Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Для работы электронной аппаратуры необходимо напряжение, обладающие точно заданными характеристиками. Но в промышленной сети напряжение постоянно меняется. Его уровень зависит от подключенных в систему предприятий, зданий и оборудования. Функционирование любого прибора напрямую зависит от напряжения, колебания данного параметра влияют на качество работы, например, при перепадах приемник может начать хрипеть или гудеть. Для того чтобы решить данную проблему, используют стабилизаторы на транзисторе.

Стабилизатор импульсного типа

Принцип работы стабилизатора

Одна часть этого оборудования отвечает за сравнение с эталонным значением, а другая – управляет параметрами. Если входящий параметр оказывается больше требуемого показателя, то система снижает его. Если же значение меньше, то характеристики повышаются. По этой же схеме регулируется вода в кране: когда поток меньше, чем надо, вентиль закручивается и наоборот.

Принцип стабилизации применяется на самом разном оборудовании, начиная от утюгов и заканчивая космической отраслью. Разница заключается только в технологии контроля и управления показателями.

Важно! Согласно существующему ГОСТу, напряжение в сети может изменяться в пределах до 5%, а в реальных условиях и 10% от указанного значения. Для качественного функционирования оборудования этот показатель не может превышать 0,1%.

Самая простая схема стабилизатора напряжения содержит всего лишь 2 элемента:

  1. источник опорного напряжения – стабилитрон VD1;
  2. балластный резистор R1.

Стабилитроном называют диод, который при определенных значениях напряжения стабилизации (обратно приложенного) начинает пропускать ток в обратном направлении. Если напряжение растет, при уменьшении внутреннего сопротивления стабилитрон продолжает удерживать напряжение в заданном значении. Принцип работы можно увидеть на схеме стабилизатора напряжения.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Схема и график работы стабилизатора

Если обратное напряжение растет, то стабилитрон оказывает сопротивление, а, значит, ток на выходе минимален. При достижении заданного параметра ток начинает расти. Затем, доходя до точки 1 на вольтамперной характеристике, напряжение перестает расти, несмотря на повышение показателей тока. На p-n переходе напряжение увеличивается только на резисторе, стабилитрон работает в заданном режиме. Конечно, любой стабилитрон может удерживать напряжение только в заданном значении, и после повышения показателей до точки 2 элемент может начать греться и выйти из строя. Расстояние между точками 1 и 2 называется рабочим участком.

Такой простой метод стабилизации подходит только для сетей, в которых применяют малые токи. Для того чтобы повысить нагрузочную способность, применяется эмиттерный повторитель в виде биполярного транзистора. Данный элемент повторяет приложенное напряжение. За счет этого нагрузка может быть на порядок больше. Можно использовать схему из нескольких транзисторов, тогда нагрузка еще сильнее увеличится.

При создании таких схем важно учесть, что из-за падения на участке p-n перехода выходное напряжение уменьшится. Поэтому необходимо выбирать стабилитрон с учетом потерь на переходах на транзисторах. На рисунке в схеме с двумя транзисторами также можно увидеть еще один резистор. Его используют для ликвидации реактивной составляющей второго транзистора.

Два простых стабилизатора

Принципы расчета характеристик

Основными показателями стабилизатора являются максимальное выходное напряжение Uвых, минимальное выходное напряжение Uвых1 и максимальный ток Imax. Допустим, что эти величины составляют 14 Вольт, 1,5 Вольта и 1 Ампер, соответственно. Вычисляем входное напряжение по формуле:

Uвх=Uвых+ 3, где 3 – это коэффициент падения напряжение на переходе коллектор – эмиттер.

Обратите внимание! Паспортные параметры транзистора должны обеспечивать функционирование в полуоткрытом режиме и выдерживать разницу напряжений, возникающую между выходным напряжением и выходными данными.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Далее следует рассчитать максимальную мощность Pmax, которую будет рассеивать транзистор:

  • Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax=1.3(17-14)=3.9 Вт;
  • Pmax=1.3(Uвх-Uвых1)Imax=1.3(17-1.5)=20,15 Вт.

Как видно, большее значение получается при расчете для минимального входного напряжения, и эта величина будет правильной, для того чтобы подобрать транзистор по справочнику. У нас это будет КТ817.

Важно! Значение напряжение должно быть больше входного значения, а ток – больше заданного максимального значения. Иначе элемент будет работать на пределе возможностей и быстро выйдет из строя.

Схема на полевом транзисторе

Теперь нужно учесть Iб max – ток базы самого транзистора:

Iб max=Imax/h31Э min, где h31Э min – коэффициент передачи тока (в нашем случае эта величина равна 25).

Iб max=1/25=0.04 А.

Зная эти показатели, можно определить характеристики стабилизатора напряжения на транзисторе. Стабилизированное напряжение равно 14 вольтам, а ток по формуле – 0.04 А. По этим показателям подходит Д814Д, но в этом случае ток базы будет составлять 0,005 А, то есть надо понизить выходные значение. Для этого используется второй транзистор (КТ315). За счет его использования нагрузка уменьшится на величину максимального коэффициента передачи тока второго транзистора (у нас h31Э=30). Таким образом, ток будет составлять 0,04/30=0,00133 мА.

Теперь определим показатели для Rб – балластного резистора:

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)=(17-14)/(0,00133+0,005) = 474 Ом, где:

  • Iст min – ток стабилизации;
  • Uст – напряжение стабилизации стабилитрона.

Затем считаем балластную мощность:

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб=(17-14)2/473=0,02 Вт.

Параметры дополнительного резистора рассчитывают редко, при выборе этой детали нужно учесть только одно, что его значение тока должно быть меньше максимально нагрузочного. У нас используется резистор с сопротивлением в 1 Ом.

Компенсационные стабилизаторы

Рассмотренные выше схемы представляют собой параметрические стабилизаторы, то есть устройства, работающие на стабилитроне.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Более точными считаются компенсационные схемы, где присутствует обратная связь, и уже стабилизирующую составляющую сравнивают с эталонными значениями. Основным преимуществом таких устройств является точное выходное напряжение, на которое практически не оказывает влияния ток нагрузки, тогда, как у параметрических систем именно нагрузка влияет на всю работу транзисторного стабилизатора.

Схема стабилизатора компенсационного типа может быть последовательной и параллельной. В первом варианте регулирующими элементами обычно являются транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа

На схеме:

  • Р – регулирующий элемент;
  • И – источник опорного (эталонного) напряжения;
  • ЭС – элемент сравнения;
  • У – усилитель постоянного тока.

Выходное напряжение для последовательного стабилизатора определяется по вышеуказанной формуле, где R4’ и R4’’, соответственно, верхняя и нижняя величина резистора R4. Транзистор VT1 выполняет роль регулирующего элемента, а VT2 стабилизирует, то есть сравнивает и при необходимости усиливает показатели. Источником опорного напряжения является стабилитрон VD1. Между базой и эмиттером VT2 напряжение определяется как разность UОП и UРЕГ. Если на нагрузке идет рост напряжения, то UРЕГ увеличивает и эмиттерные, и коллекторные токи VT2. Далее по схеме коллекторный ток идет на резистор R1, что вызывает падание напряжения. Это напряжение обратно по полярности для эмиттерной части VT1, поэтому коллекторные и эмиттерные токи данного транзистора падают, а номинальное напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для плавной регулировки на выходной цепи стабилизатора используется делитель напряжения, состоящий из R3, R4, R5. Ступенчатое регулирование происходит с помощью опорного напряжения стабилитрона.

Типовая схема компенсационного стабилизатора параллельного типа

В компенсационном стабилизаторе напряжения параллельного типа при возникновении отклонения значения от номинального появляется сигнал рассогласования, который составляет разницу между опорным и выходным напряжением.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Далее этот сигнал усиливается на регулирующей части, которая стоит параллельно нагрузке. За счет этого ток на регулирующем элементе изменяется, напряжение на резисторе R1 падает, а на выходе сохраняются постоянные показатели:

U1=U0–IBXR1=const.

Важно! КПД стабилизаторов параллельного типа небольшое, поэтому подобные схемы используются довольно редко.

Импульсные стабилизаторы

Кроме компенсационных и параметрических стабилизаторов, существуют импульсные схемы, в которых коэффициент полезного действия самый большой, даже если диапазон входных напряжений достаточно большой. Работа этих устройств основана на том, что регулирующий элемент отключается и выключается в импульсном режиме. Общая схема стабилизатора состоит из ключа, накопителя энергии и цепи управления. Накопитель и ключ вместе представляют силовую часть, вместе с цепью они составляют контур регулирования.

Импульсный стабилизатор напряжения можно собрать на основе 3 транзисторов. При этом VT1, VT2 составляют ключевой регулирующий элемент, а VT3 необходим для усиления сигнала рассогласования.

Схема импульсного стабилизатора

Алгоритм работы следующий:

  1. С коллектора VT2 через конденсатор С2 на базу VT1 поступает напряжение положительной обратной связи;
  2. VT2 при насыщении током от резистора R2 открывается;
  3. На коллекторно-эмиттерном переходе при насыщенном VT1 меньше, чем напряжение для открывания VT2, значит, когда VT1 открыт, VT2 закрытый;
  4. Усилитель на VT3 через эмиттер подключен к стабилитрону VD2, а база – к делителю выходного напряжения R5, R6, R7;
  5. Таким образом, VT1 управляет закрыванием и открыванием VT2 по сигналу от VT3;
  6. Когда VT2 открыт, происходит накопление энергии в дросселе, после закрывания энергия идет в нагрузку.

Каждая из представленных схем позволит собрать простейшей вариант стабилизаторов.

Видео

Оцените статью:

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.

Схема регулируемого стабилизатора

Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и  припаял его к плате с помощью проводков.

Входное напряжение для этой схемы может быть от 6 и до 50 вольт. На выходе же получаем 3-27V с возможностью регулирования подстрочным резистором 33k. Выходной ток довольно большой, до 10 Ампер, в зависимости от радиатора.

Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.

Мощность, которую сможет рассеять такой стабилизатор напряжения не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2).Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.

Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.

Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.

Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).

Стабильность неплоха и напряжение изменяется только на доли вольта на протяжении длительного времени. Готовая платка получилась компактна и удобна. Так как я планирую длительное время использовать это устройство для защиты дорожек окрасил всё дно платы зеленым цапонлаком. Автор материала — Егор.

   Форум по БП

   Форум по обсуждению материала СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Стабилизаторы напряжения на транзисторах: схема на стабилитроне

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации.

Параметрический стабилизатор

Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.

Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой.

Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением.

При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Компенсационный стабилизатор

Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность подключать питание прибора с током, который не превышает наибольшего тока стабилитрона. Вследствие этого используют приборы, стабилизирующие напряжение, и получившие название компенсационных. Они состоят из двух видов: параллельные и последовательные.

Называется прибор по методу подключения элементу регулировки. Обычно используются компенсационные стабилизаторы, относящиеся к последовательному виду. Его схема:

Элементом регулировки выступает транзистор, соединенный последовательно с нагрузкой. Напряжение выхода равняется разности значения стабилитрона и эмиттера, которое составляет несколько долей вольта, поэтому считается, что выходное напряжение равно стабилизирующему напряжению.

Рассмотренные приборы обоих типов имеют недостатки: невозможно получить точную величину напряжения выхода и производить регулировку во время работы. Если нужно создать возможность регулирования, то стабилизатор компенсационного вида изготавливают по схеме:

В этом приборе регулировка осуществляется транзистором. Основное напряжение выдает стабилитрон. Если напряжение выхода повышается, база транзистора получается отрицательной в отличие от эмиттера, транзистор откроется на большую величину и ток возрастет.

Вследствие этого, напряжение отрицательного значения на коллекторе станет ниже, так же как и на транзисторе. Второй транзистор закроется, его сопротивление повысится, напряжение выводов повысится.

Это приводит к снижению напряжения выхода и возвращению к бывшему значению.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

При снижении напряжения выхода проходят подобные процессы. Отрегулировать точное напряжение выхода можно резистором настройки.

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

  • 1 – источник напряжения;
  • 2 – Элемент регулировки;
  • 3 – усилитель;
  • 4 – источник основного напряжения;
  • 5 – определитель напряжения выхода;
  • 6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке.

Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры.

При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

  • 1 – источник напряжения;
  • 2 –элемент регулирующий;
  • 3 – усилитель;
  • 4 – источник основного напряжения;
  • 5 – измерительный элемент;
  • 6 – сопротивление нагрузки.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

  1. U вх – необработанное напряжение входа;
  2. U вых –напряжение выхода.

Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора.

Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2.

Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Стабилизаторы на транзисторах

На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.

На выходе прибора получают 12 вольт, на напряжение выхода зависит прямо от напряжения стабилитрона. Наибольший допустимый ток 1 ампер.

При применении транзистора 2N 3055 наибольший допускаемый ток выхода можно повысить до 2 ампер. На 2-м рисунке схема стабилизатора на транзисторе 2N 3055, напряжение выхода, как и на рисунке 1 зависит от напряжения стабилитрона.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

  • 6 В — напряжение выхода, R1=330, VD=6,6 вольт
  • 7,5 В — напряжение выхода, R1=270, VD = 8,2 вольт
  • 9 В — напряжение выхода, R1=180, Vd=10

На 3-м рисунке – адаптер для автомобиля – аккумуляторное напряжение в автомобиле равно 12 В. Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

Схема включения стабилизаторов напряжения

(3

Источник: http://ostabilizatore.ru/shemy-prostyh-stabilizatorov-naprjazhenija.html

Стабилизатор тока: схема, регулируемый, импульсный, конструкция и назначение

Яркость светодиодных источников зависит от протекающего тока, а он в свою очередь – от напряжения питания. В условиях колебания нагрузки возникает пульсация светильников. Для ее предотвращения используется специальный драйвер – стабилизатор тока. При поломках элемент можно сделать самостоятельно.

Конструкция и принцип работы

Стабилизатор обеспечивает постоянство тока при его отклонении

Стабилизатор обеспечивает постоянство показателей рабочего тока LED-диодов при его отклонении от нормы. Он предотвращает перегрев и выгорание светодиодов, поддерживает постоянство потока при перепадах напряжения или разрядке АКБ.

Простейшее устройство состоит из трансформатора, выпрямительного моста, соединенного с резисторами и конденсаторами. Действие стабилизатора основывается на следующих принципах:

  • подача тока на трансформатор и изменение его предельной частоты до частоты электросети – 50 Гц;
  • регулировка напряжения на повышение и понижение с последующим выравниванием частоты до 30 Гц.

В процессе преобразования также задействуются выпрямители высоковольтного типа. Они определяют полярность. Стабилизация электрического тока осуществляется при помощи конденсаторов. Для снижения помех применяются резисторы.

Разновидности токовых стабилизаторов

Светодиод загорается при достижении порогового значения тока. Для маломощных устройств этот показатель равняется 20 мА, для сверхъярких – от 350 мА.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Разброс порогового напряжения объясняет наличие различных видов стабилизаторов.

Резисторные стабилизаторы

Для регулируемого стабилизатора параметров тока для маломощных светодиодов применяется схема КРЕН. Она предусматривает наличие элементов КР142ЕН12 либо LM317. Процесс выравнивания осуществляется при силе тока 1,5 А и напряжении на входе 40 В. В условиях нормального теплового режима резисторы рассеивают мощность до 10 т. Собственное энергопотребление составляет около 8 мА.

Узел LM317 удерживает на главном резисторе постоянную величину напряжения, регулируемую подстроечным элементом. Основной, или токораздающий элемент может стабилизировать ток, пропущенный через него. По этой причине стабилизаторы на КРЕН применяются для зарядки аккумуляторов.

Величина в 8 мА не изменяется даже при колебаниях тока и напряжения на входе.

Транзисторные устройства

Схема транзисторного стабилизатора напряжения

Регулятор на транзисторах предусматривает использование одного или двух элементов. Несмотря на простоту схемы при колебаниях напряжения не всегда бывает стабильный ток нагрузки. При его увеличении на одном транзисторе повышается напряжение резистора до 0,5-0,6 В. после этого начинает работать второй транзистор. В момент его открытия первый элемент закрывается, а сила и величина тока, проходящие через него, понижается.

Второй транзистор должен быть биполярным.

Две схемы для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2

Для реализации схемы с заменой стабилитронов на диоды применяются:

  • диоды VD1 и VD2;
  • резистор R1;
  • резистор R2.

Подача тока через светодиодный элемент задается резистором R2. Для выхода на линейный участок ВАХ-диодов с привязкой к току базового транзистора используется резистор R1. Чтобы транзистор сохранял устойчивость, напряжение питания не должно быть меньше суммарного напряжения диодов + 2-2,5 В.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Для получения тока 30 мА через 3 последовательно подключенных диода с напряжением 3,1 В по прямой производится запитка 12 В. Резисторное сопротивление должно равняться 20 Ом при мощности рассеивания 18 мВт.

Схема нормализует режим работы элементов, снижает токовые пульсации.

Схема с советскими транзисторами. Допустимое напряжение советских КТ940 или КТ969 – до 300 В, что подходит, если источник света – мощный SMD-элемент. Параметры тока задаются резистором. Напряжение стабилитрона составляет при этом 5,1 В, а мощность – 0,5 В.

Минус схемы – падение напряжения при повышении силы тока. Его можно устранить, заменив биполярный транзистор на MOSFET с низкими параметрами сопротивления. Мощный диод заменяется элементом IRF7210 на 12 А или IRLML6402 на 3,7 А.

Стабилизаторы тока на полевике

Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Полевой элемент отличается закороченным истоком и затвором, а также встроенным каналом. При использовании полевика (IRLZ 24) с 3-мя выводами на вход подается напряжение 50 В, на выходе получается 15,7 В.

Для подачи напряжения задействуется потенциал заземления. Параметры тока на выходе зависят от начального тока стока, и не привязываются к истоку.

Линейные устройства

Стабилизатор, или делитель постоянного показателя тока принимает нестабильное напряжение. На выходе линейный прибор его выравнивает. Он функционирует по принципу постоянного изменения параметров сопротивления для выравнивания питания на выходе.

К преимуществам эксплуатации относятся минимальное число деталей, отсутствие помех. Недостатком является малый КПД при разнице питания на входе и выходе.

Феррорезонансное устройство

Стабилизатор для переменного тока устаревшей модели, схема которого представлена конденсатором и двумя катушками – с ненасыщенным и насыщенным сердечником. К насыщенному (индуктивному) сердечнику подается напряжение постоянного типа, не зависимое от параметров тока.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Это облегчает подбор данных для второй катушки и емкостный диапазон стабилизации питания.

Устройство работает по принципу качелей, которые сразу сложно остановить или раскачать сильнее. Подача напряжения происходит по инерции, поэтому возможны падения нагрузки или разрыв цепи питания.

Особенности схемы токового зеркала

Классическая схема токового зеркала

Токовое зеркало, или отражатель выстраивается на паре транзисторов согласованного типа, т.е. с одинаковыми параметрами. Для их производства используется один светодиодный кристалл полупроводника.

Схема токового зеркала по уравнению Эберса-Молла. Принцип работы заключается в том, что транзисторные базы объединяются, а эмиттеры подкидываются на одну шину питания. В итоге параметры переходного напряжения сцепки «база – транзистор-эмиттер» равны.

Преимущества схемы заключаются в равном диапазоне устойчивости и отсутствии падения напряжение на резисторе-эмиттере. Параметры легче задаются при помощи тока. Недостаток заключается в эффекте Эрли – привязке напряжения на выходе к коллекторному и его колебания.

Схема токового зеркала Уилсона. Токовое зеркало может стабилизировать постоянную величину выходного тока и реализуется так:

  1. Транзисторы № 1 и № 1 включены по принципу стандартного токового зеркала.
  2. Транзистор № 3 фиксирует потенциал коллектора элемента № 1 на удвоенный параметр падения диодного напряжения.
  3. Оно будет меньше, чем напряжение питания, что подавляет эффект Эрли.
  4. Коллектор транзистора № 1 задействуется для установления режима схемы.
  5. Ток на выходе зависит от транзистора № 2.
  6. Транзистор № 3 трансформирует выходной ток в нагрузку с переменным напряжением.

Транзистор № 3 можно не согласовывать с остальными.

Стабилизатор компенсационного напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения

Выпрямитель работает по принципу обратной связи цепи для напряжения. Полное или частичное напряжение приравнивает к опоре.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона В результате стабилизатор генерирует параметры напряжения ошибки, устраняя колебания яркости для светодиодов. Прибор состоит из следующих элементов:

  • Регулирующий элемент или транзистор, который совместно с сопротивлением нагрузки образует делитель напряжения. Эмиттерный показатель транзистора должен превышать ток нагрузки в 1,2 раза.
  • Усилитель – управляет РЭ, выполняется на базе транзистора №2. Маломощный элемент согласуется с мощным по составному принципу.
  • Источник напряжения опоры – в схеме задействуется стабилизатор параметрического типа. Он выравнивает напряжение стабилитрона и резистора.
  • Дополнительные источники.
  • Конденсаторы – для сглаживания пульсаций, устранения паразитного возбуждения.

Стабилизаторы компенсационного напряжения работают по принципу увеличения входного напряжения с дальнейшим возрастанием токов. Закрытие первого транзистора увеличивает сопротивление и напряжение зоны коллектор-эмиттер. После подачи нагрузки оно выравнивается до номинала.

Устройства на микросхемах

Для стабилизующих приборов применяется микросхема 142ЕН5 или LМ317. Она позволяет выровнять напряжение, принимая по цепи обратной связи сигнал от датчика, подключенного к сети тока нагрузки.

В качестве датчика задействует сопротивление, при котором регулятор может поддерживать постоянное напряжение и ток нагрузки. Сопротивление датчика будет меньше сопротивления по нагрузке. Схему задействуют для зарядных устройств, по ней же проектируется ЛЕД-лампа.

Импульсные стабилизаторы

Импульсный прибор отличается высоким КПД и при минимальных параметрах входного напряжения создают высокое напряжение потребителей. Для сборки используется микросхема МАХ 771.

Регулировать силу тока будут один или два преобразователя. Делитель выпрямительного типа выравнивает магнитное поле, понижая допустимую частоту напряжения. Для подачи тока на обмотку светодиодный элемент передает сигнал транзисторам.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Стабилизация на выходе осуществляется посредством вторичной обмотки.

Как сделать стабилизатор тока для светодиодов самостоятельно

Изготовление стабилизатора для светодиодов своими руками осуществляется несколькими способами. Новичку целесообразно работать с простыми схемами.

На основе драйверов

Понадобится выбрать микросхему, которую трудно выжечь – LM317. Она будет выполнять роль стабилизатора. Второй элемент – переменный резистор с сопротивлением в 0,5 кОм с тремя выводами и ручкой регулировки.

Сборка осуществляется по следующему алгоритму:

  1. Припаять проводники к среднему и крайнему выводу резистора.
  2. Перевести мультиметр в режим сопротивления.
  3. Замерить параметры резистора – они должны равняться 500 Ом.
  4. Проверить соединения на целостность и собрать цепь.

На выходе получится модуль с мощностью 1,5 А. Для увеличения тока до 10 А можно добавить полевик.

Стабилизатор для автомобильной подсветки

Для работы потребуется линейный прибор в виде микросхемы L7812, две клеммы, конденсатор 100n (1-2 шт.), текстолитовый материал и трубка с термоусадкой. Изготовление производится пошагово:

  1. Выбор схемы под L7805 из даташита.
  2. Вырезать из текстолита нужный по размеру кусок.
  3. Наметить дорожки, делая насечки отверткой.
  4. Припаять элементы так, чтобы вход был слева, а выход – справа.
  5. Сделать корпус из термотрубки.

Стабилизирующее устройство выдерживает до 1,5 А нагрузки, монтируется на радиатор.

В качестве радиатора задействуется кузов машины за счет соединения центрального вывода корпуса с минусом.

Нюансы расчета стабилизатора тока

Расчет стабилизатора производится на основании напряжения стабилизации U и тока (среднего) I. К примеру, напряжение входного делителя составляет 25 В, на выходе нужно получить 9 В. Вычисления предусматривают:

  1. Подбор по справочнику стабилитрона. Ориентируются на напряжение стабилизации: Д814В.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона
  2. Поиск среднего тока I по таблице. Он равен 5 мА.
  3. Вычисление подающего напряжения как разности стабильного напряжения входа и выхода: UR1 = Uвx — Uвых, или 25-9=16 В.
  4. Деление полученного значение по закону Ома на ток стабилизации по формуле R1 = UR1 / Iст, или 16/0,005=3200 Ом, или 3,2 кОм. Номинал элемента будет 3,3 кОм.
  5. Вычисление максимальной мощности по формуле РR1 = UR1 * Iст, или 16х0,005=0,08.

Через резистор проходит ток стабилитрона и выходной, поэтому его мощность должна быть в 2 раза больше (0,16 кВт). На основании таблицы данному номиналу соответствует 0,25 кВт.

Самостоятельная сборка стабилизатора для светодиодных устройств возможна только при знании схемы. Начинающим мастерам рекомендовано использовать простые алгоритмы. Рассчитать элемент по мощности можно на основании формул из школьного курса физики.

Источник: https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/kak-sdelat-stabilizatory-toka-dlya-svetodiodov-svoimi-rukami/

Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.

Схема регулируемого стабилизатора

Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и  припаял его к плате с помощью проводков.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Входное напряжение для этой схемы может быть от 6 и до 50 вольт. На выходе же получаем 3-27V с возможностью регулирования подстрочным резистором 33k. Выходной ток довольно большой, до 10 Ампер, в зависимости от радиатора.

Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.

Мощность, которую сможет рассеять такой стабилизатор напряжения не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2). Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.

Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.

Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.

Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).

Стабильность неплоха и напряжение изменяется только на доли вольта на протяжении длительного времени. Готовая платка получилась компактна и удобна. Так как я планирую длительное время использовать это устройство для защиты дорожек окрасил всё дно платы зеленым цапонлаком. Автор материала — Егор.

   Форум по БП

   Обсудить статью Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Источник: https://radioskot.ru/publ/bp/stabilizator_naprjazhenija_na_polevom_tranzistore/7-1-0-1012

Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе

Итак, справа изображена схема простейшего транзисторного стабилизатора напряжения.

Обозначения:

  1. Iк — коллекторный ток транзистора
  2. Iн — ток нагрузки
  3. Iб — ток базы транзистора
  4. IR — ток через балластный резистор
  5. Uвх — входное напряжение
  6. Uвых — выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)
  7. Uст — падение напряжения на стабилитроне
  8. Uбэ — падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора

Как такой стабилизатор работает и чем его работа отличается от работы параметрического стабилизатора на стабилитроне? Да почти ничем их работа не отличается, — напряжение на выходе схемы остаётся стабильным в результате наличия на вольт-амперных характеристиках (стабилитрона и p-n перехода база-эмиттер транзистора) участков, на которых падение напряжения слабо зависит от тока.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона То есть как и у всех параметрических стабилизаторов стабильность достигается внутренними свойствами компонентов.

Действительно, как видно из рисунка, падение напряжения на нагрузке равно разности падений напряжений на стабилитроне и на p-n переходе БЭ транзистора.

Поскольку падение напряжения на стабилитроне слабо зависит от тока (на рабочем участке оно равно напряжению стабилизации), падение напряжения на прямосмещённом p-n переходе тоже слабо зависит от тока (для кремниевого транзистора его можно взять примерно таким же, как для обычного кремниевого диода — примерно 0,6 Вольт), то получается, что и выходное напряжение тоже постоянно.

Теперь добавим немного математики.

С напряжением на нагрузке (выходным напряжением) уже всё понятно: Uвых=Uст-Uбэ, давайте рассчитаем R0 и область нормальной работы стабилизатора. Но прежде нарисуем рядом два рисуночка — кусок схемы нашего стабилизатора и кусок простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне:

Похоже, не правда ли? Более того, рассуждения и выводимые из них соотношения для расчёта R0 и области нормальной работы тоже очень похожи.

  • Уравнение, описывающее токи и напряжения для выдранного выше куска схемы нашего стабилизатора:
  • Uвх=Uст+IRR0, учитывая что IR=Iст+Iб, получим
  • Uвх=Uст+(Iст+Iб)R0   (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на стабилитроне всегда было в пределах от Uст min до Uст max) необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от Iст min до Iст max. Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе базы транзистора. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора:

  1. R0=(Uвх min-Uст min)/(Iб max+Iст min)   (2)
  2. Если учесть, что в нашем случае, когда транзистор включен по схеме с общим коллектором, ток базы связан с током эмиттера соотношением Iэ=Iб(h31Э+1), ток эмиттера равен току нагрузки (потому что в цепь эмиттера же у нас нагрузка включена), а напряжение на стабилитроне в рабочем режиме меняется незначительно (вместо Uст min возьмём просто Uст), то получим, что
  3. R0=(Uвх min-Uст)/(Iн max/(h31Э+1)+Iст min)   (3)
  4. h31Э+1 — это коэффициент усиления по току для схемы с общим коллектором (h31K), но поскольку h31Э обычно достаточно большой, то нередко слагаемое «+1» выкидывают и считают, что h31К=h31Э, тогда формула (3) становится чуть проще:
  5. R0=(Uвх min-Uст)/(Iн max/h31Э+Iст min)
  6. Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе базы транзистора и максимальном входном напряжении.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Учитывая это и сказанное выше относительно минимального тока через стабилитрон, с помощью уравнения (1) можно найти область нормальной работы стабилизатора:

Перегруппировав это выражение, получим:

Или, по другому:

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (Uст min и Uст max) отличаются незначительно (первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю), а также то, что Iн=Iэ=Iбh31Э («+1» — выкинем), тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора, примет следующий вид:

Из этой формулы хорошо видно преимущество такого транзисторного стабилизатора над параметрическим стабилизатором на стабилитроне — при прочих равных параметрах у транзисторного стабилизатора выходной ток может меняться в более широких пределах.

Для примера опять возьмём стабилитрон КС147А (Iст=3..53мА), и прикинем на какой максимальный ток мы сможем рассчитывать при понижении напряжения с 6..10В до 5В при условии, что выходной ток может меняться от нуля до Imax. Транзистор возьмём КТ815А (h31Э=40). Решив совместно систему уравнений (3), (4), получим R0 около 110 Ом и максимальный ток порядка 550 мА.

Однако стоит заметить, что нестабильность выходного напряжения в данном случае будет ещё хуже, поскольку теперь к нестабильности напряжения на стабилитроне добавится ещё нестабильность падения напряжения на p-n переходе транзистора.

Плюс мы ещё не учли, что выходное напряжение будет меньше, чем на стабилитроне на величину падения напряжения на p-n переходе, так что по хорошему нам бы надо было взять стабилитрон не на 4,7В, а на 5,1 или даже на 5,6 Вольт (я специально взял для примера такой же стабилитрон, как и в статье про параметрический стабилизатор на стабилитроне, чтобы нагляднее было видно насколько при одном и том же стабилитроне будет отличаться ток нагрузки).

Собственно, методы борьбы с нестабильностью здесь совершенно аналогичные — нужно как-то уменьшить нестабильность напряжения на стабилитроне.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Для этого можно, как и в прошлый раз, взять более узкий рабочий участок ВАХ стабилитрона.

Это естественно, также приведёт к сужению области нормальной работы (потому что диапазон изменения рабочего тока стабилитрона уменьшится), но в данном случае, когда область нормальной работы и так шире, чем у параметрического стабилизатора на стабилитроне (примерно в h31Э раз), мы вполне можем себе позволить отказаться от части диапазона выходного тока и/или части диапазона входного напряжения ради увеличения стабильности выходного напряжения.

Ещё больше увеличить область нормальной работы можно, если использовать два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи (рисунок слева). В этом случае h31Э будет гораздо больше.

Ну и самый писк — сделать компенсационный стабилизатор напряжения на операционном усилителе, поскольку коэффициент усиления ОУ не просто больше, а значительно, гораздо, во много — много раз больше, чем у любого транзистора (соответственно, мы сможем в ещё более узком диапазоне менять ток через стабилитрон, получим ещё меньшее изменение напряжения на нём и, как следствие, — ещё более стабильное выходное напряжение).

Есть другой вариант — можно вместо обычного стабилитрона взять интегральный стабилитрон, например, TL431. В этом случае, кроме значительно меньшей нестабильности, получим ещё и возможность регулирования выходного напряжения.

На закуску скажу, что лёгким движением руки такой стабилизатор напряжения можно превратить в стабилизатор тока (нужно просто стабилизировать напряжение не на нагрузке, а на специальном токоизмерительном резисторе).

Источник: https://radiohlam.ru/prtrstab/

Простой мощный параллельный стабилизатор на транзисторах

В предлагаемой статье описываются принципы работы параллельного стабилизатора, и рассматривается возможность его применения для стабилизации питания мощных высококачественных усилителей НЧ. Приведена также схема полного источника питания с параллельным стабилизатором.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Среди радиолюбителей, а также в промышленных аудиоустройствах высокого качества широко используются параллельные стабилизаторы. В этих устройствах стабилизирующий элемент подключается параллельно нагрузке, что хорошо отражается на таком параметре стабилизатора, как его быстродействие. Фактически быстродействие стабилизатора определяется быстродействием стабилизирующего элемента.

Также к достоинствам параллельных стабилизаторов стоит отнести тот факт, что независимо от тока, потребляемого от стабилизатора, ток, потребляемый им самим от источника питания, остается неизменным.

Этот факт положительно отражается на уровне излучаемых БП в целом помех (за счет того, что девиации тока потребления не протекают через трансформатор и выпрямительный мост), хотя и служит причиной их низкого КПД.

Рассмотрим вышеизложенное на примере простейшего параллельного стабилизатора – параметрическом стабилизаторе на стабилитроне (рис.1.)

Резистор R0 задает суммарный ток, который будет течь через стабилитрон и подключенную, параллельно ему нагрузку.

Легко видеть, что при изменении тока нагрузки, ток через резистор R0 останется постоянным, изменится лишь ток, текущий через стабилитрон D1. Так будет происходить, пока будет выполняться условие (1):IНR0-Iст.мин.

  (1)
где IН — ток нагрузки,
IR0 — ток через R0,
Iст.мин. – минимальный ток стабилизации стабилитрона D1

Быстродействие данного стабилизатора будет определяться в основном скоростью изменением величины барьерной емкости стабилитрона [1], а также временем заряда-разряда конденсатора  С1.

Однако у подобных стабилизаторов есть и недостатки – в частности для получения более-менее приличного коэффициента стабилизации (>100), через стабилитрон должен течь ток, соизмеримый с током нагрузки.

Это обстоятельство, с учетом того, что подавляющее количество стабилитронов рассчитано на ток до 100 мА, затрудняет использование параметрических стабилизаторов в мощных устройствах.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Чтобы обойти это препятствие, параллельно стабилизатору ставят мощный активный элемент, например MOSFET транзистор, как показано на рисунке 2.

В этой схеме стабилитрон лишь задает стабильное напряжение на затворе транзистора Q1, через цепь сток-исток которого и течет основной ток. Стабилитрон VD3 предохраняет Q1 от пробоя ввиду высоковольтности данной реализации. Подробнее о работе этой схемы можно прочитать в [2].

Схема, приведенная на рисунке один способна работать с большими токами (ограничивается предельными характеристиками примененного мосфета), но выделяет большую мощность и имеет низкий КПД(менее 30% – если падение на резисторе R1 сравнительно велико, ток через мосфет сравним с током через нагрузку, величины входного и выходного напряжений не превышают 100 В), что в мощных приложениях является серьезным недостатком.

Но ток текущий через мосфет, можно заметно снизить без ущерба для коэффициента стабилизации, если устранить источник нестабильности в данной схеме. Остановимся на нем подробнее.

При изменении напряжения на входе стабилизатора изменяется ток, текущий через резистор R1, это изменение можно снизить увеличением номинала этого резистора, но это, в свою очередь потребует увеличение падения напряжения на этом резисторе, а следовательно снизит КПД.

Оптимальным решением, на мой взгляд является замена этого резистора на источник тока, на котором падение напряжение можно будет установить равное сумме девиации входного напряжения+2-3 вольта для нормально работы активного элемента источника тока.

С учетом этих дополнений была разработана схема источника питания с параллельным стабилизатором, представленная на рисунке 3.

Функцию токозадающего резистора здесь выполняет источник тока на транзисторе Q1. Для снижения нестабильности выдаваемого им тока, он запитан от другого источника тока меньшей мощности, который в свою очередь запитан через RCR фильтр для снижения пульсаций.

Резистором R7 можно грубо регулировать рабочий ток стабилизатора, резистором R4 плавно.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Резистором R8 можно подстроить выходное напряжение стабилизатора в небольших пределах. R6 представляет собой нагрузку БП, потребляющую около 600 мА.(без нагрузки БП не подключать!).

Транзисторы Q1 и M1 можно установить на общем радиаторе площадью не менее 500 кв.см.

Основные технические характеристики стабилизатора (с входным и выходным RC-фильтрами):

  1. Выходное напряжение = 12В.
  2. Входное напряжение > 18В.
  3. Ток нагрузки – 600 мА
  4. Потребляемый ток – 750 мА (при номиналах, указанных на схеме, изменяется подбором резистора R2,R7,R4 – в порядке величины влияния)
  5. Уровень пульсаций на выходе — -112дБ
  6. КПД=57%

Легко видеть, что представленная схема обладает достаточно высокими параметрами в части КПД и Кст, сравнимыми с характеристиками компенсационных последовательных стабилизаторов, при этом практически полностью сохраняя достоинства параллельных стабилизаторов.
При этом схема достаточно проста, не требует дефицитных деталей, и может быть сконструирована даже начинающими радиолюбителями.

При входном напряжении до 50В в схеме можно применить – Q1-BD244C, Q2-BC546А, M1-IRF630. В качестве стабилитрона D7 можно применить любой на напряжение 8,2 В, диоды D1-D4 например SF54, диоды D5,D6,D8,D9 – например 1N4148.

Литература:

  1. Жеребцов И.П. Основы электроники, стр. 40, Л, 1989.
  2. Рыжков В.А. Простой параллельный стабилизатор на транзисторе.

Обсуждение схемы на форуме

Список радиоэлементов

Скачать список элементов (PDF)

Источник: https://cxem.net/pitanie/5-170.php

Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ. Доработанная схема В. Орешкина. Подписка на платы!

Двухполярный источник питания, предложенный В. Орешкиным, во многом отвечает взаимоисключающим требованиям, предъявляемым к стабилизатору напряжения питания УМЗЧ [1, 2].В настоящей заметке описывается доработанная схема, позволяющая простыми средствами повысить коэффициент стабилизации и уменьшить выходное сопротивление при сохранении малой постоянной времени апериодического процесса.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Доработка свелась к замене балластных резисторов в компенсационных стабилизаторах источниками тока и к учету рекомендаций фирмы Texas Instruments по построению блоков питания для УМЗЧ.

Содержание / Contents

Схема двухполярного источника питания приведена на рис. 1.

Рис.1. Двухполярный источник питания УМЗЧ

Он состоит из двух гальванически не связанных выпрямителей VD1, C1, C2, C5, C6, C9, C11, C13 и VD2, C3, C4, C7, C8, C10, C12, C14, двух параметрических стабилизаторов, выполненных на стабилитронах VD3, VD4 и источниках тока на транзисторах VT5, VT6, и эмиттерных повторителей на транзисторах VT1, VT3 и VT2, VT4.

Коэффициент стабилизации повышен благодаря питанию источника образцового напряжения одного стабилизатора от выходного напряжения другого и использованию вместо резисторов источников тока.Выпрямители собраны на диодных мостах VD1, VD2, состоящих из двойных диодов Шотки с общим катодом 16CTQ100. Диоды включены параллельно.

Конденсаторы С1…С8; С9, С10 и RC — цепочки R9, C23 и R10, C24 установлены в соответствии с рекомендациями фирмы Texas Instruments по построению блоков питания для УМЗЧ [3].Для уменьшения шумов каждый стабилитрон VD3, VD4 зашунтирован парой конденсаторов — оксидным и пленочным (соответственно С15, С17 и С16, С18).

Источники тока на транзисторах VT5, VT6 содержат параметрические стабилизаторы HL1, C19, C21, R8 и HL2, C20, C22 в базах транзисторов.Ток каждого источника равен:

IVD4=(UHL1-UбэVT5)/R4=(1,76-0,56)/0,13=9,2 мА,

IVD3=(UHL2-UбэVT6)/R7=9,2 мА.Резисторы R5, R6 уменьшают мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов источников тока.Коллекторы (корпусы) мощных транзисторов VT1, VT2 соединены с общим проводом блока питания, что позволяет обойтись без теплопроводящих прокладок, тем самым улучшить отвод тепла при больших токах нагрузки.Стабилизатор на биполярном транзисторе: О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона Для снижения динамического сопротивления источника питания его выходы зашунтированы парами конденсаторов оксидный — пленочный (соответственно С25, С27 и С26, С28). Балластные резисторы со светодиодами зеленого цвета служат для индикации (HL3, R11 и HL4, R12).Резистор R2 предназначен для запуска двухполярного стабилизатора при включении питания.Стабилизатор имеет защиту от короткого замыкания в нагрузке. При замыкании в любом плече отключаются оба стабилизатора.Основные технические характеристики:Выходные напряжения стабилизатора, В …. ±15Максимальный ток нагрузки, А …. 20Коэффициент стабилизации, не менее …. 1500Выходное сопротивление, не более, Ом …. 0,01

Напряжение на понижающих обмотках трансформатора питания, В …. 2×20

Список деталей (BOM) приведен ниже.Детали: VD1, VD2 Диод Шоттки 16CTQ100 IR (100V, 16A) — 8 шт.,VD3, VD4 Стабилитрон BZX55C16 (16V, 0,4W), стекло — 2 шт.,HL1, HL2 Светодиод LED FYL-3014HD красный d= 3 мм — 2 шт.,HL3, HL4 Светодиод LED BL-B2141Q G зел.d=3 — 2 шт.

,VT1 Транзистор КТ827А (20А; 100В), корпус TO-3 — 1 шт.,VT2 Транзистор КТ825А (20А; 100В), корпус TO-3 — 1 шт.,VT3 Транзистор BD140, корпус TO-126 — 1 шт.,VT4 Транзистор BD139, корпус TO-126 — 1 шт.,VT5 Транзистор 2SA1013, корпус TO-92mod — 1 шт.,VT6 Транзистор 2SC2383, корпус TO-92mod — 1 шт.

,R1, R3 Резистор -0,25-3,3 кОм — 2 шт.,R2 Резистор -2-470 Ом — 1 шт.,R4, R7 Резистор -0,25-130 Ом — 2 шт.,R5, R6 Резистор -0,25-220 Ом — 2 шт.,R8 Резистор -0,25-9,1 кОм — 1 шт.,R9, R10 ЧИП резистор F2512-1 Ом, 1Вт 1% — 2 шт.,R11, R12 Резистор -0,5-2,7 кОм — 2 шт.,С1…С8 Конденсатор 0,1/250V К73-17 — 8 шт.

,С9, С10, С23, С24 Конденсатор ЧИП 1812 0,1µF/100V X7R 10% — 4 шт.,С11…С14 Конденсатор 10000/50V 3035+85°С — 4 шт.,С15, С16 Конденсатор 47/63V 0611+105°C — 2 шт.,С17…С20 Конденсатор 0,1/63V К73-17 — 4 шт.,С21, С22 Конденсатор 47/16V 0511+105°C — 2 шт.,С25, С26 Конденсатор 470/35V 0820+105°C — 2 шт.

,С27, С28 Конденсатор 1/63V К73-17 — 2 шт.,Радиатор для VT1, VT2

Печатная плата 150×70×2 мм — 1 шт.

В блоке питания использованы выводные резисторы МЛТ или зарубежные MF мощностью, указанной на принципиальной схеме (рис. 1).Конденсаторы С1 — С8, С17 — С20, С27, С28 типа К73-17, оксидные конденсаторы импортные. Конденсаторы С17 — С20 могут быть с лучшим результатом заменены на CBB21/MPP из металлизированного полипропилена (например, 0,15 мкФ, 100 В с датагорской ярмарки).

В качестве С27, С28 подойдут 1 мкФ, 100 В (Suntan, полиэстер).Транзисторы КТ825А и КТ827А можно заменить составными (КТ819Г + КТ815Г и КТ818Г + КТ814Г), при этом эмиттерные переходы мощных транзисторов КТ819Г и КТ818Г необходимо зашунтировать резисторами сопротивлением 100 — 150 Ом. Возможна замена мощных составных транзисторов на MJ11032 и MJ11033.

При максимальном токе нагрузки 5 — 7 А подойдут транзисторы TIP142 и TIP147, а также BDW42G BDW47G.Транзисторы VT1, VT2 закреплены на теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 900 кв. см без теплоизолирующих прокладок с применением теплопроводной пасты АЛСИЛ-3.Вместо транзисторов BD139 и BD140 подойдут 2SC3502 и 2SA1380 или BF471 и BF472.

При замене обязательно уточняйте цоколевку транзисторов.Транзисторы VT5, VT6 типа 2SA1013, 2SC2383 могут быть заменены на отечественные КТ502Е, КТ503Е; КТ6116, КТ6117 или импортные 2N5401, 2N5551; 2SA1145, 2SC2705 и на другие.Диоды Шоттки в мостах VD1, VD2 заменимы на MBR20200CTG (200 В, 10 А) с общим катодом, либо на SR10100 (10 А, 100 В, ТО-220-2).

В последнем случае потребуется корректировка печатной платы.При токах потребления более 2 А необходимо снабдить диоды небольшими радиаторами и (или) обеспечить их охлаждение вентилятором.

При сравнительно небольших потребляемых токах (до 2 А) в диодных мостах можно применить высокопроизводительные диоды HER505 (5 А, 1000 В), сверхбыстрые диоды SF56 (5 А, 400 В) или ультрафасты STTH5R06FP (5 А, 600 В, ТО-220-2).Максимальный ток стабилизатора напряжения определяет трансформатор питания. Например, в приведенной на рис.

 1 схеме трансформатор Т1 типа ТПП321 обеспечивает максимальный ток не более 4 А.В таблице приведены параметры элементов стабилизатора напряжения при других выходных напряжениях.Детали устройства, кроме силового трансформатора Т1 и мощных транзисторов VT1, VT2, смонтированы на печатной плате размерами 150×70 мм (см. рис. 2), изготовленной из фольгированного стеклотекстолита.

Рис. 2. Размещение деталей на печатной плате. Дорожки показаны «на просвет», smd элементы C9, C10, C23, C24, R9, R10 установлены со стороны печатных дорожек

«Силовые» дорожки на печатной плате целесообразно дополнительно пропаять сверху луженым монтажным проводом диаметром 0,5 — 0,7 мм.Для равенства по модулю выходных напряжений стабилизатора необходимо перед монтажом отобрать стабилитроны VD3, VD4 по напряжению стабилизации при токе 10 мА.Налаживание устройства сводится к подбору сопротивления резистора R2, обеспечивающего надежный запуск источника питания.Применение двух отдельных выпрямительных мостов в устройстве, на мой взгляд, является недостатком, так как по сравнению с одним диодным мостом имеем в два раза выше падение напряжения на диодах выпрямителя, следовательно, меньшую максимальную мощность. Кроме того, конструкция с двумя диодными мостами имеет большие габариты.Наличие двух независимо работающих вторичных обмоток трансформатора выдвигает дополнительное требование равенства их выходных напряжений.Единственное преимущество схемы с двумя выпрямительными мостами — в два раза меньшее максимальное напряжение на диоде моста может сыграть свою положительную роль при выборе выпрямительных диодов Шоттки, имеющих невысокое обратное напряжение, не более 45 — 200 В.Описанное устройство можно использовать не только как источник питания УМЗЧ, но и как мощный источник питания устройств автоматики.

Можно скачать схему и печатную плату ▼ modified-voltage-regulator.7z
???? 06/09/19 ⚖️ 36,08 Kb ⇣ 47

1. Орешкин В. Стабилизатор питания УМЗЧ // Радио, 1987, № 8, с. 31.

2. Доработанный вариант малошумящего двухполярного источника питания (см. комментарии 32-36 к статье.)3. Рекомендации фирмы Texas Instruments по построению блоков питания для УМЗЧ.

Спасибо за внимание!

Открываю подписку на платы «3118» к статье «Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ. Доработанная схема В. Орешкина». В лоте две заводских платы 150×70 мм.Платы отличного качества, с паяльной маской, с утолщённой медью, надписями и пр. приятностями.

Цена зависит от вашей активности. Чем больше соберём заказов, тем дешевле.

10 лотов » 950,00 ₽ за 1 лот (2 платы)25 лотов » 660,00 ₽ за 1 лот (2 платы)50 лотов » 530,00 ₽ за 1 лот (2 платы)100 лотов » 440,00 ₽ за 1 лот (2 платы)

Нам нужно собрать желающих на 100 лотов. Критический минимум — 25 лотов. Подтягивайте знакомых и друзей или заказывайте для них. Новички и кандидаты — участники подписок получают привилегированное членство (гражданство) на сайте.

Для подписки вносим 660 ₽ по ссылке с любой банковской карты или из Я.Кошелька. В примечании к платежу укажите ваш логин на Датагоре и название подписки. НЕ ПИШИТЕ слов типа «взнос», «заказ», «оплата» и т.п. Обязательно залогиньтесь и отметьтесь в х.

 Варианты взносов Или пополняем мой счёт Яндекс.Денег № 41001559754671 удобным вам способом. Или пополняем мою карту СБ № 4276826012198773 из Онлайн-банка или терминала. Или отправляем почтовый экспресс-перевод «Форсаж». Доступно не во всех почтовых отделениях. Захватите паспорт.

НЕ ПИШИТЕ слов типа «взнос», «заказ», «оплата» и т.п. Укажите ваш датагорский логин.

Цена действительна только на время подписки. Доставка не включена.Наберём желающих, закажем платы, тогда и по комплектухе порешаем.

Я планирую делать платы или киты для всех статей на Датагоре, так что поддержите начинание!

Владимир Мосягин (MVV)

Россия, Великий Новгород

Радиолюбительством увлекся с пятого класса средней школы.Специальность по диплому — радиоинженер, к.т.н.

Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.

Источник: https://datagor.ru/practice/power/3118-stabilizator-pitaniya-umzch-rem-voreshkin.html

Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Простая схема для регулировки и стабилизации напряжения показана на рисунке. Такую схему можно выполнить даже неопытному в электронике любителю. На вход подается 50 вольт, при этом на выходе получается 15,7 В.

Схема стабилизатора.

Главной деталью этого прибора стал полевой транзистор. В его качестве можно применять IRLZ 24 / 32 / 44 и аналогичные ему полупроводники. Чаще всего их изготавливают в корпусе ТО – 220 и D2 Pak. Его стоимость составляет менее одного доллара. Этот мощный полевик имеет 3 вывода. Он имеет внутреннее строение металл–изолятор–полупроводник.

Стабилизатор на микросхеме ТL 431 в корпусе ТО – 92 обеспечивает настраивание величины выходного напряжения. Мощный полевой транзистор мы оставили на охлаждающем радиаторе и проводами припаяли к монтажной плате.

Напряжение на входе для такой схемы 6-50 В. На выходе получаем от 3 до 27 В, с возможностью регулировки переменным сопротивлением на 33 кОм. Ток выхода большой, и составляет величину до 10 А, зависит от радиатора.

Выравнивающие конденсаторы С1, С2 емкостью от 10 до 22 мкФ, С2 – 4,7 мкФ. Без таких деталей схема будет функционировать, однако не с таким качеством, как необходимо. Нельзя забывать про допустимое напряжение электролитических конденсаторов, которые должны быть установлены на выходе и входе. Мы взяли емкости, которые выдерживают 50 В.

Такой стабилизатор способен рассеивать мощность не выше 50 Вт. Полевик необходимо монтировать на радиатор охлаждения. Его площадь целесообразно выполнять не меньше 200 см2. При установке полевика на радиатор нужно промазать место касания термопастой, для лучшего теплоотвода.

Можно применять переменный резистор на 33 кОм типа WH 06-1. Такие резисторы имеют возможность точной настройки сопротивления. Они бывают импортного и отечественного производства.

Для удобства монтажа на плату припаивают 2 колодки, вместо проводов. Так как провода быстро отрываются.

Вид платы дискретных компонентов и переменного сопротивления вида СП 5-2.

Стабильность напряжения в результате получается неплохой, а напряжение выхода колеблется на несколько долей вольта долгое время. Монтажная плата получается компактных размеров и удобна в работе. Дорожки платы окрашены зеленым цапонлаком.

Мощный стабилизатор на полевике

Рассмотрим сборку схемы стабилизатора, предназначенного для блока питания большой мощности. Здесь улучшены свойства прибора с помощью мощного электронного ключа в виде полевого транзистора.

При разработке мощных силовых стабилизаторов любители чаще всего применяют специальные серии микросхем 142, и ей подобные, которые усилены несколькими транзисторами, подключенными по параллельной схеме. Поэтому получается силовой стабилизатор.

Схема такой модели прибора изображена на рисунке. В нем использован мощный полевик IRLR 2905. Он служит для переключения, однако в этой схеме он применен в линейном режиме. Полупроводник имеет незначительное сопротивление и обеспечивает ток до 30 ампер при нагревании до 100 градусов. Он нуждается в напряжении на затворе до 3 вольт. Его мощность достигает 110 ватт.

Полевиком управляет микросхема TL 431. Стабилизатор имеет следующий принцип действия. При подсоединении трансформатора на вторичной обмотке возникает переменное напряжение 13 вольт, которое выпрямляется выпрямительным мостом. На выравнивающем конденсаторе значительной емкости появляется постоянное напряжение 16 вольт.

Это напряжение проходит на сток полевого транзистора и по сопротивлению R1 идет на затвор, при этом открывая транзистор. Часть напряжения на выходе через делитель попадает на микросхему, при этом замыкая цепь ООС. Напряжение прибора повышается до тех пор, пока входное напряжение микросхемы не дойдет границы 2,5 вольт. В это время микросхема открывается, уменьшая напряжение затвора полевика, то есть, немного закрывая его, и прибор работает в режиме стабилизации. Емкость С3 делает быстрее выход стабилизатора на номинальный режим.

Величина напряжения выхода устанавливается 2,5-30 вольт, путем выбора переменным сопротивлением R2, его величина может меняться в больших пределах. Емкости С1, С2, С4 дают возможность стабильному действию стабилизатора.

Для такого прибора наименьшее падение напряжения на транзисторе составляет до 3 вольт, хотя он способен работать при напряжении около нуля. Такой недостаток возникает поступлением напряжения на затвор. При малом падении напряжения полупроводник не будет открываться, так как на затворе должно быть плюсовое напряжение по отношению к истоку.

Для снижения падения напряжения цепь затвора рекомендуется подключать от отдельного выпрямителя на 5 вольт выше, чем напряжение выхода прибора.

Хорошие результаты можно получить при подключении диода VD 2 к мосту выпрямления. При этом напряжение на конденсаторе С5 повысится, так как падение напряжения на VD 2 станет ниже, чем на диодах выпрямителя. Для плавного регулирования напряжения выхода постоянное сопротивление R2 нужно заменить переменным резистором.

Величину выходного напряжения определяют по формуле: U вых = 2,5 (1+R2 / R3). Если применить транзистор IRF 840, то наименьшее значение напряжения управления на затворе станет 5 вольт. Емкости выбирают танталовые малогабаритные, сопротивления – МЛТ, С2, Р1. Выпрямительный диод с небольшим падением напряжения. Свойства трансформатора, моста выпрямления и емкости С1 подбирают по нужному напряжению выхода и тока.

Полевик рассчитан на значительные токи и мощность, для этого необходим хороший теплоотвод. Транзистор служит для монтажа на радиатор путем пайки с промежуточной пластиной из меди. К ней припаивают транзистор с остальными деталями. После монтажа пластину размещают на радиаторе. Для этого пайка не нужна, так как пластина имеет значительную площадь контакта с радиатором.

Если использовать для наружной установки микросхему П_431 С, сопротивления Р1, и чип-конденсаторы, то их располагают на печатной плате из текстолита. Плату паяют к транзистору. Настройка прибора сводится к монтажу нужного значения напряжения. Необходимо проконтролировать прибор и проверить его, имеется ли самовозбуждение на всех режимах.

Линейный стабилизатор на полевом транзисторе

Современного человека в быту и на производстве окружает большое количество электротехнических приборов и оборудования. Для устойчивой, стабильной работы всей этой техники требуется бесперебойная подача электроэнергии. Однако из-за скачков сетевого напряжения, приборы довольно часто выходят из строя. Во избежание подобных ситуаций, применяются специальные устройства, в том числе и стабилизатор тока на полевом транзисторе. Его использование гарантирует нормальную работу электротехники, предотвращает аварии и поломки.

Работа стабилизаторов тока

Качественное питание всех электротехнических устройств можно гарантированно обеспечить лишь, используя стабилизатор тока. С его помощью компенсируются скачки и перепады в сети, увеличивается срок эксплуатации приборов и оборудования.

Основной функцией стабилизатора является автоматическая поддержка тока потребителя с точно заданными параметрами. Кроме скачков тока, удается компенсировать изменяющуюся мощность нагрузки и температуру окружающей среды. Например, с увеличением мощности, потребляемой оборудованием, произойдет соответствующее изменение потребляемого тока. В результате, произойдет падение напряжения на сопротивлении проводки и источника тока. То есть, с увеличением внутреннего сопротивления, будут более заметны изменения напряжения при увеличении токовой нагрузки.

В состав компенсационного стабилизатора тока с автоматической регулировкой входит цепь отрицательной обратной связи. Изменение соответствующих параметров регулирующего элемента позволяет достичь необходимой стабилизации. На элемент оказывает воздействие импульс обратной связи. Данное явление известно, как функция выходного тока. В зависимости от регулировок, стабилизаторы разделяются на непрерывные, импульсные и смешанные.

Среди множества стабилизаторов очень популярны стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Подключение транзистора в данной схеме осуществляется последовательно сопротивлению нагрузки. Это приводит к незначительным изменениям тока нагрузки, в то время, как входное напряжение подвержено существенным изменениям.

Устройство и работа полевого транзистора

Управление полевыми транзисторами осуществляется посредством электрического поля, отсюда и появилось их название. В свою очередь электрическое поле создается под действием напряжения. Таким образом, все полевые транзисторы относятся к полупроводниковым приборам, управляемым напряжением.

Канал этих устройств открывается только с помощью напряжения. При этом, ток не протекает через входные электроды. Исключение составляет лишь незначительный ток утечки. Отсюда следует, что какие-либо затраты мощности на управление отсутствуют. Однако на практике не всегда используется статический режим, в процессе переключения транзисторов задействована некоторая частота.

В конструкцию полевого транзистора входит внутренняя переходная емкость, через которую протекает некоторое количество тока во время переключения. Поэтому для управления затрачивается незначительное количество мощности.

В состав полевого транзистора входит три электрода. Каждый из них имеет собственное название: исток, сток и затвор. На английском языке эти наименования соответственно будут выглядеть, как source, drain и gate. Канал можно сравнить с трубой, по которой движется водяной поток, соответствующий заряженным частицам. Вход потока происходит через исток. Выход заряженного потока происходит через сток. Для закрытия или открытия потока существует затвор, выполняющий функцию крана. Течение заряженных частиц возможно лишь при условии напряжения, прилагаемого между стоком и истоком. При отсутствии напряжения тока в канале также не будет.

Таким образом, чем больше значение подаваемого напряжения, тем сильнее открывается кран. Это приводит к увеличению тока в канале на участке сток-исток и уменьшению сопротивления канала. В источниках питания применяется ключевой режим работы полевых транзисторов, позволяющий полностью закрывать или открывать канал.

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

Стабилизаторы тока предназначены для поддержания параметров тока на определенном уровне. Благодаря этим свойствам, данные приборы успешно используются во многих электронных схемах. Чтобы понять принцип действия, следует рассмотреть некоторые теоретические вопросы.

Известно, что в идеальном источнике тока присутствует ЭДС, стремящаяся к бесконечности и бесконечно большое внутреннее сопротивление. За счет этого удается получить ток с требуемыми параметрами, независимо от сопротивления нагрузки.

Идеальный источник способен создавать ток, остающийся на одном уровне, несмотря на изменяющееся сопротивление нагрузки в диапазоне от короткого замыкания до бесконечности. Для поддержания значения тока на неизменном уровне, величина ЭДС должна изменяться, начиная от величины больше нуля и до бесконечности. Основным свойством источника, позволяющим получать стабильное значение тока, является изменение сопротивления нагрузки и ЭДС таким образом, чтобы значение тока оставалось на одном и том же уровне.

Но, на практике поддержка источником требуемого уровня тока происходит в ограниченном диапазоне напряжения, возникающего на нагрузке. Реальные источники тока используются вместе с источниками напряжения. К таким источникам относится обычная сеть на 220 вольт, а также аккумуляторы, блоки питания, генераторы, солнечные батареи, поставляющие потребителям электрическую энергию. С каждым из них может быть последовательно включен стабилизатор тока на полевом транзисторе, выход которого выполняет функцию источника тока.

Простейшая конструкция стабилизатора состоит из двухвыводного компонента, с помощью которого происходит ограничение протекающего через него тока, до необходимых параметров, устанавливаемых изготовителем. Своим внешним видом он напоминает диод малой мощности, поэтому данные приборы известны как диодные стабилизаторы тока.

Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.

Схема регулируемого стабилизатора

Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и припаял его к плате с помощью проводков.

Входное напряжение для этой схемы может быть от 6 и до 50 вольт. На выходе же получаем 3-27V с возможностью регулирования подстрочным резистором 33k. Выходной ток довольно большой, до 10 Ампер, в зависимости от радиатора.

Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.

Мощность, которую сможет рассеять такой стабилизатор напряжения не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2). Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.

Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.

Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.

Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).

Стабильность неплоха и напряжение изменяется только на доли вольта на протяжении длительного времени. Готовая платка получилась компактна и удобна. Так как я планирую длительное время использовать это устройство для защиты дорожек окрасил всё дно платы зеленым цапонлаком. Автор материала — Егор.

Обсудить статью СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

При построении источников питания с сильноточными стабилизаторами напряжения электронщики, как правило, используют специализированные интегральные микросхемы, как с опорным, так и с регулируемым напряжением. Часто применяются схемы с параллельно включенными стабилизаторами для усиления мощности .

Расчет параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах

Приведена техника упрощенного расчета параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Входное напряжение Uвх должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1. Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее.

Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mA, а максимальный 25 mA. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё.

И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, — максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона.

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления.

Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст — Іст.мин)*h31э.

где Іст. — средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h31э — коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001) / 2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h31 э — 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001) * 40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Попробуем рассчитать стабилизатор по схеме на рисунке 2.

Возьмем такие исходные данные:

  • Входное напряжение Uвх = 15V,
  • выходное напряжение Uвых = 12V,
  • максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать — стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h31э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h31э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин) * h31э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А.

По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 240 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллектора. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р = (Uвх — Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р = (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Схема на составном транзисторе

Увеличить выходной ток без увеличения тока через стабилитрон можно только увеличив h31э транзистора. Это можно сделать если вместо одного транзистора использовать два, включенных по составной схеме (рис.4). В такой схеме общий h31э будет примерно равен произведению h31э обоих транзисторов.

Рис. 4. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на основе составного транзистора.

Транзистор VT1 берут маломощный, а VT2 на мощность и ток, соответствующий нагрузке. Все рассчитывается примерно так же, как и в схеме по рисунку 3. Но теперь у нас два кремниевых транзистора, поэтому выходное напряжение снизится не на 0,65V, а на 1,ЗV.

Это нужно учесть при выборе стабилитрона, — его напряжение стабилизации (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,ЗV больше требуемого выходного напряжения.

К тому же появился резистор R2. Его назначение — подавлять реактивную составляющую транзистора VТ2, и обеспечивать надежную реакцию транзистора на изменение напряжения на его базе.

Величина этого сопротивления слишком уж существенного значения не имеет, но и за пределы разумного выходить не должна. Обычно его выбирают примерно в 5 раз больше сопротивления R1.

Иванов А. РК-11-17.

Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В)

При построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор.

Принципиальная схема

Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис. 1. Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение около 13 В (эффективное значение) поступает на выпрямитель и сглаживающий фильтр.

На конденсаторах фильтра оно равно 16 В. Это напряжение поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор.

Рис. 1. Принципиальная схема  стабилизатора напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В).

Часть выходного напряжения через делитель R2, R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В.

В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т.е. частично закрывая его, и, таким образом, устройство входит в режим стабилизации. Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту (рис. 1.6).

В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе.

Рис. 2. Печатная плата.

При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроенным резистором.

В стабилизаторе в качестве регулирующего элемента применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме.

Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечивает ток до 30 А при температуре корпуса до 100°С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5…3 В. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.

Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (импортный аналог TL431). Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — МЛТ, С2-33, диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.

Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод.

Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов. Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа.

Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам C1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины. Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1.

Печатная плата устройства приведена на рис. 2 Эта плата рассчитана на установку малогабаритных деталей в корпусах для поверхностного монтажа, в том числе и микросхема КР142ЕН19 требует замены на импортный аналог в корпусе SO-8.

Схема на биполярном транзисторе

Рис. 3. Схема блока питания без полевого транзистора.

В случае, если полевой транзистор найти не удалось, стабилизатор можно выполнить по другой схеме (рис. 3.), на мощных биполярных транзисторах, с использованием той же микросхемы. Правда, максимальный ток нагрузки у этого варианта стабилизатора не более 3…4 А.

Для повышения коэффициента стабилизации применен стабилизатор тока на полевом транзисторе, в качестве регулирующего элемента применен мощный составной транзистор. Трансформатор должен обеспечивать на вторичной обмотке напряжение не менее 15 В при максимальном токе нагрузки.

Первоисточник: неизвестен.

Линейный стабилизатор напряжения

IC с NPN-транзистором

Введение

Если я правильно собираю вещи (и благодаря ссылке Сэма Гибсона на «ревизию 2 вопроса» я смог лучше понять вопрос), вы произвольно использовали NPN BJT в грубо неосведомленной модификации другой схемы с использованием PNP BJT. Это говорит мне, что вы действительно мало знаете о том, как все работает. Итак, начнем с основ.

Обзор системы перед трехконтактным регулятором IC

смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab

Первым шагом является эффективное преобразование напряжения сети питания в напряжение, более близкое к вашим потребностям, а также обеспечение гальванической развязки (это просто означает, что электроны не могут проходить через барьер) с помощью переменного магнитного поля в трансформаторе для передачи мощность, но при другом напряжении.

Следующим шагом является устранение неисправности переменного тока. Это удваивает частоту, но это главная цель состоит в том, чтобы сохранить все колебания на одной стороне опорного заземления, так что они могут быть суммированы в нерегулируемом значение постоянного тока после прохождения через фильтр.

Это подводит нас к последнему шагу выше, процессу фильтрации, который усредняет выпрямленный переменный ток в нерегулируемый постоянный ток. Нерегулируемый постоянный ток без какой-либо нагрузки будет казаться довольно устойчивым, если вы его измерите. Но как только нагрузка начинает пропускать ток через процесс фильтрации, конденсаторы фильтра будут несколько падать между соседними импульсами выпрямленного переменного тока, подаваемого на фильтр, поэтому нагруженный нерегулируемый постоянный ток одновременно «нерегулируется» и «меняется».Другими словами, под нагрузкой это больше не постоянное значение постоянного тока, и оно немного «колеблется». У него будет минимальное значение и максимальное значение, которое может колебаться между ними. Система регулятора, которая должна быть добавлена ​​(не показана выше ) придется справляться с минимальным значением напряжения, а также с пульсациями, которые будут возникать при нагрузке.

Эта система компонентов, существующая до фактического регулятора, обеспечивает некоторые важные функции:

  • Эффективное преобразование напряжения
  • Гальваническая развязка (безопасность)
  • Относительно стабильный, нерегулируемый постоянный ток (но с некоторой пульсацией между минимальным и максимальным значением)

Система регулятора с внешним наддувом

Мне, наверное, не нужно схематизировать системный блок регулятора.Он просто принимает нерегулируемый постоянный ток, показанный выше, и дает регулируемый выход постоянного тока. Так что это слишком просто, чтобы возиться с диаграммой.

Но сами регуляторы включают в себя множество внутренних механизмов для выполнения работы. Им нужен способ измерения (наблюдения) выходного напряжения, воспринимаемого самой нагрузкой, и корректировки их поведения для поддержания (регулирования) этого выходного напряжения. Это достигается путем изменения напряжения, которое они падают между нерегулируемой шиной питания постоянного тока и шиной напряжения нагрузки.

ИС простых регуляторов имеют ограничение на количество поддерживаемых токовых нагрузок. Это ограничение чаще всего связано с количеством рассеиваемой энергии, с которым они могут справиться. (Они должны рассеивать тепловую энергию, равную напряжению, которое они падают между нерегулируемой шиной питания постоянного тока и выходной шиной постоянного тока, умноженной на сам ток нагрузки. Таким образом, это может быть много тепловой энергии, больше, чем они могут справиться сами по себе ( с добавленными радиаторами), если ток нагрузки достаточно велик.

Чтобы справиться со случаями, когда ожидается, что нагрузка потребует большего тока, чем может поддерживать сама ИС регулятора, можно добавить внешние активные устройства (транзисторы) (наряду с поддержкой пассивных устройств, чтобы они правильно выполняли свою работу.) Эти внешние активные устройства обычно просто называют «проходными транзисторами». Я думаю о них как о «шунтирующих транзисторах», потому что они шунтируют стабилизатор IC.

BJT часто выбираются для функций транзистора с внешним проходом вместо MOSFET, потому что необходимые накладные расходы на управление напряжением обычно намного меньше. Это означает меньшую потерю рассеиваемой энергии в системе регулирования, поскольку меньшие накладные расходы по напряжению, используемые для управления ими, означают меньшее падение напряжения с нерегулируемой шины питания постоянного тока на выходную шину постоянного тока, и, поскольку это умножается на ток, меньшая разность напряжений означает меньше диссипация.

BJT бывают двух основных разновидностей: PNP и NPN. Но причина того, что PNP чаще всего используется для этой функции, заключается в том, что используются простые трехконтактные микросхемы стабилизатора напряжения, которые напрямую выбирают свой выходной контакт и не предоставляют отдельный контакт «обратной связи». Это означает, что вы не можете измерить фактический постоянный ток, наблюдаемый нагрузкой, если нагрузка не подключена напрямую к выходному выводу регулятора IC. А это ограничивает возможности дизайнера. Я перейду к этим ограничениям сейчас.

Чтобы байпасные BJT выполняли свою работу, им необходимо «контролировать» ток ИС регулятора и «срабатывать», когда этот ток достигает некоторого расчетного значения. С этим легко справиться, разместив последовательный резистор на входной стороне ИС регулятора. Для регуляторов IC без какого-либо вывода обратной связи вы не можете разместить резистор на выходной стороне, потому что тогда этот резистор отделяет нагрузку от выходного контакта регулятора. Это означает, что регулятор не может «видеть» то, что нагрузка воспринимает как свое напряжение.И если регулятор не видит напряжение нагрузки, он не может его правильно регулировать. Таким образом, последовательно включенный резистор обычно размещается последовательно на входной стороне ИС регулятора.

Этот последовательный резистор преобразует ток интегральной схемы регулятора в измеряемую разность напряжений на резисторе (это падение напряжения). Эта разница затем может быть применена к переходу база-эмиттер BJT. Когда он достигает значения, превышающего \ $ 450 \: \ text {mV} \ $, переход база-эмиттер BJT-транзистора начинает срабатывать и активировать BJT, допуская некоторый ток коллектора.По мере того, как регулятор потребляет еще больший ток, BJT экспоненциально реагирует на изменения, увеличивая ток коллектора в 10 раз на каждое \ $ 60 \: \ text {mV} \ $ изменение падения напряжения на резисторе. Таким образом, проходит совсем немного времени, прежде чем проходной транзистор «обходит» микросхему регулятора с большим дополнительным током нагрузки, протекающим через него и в нагрузку.

Однако эта идея работает только потому, что микросхема регулятора «видит» свое выходное напряжение. Если ток коллектора проходного транзистора увеличивается слишком сильно, то напряжение возрастает, и регулятор заметит этот факт и отреагирует снижением тока, который он передает в нагрузку.Но это уменьшит величину падения напряжения на последовательном резисторе и уменьшит ток коллектора проходного транзистора. Таким образом, проходной транзистор «использует» микросхему регулятора в качестве «наблюдателя» выходного напряжения и средства «самоконтроля». Промежуточный транзистор и ИС регулятора действуют согласованно друг с другом.

Давайте посмотрим на ситуацию как для PNP, так и для NPN:

смоделировать эту схему

Случай PNP работает, потому что полярность напряжения на последовательном резисторе совпадает с полярностью, необходимой для активации PNP.Случай NPN не работает, потому что полярность напряжения на последовательном резисторе не совпадает с полярностью, необходимой для активации NPN.

А теперь давайте посмотрим, что вы пробовали:

смоделировать эту схему

Вот, по крайней мере, у вас есть прямое смещение эмиттерно-базового перехода NPN. Но слишком большое значение. Вы понятия не имеете, какое падение напряжения между входом и выходом ИС регулятора, но оно почти наверняка будет настолько большим, что сам NPN BJT будет насыщен.(Коллектор и эмиттер пропускают как можно больше тока.) Вы вставили коллекторный резистор, поэтому он будет ограничивать ток. Но сейчас все вышло из-под контроля.

Предполагается, что микросхема регулятора регулирует собственное падение напряжения, чтобы помочь регулировать выход. Это его работа. Но теперь у вас есть борьба с переходом база-эмиттер NPN BJT, который сам изо всех сил пытается справиться со слишком большим падением напряжения, которое ему подает микросхема регулятора.ИС регулятора и проходной транзистор больше не взаимодействуют друг с другом, а борются друг с другом.

Это просто не сработает.

Поскольку мы просто поливаем грязью, чтобы увидеть, что прилипает к стене, вы можете попробовать случайный выбор:

смоделировать эту схему

По крайней мере, переход база-эмиттер NPN BJT теперь смещен в прямом направлении. Но это не спасение. Куда уходит коллекционер? Он не может перейти на выход, так как это просто означает, что вы поместили толстый диод (от базы к коллектору) прямо на выход.И это нехорошо. Вы не можете просто подключить его к нерегулируемому источнику постоянного тока, так как это просто означает, что у вас есть «диодный BJT», расположенный поперек \ $ R \ $. Кроме того, он вообще ничего не делает для поддержки более высокого тока, потому что весь ток нагрузки все еще проходит через микросхему регулятора. Это бессмысленно.

Еще одна плохая идея состоит в том, что вы можете попробовать использовать микросхему регулятора для управления базой NPN с эмиттером NPN, обеспечивающим напряжение нагрузки. Но тогда напряжение нагрузки регулируется не так хорошо, поскольку микросхема регулятора не видит эмиттер NPN и, следовательно, не может регулировать его напряжение.Он может регулировать только базовое напряжение.

Это действительно плохо в случае, когда вам нужен большой ток, потому что результирующее напряжение перехода база-эмиттер (для сильноточного BJT или для комбинации Дарлингтона) будет большим. Например, если вы использовали микросхему регулятора LM7805 для вывода \ $ 5 \: \ text {V} \ $, наконечник эмиттера мог бы находиться в \ $ 3.5 \: \ text {V} \ $ и плохо регулироваться, как это значение. будет зависеть от тока нагрузки.

Метод комбинированных транзисторов

До сих пор, кстати, я избегал иметь дело с транзисторами с несколькими проходами питания.Причина в том, что вам нужно понять рабочие топологии и почему они работают, прежде чем начинать их изменять. Для добавления нескольких параллельных силовых BJT для распределения рассеиваемой мощности требуются резисторы с разделением эмиттеров (которые вы могли видеть во всех полезных схемах с несколькими PNP-транзисторами). Но это другой урок, и вам нужно сначала изложить основные идеи.

Имея это в виду, вот как можно подойти к схеме комбинированного прохода транзистора PNP + NPN BJT:

смоделировать эту схему

Обратите внимание, что PNP BJT находится в своем обычном расположении, используя \ $ R_2 \ $ для измерения тока в ИС регулятора.Его ток коллектора теперь обеспечивает базовый ток, необходимый для питания NPN BJT, а оставшаяся часть принудительно проходит через \ $ R_1 \ $. Именно этот остаточный ток, часть, остающаяся после подачи базового тока \ $ Q_1 \ $, развивает напряжение на \ $ R_1 \ $ и активирует питание NPN BJT. Теперь NPN BJT обеспечивает большую часть тока нагрузки (если схема хорошо спроектирована).

Силовой NPN в этой конфигурации можно заменить несколькими силовыми NPN, размещенными параллельно, при условии, что вы также включите их эмиттерные резисторы с разделением тока (которые также должны быть хорошо спроектированы.) Но теперь, когда управляющий транзистор PNP должен будет обеспечивать базовые токи всех этих дополнительных мощных NPN BJT, а также достаточно, чтобы установить необходимое падение напряжения на \ $ R_1 \ $ (сам по себе должен быть перепроектирован с учетом добавлены падения напряжения на эмиттерных резисторах с разделением тока). Для этого снова может потребоваться силовой PNP. А может и нет. По-разному.

Сводка

Если вы настаиваете на использовании силового NPN BJT в качестве проходного транзистора, вам все равно нужно будет найти PNP для его правильного управления.(Возможно, вам удастся обойтись малосигнальной версией PNP. Но это зависит от других факторов, которые вы считаете важными.) Таким образом, нет готового способа избежать PNP BJT для 3-контактного регулятора IC.

Регуляторы напряжения

, схемы, типы, принцип работы, конструкция, применение

Регулятор напряжения предназначен для автоматического «регулирования» уровня напряжения. Он в основном снижает входное напряжение до желаемого уровня и поддерживает его на том же уровне во время подачи питания.Это гарантирует, что даже при приложении нагрузки напряжение не падает.

Таким образом, регулятор напряжения используется по двум причинам: —

  1. Для регулирования или изменения выходного напряжения цепи.
  2. Для поддержания постоянного выходного напряжения на желаемом уровне, несмотря на колебания напряжения питания или тока нагрузки.

Чтобы узнать больше об основах этого предмета, вы также можете обратиться к Регулируемому источнику питания.

Регуляторы напряжения

находят свое применение в компьютерах, генераторах переменного тока, электростанциях, где схема используется для управления мощностью установки.Регуляторы напряжения можно разделить на электромеханические и электронные. Его также можно классифицировать как регуляторы переменного тока или регуляторы постоянного тока.

Мы уже рассказали о регуляторах напряжения IC.

Электронный регулятор напряжения

Все регуляторы напряжения электронных будут иметь опорный источник стабильного напряжения, который предусмотрен посредством обратного диода рабочего напряжения пробоя называется стабилитроном. Основная причина использования регулятора напряжения — поддержание постоянного выходного напряжения постоянного тока.Он также блокирует пульсации переменного напряжения, которые не могут быть заблокированы фильтром. Хороший регулятор напряжения может также включать в себя дополнительные схемы защиты, такие как короткое замыкание, схему ограничения тока, тепловое отключение и защиту от перенапряжения.

Электронные регуляторы напряжения

разработаны на основе любого из трех или комбинации любого из трех регуляторов, указанных ниже.

1. Транзисторный стабилизатор напряжения с стабилитроном

Стабилизатор напряжения, управляемый стабилитроном, используется, когда эффективность регулируемого источника питания становится очень низкой из-за высокого тока.Существует два типа транзисторных стабилизаторов напряжения, управляемых стабилитроном.

Последовательный стабилизатор напряжения на управляемых стабилитроном транзисторах

Такую схему еще называют регулятором напряжения на эмиттерном повторителе. Он назван так потому, что используемый транзистор подключен по схеме эмиттерного повторителя. Схема состоит из транзистора N-P-N и стабилитрона. Как показано на рисунке ниже, выводы коллектора и эмиттера транзистора включены последовательно с нагрузкой. Таким образом, этот регулятор имеет именную серию.Используемый транзистор представляет собой транзистор с последовательным проходом.

Стабилизатор напряжения на управляемых стабилитронах серии

Затем выходной сигнал выпрямителя, который отфильтрован, подается на входные клеммы, и на нагрузочном резисторе Rload получается регулируемое выходное напряжение Vload. Опорное напряжение обеспечивается стабилитроном и транзистор действует как переменный резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от условий эксплуатации базового тока, IBase.

Основной принцип работы такого регулятора заключается в том, что большая часть изменения напряжения питания или входного напряжения возникает на транзисторе, и, таким образом, выходное напряжение имеет тенденцию оставаться постоянным.

Таким образом, выходное напряжение можно записать как

Ваут = Взенер — Вбе

Напряжение базы транзистора Vbase и напряжение стабилитрона Vzener равны, поэтому значение Vbase остается почти постоянным.

Операция

Когда входное напряжение питания Vin увеличивается, выходное напряжение Vload также увеличивается. Это увеличение Vload вызовет снижение напряжения Vbe эмиттера базы транзистора, поскольку напряжение стабилитрона Vzener является постоянным. Это уменьшение Vbe вызывает снижение уровня проводимости, что дополнительно увеличивает сопротивление коллектор-эмиттер транзистора и, таким образом, вызывает увеличение напряжения коллектор-эмиттер транзистора, и все это вызывает уменьшение выходного напряжения Vout.Таким образом, выходное напряжение остается постоянным. Операция аналогична при уменьшении входного напряжения питания.

Следующим условием будет влияние изменения выходной нагрузки на выходное напряжение. Рассмотрим случай, когда ток увеличивается за счет уменьшения сопротивления нагрузки Rload. Это вызывает уменьшение значения выходного напряжения и, таким образом, вызывает увеличение напряжения эмиттера базы транзистора. Это вызывает уменьшение сопротивления коллектора-эмиттера из-за увеличения уровня проводимости транзистора.Это приводит к небольшому увеличению входного тока и, таким образом, компенсирует уменьшение сопротивления нагрузки Rload.

Самым большим преимуществом этой схемы является то, что изменения тока стабилитрона уменьшаются в β раз, и, таким образом, эффект стабилитрона значительно снижается, и получается гораздо более стабильный выходной сигнал.

Выходное напряжение последовательного регулятора Vout = Vzener — Vbe. Ток нагрузки Iload схемы будет максимальным током эмиттера, который может пройти транзистор.Для обычного транзистора, такого как 2N3055, ток нагрузки может доходить до 15 А. Если ток нагрузки равен нулю или не имеет значения, то ток, потребляемый от источника питания, можно записать как Izener + Ic (min). Такой регулятор напряжения с эмиттерным повторителем более эффективен, чем обычный стабилизатор напряжения. Обычный стабилитрон, в котором есть только резистор и стабилитрон, должен обеспечивать ток базы транзистора.

Ограничения

Перечисленные ниже ограничения доказали, что этот серийный стабилизатор напряжения подходит только для низких выходных напряжений.

  1. С повышением комнатной температуры значения Vbe и Vzener имеют тенденцию к уменьшению. Таким образом, выходное напряжение нельзя поддерживать постоянным. Это еще больше увеличит напряжение эмиттера базы транзистора и, следовательно, нагрузку.
  2. Нет возможности изменить выходное напряжение в цепи.
  3. Из-за небольшого процесса усиления, обеспечиваемого только одним транзистором, схема не может обеспечить хорошее регулирование при высоких токах.
  4. По сравнению с другими регуляторами, этот регулятор имеет плохую регулировку и подавление пульсаций в отношении изменений на входе.
  5. Рассеиваемая мощность проходного транзистора велика, потому что она равна Vcc Ic, и почти все изменения возникают при Vce, а ток нагрузки приблизительно равен току коллектора. Таким образом, при прохождении больших нагрузочных токов транзистор должен рассеивать много энергии и, следовательно, нагреваться.

Шунтирующий стабилизатор напряжения транзистора с стабилитроном

На изображении ниже показана принципиальная схема шунтирующего регулятора напряжения. Схема состоит из NPN-транзистора и стабилитрона, а также последовательного резистора Rseries, подключенного последовательно с входным источником питания.Стабилитрон подключен к базе и коллектору транзистора, который подключен к выходу.

Шунтирующий стабилизатор напряжения на транзисторах с стабилитроном

Operation

Поскольку в последовательном сопротивлении Rseries наблюдается падение напряжения, вместе с ним уменьшается и нерегулируемое напряжение. Величина падения напряжения зависит от тока, подаваемого на нагрузку Rload. Величина напряжения на нагрузке зависит от стабилитрона и напряжения эмиттера базы транзистора Vbe.

Таким образом, выходное напряжение можно записать как

Vout = Vzener + Vbe = Vin — I.Rseries

Выход остается почти постоянным, поскольку значения Vzener и Vbe почти постоянны. Это условие объясняется ниже.

Когда напряжение питания увеличивается, выходное напряжение и напряжение эмиттера базы транзистора увеличивается и, таким образом, увеличивается базовый ток Ibase и, следовательно, увеличивается ток коллектора Icoll (Icoll = β.Ibase).

Таким образом, напряжение питания увеличивается, вызывая увеличение тока питания, который, в свою очередь, вызывает падение напряжения на последовательном сопротивлении Rseries и тем самым снижает выходное напряжение.Этого уменьшения будет более чем достаточно, чтобы компенсировать первоначальное увеличение выходного напряжения. Таким образом, выпуск остается почти постоянным. Работа, описанная выше, происходит в обратном порядке, если напряжение питания снижается.

Когда сопротивление нагрузки Rload уменьшается, ток нагрузки Iload увеличивается из-за уменьшения токов через базу и коллектор Ibase и Icoll. Таким образом, на Rseries не будет падения напряжения, а входной ток останется постоянным. Таким образом, выходное напряжение останется постоянным и будет разницей между напряжением питания и падением напряжения на последовательном сопротивлении.Это происходит наоборот, если увеличивается сопротивление нагрузки.

Ограничения

Последовательный резистор вызывает огромные потери мощности.

1. Ток питания через транзистор будет больше, чем через нагрузку.

2. В цепи могут быть проблемы, связанные с перенапряжением.

2. Дискретный транзисторный регулятор напряжения

Дискретные транзисторные регуляторы напряжения можно разделить на два. Они объясняются ниже.Эти две схемы способны производить регулируемое выходное постоянное напряжение, которое регулируется или поддерживается на заданном уровне, даже если входное напряжение изменяется или нагрузка, подключенная к выходному зажиму, изменяется.

Стабилизатор напряжения на дискретных транзисторах

Блок-схема дискретного стабилизатора напряжения транзисторного типа приведена ниже. Элемент управления размещен для сбора нерегулируемого входа, который контролирует величину входного напряжения и передает его на выход.Затем выходное напряжение возвращается в схему выборки, затем сравнивается с опорным напряжением и отправляется обратно на выход.

Последовательный регулятор напряжения на дискретных транзисторах

Таким образом, если выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению, схема компаратора выдает управляющий сигнал, чтобы заставить элемент управления уменьшать величину выходного напряжения, пропуская его через схему выборки и сравнивая его, тем самым поддерживая постоянное значение. и стабильное выходное напряжение.

Предположим, что выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, схема компаратора выдает управляющий сигнал, который заставляет последовательный элемент управления увеличивать величину выходного напряжения, таким образом поддерживая стабильность.

Шунтирующий стабилизатор напряжения на дискретных транзисторах

Блок-схема дискретного транзисторного шунтирующего стабилизатора напряжения приведена ниже. Как следует из названия, регулирование напряжения обеспечивается за счет отвода тока от нагрузки. Элемент управления шунтирует часть тока, возникающего в результате входного нерегулируемого напряжения, подаваемого на нагрузку. Таким образом, напряжение регулируется на нагрузке. Из-за изменения нагрузки, если есть изменение выходного напряжения, оно будет скорректировано путем подачи сигнала обратной связи в схему компаратора, которая сравнивается с опорным напряжением и передает выходной управляющий сигнал на элемент управления для корректировки величины. сигнала, необходимого для отвода тока от нагрузки.

Шунтирующий стабилизатор напряжения на дискретных транзисторах

Если выходное напряжение увеличивается, ток шунта увеличивается и, таким образом, создается меньший ток нагрузки и поддерживается регулируемое выходное напряжение. Если выходное напряжение уменьшается, ток шунта уменьшается и, таким образом, создается больший ток нагрузки и поддерживается постоянное регулируемое выходное напряжение. В обоих случаях важную роль играют схема выборки, схема компаратора и элемент управления.

Ограничения транзисторных регуляторов напряжения

Устойчивое и стабилизированное выходное напряжение, получаемое от регулятора, ограничено диапазоном напряжения (30-40) вольт.Это связано с малым значением максимального напряжения коллектор-эмиттер транзистора (50 Вольт). Это ограничивает использование транзисторных источников питания.

3. Электромеханический регулятор

Как следует из названия, это регулятор, сочетающий в себе электрические и механические характеристики. Процесс регулирования напряжения осуществляется спиральным измерительным проводом, который действует как электромагнит. Магнитное поле создается соленоидом в соответствии с протекающим через него током.Это магнитное поле притягивает движущийся материал сердечника из железа, который связан с натяжением пружины или гравитационным притяжением. Когда напряжение увеличивается, ток усиливает магнитное поле, поэтому сердечник притягивается к соленоиду. Магнит физически соединен с механическим переключателем. Когда напряжение уменьшается, магнитное поле, создаваемое сердечником, уменьшается, поэтому натяжение пружины заставляет сердечник втягиваться. Это замыкает механический переключатель и позволяет току течь.

Если конструкция механического регулятора чувствительна к небольшим колебаниям напряжения, к соленоиду может быть добавлен селекторный переключатель в диапазоне сопротивлений или обмотки трансформатора, чтобы постепенно повышать и понижать выходное напряжение или изменять положение подвижного элемента. катушка регулятора переменного тока.

Ранее автомобильные генераторы и генераторы переменного тока содержали механические регуляторы. В регуляторах такого типа процесс выполняется одним, двумя или тремя реле и различными резисторами, чтобы установить выходную мощность генератора чуть выше 6 или 12 вольт, и этот процесс не зависит от частоты вращения двигателя или нагрузки, изменяющейся на транспортном средстве. электрическая система. Реле используются для выполнения широтно-импульсной модуляции для регулирования выходной мощности генератора и управления током возбуждения, проходящим через генератор.

Регулятор, используемый для генераторов постоянного тока, отключается от генератора, когда он не работает, чтобы предотвратить обратный поток электричества от батареи к генератору. В противном случае он будет работать как мотор.

4. Автоматический регулятор напряжения (АРН)

Этот активный системный регулятор в основном используется для регулирования выходного напряжения очень больших генераторов, которые обычно используются на кораблях, нефтяных вышках, больших зданиях и т. Д. Схема AVR сложна и состоит из всех активных и пассивных элементов, а также микроконтроллеров.Основной принцип работы AVR такой же, как и у обычного регулятора напряжения. Входное напряжение возбудителя генератора контролируется АРН, и когда напряжение генератора увеличивается или уменьшается, выходное напряжение генератора автоматически увеличивается или уменьшается. Будет предопределенная уставка, по которой АРН определяет величину напряжения, которое должно передаваться на возбудитель каждую миллисекунду. Таким образом регулируется выходное напряжение. Та же операция становится более сложной, когда только один АРН используется для регулирования нескольких генераторов, подключенных параллельно.

5. Трансформатор постоянного напряжения (CVT)

В некоторых случаях вариатор также используется в качестве регулятора напряжения. CVT состоит из резонансной обмотки высокого напряжения и конденсатора, который производит регулируемое выходное напряжение для любого типа входного переменного тока. Как и у обычного трансформатора, вариатор имеет первичную и вторичную обмотки. Первичная обмотка находится на стороне магнитного шунта, а вторичная обмотка — на противоположной стороне с настроенной цепью катушки. Регулирование поддерживается за счет магнитного насыщения вторичных обмоток.Чтобы узнать больше о вариаторах, ознакомьтесь с нашей статьей — Трансформатор постоянного напряжения.

Некоторые применения регуляторов напряжения

  • Используется во всех блоках питания электронных гаджетов для регулирования напряжения и спасения устройства от повреждений
  • Используется с генератором двигателей внутреннего сгорания для регулирования выходной мощности генератора.
  • Используется для электронных схем для подачи точного количества напряжения

Примечание. Стабилизаторы напряжения отличаются от стабилизаторов напряжения.Регуляторы используются для понижения напряжения до желаемого уровня, тогда как стабилизатор «стабилизирует» напряжение. Регуляторы в основном используются для постоянного тока, а стабилизаторы — для переменного тока. Стабилизаторы удерживают напряжение от слишком высокого или слишком низкого, чтобы не повредить подключенное к нему устройство, например телевизор или холодильник.

Цепи стабилизации напряжения

с использованием транзистора (BJT) и стабилитрона

Цепи регулирования напряжения (регуляторы напряжения):

Регулировка напряжения в цепи означает, что нам в голову придет стабилитрон.Но это не универсальное решение для регулирования напряжения.
В этом коротком посте мы вкратце обсудим различные схемы регуляторов напряжения ….
Рекомендуется прочитать о том, как стабилитрон обеспечивает стабилизацию напряжения в цепи. прежде чем продолжить ….

Стабилитрон на основе стабилитрона:

Мы можем сделать простой стабилизатор напряжения, используя стабилитрон, как показано на рисунке ниже.
Поскольку мы уже подробно обсуждали регулирование напряжения с помощью стабилитрона, здесь мы увидим ограничения / ограничения.

  1. Выходное напряжение V OUT не может быть настроено на точное значение.
  2. Стабилитрон обеспечивает лишь умеренную защиту от пульсаций напряжения.
  3. При изменении импеданса нагрузки стабилизатор стабилитрона не работает эффективно.
  4. Для соответствия большим колебаниям нагрузки следует использовать стабилитрон с большой номинальной мощностью. Это будет дорого.

Транзисторный стабилизатор напряжения: Схема № 1

На схеме ниже показан стабилизатор напряжения на транзисторе.
По сравнению со стабилитроном обеспечивает лучшее регулирование.
Эта схема обеспечивает регулировку напряжения с широкими вариациями нагрузки.
В дополнение к этому, он обеспечит высокий выходной ток с лучшей стабильностью.

Эта схема аналогична предыдущей, за исключением того, что стабилитрон подключен к базе npn-транзистора.

  • Стабилитрон используется для регулирования тока от коллектора к эмиттеру.
  • Конденсатор (C) встроен для уменьшения шума стабилитрона.
  • В сочетании с резистором (R) он также образует RC-фильтр, который используется для уменьшения пульсаций напряжения.
  • BJT используется в конфигурации эмиттер-повторитель.
    т.е. эмиттер будет следовать за базой.
  • Стабилитрон используется для регулирования базового напряжения, которое приводит к регулируемому напряжению эмиттера.

Обратите внимание, что в транзисторе ток, требуемый базой, всего в 1 / hFE умноженный на ток эмиттера и коллектора. Таким образом, стабилитрон малой мощности может регулировать базовое напряжение BJT, которое может пропускать через него огромный ток.

Стабилизатор напряжения на основе BJT: Схема № 2
  • В некоторых случаях стабилитрон, подключенный к базе транзистора, не обеспечивает достаточного тока базы.
  • Для решения этой проблемы используется дополнительный транзистор, как показано на следующей схеме.
  • Этот дополнительный транзистор действует как усилитель.
  • Он усиливает ток, посылаемый на базу верхнего транзистора (т. Е. Ток базы верхнего BJT).

Спасибо, что прочитали о схемах стабилизации напряжения…

Подробнее:

Идеи проекта Arduino в реальном времени (проекты аналогового ввода)
Разница между механическим и электронным коммутатором
Мини-проект электроники для студентов-дипломников
Как использовать микросхему мостового выпрямителя? Как определить терминалы?

Пожалуйста, оставьте свои комментарии ниже …

Базовые знания регулятора напряжения (1/4)

Обзор линейного регулятора CMOS

История линейных стабилизаторов CMOS относительно нова.Они разработали портативные электронные устройства с батарейным питанием. Поскольку процессы CMOS используются в крупномасштабных интегральных схемах, таких как LSI и микропроцессоры, они постоянно миниатюризируются. Используя все преимущества технологии миниатюризации, линейные КМОП-регуляторы превратились в ИС управления питанием, которые широко используются в портативной электронике для реализации низкопрофильного, низкого падения напряжения и низкого тока питания.

Чем они отличаются от биполярных линейных регуляторов?

Как правило, линейный стабилизатор CMOS обеспечивает более низкий ток питания по сравнению с биполярным линейным стабилизатором.Это связано с тем, что биполярный процесс управляется током, а процесс CMOS — напряжением. [См. Рис. 1]

[Рис. 1] Устройство, управляемое током и устройство, управляемое напряжением

Транзистор биполярный

Ток проходит между эмиттером и коллектором, когда ток базы включен. Чтобы получить выходной ток, должен быть включен базовый ток.

МОП-транзистор

Ток проходит между истоком и стоком, когда напряжение заряжается на затворе.После того, как электрический заряд заряжен, ток для включения не требуется.

Линейные регуляторы, для которых не требуется синхронизация, особенно подходят для достижения низкого тока питания, поскольку рабочий ток регуляторов может быть почти нулевым в цепях, отличных от аналоговых рабочих цепей.

Одним из примеров биполярных линейных регуляторов являются многоцелевые 3-контактные регуляторы серии 78. Поскольку диапазон входного напряжения этой серии достигает 30 В ~ 40 В, а серия может потреблять ток более 1 А, серия используется в различной бытовой технике и промышленном оборудовании.Тем не менее, в сериях не так много отсева, потому что структура выходных данных серии — NPN Darlington Output. В таблице 1 приведены некоторые основные характеристики серии.

[Таблица 1] Основные характеристики универсальных регуляторов серии 78
Серия продуктов Максимальный
Выходной ток
Номинальное входное напряжение
Напряжение
Рабочий
Ток
Падение напряжения
78xx 35 В, 40 В 4 ~ 8 мА 2 В при 1 А
78Mxx 500 мА 35 В, 40 В 6 ~ 7 мА 2 В при 350 мА
78Nxx 300 мА 35 В, 40 В 5 ~ 6 мА 1.7 В при 200 мА

2 В при 300 мА
78Lxx 100 мА 30В, 35В, 40В 6 ~ 6,5 мА 1,7 В при 40 мА

Тем не менее, количество процессов, необходимых для биполярных линейных регуляторов, составляет примерно половину или две трети процесса CMOS, и, следовательно, биполярный линейный регулятор более рентабелен, чем стабилизатор CMOS, даже если его размер матрицы больше. Таким образом, биполярный линейный регулятор лучше подходит для использования с большим током или высоким напряжением.С другой стороны, технологии миниатюризации процесса CMOS хорошо разработаны и имеют такие преимущества, как низкое напряжение, малое падение напряжения, малый размер и низкое энергопотребление.

Где и как используется CMOS?

Линейные стабилизаторы CMOS

широко используются в портативных электронных устройствах с батарейным питанием из-за их низкого падения напряжения и низких характеристик тока питания. Регуляторы LDO (Low Dropout) позволяют использовать батарею до предела, и поэтому регуляторы теперь являются важными ИС управления питанием для таких устройств, как мобильные телефоны, цифровые камеры и портативные компьютеры, чтобы иметь длительный срок службы батареи.Поскольку стабилизаторы LDO способны протягивать большой ток с малым перепадом входного-выходного напряжения при минимальных тепловых потерях, они могут удовлетворить широкий диапазон требований к току каждого устройства.

Некоторые типы регуляторов с низким током питания используют ток автономного питания менее 1 мкА. Благодаря этой особенности, эти типы регуляторов могут поддерживать ток питания электронных устройств и беспроводных приложений, таких как мобильные телефоны, на максимально низком уровне, когда эти устройства находятся в спящем режиме.Поскольку эти регуляторы также могут обеспечить преимущества технологии миниатюризации CMOS, они открывают большой потенциал для мобильных электронных устройств, которым требуется низкий профиль и высокая точность.

Пакеты

Стандартные пакеты, используемые для линейных стабилизаторов CMOS: SOT-23 и SOT-89. В последнее время также стали доступны сверхмалые пакеты, такие как CSP (пакет масштабирования микросхемы). Поскольку разработка ИС управления питанием обусловлена ​​развитием мобильных устройств, они обычно помещаются в небольшие корпуса для поверхностного монтажа.На рисунке 1 показаны типичные упаковки.

[Рисунок 1] Примеры пакетов регуляторов CMOS

SOT-89: Стандартный пакет миниатюрных форм

SOT-23: Стандартный пакет мини-пресс-форм

USP-6C: Стандартная упаковка типа USP

USPQ-4B04: Стандартная упаковка типа USP

USP-6B06: Стандартный корпус типа USP

WLP-5-02: Стандартный пакет типа WLP

Особенности: Что умеет CMOS?

Идея линейных регуляторов в качестве ИС управления питанием заключается в том, что они напрямую подключаются к батарее или адаптеру переменного тока, поэтому вы должны обращать внимание на максимальное входное напряжение.Правила проектирования ИС для процессов CMOS меняются в зависимости от максимального входного напряжения, а максимальное входное напряжение и технология микроминиатюризации находятся в обратной зависимости; они не действуют взаимно, как «большее служит меньшему». Если вы выберете высокое входное напряжение, размер ИС будет больше, а его производительность снизится, а если вы выберете ИС небольшого размера, вам нужно будет осторожно относиться к максимальному входному напряжению. Существуют различные стабилизаторы CMOS с различным максимальным входным напряжением для различных приложений.Вы должны выбрать наиболее подходящие, внимательно изучив типы источников питания и желаемые характеристики вашего устройства [см. Таблицу 2].

[Таблица 2] Категории продукции по рабочему напряжению (трехконтактные регуляторы напряжения)
Рабочее напряжение Серия продуктов Пакет
Фармакопея США-3 СОТ-23 СОТ-89 СОТ-223 К-252
1.5 В ~ 6 В XC6218
1,8 В ~ 6 В XC6206
2 В ~ 10 В XC6201
2 В ~ 20 В XC6202
2 В ~ 28 В XC6216

Линейные стабилизаторы CMOS

можно разделить на категории с низким током питания, большим током, высоким напряжением, быстродействием, LDO и т. Д.Для этих категорий нет строгого определения, но обычно «низкий ток питания» — это те, у которых ток питания составляет несколько мкА, «большой ток» — те, которые могут тянуть 500 мА или более, «высокое напряжение» — те, которые имеют напряжение от 15 В до 20 В или более, а «высокоскоростной» — это те, у которых частота подавления пульсаций составляет приблизительно 60 дБ при 1 кГц. «LDO» также не имеет точного определения. Первоначально это относилось к низкому выпадению выхода PNP и выхода P-ch MOSFET, по сравнению с выпадением выхода эмиттерного повторителя NPN и выхода NPN Дарлингтона биполярного линейного регулятора.На рисунке 2 показаны типы выходных транзисторов. В наши дни значение менее 2 Ом при 3,3 В при преобразовании сопротивления во включенном состоянии становится одним из стандартов определения.

[Рисунок 2] Модели выходных драйверов

Выход повторителя эмиттера NPN

Цепь управления должна быть на 0,6 В (базовое напряжение) выше, чем выходной контакт, чтобы протекать базовый ток. Схема управления работает от входного источника питания, поэтому необходимо падение напряжения 0,6 В.

NPN Выход Дарлингтона

1.Требуется падение напряжения 2 В или более, поскольку схема состоит из 2 цепей эмиттерных повторителей. Схема может выводить большой ток, потому что базовый ток нагрузочного транзистора может быть усилен предварительным драйвером.

Транзисторный выход PNP

PMOS транзисторный выход

Транзистор включается, когда входное напряжение ниже, чем напряжение базы и / или подается напряжение затвора. Нет ограничений на входное напряжение источника питания относительно выходного напряжения.Падение напряжения невелико, потому что схема работает, если есть базовое напряжение или напряжение затвора, а также входное напряжение питания, которое может управлять схемой управления.

Помимо вышеуказанных типов регуляторов, существуют регуляторы с функцией ВКЛ / ВЫКЛ с помощью контакта Chip Enable в зависимости от потребности, композитные регуляторы с 2 или 3 каналами, регуляторы со встроенным детектором напряжения и многое другое. Такое разнообразие — еще одна особенность CMOS. Это связано с тем, что процесс CMOS может легко масштабировать схемы и снизить ток питания, поскольку он может полностью отключить определенные блоки ИС, когда схемы отключаются по отдельности.На рисунке 3 показана блок-схема 2-канальных выходных регуляторов серии XC6415. Этот продукт может включать и выключать VR1 и VR2 независимо.

[Рисунок 3] Блок-схема 2-канального регулятора (серия XC6415)

Внутренняя схема и базовая структура

Внутренняя схема состоит из источника опорного напряжения, усилитель ошибки, с предварительно установленной резистором выходного напряжения, и выходной Р-канальный МОП-транзистор транзистора.В некоторых схемах также есть ограничитель постоянного тока, схема возврата и функция теплового отключения в целях защиты. Так как трудно построить опорные схемы запрещенной зоны, которые используются для биполярных процессов в качестве источника опорного напряжения, как правило, источники опорного напряжения, используемые являются уникальными для процесса CMOS. По этой причине температурные характеристики выходного напряжения, как правило, немного хуже, чем у биполярных линейных регуляторов.

Кроме того, внутренняя фазовая компенсация и схемы различаются в зависимости от типов регуляторов, таких как малый ток питания, высокая скорость и совместимость с конденсаторами с низким ESR.Например, в то время как регулятор низкого тока питания обычно использует два усилителя, высокоскоростной регулятор иногда содержит три усилителя. На рисунке 4 показана принципиальная принципиальная блок-схема высокоскоростного регулятора.

Добавляя буферный усилитель между предусилителем и выходным P-канальным MOSFET-транзистором, буферный усилитель может управлять нагрузочным P-ch MOSFET транзистором с более высокой скоростью, несмотря на большую емкость затвора. Выходное напряжение может определяться номиналами разделенных резисторов R1 и R2, а предельное значение тока определяется номиналами разделенных резисторов R3 и R4.Каждое значение точно устанавливается путем обрезки. Многие регуляторы высокоскоростного типа совместимы с конденсаторами с низким ESR, такими как керамические конденсаторы, потому что они в основном используются для беспроводных приложений и портативных электронных устройств, и поэтому необходимо их уменьшение.

[Рисунок 4] Принципиальная принципиальная блок-схема регулятора быстродействующего типа

Следующая страница

Важные особенности линейного регулятора CMOS

Что такое регулятор напряжения и как он работает?

Регулятор напряжения — это устройство, которое поддерживает напряжение источника питания в заданных пределах.Это полезное устройство поддерживает выходное напряжение на одном уровне даже при изменении условий нагрузки или входного напряжения. Стабилизатор напряжения бывает двух типов: линейный и импульсный.

Описание линейного напряжения и импульсного регулятора

В линейном стабилизаторе используется устройство с активным проходом, называемое биполярным переходным транзистором (BJT) или MOSFET, управляемое дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Он в основном дифференцирует выходное напряжение с определенным напряжением, а затем регулирует проходное устройство, чтобы выходное напряжение оставалось в стандартном диапазоне.

С другой стороны, импульсный стабилизатор работает путем преобразования входного постоянного напряжения в другое напряжение с помощью переключателя. Затем выходной сигнал постоянного тока подается обратно на контроллер схемы, чтобы регулировать передачу и поддерживать постоянное выходное напряжение.

Топологии импульсного регулятора

Топология — это изучение геометрических свойств и пространственных отношений в математике. По сути, топология — это способ расположения элементов.

Существует 3 основных топологии импульсных регуляторов: понижающая (понижающая), повышающая (повышающая) и понижающая-повышающая, которые представляют собой комбинацию обоих.Остальные топологии — обратноходовая, SEPIC, Cuk, двухтактная, прямая, мостовая и полумостовая.

Каким образом частота коммутации влияет на конструкцию регулятора

Частота переключения может повлиять на эффективность и производительность конструкции регулятора. Более высокая частота переключения означает больший шум, но с этим можно справиться, добавив фильтр нижних частот.

Однако регулировка частоты зависит от требований каждой системы. Кроме того, более высокая частота переключения означает уменьшение пространства на плате; в регуляторе напряжения можно использовать конденсаторы и катушки индуктивности меньшего размера.

Что такое потери при переключении?

Коммутационные потери возникают, когда переключатель питания переключается из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ и наоборот. Кроме того, потери мощности или переключения возникают из-за большего количества переходов в секунду при переходе на более высокие частоты. Подводя итог, потери связаны с активностью выключателя питания.

Линейные регуляторы и импульсные регуляторы

Линейный стабилизатор — это самый простой способ регулирования выходного напряжения от источника питания.Для работы требуется только минимальное падение напряжения. Линейные регуляторы подходят только для маломощных устройств. Он может быть менее сложным и дешевым, но менее эффективным.

С другой стороны, импульсные регуляторы

очень эффективны и надежны. Однако импульсные регуляторы издают громкий визг. В основном импульсные регуляторы могут управлять более высокими токовыми нагрузками по сравнению с линейными регуляторами.

Объяснение метода выхода импульсного регулятора

Выходное напряжение контролируется на фиксированном пределе с помощью трех методов управления: управление в режиме напряжения, управление в режиме тока и управление гистерезисом (пульсациями).

Каковы проектные характеристики микросхемы стабилизатора напряжения?

В зависимости от области применения технические характеристики конструкции различаются. Но основными характеристиками являются входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток.

Другие важные параметры включают выходной шум, переходную характеристику нагрузки, пульсирующее напряжение на выходе и КПД. А для линейных регуляторов важными характеристиками являются падение напряжения, выходной шум и коэффициент отклонения источника питания или PSRR.

Дополнительные функции для регулятора напряжения IC

Некоторые регуляторы имеют функцию отслеживания выходного напряжения, при которой выходное напряжение одного источника питания отслеживает выходное напряжение другого источника питания.


Linear MicroSystems, Inc. с гордостью предлагает свои услуги по всему миру, а также в прилегающих районах и городах вокруг нашей штаб-квартиры в Ирвине, Калифорния: Mission Viejo, Laguna Niguel, Huntington Beach, Santa Ana, Fountain Valley, Anaheim, Orange County, Фуллертон и Лос-Анджелес.

Регуляторы с малым падением напряжения | Analog Devices

Эта статья знакомит с основными топологиями и предлагает хорошее практическое использование для обеспечения стабильной работы стабилизаторов напряжения с малым падением напряжения (LDO). Мы также обсудим конструктивные характеристики семейств LDO от Analog Devices, которые предлагают гибкий подход к поддержанию динамической стабильности и стабильности по постоянному току.

Q: Что такое LDO и как они используются?

A: Стабилизаторы напряжения используются для обеспечения стабильного напряжения питания независимо от полного сопротивления нагрузки, колебаний входного напряжения, температуры и времени.Стабилизаторы с малым падением напряжения отличаются своей способностью поддерживать регулирование с небольшими различиями между напряжением питания и напряжением нагрузки. Например, когда литий-ионный аккумулятор падает с 4,2 В (полностью заряженный) до 2,7 В (почти разряженный), LDO может поддерживать постоянное напряжение 2,5 В на нагрузке.

Таким образом, рост числа портативных приложений побудил разработчиков рассматривать LDO для поддержания необходимого напряжения системы независимо от состояния заряда батареи. Но портативные системы — не единственный вид приложений, которым могут быть полезны LDO.Любое оборудование, которому требуется постоянное и стабильное напряжение, минимизирующее входное питание (или работающее с большими колебаниями в восходящем питании), является кандидатом для LDO. Типичные примеры включают схемы с цифровыми и ВЧ нагрузками.

А «линейный» регулятора напряжения серии (рисунок 1), как правило, состоит из опорного напряжения, средство масштабирования выходного напряжения и сравнения его с эталонным, усилитель обратной связи, а также ряд частот транзистора (биполярного или полевого транзистора), чье напряжение падение контролируется усилителем, чтобы поддерживать выход на требуемом значении.Если, например, ток нагрузки уменьшается, вызывая постепенное увеличение выходного сигнала, напряжение ошибки увеличивается, выход усилителя увеличивается, напряжение на проходном транзисторе увеличивается, а выходное значение возвращается к исходному значению.

Рисунок 1. Базовый режим улучшения PMOS LDO.

На рисунке 1 усилитель ошибки и транзистор PMOS образуют источник тока, управляемый напряжением. Выходное напряжение V OUT уменьшается делителем напряжения (R 1 , R 2 ) и сравнивается с опорным напряжением (V REF ).Выход усилителя ошибки управляет транзистором PMOS режима улучшения.

Падение напряжения — это разница между выходным напряжением и входным напряжением, при котором схема выходит из регулирования с дальнейшим снижением входного напряжения. Обычно считается, что это достигается, когда выходное напряжение падает до 100 мВ ниже номинального значения. Этот ключевой фактор, характеризующий регулятор, зависит от тока нагрузки и температуры перехода проходного транзистора.

Q: Как регуляторы различаются по падению напряжения?

A: Мы можем предложить три класса: стандартные регуляторы, квази-LDO и регуляторы с малым падением напряжения (LDO).

Стандартные регуляторы, в которых обычно используются транзисторы NPN pass, обычно выпадают при напряжении около 2 В.

Регуляторы

Quasi-LDO обычно используют структуру Дарлингтона (рис. 2) для реализации проходного устройства, состоящего из транзистора NPN и PNP. Падение напряжения, V SAT (PNP) + V BE (NPN), обычно составляет около 1 В — больше, чем у LDO, но меньше, чем у стандартного регулятора.

Рисунок 2. Схема квази-LDO. Регуляторы

LDO обычно являются оптимальным выбором в зависимости от напряжения падения, обычно от 100 мВ до 200 мВ.Однако недостатком является то, что ток заземления LDO обычно выше, чем у квази-LDO или стандартного стабилизатора.

Стандартные регуляторы

имеют более высокое падение напряжения и рассеивание, а также более низкий КПД, чем другие типы. В большинстве случаев их можно заменить регуляторами LDO, но следует учитывать спецификацию максимального входного напряжения, которая может быть ниже, чем у стандартных регуляторов. Кроме того, некоторым LDO потребуется специально подобранные внешние конденсаторы для поддержания стабильности.Эти три типа несколько различаются как по полосе пропускания, так и по соображениям динамической стабильности.

Q: Как выбрать лучший регулятор для моего приложения?

A: Чтобы выбрать правильный регулятор для конкретного приложения, необходимо учитывать тип и диапазон входного напряжения (например, выходное напряжение преобразователя постоянного тока в постоянный или импульсного источника питания перед регулятором). Также важны: требуемое выходное напряжение, максимальный ток нагрузки, минимальное падение напряжения, ток покоя и рассеиваемая мощность.Часто могут быть полезны дополнительные функции, такие как вывод выключения или флаг ошибки, чтобы указать на потерю регулирования.

Необходимо учитывать источник входного напряжения, чтобы выбрать подходящую категорию LDO. В приложениях с батарейным питанием LDO должны поддерживать необходимое системное напряжение при разряде батареи. Если входное постоянное напряжение поступает от выпрямленного источника переменного тока, падение напряжения может быть некритичным, поэтому стандартный стабилизатор, который может быть дешевле и обеспечивать больший ток нагрузки, может быть лучшим выбором.Но LDO может быть правильным выбором, если требуется меньшее рассеивание мощности или более точное выходное напряжение.

Разумеется, регулятор должен обеспечивать достаточный ток нагрузки с заданной точностью в наихудших условиях.

Топологии LDO

На рисунке 1 проходным устройством является транзистор PMOS. Однако доступны различные пропускные устройства, и LDO можно классифицировать в зависимости от того, какой тип пропускного устройства используется. Их различная структура и характеристики обладают различными преимуществами и недостатками.

Примеры четырех типов проходных устройств показаны на рисунке 3, включая биполярные транзисторы NPN и PNP, схемы Дарлингтона и транзисторы PMOS.

Рисунок 3. Примеры проходных устройств.

При заданном напряжении питания биполярные проходные устройства могут обеспечивать максимальный выходной ток. PNP предпочтительнее NPN, потому что база PNP может быть заземлена, при необходимости полностью насыщая транзистор. Основание NPN можно подтянуть только до напряжения питания, ограничивая минимальное падение напряжения до одного В BE .Следовательно, устройства пропускания NPN и Дарлингтона не могут обеспечить падение напряжения ниже 1 В. Однако они могут быть полезны там, где необходимы широкая полоса пропускания и устойчивость к емкостной нагрузке (благодаря их характерно низкому Z OUT ).

Транзисторы

PMOS и PNP могут быть эффективно насыщены, сводя к минимуму потери напряжения и мощность, рассеиваемую проходным устройством, что позволяет использовать стабилизаторы напряжения с низким падением напряжения и высоким КПД. Устройства пропускания PMOS могут обеспечить минимально возможное падение напряжения, примерно R DS ( ON ) × I L .Они также позволяют минимизировать ток покоя. Основным недостатком является то, что МОП-транзистор часто является внешним компонентом, особенно для управления большими токами, что делает ИС контроллером, а не полностью автономным регулятором.

Потери мощности в полном регуляторе

P D = (V IN — V OUT ) I L + V IN I GND

Первой частью этого отношения является рассеяние пропускного устройства; вторая часть — это потребляемая мощность контроллера части схемы.Ток заземления в некоторых регуляторах, особенно в тех, которые используют насыщаемые биполярные транзисторы в качестве проходных устройств, может достигать пика при включении питания.

Q: Как можно обеспечить динамическую стабильность LDO?

A: У классических схем LDO общего назначения есть проблемы со стабильностью. Трудности проистекают из природы их цепей обратной связи, широкого диапазона возможных нагрузок, изменчивости элементов в контуре и сложности получения прецизионных компенсирующих устройств с постоянными параметрами.Эти соображения будут рассмотрены ниже, после чего дается описание топологии схемы anyCAP ® , которая имеет улучшенную стабильность.

LDO

обычно используют контур обратной связи для обеспечения постоянного напряжения на выходе независимо от нагрузки. Как и в случае любого контура обратной связи с высоким коэффициентом усиления, положение полюсов и нулей в передаточной функции контура усиления будет определять стабильность.

Регуляторы

на основе NPN с их выходом с низким импедансом, нагруженным эмиттером, обычно относительно нечувствительны к выходной емкостной нагрузке.Однако регуляторы PNP и PMOS имеют более высокое выходное сопротивление (коллектор нагружен в случае PNP). Кроме того, усиление и фазовые характеристики контура сильно зависят от импеданса нагрузки, что требует особого внимания к стабильности.

Передаточная функция LDO на основе PNP и PMOS имеет несколько полюсов, влияющих на стабильность:

  • Доминирующий полюс (P0 на рисунке 4) устанавливается усилителем ошибки; он контролируется и фиксируется вместе с g m усилителя через внутреннюю компенсационную емкость C COMP .Этот полюс является общим для всех описанных выше топологий LDO.
  • Второй полюс (P1) задается выходными элементами (комбинация выходной емкости, емкости и сопротивления нагрузки). Это затрудняет решение проблемы приложения, поскольку эти элементы влияют как на усиление контура, так и на пропускную способность.
  • Третий полюс (P2) возникает из-за паразитной емкости вокруг проходных элементов. Силовые транзисторы PNP имеют частоту единичного усиления (f T ) намного ниже, чем у сопоставимых транзисторов NPN при тех же условиях.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика LDO.

Как показано на рисунке 4, каждый полюс дает 20 дБ / декаду спада усиления со сдвигом фазы до 90 °. Поскольку описанные здесь LDO-стабилизаторы имеют несколько полюсов, линейный регулятор будет нестабильным, если фазовый сдвиг на частоте с единичным усилением приближается к –180 °. На рисунке 4 также показан эффект нагрузки регулятора конденсатором, эффективное последовательное сопротивление которого (ESR) добавит ноль (Z ESR ) в передаточную функцию. Этот ноль поможет компенсировать один из полюсов и может помочь стабилизировать контур, если он возникает ниже частоты единичного усиления и удерживает фазовый сдвиг значительно ниже –180 ° на этой частоте.

ESR может иметь решающее значение для стабильности, особенно для LDO с устройствами вертикального прохода PNP. Однако, как паразитное свойство конденсатора, ESR не всегда хорошо контролируется. Схема может потребовать, чтобы ESR попадал в определенное окно, чтобы гарантировать, что LDO работает в стабильной области для всех выходных токов (рисунок 5).

Рис. 5. Стабильность как функция выходного тока и ESR нагрузочного конденсатора.

Даже в принципе, выбор правильного конденсатора с правильным ESR (достаточно высоким, чтобы уменьшить наклон до того, как частотная характеристика пересечет 0 дБ, но достаточно низким, чтобы снизить коэффициент усиления ниже 0 дБ до соответствующего полюса P2), может быть сложной задачей.Однако практические соображения создают дополнительные проблемы: СОЭ варьируется в зависимости от марки; а минимальное значение емкости для использования в производстве потребует стендовых испытаний, включая экстремальные случаи с минимальной температурой окружающей среды и максимальной нагрузкой. Также важен выбор типа конденсатора. Возможно, наиболее подходящими являются танталовые конденсаторы, несмотря на их большой размер в диапазоне более высоких емкостей. Алюминиевые электролиты компактны, но их СОЭ имеет тенденцию к ухудшению при низких температурах, и они плохо работают при температурах ниже –30 ° C.Многослойные керамические типы не обладают достаточной емкостью для обычных LDO (но они подходят для любых конструкций конденсаторов, читайте дальше).

Семейство LDO-устройств AnyCAP Analog Devices

Реализация LDO теперь значительно упростилась благодаря улучшениям в характеристиках постоянного и переменного тока, связанных с регуляторами, использующими архитектуру Analog Devices anyCAP LDO. Как следует из этого термина, регуляторы, воплощающие его, относительно нечувствительны как к размеру конденсатора, так и к его ESR, что позволяет использовать более широкий диапазон выходной емкости.Подход распространился и теперь более широко доступен на рынке, но может быть полезно понять, как эта архитектура (рисунок 6) упрощает проблему стабильности.

Рисунок 6. Упрощенная схема anyCAP LDO.

Семейство LDO anyCAP, включая ADP3307 на 100 мА и ADP3331 с низким током 200 мА, может оставаться стабильным при выходной емкости всего 0,47 мкФ при использовании качественных конденсаторов любого типа, включая компактные многослойные керамические. . СОЭ по сути не является проблемой.

Упрощенная схема на Рисунке 6 показывает, как один контур обеспечивает функции регулирования и задания. Выходной сигнал воспринимается внешним делителем напряжения R1-R2 и возвращается на вход усилителя с высоким коэффициентом усиления через диод D1 и делитель R3-R4. В состоянии равновесия усилитель вырабатывает большое, повторяемое, хорошо контролируемое напряжение смещения, которое пропорционально абсолютной температуре (PTAT). Это напряжение в сочетание с комплементарным термочувствительным падением напряжения на диод, чтобы сформировать неявную ссылку, а не зависящая от температуры виртуального напряжения запрещенной зоны.

Выход усилителя подключается к необычному неинвертирующему драйверу, который управляет проходным транзистором, позволяя частотной компенсации включать нагрузочный конденсатор в схему разделения полюсов на основе компенсации Миллера. Это снижает чувствительность к значению, типу и ESR нагрузочного конденсатора. Дополнительные преимущества схемы с разделением полюсов включают превосходное подавление линейного шума и очень высокий коэффициент усиления регулятора, что обеспечивает исключительную точность и отличное регулирование линии и нагрузки.

Q: Не могли бы вы обсудить семейства LDO от Analog Devices?

A: Выбор LDO зависит, конечно, от диапазона напряжения питания, напряжения нагрузки и требуемого максимального напряжения падения. Основные различия между устройствами заключаются в энергопотреблении, эффективности, цене, простоте использования, а также в различных технических характеристиках и доступных упаковках.

Популярное семейство ADP33xx anyCAP LDO ADI присутствует на рынке уже несколько лет. Основанный на процессе BiCMOS и проходном транзисторе PNP, он обеспечивает хорошее регулирование и многие из упомянутых выше преимуществ, но, как правило, несколько дороже, чем компоненты CMOS.

Некоторые недавние разработки, такие как семейство ADP17xx, полностью основаны на КМОП, с проходным транзистором PMOS, что позволяет изготавливать LDO с меньшими затратами, но с компромиссом в отношении характеристик линейного регулирования. Устройства этого семейства могут работать с большим диапазоном выходной емкости, но им все равно требуется не менее 1 мкФ и ESR ≤500 МОм. Например, ADP1710 и ADP1711 с током 150 мА оптимизированы для стабильной работы с небольшими керамическими выходными конденсаторами 1 мкФ, что обеспечивает хорошие переходные характеристики при минимальном пространстве на плате, а ADP1712, ADP1713 и ADP1714 с током 300 мА могут использовать ≥2 .Конденсаторы 2 мкФ.

Оба этих семейства имеют 16 вариантов фиксированного выходного напряжения от 0,75 В до 3,3 В, а также вариант регулируемого выходного напряжения в диапазоне 0,8–5 В. Точность составляет ± 2% по линии, нагрузке и температуре. Версии ADP1711 и ADP1713 с фиксированным напряжением позволяют подключать опорный конденсатор; это снижает шум выходного напряжения и улучшает отклонение от источника питания. ADP1714 включает в себя функцию отслеживания, которая позволяет выходу следовать внешнему рельсу напряжения или ссылке.Падение напряжения при номинальной нагрузке составляет 150 мВ для ADP1710 и ADP1711; и 170 мВ для ADP1712, ADP1713 и ADP1714. Подавление источника питания (PSR) высокое (69 дБ и 72 дБ при 1 кГц), а энергопотребление низкое, с током заземления 40 мкА и 75 мкА при нагрузке 100 мкА.

Типичные переходные характеристики ADP1710 и ADP1711 сравниваются на рисунке 7 для шага почти полной нагрузки с входными и выходными конденсаторами 1 мкФ и 22 мкФ.

Рисунок 7. Переходный отклик ADP1710 / ADP1711.

Диапазон рабочих температур перехода от –40 ° C до + 125 ° C. Оба семейства доступны в крошечных 5-выводных корпусах TSOT, компактное решение для различных потребностей в питании.

Назад к основам: ИС регуляторов напряжения, часть 1

Среди регуляторов, самый простой регулятор цепи для регулятора напряжения с низким падением напряжения (LDO), топология показана на рис. 1. В качестве линейного регулятора напряжения, его основными компонентами являются пропуском транзистор, усилитель ошибки, опорное напряжение, и выходной мощности МОП-транзистор.Один вход усилителя ошибки, установленный резисторами R1 и R2, контролирует процентное значение выходного напряжения. Другой входом является ссылкой стабильного напряжения (VREF). Если выходное напряжение увеличивается относительно VREF, усилитель ошибки изменяет выход проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (VOUT).

Рис. 1. Низкое падение напряжения и низкий ток покоя LDO делает его подходящим для портативных и беспроводных приложений.

Низкое падение напряжения относится к разнице между входным и выходным напряжениями, которая позволяет ИС регулировать выходное напряжение.То есть LDO регулирует выходное напряжение до тех пор, пока его вход и выход не сблизятся друг с другом при падении напряжения. В идеале падение напряжения должно быть как можно меньшим, чтобы минимизировать рассеивание мощности и максимизировать эффективность.

Основным преимуществом LDO IC является ее относительно «тихая» работа, поскольку она не требует переключения. Напротив, импульсный регулятор обычно работает в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц, что может создавать электромагнитные помехи, влияющие на аналоговые или радиочастотные цепи. LDO с внутренним силовым MOSFET или биполярным транзистором могут обеспечивать выходы в диапазоне от 50 до 500 мА.Низкое падение напряжения и низкий ток покоя LDO делает его подходящим для портативных и беспроводных приложений.

Падение напряжения стабилизатора LDO определяет наименьшее используемое входное напряжение питания. То есть, хотя в спецификациях может быть указан широкий диапазон входного напряжения, входное напряжение должно быть больше, чем напряжение падения плюс выходное напряжение. Для LDO с выпадением 200 мВ входное напряжение должно быть выше 3,5 В, чтобы на выходе было 3,3 В.

При использовании LDO разница между входным и выходным напряжением может быть небольшой, а выходное напряжение должно строго регулироваться.Кроме того, переходная характеристика должна быть достаточно быстрой, чтобы выдерживать нагрузку от нуля до десятков ампер за наносекунды. Кроме того, выходное напряжение может изменяться из-за изменений входного напряжения, выходного тока нагрузки и температуры. В первую очередь, эти вариации выходных вызваны действием температуры на опорного напряжения LDO, усилитель ошибки, и ее выборки резисторов (R1 и R2).

РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНОГО РЕЖИМА

Во многих приложениях линейные источники питания были заменены импульсными источниками.На рис. 2 показан типичный изолированный импульсный источник питания.

Рис. 2. Импульсный источник питания включает и выключает входной постоянный ток, а затем выпрямляет его для получения выходного постоянного тока.

Один из широко используемых подходов использует время включения и выключения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления выходным напряжением переключателя мощности. Отношение времени включения к времени периода переключения — это рабочий цикл. Чем выше рабочий цикл, тем выше выходная мощность переключателя силового MOSFET.Фильтр нижних частот, подключенный к выходному трансформатору, обеспечивает напряжение, пропорциональное времени включения и выключения контроллера ШИМ. Во время работы часть выходного постоянного напряжения возвращается в усилитель ошибки, который заставляет компаратор управлять временем включения и выключения ШИМ. Если выходное напряжение изменяется, обратная связь регулирует рабочий цикл, чтобы поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне.

Для генерирования ШИМ-сигнала, усилитель ошибки принимает в качестве входного сигнала обратной связи и ссылки стабильное напряжение для получения выходного сигнала, связанный с разностью двух входов.Компаратор сравнивает выходное напряжение усилителя ошибки с пилообразной характеристикой генератора, создавая модулированную ширину импульса. Выход компаратора подается на драйвер, выход которого идет на силовой полевой МОП-транзистор.

Выходной фильтр нижних частот индуктора-конденсатора преобразует коммутируемое напряжение переключающего трансформатора в постоянное напряжение. Фильтр не идеален, поэтому всегда есть некоторый остаточный выходной шум, называемый пульсацией. Величина пульсации зависит от эффективности фильтра нижних частот на частоте переключения.Частоты переключения источника питания могут находиться в диапазоне от 100 кГц до более 1 МГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньшего номинала в выходном фильтре нижних частот. Однако более высокие частоты также могут увеличивать потери в силовых полупроводниках, что снижает эффективность источника питания.

Что касается рассеиваемой мощности, выключатель питания является ключевым компонентом импульсного источника питания. Переключатель обычно представляет собой силовой полевой МОП-транзистор, который работает только в двух состояниях — включенном и выключенном.В выключенном состоянии переключатель питания потребляет очень мало тока и рассеивает очень мало энергии. Во включенном состоянии переключатель питания потребляет максимальное количество тока, но его сопротивление во включенном состоянии невелико, поэтому в большинстве случаев его рассеиваемая мощность минимальна. При переходе из включенного состояния в выключенное и выключенного во включенное состояние переключатель питания проходит через свою линейную область, где он потребляет некоторую мощность. Таким образом, общие потери для переключателя мощности складываются из потерь во включенном и выключенном состояниях плюс потери при переходе через его линейную область.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИС

ИС для импульсных источников питания бывают двух основных конфигураций: ИС преобразователя и ИС контроллера.

ИС преобразователя представляют собой полный преобразователь постоянного тока в постоянный в одном корпусе. Единственными необходимыми внешними компонентами обычно являются пассивные устройства. Переключатели питания могут быть биполярными или полевыми МОП-транзисторами, способными обрабатывать требуемый ток и мощность. Обычно силовой полупроводниковый переключатель включается и выключается с частотой от 100 кГц до 1 МГц, в зависимости от типа ИС.Большинство переключателей мощности используют широтно-импульсную модуляцию для управления выходным напряжением, поэтому рабочий цикл изменяется в соответствии с желаемым выходным напряжением.

Для ИС контроллера требуется внешний переключатель питания, либо биполярный транзистор, либо силовой полевой МОП-транзистор. Схема контроллера, в которой используется внешний переключатель питания, обычно имеет более высокий КПД, чем преобразователь со встроенным силовым полевым МОП-транзистором, поскольку интегрированные полевые МОП-транзисторы имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии (более высокие потери). Сопротивление во включенном состоянии внешнего силового MOSFET ниже, и MOST обычно имеет более высокую выходную мощность, чем IC со встроенным MOSFET.

И для преобразователя, и для ИС контроллера частота коммутации определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра. Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и меньшие значения компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. То есть материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

Преобразователи постоянного тока в постоянный принимают входной и вырабатывают постоянный ток. Они могут быть изолированными или неизолированными, в зависимости от того, есть ли прямой путь постоянного тока от входа к выходу. В изолированном преобразователе (рис. 2) используется трансформатор, обеспечивающий изоляцию между входным и выходным напряжением. В неизолированном преобразователе используется индукторно-конденсаторный фильтр, а оптопара обычно обеспечивает изоляцию между выходной обратной связью и входом. Для многих приложений подходят неизолированные преобразователи.Преимущество преобразователя на основе трансформатора заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений, используя несколько вторичных обмоток.

Первоначально в преобразователях с интегрированным переключателем мощности использовались биполярные переключатели питания, но практически во всех новых устройствах используются переключатели питания на полевых МОП-транзисторах, которые повышают эффективность. Еще одним улучшением эффективности является использование интегрированных синхронных выпрямителей, состоящих из переключателей силовых полевых МОП-транзисторов, которые выпрямляют выход источника питания и обеспечивают выход постоянного тока.

Среди функций, имеющихся в ИС преобразователя и контроллера:

• Постоянное или регулируемое выходное напряжение

• Несимметричные или синхронные выходы

• Плавный пуск, обеспечивающий постепенное увеличение мощности

• Блокировка минимального напряжения

• Тепловое отключение

• Максимальная токовая защита

• Защита от перенапряжения

НАСОС НАСОС ICS

Зарядные насосы на самом деле представляют собой другую форму переключения питания.Они переключают конденсаторы, чтобы обеспечить преобразование постоянного напряжения, используя сеть переключателей для зарядки и разрядки одного или нескольких конденсаторов. Сеть переключателей переключает между состояниями заряда и разряда конденсаторов. Как показано на рис. 3, «летающий конденсатор» (C1) перемещает заряд, а «накопительный конденсатор» (C2) удерживает заряд и фильтрует выходное напряжение.

Рис. 3. Преимуществом зарядового насоса является устранение магнитных полей и электромагнитных помех, которые возникают с помощью индуктора или трансформатора.

В базовом насосе заряда отсутствует регулирование, которое обычно добавляется с использованием либо линейного регулирования, либо модуляции насоса заряда. Линейное регулирование обеспечивает наименьший выходной шум и, следовательно, лучшую производительность. Модуляция подкачки заряда обеспечивает больший выходной ток для данного размера (или стоимости) кристалла, потому что ИС регулятора не обязательно должна включать в себя транзистор с последовательным проходом.

Основным преимуществом зарядового насоса является устранение магнитных полей и электромагнитных помех, которые возникают с индуктором или трансформатором.Существует один возможный источник электромагнитных помех — высокий зарядный ток, который течет к «летающему конденсатору», когда он подключается к входному источнику или другому конденсатору с другим напряжением.

MOSFET, потому что интегрированные MOSFET имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии (более высокие потери). Сопротивление во включенном состоянии внешнего силового MOSFET ниже, и MOST обычно имеет более высокую выходную мощность, чем IC со встроенным MOSFET.

И для преобразователя, и для ИС контроллера частота коммутации определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра.Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и меньшие значения компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. То есть материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

Преобразователи постоянного тока в постоянный принимают входной и вырабатывают постоянный ток. Они могут быть изолированными или неизолированными, в зависимости от того, есть ли прямой путь постоянного тока от входа к выходу.В изолированном преобразователе (рис. 2) используется трансформатор, обеспечивающий изоляцию между входным и выходным напряжением. В неизолированном преобразователе используется индукторно-конденсаторный фильтр, а оптопара обычно обеспечивает изоляцию между выходной обратной связью и входом. Для многих приложений подходят неизолированные преобразователи. Преимущество преобразователя на основе трансформатора заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений, используя несколько вторичных обмоток.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / РЕГУЛЯТОР С НЕСКОЛЬКИМИ ВЫХОДАМИ ICS

ИС контроллеров с несколькими выходами состоят из двух или более регуляторов в одном корпусе.Это могут быть два импульсных преобразователя или два регулятора LDO.

Примером двойного импульсного регулятора является понижающий DC-DC преобразователь с двойным током в режиме ШИМ с внутренними переключателями питания 2 А, эта ИС работает от входного напряжения от 3,6 В до 25 В, что позволяет регулировать широкий диапазон мощности. такие источники, как четырехэлементные батареи, логические шины 5 В, нерегулируемые настенные трансформаторы, свинцово-кислотные батареи и распределенные источники питания. Эти два регулятора разделяет общую схему, включая источник входного сигнала, опорное напряжение и генератор, но в остальном независимы.Их контур обратной связи контролирует пиковый ток в переключателе во время каждого цикла. Это управление в режиме тока улучшает динамику контура и обеспечивает ограничение тока от цикла к циклу.

Пример микросхемы стабилизатора напряжения с двумя выходами и малым падением напряжения имеет встроенные функции сброса, сброса при включении (POR) и стабилизации питания (PG). Дифференцированные функции, такие как точность, быстрая переходная характеристика, схема контроля (сброс при включении питания), вход ручного сброса и независимые функции включения, обеспечивают полное системное решение.Эти регуляторы напряжения имеют чрезвычайно низкий уровень шума на выходе без использования каких-либо дополнительных байпасных конденсаторов фильтра и разработаны для обеспечения быстрой переходной характеристики и обычно стабильны с конденсаторами с низким ESR.

Это семейство LDO также может иметь спящий режим; подача высокого сигнала на разрешающий вход отключает Регулятор 1 или Регулятор 2 соответственно. Перевод регуляторов в спящий режим снижает входной ток до TJ = 25 ° C. Каждый регулятор имеет внутренний разрядный транзистор для разрядки выходного конденсатора, когда регулятор выключен (отключен).

Микросхемы контроллеров с несколькими выходами также могут состоять из двух или более преобразователей накачки заряда в одном корпусе. Это могут быть контроллеры с внешними переключателями питания или регуляторы с внутренним переключателем питания. Одна из возможностей — это выход 5 В и выход 3,3 В для процессоров и логических приложений.

Например, типичные микросхемы контроллера накачки заряда с несколькими выходами могут понижать преобразователи постоянного / постоянного тока, которые производят два регулируемых регулируемых выхода из одного 2.Вход от 7 В до 5,5 В. В ИС используется дробное преобразование переключаемых конденсаторов для достижения типичного повышения эффективности на 50% по сравнению с линейным регулятором. Никаких индукторов не требуется.

ИС имеет два переключаемых насоса заряда конденсаторов для понижения VIN до двух регулируемых выходных напряжений. Два нагнетательных насоса работают со сдвигом по фазе на 180 ° для уменьшения входной пульсации. Регулировка достигается путем измерения каждого выходного напряжения через внешний резистивный делитель и модуляции выходного тока накачки заряда на основе сигнала ошибки.Двухфазный, неперекрывающийся тактовый сигнал активирует два зарядных насоса, запускающих их в противофазе друг от друга.

СИНХРОННАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ

Эффективность — важный критерий при проектировании преобразователей постоянного тока, требующих малой мощности.