулируемые источники питания используются повсеместно и во многих случаях считаются необходимыми, даже если схемы могут работать достаточно хорошо без регулирования.Простой факт заключается в том, что регулировка источников питания дает нам свободу использовать схемы, которые в противном случае вносили бы в схемы большое количество шума. Обычно дешевле (и конечный результат меньше) использовать регулятор, чем пытаться использовать более продвинутые фильтры для удаления гула и шума 100/120 Гц из источника питания.

В первые дни, когда вентили (вакуумные лампы) были единственными доступными усилителями, регулирование было трудным и дорогостоящим. Клапанные регуляторы использовались только в случае крайней необходимости из-за соображений стоимости и дополнительной надежности.По сегодняшним меркам стабильность регулирования была довольно обычной, но ее было достаточно для приложений того времени. В большинстве случаев дизайнеры пошли на все, чтобы использовать фильтрацию для удаления гула (100 Гц или 120 Гц) от источников питания. В фильтрах использовались катушки индуктивности, резисторы и конденсаторы для удаления шума из наиболее чувствительных частей цепи, а регулируемые источники питания были практически неслыханными для потребительского оборудования.

Сегодня у нас есть широкий спектр ИС стабилизаторов, ИС прецизионного опорного напряжения и доступ к схемам, которые было бы невероятно дорого реализовать всего 50 лет назад.Одной из первых микросхем регуляторов была почтенная микросхема µA723, которая была произведена рядом компаний после ее появления. Впервые он был выпущен Fairchild в 1967 году и сохранился до сих пор. Сомнительно, что многие люди потрудились бы использовать его больше, чем для ремонта существующего продукта, и поэтому я не включил схему, использующую его. Несмотря на свой возраст, это все еще очень хорошая ИС, и ее часто используют, например, в настольных источниках питания.

Для повышения точности в некоторых случаях вы найдете один регулятор, обеспечивающий напряжение для второго регулятора — это схема с двойным регулированием, иногда известная как «суперрегулятор».Это только изолирует второй регулятор от колебаний входного напряжения, но если шум, регулировка нагрузки или температурная стабильность второго регулятора не идеальны, конечный результат, вероятно, не стоит затраченных усилий. Вы, вероятно, получите очень хорошее неприятие гула, но этого в любом случае легко добиться. Имейте в виду, что один слегка смещенный провод или заземление корпуса в источнике питания может легко нейтрализовать влияние регуляторов с точки зрения снижения шума / гудения.

Существует множество различных ИС регуляторов напряжения от разных производителей, и было бы сложно попытаться включить их все.Прецизионные эталоны также используются в АЦП и ЦАП , особенно в тех, которые предназначены для точных функций измерения. Вы также должны включить микросхемы импульсных регуляторов как напряжения, так и тока — некоторые из них оптимизированы для того или другого. Количество устройств огромно, особенно с коммутационными типами. Каждый год в каталоги поставщиков добавляется больше, и большая часть спроса на новые устройства обусловлена ​​требованиями к «твердотельному» (светодиодному) освещению.

Линейные регуляторы намного проще спроектировать и построить, чем любые регуляторы импульсного режима, потому что здесь не используются высокие частоты и нет магнитных компонентов, о которых следует беспокоиться.Это делает линейный вариант разумным выбором для тестирования конструкции, даже если заранее известно, что конечный источник питания будет переключателем. Необходимо завершить проектирование и в первую очередь установить требуемые требования к напряжению, току и температуре. Когда все они известны, пора работать над окончательной конструкцией режима переключения.

---

Список литературы

1. Трубки газоразрядного регулятора — Википедия
2. Таблицы данных 78xx и 79xx (включая версии с низким энергопотреблением)
3. LM317 / 337 Лист данных
4. Диод постоянного тока — Википедия
5. Регулятор тока (регулятор [sic]) диоды — Semitec
6. Искусство электроники, Пол Горовиц, Cambridge University Press (© 1989)
7. Опорные значения ширины запрещенной зоны — Аналоговые инновации
8. Дизайн ссылок на запрещенную зону: испытания и невзгоды — Боб Пиз

---

---

Основной индекс
Указатель статей

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2012. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки при создании проекта. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница опубликована и защищена авторскими правами © Род Эллиотт, июнь 2013 г.

Электропитание — Цепи регулирования напряжения — Ток, внешний, регулятор и выход

Блоки питания

с регулируемым напряжением имеют схему, контролирующую их выходное напряжение. Если это напряжение изменяется из-за изменений внешнего тока или из-за сдвигов напряжения в линии питания, схема регулятора выполняет почти мгновенную компенсационную настройку.

При разработке источников питания с регулируемым напряжением используются два общих подхода.В менее распространенной схеме шунтирующий регулятор соединяется параллельно с выходными клеммами источника питания и поддерживает постоянное напряжение за счет потери тока, который не требует внешняя цепь, называемая нагрузкой. Ток, подаваемый нерегулируемой частью источника питания, всегда постоянен. Шунтирующий регулятор почти не отводит ток, когда внешняя нагрузка требует сильного тока. Если внешняя нагрузка уменьшается, ток шунтирующего регулятора увеличивается. Недостаток шунтирующего регулирования заключается в том, что оно рассеивает всю мощность, на которую рассчитан источник, независимо от того, требуется ли энергия для внешней цепи.

Более распространенная конструкция последовательного регулятора напряжения зависит от переменного сопротивления, создаваемого транзистором , включенным последовательно с током внешней цепи. Падение напряжения на транзисторе регулируется автоматически для поддержания постоянного выходного напряжения. Выходное напряжение источника питания непрерывно измеряется по сравнению с точным эталоном, а характеристики транзистора регулируются автоматически для поддержания постоянного выходного сигнала.

Источник питания с адекватным регулированием напряжения часто улучшает характеристики электронного устройства, которое он питает, настолько, что регулирование напряжения является очень распространенной особенностью всех, кроме простейших конструкций.Обычно используются корпусные интегральные схемы, простые трехконтактные устройства, которые содержат последовательный транзистор и большую часть вспомогательных схем регулятора. Эти «готовые» микросхемы позволили очень легко включить в источник питания возможность регулирования напряжения.

5V Regulator Design Tutorial — How it works, how to design PCB Altium

Регулятор напряжения. Узнайте, как сделать стабилизатор 5 В с использованием конденсаторов, стабилизатора LM7805 и диода Шоттки, узнайте, как работает схема, а также как построить свою собственную печатную плату, как заказать печатную плату и как спаять электронные компоненты платы вместе.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube

Вот что происходит, когда мы подаем большое напряжение на наши электронные компоненты.

Компоненты перегорят и даже взорвутся. Чтобы это остановить, нам понадобится один из них.

Регулятор напряжения. И мы собираемся показать вам, как это работает, как создать такую ​​плату и даже превратить ее в полностью работающую печатную плату профессионального вида, которую можно использовать в качестве источника питания и даже для зарядки телефона.Вы даже можете скачать копию нашей печатной платы ЗДЕСЬ .

Проектирование схемы

Назначение регулятора напряжения — поддерживать постоянное выходное напряжение даже при изменении входного напряжения. Почему это важно? Потому что электронные компоненты рассчитаны только на определенное напряжение.

Возьмем, к примеру, этот светодиод, если мы подключим его к 9-вольтовой батарее, он мгновенно выйдет из строя навсегда. Это из-за тонкого провода внутри светодиода.Посмотрев под микроскоп, мы можем увидеть, как напряжение протолкнуло слишком много электронов через провод, что привело к его перегоранию. Для защиты светодиода нам понадобится резистор. Это уменьшит ток.

Это только резистор на 10 Ом, который подключен к нашему источнику переменного тока постоянного тока. Когда мы подаем небольшое напряжение, мы видим, что светодиод в порядке, но когда мы увеличиваем его, резистор загорается, и светодиод будет разрушен. Таким образом, использование резистора работает хорошо, но напряжение должно оставаться довольно постоянным.Поэтому нам нужен способ обеспечить постоянное выходное напряжение даже при изменении входного напряжения. Допустим, мы хотим поддерживать постоянное напряжение 5 В постоянного тока и ток, достаточный для зарядки простого дешевого телефона. Мы хотим иметь возможность подключать его к нескольким источникам напряжения, таким как батареи на 9 вольт или, возможно, на 12 вольт. Для этого нам нужно использовать компонент интегральной схемы. Есть много вариантов на выбор, все они могут работать при разных напряжениях, но в результате небольшого исследования мы нашли это. Модель LM7805.

Он может поддерживать постоянный выходной ток 5 вольт и ток до 1,5 ампер. Этот компонент может быть подключен к любому источнику постоянного напряжения от 7 до 35 вольт. Так что он идеально подходит для наших нужд. Имеет три контакта. Первый контакт — это вход для нерегулируемого напряжения. Контакт 2 — это контакт заземления, а контакт 3 — это регулируемый выход 5 В. Производитель рекомендует наличие конденсатора на входе и выходе. Он отмечает, что входной конденсатор необходим, если регулятор находится далеко от фильтра источника питания.Мы собираемся использовать несколько длинных проводов для подключения батареи, поэтому мы будем использовать рекомендуемый конденсатор 0,22 мкФ. Это электролитический конденсатор. Мы можем использовать версию с чуть большей емкостью, но мы не хотим использовать меньшую. Конденсатор поможет сгладить перебои в питании, а также низкочастотные искажения. В этом простом примере вы можете увидеть, как светодиод мгновенно выключается при отключении питания. Но если мы разместим конденсатор параллельно светодиоду, светодиод останется включенным, потому что теперь конденсатор разряжается и питает светодиод.

Значит, прерывания работы светодиода практически не влияют. Мы собираемся добавить еще один конденсатор параллельно на входной стороне. Это байпасный конденсатор. Он расположен очень близко к входному контакту регулятора. Это будет небольшой керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Этот конденсатор предназначен для фильтрации шума и высокочастотных искажений от источника питания. Поскольку мы не всегда можем получить идеально ровный источник постоянного тока. Мы также добавим еще один байпасный конденсатор 0,1 мкФ на выходной стороне, а также электролитический конденсатор на 10 мкФ.Это просто типичное значение, используемое для этой цели. При желании мы могли бы использовать конденсатор с чуть большей емкостью, но это будет работать нормально. Это поможет обеспечить чистый выход в нашей подключенной цепи. Мы также добавим защитный диод на входной стороне. Это поможет защитить схему, если мы подключим блок питания неправильно. Чтобы показать, как это работает, если мы подключим эту лампу накаливания к источнику питания, она загорится. Мы можем поменять местами провода, и он тоже загорится.Если мы поместим диод на красный провод и подключим его к плюсу, он снова загорится. Но теперь, когда мы меняем местами провода, диод блокирует ток, а лампа остается выключенной. Таким образом, мы можем использовать это для защиты цепи. Мы можем использовать выпрямительный диод или диод Шоттки. Здесь вы можете увидеть, как мы разместили два светодиода, каждый из которых подключен к разному типу диода. Когда мы медленно увеличиваем напряжение, мы видим, что светодиод, подключенный к выпрямительному диоду, не такой яркий. Это потому, что у этого типа диодов большое падение напряжения.Если мы измеряем на диоде Шоттки, мы получим падение напряжения около 0,3 вольт, а выпрямитель — около 0,66 вольт. Поэтому для этого случая лучше использовать диод Шоттки. Теперь мы можем разложить все эти компоненты на макете, чтобы протестировать его, как мы это делали здесь. И как только мы будем счастливы, что это работает, теперь мы можем превратить это в печатную плату.

Проектирование печатной платы

Мы собираемся использовать Altium Designer для этого руководства, поскольку они любезно спонсировали эту статью.Все наши зрители могут получить бесплатную пробную версию этого программного обеспечения, перейдя по ссылке ЗДЕСЬ . Итак, откройте Altium Designer и нажмите «Файл», «Новый проект» и дайте проекту имя. Щелкните проект правой кнопкой мыши и добавьте схему, затем щелкните еще раз правой кнопкой мыши и добавьте плату. Теперь щелкните схему правой кнопкой мыши и сохраните ее. Дайте ему то же имя, что и проект. Затем также щелкните правой кнопкой мыши на плате и сохраните ее с тем же именем. Теперь нам нужно добавить компоненты. Мы можем использовать инструмент компонентов справа, но мы собираемся использовать надстройку, которая сделает это немного проще.Итак, мы находим нужные нам детали, мы используем Mouser, но вы можете использовать все, что захотите. Мы нашли конденсатор на 22 мкФ, поэтому берем этот номер детали, вставляем его в загрузчик библиотеки и нажимаем поиск. Затем он находит компонент, и мы нажимаем «добавить в дизайн». Он разместит компонент в нижнем углу, поэтому нам просто нужно переместить его на место. Затем мы переименовываем компонент, чтобы нам было проще. Теперь мы делаем то же самое для другого входного конденсатора, копируем номер детали и ищем его, затем добавляем, перемещаем и переименовываем.Затем мы находим регулятор и добавляем его в нашу конструкцию, а затем мы находим защитный диод и добавляем его в нашу конструкцию. Кстати, мы используем этот, но мы рекомендуем вам выбрать тот с более высоким пределом тока.

Затем мы находим выходной конденсатор, добавляем его и переименовываем. Теперь нам нужно найти клеммы подключения, и мы это тоже добавляем. Теперь нам нужен еще один конденсатор на розетке, поэтому мы выбираем существующий, копируем и вставляем его, а затем перемещаем на место.То же самое проделываем и с типом разъема на входной стороне. Теперь мы просто вращаем компоненты, поэтому выберите входной соединитель и нажмите клавишу пробела, чтобы повернуть его. Затем мы вращаем диод, затем мы можем вращать конденсаторы, но убедитесь, что символ «плюс» всегда идет к положительному источнику питания. Другие керамические конденсаторы не имеют полярности, поэтому они могут быть установлены в любую сторону, но мы сохраним ее в этом порядке. Затем мы вращаем регулятор, и мы также перемещаем текст, затем мы вращаем следующий конденсатор и другой конденсатор.А теперь мы просто перемещаем компоненты на свои места. Теперь щелкните инструмент для проводов и начните соединять компоненты вместе, подводя заземляющий провод к регулятору. Затем мы добавляем к этому проводу символ заземления. Теперь используйте инструмент для проводов, чтобы также подключить выходную сторону. Теперь добавьте аннотацию для входного источника питания, который является VCC, затем добавьте аннотацию для 5 вольт на выходной стороне и переименуйте ее. Затем мы можем добавить текст для «входного напряжения», а также «выходного напряжения». Теперь нам нужно пронумеровать компоненты, поэтому нажмите «Инструменты», «Аннотации», «Аннотировать схему».Затем выберите «Вниз», затем «Через», а затем обновите список изменений, нажмите «ОК», примите изменения, затем подтвердите изменения. Затем внесите изменения и закройте. Теперь мы видим, что все компоненты пронумерованы. Затем нам нужно проверить дизайн. Итак, нажмите «Проект», а затем «Подтвердить проект». Если мы нажмем «Просмотр», «Панели», а затем «Сообщения», это сообщит нам, что компиляция прошла успешно без ошибок. Итак, теперь щелкните PCB и щелкните Design, а затем импортируйте изменения. Затем подтвердите изменения и нажмите «Выполнить изменения».Компоненты размещаются в нижнем углу, просто щелкните поле и удалите его. Глядя на нашу схему, у нас есть коннектор J1 на входе, поэтому мы его переместим. Затем у нас есть диод, конденсатор 1 и конденсатор 2, поэтому мы их тоже переместим. Затем у нас есть регулятор, затем у нас есть конденсаторы 3 и 4, а затем у нас есть выходной разъем. Теперь мы вращаем компоненты, чтобы проложить путь, по которому течет наше электричество. Мы можем переключиться в режим 3D, чтобы проверить, как это выглядит. Затем мы можем выровнять компоненты, чтобы улучшить внешний вид.Теперь щелкните здесь и в новом окне выберите механический слой. Щелкните правой кнопкой мыши и создайте новый слой, назовите его Cut Out. Измените настройки, а затем закройте. Теперь выберите свой слой внизу, затем нажмите Edit, Origin и Set. Затем щелкните верхний угол печатной платы. Теперь нажмите «Поместить» и «Выбрать линию». Проведите линию вокруг компонентов. Затем, удерживая Shift, щелкните по 4 линиям. Затем нажмите «Дизайн», «Форма платы» и «Определить форму». Затем мы можем увидеть это в 3D. Теперь мне просто нужно изменить размер текста, чтобы он не печатался слишком большим.Теперь нажмите на верхний слой и вставьте текст, и мы назовем его 5 вольт, и мы можем просто повернуть его. То же самое проделаем и с основным текстом. Глядя на входную сторону платы, мы только что осознали, что входной разъем расположен не так, мы видим, что в трехмерном представлении мы просто пропустили это ранее, поэтому мы просто исправим это сейчас. Затем мы добавляем на плату землю и текст VCC. Теперь нажмите Route, Auto Route и выберите All. Затем он добавляет наш маршрут на доску. Мы также можем переместить маршрут, если захотим.Теперь мы переходим в Инструменты и Проверка правил. Нажмите «Выполнить», он загрузит отчет и сообщит нам, что у нас есть две проблемы с зазором мачты шелка и припоя. Мы выбираем Design, Rules, Silk to Mask, затем меняем значение, нажимаем Apply, Ok, затем снова запускаем проверку правил. Теперь мы видим, что ошибок нет. Теперь мы можем видеть маршрут и в 3D-дизайне. Так что давайте сохраним это. Щелкните схему, затем щелкните Файл, Smart PDF, затем выберите схему. Мы отключаем спецификацию материалов, но вы можете оставить ее включенной, если хотите.Нажмите Готово, и он сгенерирует PDF-файл с нашим дизайном, закройте его, а затем нажмите на выход Fabrication, выберите файлы Gerber, а затем выберите проект. Теперь щелкните по нему и измените его на Миллиметры, затем на слоях вы можете оставить все как есть, но мы собираемся выбрать все слои и нажать ОК. Нажмите на структуру папок, затем свяжите файл, нажмите «Создать» и все. Были сделаны! Мы готовы напечатать нашу печатную плату.

Изготовление печатной платы.

Теперь нам нужно заказать нашу печатную плату.Мы используем JLCPCB, который также любезно спонсировал эту статью. Они предлагают исключительную стоимость с 5 печатными платами всего за 2 доллара, проверьте ЗДЕСЬ . Мы просто меняем пункт назначения и валюту доставки в Великобританию, поскольку именно там мы находимся, но вы можете выбрать свою страну и валюту. Теперь мы просто загружаем наши файлы Gerber, и он производит предварительный просмотр. У нас есть несколько вариантов настройки продукта, мы выберем количество, а затем оставим остальные по умолчанию.Затем мы сохраним это в тележке и сразу перейдем к оформлению заказа. Мы можем выбрать вариант пересылки, чтобы снизить стоимость, но мы хотим сделать это очень быстро, поэтому собираемся заказывать через DHL Express. Затем мы просто отправляем заказ, оплачиваем и все. Просто, готово. Несколько дней спустя наша печатная плата прибыла по почте от JLCPCB, готовая к сборке. Надо сказать, это выглядит потрясающе, мы очень довольны этим сервисом. Не забывайте, что вы также можете бесплатно скачать копию нашей печатной платы ЗДЕСЬ .

Собираем печатную плату

Сборка печатной платы довольно проста. Мы просто выкладываем наши компоненты, и нам нравится размещать их по порядку на этом паяльном коврике. Мы также используем этот держатель, чтобы с ним было немного легче работать. Затем вставляем компоненты и начинаем их паять по одному. Просто слегка согните ноги, чтобы удерживать их на месте. Когда вы паяете компоненты на место, просто осмотрите паяные соединения, чтобы убедиться, что все в порядке, а затем вы можете обрезать выводы. А через несколько минут мы получим готовую печатную плату, готовую к тестированию.

Тестирование печатной платы

Для проверки печатной платы мы подключили к источнику питания 9-вольтную батарею. А мультиметр на розетке показывает 5 вольт. Если перевернуть батарею, мы увидим на мультиметре 0 вольт. Итак, диод защищает нашу схему. Мы довольны этим, поэтому возлагаем на него небольшую нагрузку, и он отлично работает. Теперь для настоящего теста мы подключаем USB-порт к розетке и подключаем дешевый телефон. Мы видим, что 9-вольтовая батарея заряжает устройство. Используя USB-тестер, мы видим, что он поставляет 4.6 вольт и потребляемый ток 0,26 ампер. Так что он работает отлично.

---

Цепи питания

— ОСНОВЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

---

---

Одной из наиболее важных характеристик источника питания является регулирование его напряжения. Как было указано в предыдущей главе, напряжение регулирование относится к тому, как изменяется выходное напряжение источника питания с вариациями тока нагрузки. Источник питания с хорошим напряжением регулирование поддерживает практически постоянное выходное напряжение с разумным изменения тока нагрузки.

Регулирование напряжения источника питания обычно выражается в процентах. который можно рассчитать следующим образом:

[формула скоро появится]

Таким образом, если источник питания имеет выходное напряжение холостого хода 275 вольт и выходное напряжение полной нагрузки 250 вольт, его процент регулирования это:

= 10%

В идеале блок питания должно иметь идеальное регулирование напряжения, оставшееся выходное напряжение постоянная для изменения выходного (нагрузочного) тока.Практическая сила расходные материалы никогда не достигают совершенства, хотя блоки питания лабораторного типа были произведены с регулировкой напряжения 0,001% или лучше.

Регулировка напряжения обычного источника питания, такого как показанный на фиг. 1, будет относительно плохим по нескольким причинам.

Во-первых, любые изменения входного напряжения линии переменного тока будут отражены при изменении выходного напряжения. Если напряжение в сети должно увеличиться, выходное напряжение будет увеличиваться пропорционально, и наоборот.

Во-вторых, при увеличении нагрузки мощность источника питания будет уронить. Одна из причин этого — фильтр (упомянутый в последней главе). В случае конденсаторного входного фильтра, такого как показанный на фиг. 1, небольшая нагрузка приведет к выходному напряжению источника питания почти равняется пиковому значению выходного напряжения выпрямителя. В выходное напряжение падает при увеличении нагрузки. Регламент может можно улучшить за счет использования входного дроссельного фильтра, который приведет к подаче выходное напряжение должно оставаться близким к среднему выходному напряжению выпрямителя при различные условия нагрузки.Однако выходное напряжение все равно изменится. при изменении тока нагрузки.

РИС. 1. Типичный двухполупериодный источник питания.

РИС. 2. Влияние внутреннего сопротивления источника питания.

В-третьих, падение выходного напряжения блока питания вызвано внутренним сопротивление выпрямителя и силового трансформатора. Любой выпрямитель, будь то высоковакуумный диод, газовый диод или полупроводник диод, имеющий внутреннее сопротивление (или импеданс); этот внутренний импеданс вызывает падение напряжения на выпрямителе.Эффект такой же, как если бы резистор был включен последовательно с выпрямителем, как показано на фиг. 2. Как и в случае с любым резистором, когда ток через него увеличивается, падение напряжения на нем увеличивается. Таким образом, поскольку ток, взятый из питание увеличено, падение напряжения из-за внутреннего сопротивления выпрямителя снижает выходное напряжение.

Кроме того, обмотки силового трансформатора имеют сопротивление, которое эффективно последовательно с выходом источника питания, что еще больше снижает выходное напряжение источника питания при увеличении тока нагрузки.

РЕГУЛИРОВКА НАПРЯЖЕНИЯ

При регулировке напряжения стандартной конфигурации блока питания выпрямителя и фильтра обычно более чем достаточно для большинства приложений, Бывают случаи, когда требуется более эффективное регулирование.

Существует ряд методов повышения напряжения источника питания. регулирование. Возможно, самый простой предполагает использование газонаполненного шунта. трубка регулятора напряжения.

РИС. 3. Принцип регулирования шунтирующего напряжения.

РИС. 3 показана основная концепция шунтирующего регулятора напряжения.

Шунтирующий элемент регулирования напряжения R1 и последовательный резистор R2 образуют напряжение делитель, при этом внешняя нагрузка источника питания подключена к стык R1 и R2. Когда ток нагрузки увеличивается, напряжение на нагрузка падает из-за повышенного падения напряжения на R2. Предполагая на мгновение, что значение R1 можно изменить вручную, затем напряжение по нагрузке можно вернуть в норму, увеличив значение R1, так как это уменьшит ток через R2 и, следовательно, падение напряжения на нем.И наоборот, при уменьшении тока нагрузки увеличится напряжение на нагрузке. Это можно компенсировать уменьшением значение R1. Через R2 будет больше тока, в результате большее падение напряжения на нем и меньшее напряжение, приложенное к нагрузке.

Все, что необходимо, это заменить переменный шунтирующий резистор R1 на устройство, которое автоматически регулирует свое сопротивление в соответствии с при изменении нагрузки, чтобы поддерживать постоянное напряжение на нагрузке.

Таким устройством является газонаполненная трубка регулятора напряжения. Имеет свойство действует как саморегулирующийся резистор, который автоматически изменяет значение чтобы поддерживать на себе постоянное напряжение.

РИС. 4 показана физическая конструкция газонаполненного регулятора напряжения. трубка. Он состоит всего из двух электродов — катода и анода. В цилиндрический катод окружает анод, который состоит просто из одного провод.Оболочка заполнена аргоном или неоном.

РИС. 4. Газонаполненная трубка регулятора напряжения. (А) Строительство. (Обозначение B1.

РИС. 5. Характеристики газонаполненного регулятора напряжения.

РИС. 5 показаны электрические характеристики газонаполненного напряжения. трубка регулятора. Поскольку напряжение, приложенное к трубке, через ток ограничивающий резистор, увеличивается от нуля до точки A, на трубке появляется напряжение.Причина в том, что трубка не проводит, нет тока, который мог бы вызвать падение напряжения на Это.

Когда напряжение достигает значения, указанного точкой A, трубка внезапно ионизирует или «зажигает». В это время напряжение на трубке падает до точки B. Ток через трубку может продолжать увеличиваться, но напряжение на трубке остается практически постоянным, как указано линией от B до C. Если приложенное напряжение сильно увеличивается, ток через трубку будет продолжать увеличиваться до точки достигается там, где между катодом и пластиной разовьется дуга.

На этом этапе трубка будет серьезно повреждена с безвозвратной потерей. исходных регулирующих характеристик.

РИС. 6 показано, как газовый регулятор напряжения используется на практике. схема. Выход от блока питания подается на регулятор. трубку (трубку v-r) через токоограничивающий резистор R 1. Величина этого резистор выбран, чтобы ограничить ток через трубку v-r до его рекомендуемое значение. Регулируемое напряжение снимается с анода v-r трубка и заземление.

РИС. 6. Практическая схема регулятора напряжения.

Большинство коммерческих ламп для регуляторов напряжения предназначены для обеспечения регулируемого напряжение от 75 до 150 вольт, в зависимости от конкретной трубки тип. Например, YR-75 обеспечит стабилизированное напряжение 75 вольт, YR-105 будет подавать 105 вольт и т.д. работать в диапазоне токов от 5 до 40 мА.

Ранее отмечалось, что требуется ограничивающий ток резистор. между выходом источника питания и трубкой v-r, чтобы ограничить ток через трубку до номинального значения.Номинал этого резистора будет зависеть от выходного напряжения блока питания, номинального напряжения трубки v-r и ее текущий рейтинг. Его легко определить по следующей формуле: где,

R — номинал последовательного резистора, Es — выходное напряжение. источника питания, ET — падение напряжения на трубке v-r, I — ток холостого хода через трубку. Это значение обычно составляет 40 мА для лампы типа YR-75, YR-90, VR-105, YR-150, OA2, OB2, OC2 и т. д.

СЕРИЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОВЫХ ТРУБ V-R

Возможно последовательное соединение двух или более трубок v-r для получить более высокое значение регулируемого напряжения. ИНЖИР. 7 показаны V-образные трубки, расположенные таким образом. Регулируемое выходное напряжение теперь является суммой индивидуальных рейтинги. Таким образом, значение регулируемого напряжения на рис. 7 А составляет 75 + 150, или 225 вольт. На фиг. 7В, регулируемое напряжение 105 + 75 + 150, или 330 вольт.

При определении номинала резистора последовательного понижения соединенных трубок v-r, применяется та же формула, что и в случае одиночного трубки, за исключением того, что используется сумма индивидуальных рейтингов v-r трубки для ET в формуле.

РИС. 7 также показано, как отдельные выходные напряжения могут быть получены из последовательно соединенные трубки v-r. В этой схеме желаемое напряжение снимается с места соединения трубок v-r.

РИС.7. Последовательно соединенные трубки регулятора напряжения. (A) Два последовательно. (В) Три подряд.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Следующие схемы иллюстрируют практическое применение газонаполненных элементы регулятора. Когда эти цепи подключены к выходу нерегулируемый источник питания, они обеспечат стабилизацию напряжения приблизительно два процента.

РИС. 8. Простая схема регулятора напряжения.

РИС. 9. Инвертированный регулятор напряжения.

РИС. 8 показан простой газовый регулятор напряжения, полезный в таких приложениях. как обеспечение стабильного напряжения для гетеродина в системе связи приемник или для экранных сеток выходных ламп в Hi-Fi аудио усилитель звука.

Как показано на фиг. 8, схема состоит просто из газонаполненного регулятора напряжения. лампу VI и последовательно понижающий резистор R1. Величина регулируемой мощности напряжение будет зависеть от выбора трубки регулятора.Для регулируемого выходное напряжение 75 вольт, используйте OA3 / VR-75 или OC2, если хотите. лучше использовать миниатюрную трубку. Для регулируемого выхода 90 вольт используйте OB3 / VR-90. Для 105 вольт можно использовать OC3 / VR 105. Для вывода 150 вольт, используйте OD3 / VR150 или его миниатюрный аналог, OA2.

Значение последовательного резистора не указано, так как оно зависит от выходное напряжение источника питания, с которым должен работать этот регулятор. использовал.Правильное значение последовательно падающего резистора можно легко рассчитать. по формуле:

R = Es — ET I

где,

R — номинал последовательно падающего резистора, Es — нерегулируемый выходное напряжение источника питания, ET — номинальное рабочее напряжение трубки v-r, I — это ток холостого хода лампы v-r.

Если требуется отрицательное регулируемое выходное напряжение, например, источник отрицательного смещения — схема на фиг.8 можно «перевернуть», так как показанный на фиг. 9.

Из-за своей простоты эту схему можно легко спрятать в сбоку от существующего оборудования.

---

См. Также:

Как построить электротехнику и электронику Проекты

Основы электричества и электроники с проектами

.