Стабилизатор напряжения на одном транзисторе: Схема простого параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе

Содержание

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Собираем первые устройства >

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

Ага, все-таки зашел? Что, любопытство замучило? Но я очень рад. Нет, правда. Располагайся поудобнее, сейчас мы вместе произведем некоторые нехитрые расчеты, которые нужны, чтобы сварганить тот блок питания, который мы уже сделали в первой части статьи. Хотя надо сказать, что эти расчеты могут пригодиться и в более сложных схемах.

Итак, наш блок питания состоит из двух основных узлов — это выпрямитель, состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и стабилизатор, состоящий из всего остального. Как настоящие индейцы, начнем, пожалуй, с конца и рассчитаем сначала стабилизатор.

Схема стабилизатора показана на рисунке.

Это, так называемый параметрический стабилизатор.

Состоит он из двух частей:
1 — сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором Rб
2 — эмиттерный повторитель на транзисторе VT.

Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Он играет роль как бы усилителя или если угодно — умощителя.

Два основных параметра нашего блока питания — напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки. Назовем их:
Uвых — это напряжение
и
Imax — это ток.

Для блока питания, который мы отгрохали в прошлой части, Uвых = 14 Вольт, а Imax = 1 Ампер.

Сначала нам необходимо определить какое напряжение Uвх мы должны подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых.
Это напряжение определяется по формуле:

Uвх = Uвых + 3

Откуда взялась цифра 3? Это падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 17 вольт.

Едем дальше.

Определим, какой нам нужен транзистор VT. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.

Считаем:

Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax

Тут надо учесть один момент. Для расчета мы взяли максимальное выходное напряжение блока питания. Однако, в данном расчете, надо наоборот брать минимальное напряжение, которое выдает БП. А оно, в нашем случае, составляет 1,5 вольта. Если этого не сделать, то транзистор может накрыться медным тазом, поскольку максимальная мощность будет рассчитана неверно.

Смотри сам:

Если мы берем Uвых=14 вольтам, то получаем Pmax=1.3*(17-14)*1=3.9 Вт.
А если мы примем Uвых=1.5 вольта, то Pmax=1.3*(17-1.5)*1=20,15 Вт

То есть, если бы не учли этого, то получилось бы, что расчетная мощность в ПЯТЬ раз меньше реальной. Разумеется, транзистору это сильно не понравилось бы.

Ну вот, теперь лезем в справочник и выбираем себе транзистор.
Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше Uвх, а максимальный ток коллектора должен быть больше Imax. Я выбрал КТ817 — вполне приличный транзистор…

Фу, ну вроде с этим справились. Пошли дальше.

Сначала определим максимальный ток базы свежевыбранного транзистора ( а ты как думал? в нашем жестоком мире потребляют все — даже базы транзисторов).

Iб max=Imax / h31Э min

h31Э min — это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника Если там указаны пределы этого параметра — что то типа 30…40, то берется самый маленький. Ну, у меня в справочнике написано только одно число — 25, с ним и будем считать, а что еще остается?

Iб max=1/25=0. 04 А (или 40 мА). Не мало.

Ну давайте будем теперь искать стабилитрон.
Искать его надо по двум параметрам — напряжению стабилизации и току стабилизации.

Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 14 вольтам, а ток — не менее 40 мА, то есть тому, что мы посчитали.

Полезли опять в справочник…

По напряжению нам страшно подходит стабилитрон Д814Д, к тому же он у меня был под рукой. Но вот ток стабилизации… 5 мА нам никак не годится. Чего делать будем? Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT2. Сия операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h31Э раз. h31Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Особо не думая, я взял из кучи железок КТ315. Его минимальный h31Э равен 30, то есть мы можем уменьшить ток до 40/30=1.33 мА, что нам вполне подходит.

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора Rб.

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)

где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона,
Iст min — ток стабилизации стабилитрона.

Rб = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.

Теперь определим мощность этого резистора

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб.

То есть

Prб=(17-14)2/470=0,02 Вт.

Собственно и все. Таким образом, из исходных данных — выходного напряжения и тока, мы получили все элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть подано на стабилизатор.

Однако не расслабляемся — нас еще ждет выпрямитель. Уж считать так считать, я так считаю (каламбур однако).

Итак, смотрим на схему выпрямителя.

Ну, тут все проще и почти на пальцах. Учитывая то, что мы знаем, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор — 17 вольт, вычислим напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого пойдем, как и в начале — с хвоста. Итак, после конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 17 вольт.

Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста у нас должно получиться 17/1,41=12 вольт.
Теперь учтем, что на выпрямительном мосту мы теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть 12+2=14 вольт. Вполне может случится так, что такого трансформатора не найдется, не страшно — в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 13 до 16 вольт.

Едем дальше.

Определим емкость конденсатора фильтра.

Cф=3200Iн/UнKн

где Iн — максимальный ток нагрузки,
Uн — напряжение на нагрузке,
Kн — коэффициент пульсаций.

В нашем случае
Iн = 1 Ампер,
Uн=17 вольтам,
Kн=0,01.

Cф=3200*1/14*0,01=18823.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, мы можем уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Осталось выбрать выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого нам надо знать два основных параметра — максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод.

Необходимое максимальное обратное напряжение считается так

Uобр max=2Uн, то есть Uобр max=2*17=34 Вольта.

А максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Ну а для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку.

Ну вот вроде бы и все про выпрямители и параметрические стабилизаторы.
Впереди у нас стабилизатор для самых ленивых — на интегральной микросхеме и стабилизатор для самых трудолюбивых — компенсационный стабилизатор.

<<—Часть 1—-Часть 3—>>


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Расчет стабилизатора напряжения на транзисторе и стабилитроне

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 = 160 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллекто-ра. 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.

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 = 160 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллекто-ра. 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.

Теги статьи: Добавить тег

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

Ага, все-таки зашел? Что, любопытство замучило? Но я очень рад. Нет, правда. Располагайся поудобнее, сейчас мы вместе произведем некоторые нехитрые расчеты, которые нужны, чтобы сварганить тот блок питания, который мы уже сделали в первой части статьи. Хотя надо сказать, что эти расчеты могут пригодиться и в более сложных схемах.

Итак, наш блок питания состоит из двух основных узлов – это выпрямитель, состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и стабилизатор, состоящий из всего остального. Как настоящие индейцы, начнем, пожалуй, с конца и рассчитаем сначала стабилизатор.

Схема стабилизатора показана на рисунке.

Это, так называемый параметрический стабилизатор. Состоит он из двух частей:
1 – сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором R б
2 – эмиттерный повторитель на транзисторе VT.

Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Он играет роль как бы усилителя или если угодно – умощителя.

Два основных параметра нашего блока питания – напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки. Назовем их:
Uвых – это напряжение
и
Imax – это ток.

Для блока питания, который мы отгрохали в прошлой части, Uвых = 14 Вольт, а Imax = 1 Ампер.

Сначала нам необходимо определить какое напряжение Uвх мы должны подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых.
Это напряжение определяется по формуле:

Откуда взялась цифра 3? Это падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 17 вольт.

Определим, какой нам нужен транзистор VT. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.

Тут надо учесть один момент. Для расчета мы взяли максимальное выходное напряжение блока питания. Однако, в данном расчете, надо наоборот брать минимальное напряжение, которое выдает БП. А оно, в нашем случае, составляет 1,5 вольта. Если этого не сделать, то транзистор может накрыться медным тазом, поскольку максимальная мощность будет рассчитана неверно.
Смотри сам:

Если мы берем Uвых=14 вольтам, то получаем P max =1.3*(17-14)*1=3.9 Вт.
А если мы примем Uвых=1.5 вольта, то P max =1. 3*(17-1.5)*1=20,15 Вт

То есть, если бы не учли этого, то получилось бы, что расчетная мощность в ПЯТЬ раз меньше реальной. Разумеется, транзистору это сильно не понравилось бы.

Ну вот, теперь лезем в справочник и выбираем себе транзистор.
Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше Uвх, а максимальный ток коллектора должен быть больше Imax. Я выбрал КТ817 – вполне приличный транзистор.

Фу, ну вроде с этим справились. Пошли дальше.

Считаем сам стабилизатор.

Сначала определим максимальный ток базы свежевыбранного транзистора ( а ты как думал? в нашем жестоком мире потребляют все – даже базы транзисторов).

I б max =I max / h31 Э min

h31 Э min – это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника Если там указаны пределы этого параметра – что то типа 30…40, то берется самый маленький. Ну, у меня в справочнике написано только одно число – 25, с ним и будем считать, а что еще остается?

I б max =1/25=0.04 А (или 40 мА). Не мало.

Ну давайте будем теперь искать стабилитрон.
Искать его надо по двум параметрам – напряжению стабилизации и току стабилизации.

Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 14 вольтам, а ток – не менее 40 мА, то есть тому, что мы посчитали.
Полезли опять в справочник.

По напряжению нам страшно подходит стабилитрон Д814Д, к тому же он у меня был под рукой. Но вот ток стабилизации… 5 мА нам никак не годится. Чего делать будем? Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT2. Сия операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h31Э раз. h31Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Особо не думая, я взял из кучи железок КТ315. Его минимальный h31Э равен 30, то есть мы можем уменьшить ток до 40/30=1.33 мА, что нам вполне подходит.

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора R б .

R б =(Uвх-Uст)/(I б max +I ст min )

где Uст – напряжение стабилизации стабилитрона,
Iст min – ток стабилизации стабилитрона.

R б = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.

Теперь определим мощность этого резистора

P rб =(U вх -U ст )2/R б .

P rб =(17-14)2/470=0,02 Вт.

Собственно и все. Таким образом, из исходных данных – выходного напряжения и тока, мы получили все элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть подано на стабилизатор.

Однако не расслабляемся – нас еще ждет выпрямитель. Уж считать так считать, я так считаю (каламбур однако).

Итак, смотрим на схему выпрямителя.

Ну, тут все проще и почти на пальцах. Учитывая то, что мы знаем, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор – 17 вольт, вычислим напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого пойдем, как и в начале – с хвоста. Итак, после конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 17 вольт.

Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста у нас должно получиться 17/1,41=12 вольт.
Теперь учтем, что на выпрямительном мосту мы теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть 12+2=14 вольт. Вполне может случится так, что такого трансформатора не найдется, не страшно – в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 13 до 16 вольт.

Едем дальше. Определим емкость конденсатора фильтра.

C ф =3200I н /U н K н

где Iн – максимальный ток нагрузки,
Uн – напряжение на нагрузке,
Kн – коэффициент пульсаций.

В нашем случае
Iн = 1 Ампер,
Uн=17 вольтам,
Kн=0,01.

C ф =3200*1/14*0,01=18823.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, мы можем уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Осталось выбрать выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого нам надо знать два основных параметра – максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод.

Необходимое максимальное обратное напряжение считается так

U обр max =2U н , то есть U обр max =2*17=34 Вольта.

А максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Ну а для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку.

Ну вот вроде бы и все про выпрямители и параметрические стабилизаторы.
Впереди у нас стабилизатор для самых ленивых – на интегральной микросхеме и стабилизатор для самых трудолюбивых – компенсационный стабилизатор.

SoftRos

Стабилизатор напряжения 9 В на одном транзисторе.

Очень простой стабилизатор, однако весьма эффективный поскольку используемый транзистор является мощным и способен пропускать большой ток, который у КТ805 может достигать 5А, а у КТ819 до 10 А.
Но это характеристический потолок, естественно, что предельную нагрузку ему давать не стоит.
Так же сам транзистор необходимо устанавливать на теплоотвод в случае подачи нагрузки более 0.5 А.

Элемент Значение
VT1 КТ805(819)
D1 Д814
R1 1 КОм

Стабилизатор напряжения на имс КРЕН.

Cтабилизатор, что называется, проще некуда.
Здесь используются микросхемы стабилизаторов серии КР142ЕН или попросту КРЕН.
Даже конденсатор на выходе, ёмкость которого должна состовлять 10-50 мкФ, можно опустить и использовать одну только ИМС.
Максимальный ток нагрузки такой схемы состовляет 1.5 А.
Данную ИМС необходимо устанавливать на теплоотвод, поскольку микросхема при большой нагрузке довольно сильно греется, без теплоотвода ИМС можно включать в нагрузку не более 100 мА.

КР142ЕН Вых. напряжение (В)
5
6
9
12

Регулируемый стабилизатор напряжения 1.6-36 В 1.5 А на имс КР142ЕН12А.

Еще один стабилизатор с использованием ИМС серии КР142. Здесь используется КР142ЕН12А.
Данный стабилизатор позволяет изменять выходное напряжение в пределах от 1.6 В до 36 В.
От номинала сопротивления реостата зависит чувствительность, чем меньше номинал, тем меньше чувствительность, тем больше шаг напряжения. Вообще документация к ИМС предлагает ставить реостат 4.7 КОм, но по опыту скажу, что регулировка напряжения с таким регулятором будет неточной, слишком большой шаг, я рекомендую ставить не менее 10 КОм.
Микросхему можно заменить на LM317 — это её полный аналог.
В случае, если фильтрующий конденсатор выпрямителя находится на некотором отдалении от схемы, рекомендуется поставить на входе конденсатор 100-1000 мкФ для стабилизации входного напряжения, на выходе тоже можно поставить конденсатор, но роль его незначительна.
Еще один немаловажный факт это то, что микросхема при нагрузке в свои предельные 1.5 жутко греется, так, что на эту имс нужен весьма не слабый радиатор.
Реально стабилизатору нагрузку более 1 А давать не стоит.

Элемент Значение
DD1 КР142ЕН12А
R1 240 Ом
R2 4.7-100 КОм

Регулируемый стабилизатор напряжения 1.6-36 В на имс КР142ЕН12А и мощном транзисторе.

А вот другой вариант предыдущей схемы, но с добавлением мощного транзистора, который позволяет увеличить ток нагрузки в зависимости от применяемого транзистора до 10-15 А, стоит лишь учесть, что стабилизатор линеен и с такой нагрузкой транзистор будет очень сильно греться.
В данном случае необходимо будет установить на теплоотвод и ИМС и транзистор, но в случае установки их обоих на 1 радиатор необходимо сделать гальваническую развязку, дело в том что пластина вывода тепла ИМС соответствует ноге регулятора, а на транзисторе соответствует коллектору, поэтому чтобы не произошло КЗ их нельзя соединять вместе.
Важно, что резистор R3 должен быть мощностью не менее 5 Вт иначе он просто выгорит от большой на него нагрузки.
Увеличение тока нагрузки по сравнению со стандартным подключением ИМС это безусловно плюс, но есть и обратная сторона данной схемы:
в случае пробоя транзистора, через него потечёт полное напряжение, что может привести к выходу из строя подключенным к этому стабилизатору устройств.
Важно ещё то, что данная схема очень боится КЗ на выходе, в случае замыкания практически стопроцентно вылетит транзистор, будьте осторожны.

Элемент Значение
DD1 КР142ЕН12А
VT1 КТ8102(818Г)
C1 1 мкФ
C2 10 мкФ
R1 62 Ом
R2 4.7-100 КОм
R3 1 Ом 5 Вт
R4 240 Ом

Линейный стабилизатор напряжения | Volt-info

Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

X1 и X2 – клеммы входа, на которые может быть подано нестабилизированное напряжение. Если к выходным клеммам X3-X4 не подключена нагрузка, то при увеличении входного напряжения до значения напряжения стабилизации стабилитрона VD1, с выхода мы можем снять то же самое напряжение. После достижения напряжения стабилизации наступает обратимый пробой p-n перехода стабилитрона, при котором через стабилитрон начинает протекать ток, а часть избыточного напряжения падает на балластном сопротивлении.

У этой схемы есть несколько значительных недостатков. Необходимость наличия в схеме балластного сопротивления приводит к увеличению потерь энергии и не позволяет питать значительную нагрузку, сопротивление которой соизмеримо с балластным. При переменной нагрузке и незначительной разнице входного и стабилизированного напряжения могут быть провалы выходного напряжения в моменты увеличения нагрузки.

Для питания таким стабилизатором более мощного потребителя, необходимо уменьшать сопротивление балласта, что в свою очередь потребует увеличения допустимой рассеиваемой мощности стабилитрона, но это приведёт к ещё большим потерям энергии. Именно по этой причине данная схема не получила широкого распространения в качестве стабилизатора питания для нагрузки примерно большей 1 Вт.

Не смотря на указанные недостатки, рассмотренная схема оказалась вполне пригодна в качестве источника опорного напряжения.

Представьте, что у нас есть генератор, напряжение на клеммах которого может изменяться в значительных пределах, например, автогенератор, генератор ветряка или даже фотоэлектрическая панель (солнечная батарея). Если этот источник питания не имеет собственной схемы стабилизации выходного напряжения, то при сильном ветре, или увеличении яркости солнечного потока, мы рискуем спалить подключенную к нему нагрузку, например, радиоприёмник или лампочку. Чтобы этого не произошло, можно собрать нехитрую схему стабилизации, рисунок 2.

Рисунок 2. Схема стабилизации напряжения на одном транзисторе.

 Здесь Г1, это применяемый нами в качестве источника питания генератор переменного тока. На диодах DV1-DV4 собрана схема двухполупериодного выпрямителя. Конденсатор C1 сглаживает пульсации, которые вызваны синусоидальной формой кривой генерируемого напряжения.

При увеличении напряжения на входных клеммах X1-X2 через балластный резистор и базу транзистора VT1 начинает протекать ток базы, через коллектор-эмиттер и сопротивление нагрузки начинает протекать ток нагрузки. Вспомнив принцип работы биполярного транзистора, увидим, что на эмиттере он всегда будет стараться поддерживать тоже напряжение, которое будет подаваться на базу. Как только напряжение на базе транзистора достигнет значения напряжения стабилизации стабилитрона, оно прекратит увеличиваться независимо от увеличения входного напряжения. Так транзистор будет автоматически изменять сопротивление коллектор-эмиттерного перехода, стабилизируя напряжение на уровне опорного базового, которое будет обеспечивать стабилитрон.

По сути, эта схема является делителем напряжения, верхнее плечо которого образовано переходом транзистора, а нижнее – нагрузкой. Этот принцип регулирования напряжения накладывает некоторые ограничения. Чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем большую мощность должен рассеивать транзистор. Это значительно снижает КПД стабилизатора и требует использовать более мощный транзистор, устанавливая его на радиатор.

Тем не менее, такой стабилизатор оказывается весьма эффективен, когда выходное напряжение незначительно отличается от входного. Он прекрасно справляется с кратковременными перенапряжениями сети, а также с импульсными помехами, приходящими по сети во время грозовой активности, или при работе в той же сети мощных импульсных преобразовательных устройств. Для этого параллельно стабилитрону нужно добавить конденсатор небольшой ёмкости, который будет шунтировать импульс помехи, приходящий на базу.

Схема на транзисторе более эффективна по сравнению со стабилитронной, но тоже имеет ограничение по мощности подключаемой нагрузки. Наиболее эффективно с этой задачей справляются стабилизаторы на основе импульсных преобразователей, но это тема уже для другого разговора.

Урок 1.12 Стабилизаторы напряжения — Радиомастер инфо

 

Стабилизатор напряжения, это устройство, которое при изменении входного напряжения и тока нагрузки удерживает выходное напряжение на заданном неизменном уровне.

 

 

Простейший стабилизатор напряжения, схема:

Основным элементом стабилизатора является стабилитрон, на схеме он обозначен VD. Стабилитрон, это диод, с определенным пробивным обратным напряжением. Напряжение, при котором наступает пробой, называется напряжением стабилизации. Это напряжение остается постоянным при изменении тока через стабилитрон от значения Iст мин до Iст макс. (показано на графике ниже). Величина тока стабилизации задается балластным резистором R. Именно ограничение тока не позволяет выходить из строя стабилитрону при пробивном напряжении на нем. Пробивное напряжение у стабилитрона является рабочим и называется напряжением стабилизации.

Как работает стабилизатор напряжения, рассмотрим на конкретном примере.

Допустим, на выходе нужно иметь постоянное напряжение 12 В, при напряжении на входе 220 В. Задаем диапазон допустимого изменения напряжения на входе, например ±10%. Это значит, что напряжение будет изменяться от 198 В до 242 В. Напряжение после выпрямления диодами так же будет изменяться на ±10%. Но даже уменьшенное на 10% оно должно превышать необходимое на выходе 12 В на величину падения напряжения на балластном резисторе R. С учетом этого, для работы стабилизатора выберем трансформатор, вторичная обмотка которого будет обеспечивать после диодов 15 В, при напряжении на входе трансформатора 220 В. Тогда, при изменении напряжения на входе на ±10% напряжение после выпрямления диодами будет изменяться от 13,5 В до 16,5 В. На балластном резисторе будет падать максимум 4,5 В. Ток стабилитрона возьмем приблизительно средний, 20 мА (смотри слева на вольт-амперной характеристике). Это напряжение делим на выбранный ток стабилитрона 20 мА (0,02 А) и получаем величину сопротивления балластного резистора:

4,5 : 0,02 = 225 Ом, выбираем ближайший стандартный номинал 220 Ом, мощность рассеиваемая этим резистором составит 4,5 В × 0,02 А = 0,09 Вт, ближайший стандарт 0,125 Вт.

Для наглядности сведем эти данные в таблицу:

Напряжение сети Напряжение после выпрямителя Ток стабилитрона Напряжение на нагрузке
220 В 15 В 14 мА 12 В
198 В 13,5 В 7 мА 12 В
242 В 16,5 В 20 мА 12 В

Вывод.

При изменении напряжения на первичной обмотке трансформатора от 198 В до 242 В, напряжение после выпрямления диодами будет меняться от 13,5 В до 16,5 В, а на выходе стабилизатора напряжение будет оставаться равным 12 В. Все лишнее напряжение будет падать на балластном резисторе R.

Другими словами при повышении напряжения ток через стабилитрон будет увеличиваться, что приведет к увеличению падения напряжения на балластном резисторе, в результате чего на выходе стабилизатора напряжение останется неизменным.

Основным недостатком рассмотренной схемы является то, что ток нагрузки не может превышать 0,1 тока через стабилитрон. В нашем примере, максимальный ток нагрузки не может превышать 20 мА × 0,1 = 2 мА. Если ток будет больше, то выходное напряжение не сможет удерживаться на заданном уровне 12 В.

Стабилизатор напряжения с усилителем на транзисторе.

Чтобы стабилизатор мог обеспечивать больший ток в нагрузке, применяют усилители на транзисторах. Ниже приводится простейшая схема стабилизатора напряжения с усилителем на одном транзисторе.

Принцип работы этого стабилизатора аналогичный описанному выше. Отличие состоит в том, что ток нагрузки не течет через стабилитрон, а течет через коллектор-эмиттер транзистора. Стабилитрон поддерживает на базе транзистора стабильное напряжение, такое же стабильное напряжение, отличающееся на небольшое (меньше 1 вольта) падение напряжения на открытом pn переходе база-эмиттер транзистора, будет и на нагрузке.

Максимальный ток нагрузки будет равен току стабилитрона, умноженному на коэффициент усиления транзистора, который может быть равен 10 и намного выше.

Для повышения коэффициента стабилизации при больших токах нагрузки может применяться несколько транзисторов. Выпускаются микросхемы, внутри которых собраны все детали стабилизатора. Эти микросхемы имеют всего три вывода для подключения: вход, общий и выход. Стабилизаторы, схемы которых построены по такому принципу, называются компенсационными.

Основной недостаток компенсационных стабилизаторов – большая мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе. При больших токах обязательно применение радиаторов для охлаждения. Такой принцип не позволяет достигать высоких значений коэффициента полезного действия (кпд).

Импульсный стабилизатор напряжения.

Для повышения кпд стабилизаторов был разработан принцип на основе широтно-импульсного модулятора.

Суть этого принципа в следующем. Переменное напряжение после выпрямления диодами подается на схему, состоящую из импульсного ключа и генератора прямоугольных импульсов частотой несколько килогерц. Эти импульсы открывают и закрывают мощный транзисторный ключ. После прохождения ключа импульсы преобразуются в постоянное напряжение. Чем больше длительность этих импульсов, тем выше постоянное напряжение. Если на выходе поставить устройство контроля за величиной постоянного напряжения и связать его с управлением длительностью импульсов генератора, то получим эффективный стабилизатор.

Например, зададим выходное напряжение 12 В. Если оно начнет по каким-либо причинам увеличиваться устройство контроля начнет уменьшать длительность импульсов генератора и вернет выходное напряжение в норму. Если выходное напряжение начнет уменьшаться, то по этой же причине длительность импульсов генератора начнет увеличиваться и компенсирует это уменьшение.

Мощный ключ в такой схеме имеет два устойчивых состояния – полностью открыт или полностью закрыт. При этом величина выходного напряжения прямо пропорциональна времени открытого состояния ключа. Падение напряжения на нем минимально и он практически не греется, что существенно повышает кпд таких стабилизаторов.

Пример структурной схемы импульсного стабилизатора напряжения показан ниже:

Какая схема стабилизатора напряжения на картинке правильная — MOREREMONTA

В наиболее простом виде параметрический стабилизатор это регулирующий компонент (стабилитрон), подсоединяемый параллельно нагрузке. Надеюсь вы помните принцип работы стабилитрона, ведь, в отличие от диода, он включается в электрическую цепь в обратном направлении, т. е. на анод следует отрицательный, а на катод — положительный потенциал напряжения от источника. В основе принципа действия такого стабилизатора лежит свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянное напряжение при существенных изменениях силы протекающего в схеме тока. Балластное сопротивление R, включенное последовательно с стабилитроном и нагрузкой, ограничивает протикающий ток через стабилитрон, если отключить нагрузку.

Источники питания могут быть стабилизированными и нестабилизированными. При наличии цепи стабилизации выходного напряжения стабилизированные источники обладают меньшей флюктуацией данного параметра, относительно нестабили-зированных. Поддержание неизменным выходного напряжения может быть достигнуто различными способами, однако все эти способы можно свести к параметрическому или компенсационному принципу стабилизации. В компенсационных стабилизаторах присутствует цепь обратной связи для отслеживания изменений регулируемого параметра, а в параметрических стабилизаторах такая обратная связь отсутствует.

Любой источник питания по отношению к сети обладает следующими основными параметрами:

По отношению к нагрузке источник питания может обладать теми же параметрами, что и по отношению к питающей сети, и дополнительно характеризоваться следующими параметрами:

Кроме того, источники питания характеризуются:

Стабилизатор на одном стабилитроне

Для сглаживания пульсаций напряжения и постоянства тока на выходе блока питания применяют стабилизаторы. Как правило в основе стабилизатора лежит стабилитрон. Стабилитрон – это диод с малым внутренним сопротивлением которое при изменении тока практический не меняется. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке практический не меняется. На рисунке ниже представлена схема простейшего стабилизатора.

Такой стабилизатор подойдет для питания маломощных устройств.

Принцип работы стабилизатора на стабилитроне

Конденсатор нужен для сглаживания пульсаций по напряжению, называется он фильтрующим. Резистор нужен для сглаживания пульсаций по току и называется он гасящим. Стабилитрон стабилизирует напряжение на нагрузке. Для нормальной работы данной схемы напряжение питания должно быть больше 40…50 %. Стабилитрон следует подобрать под нужное нам напряжение и ток.

Стабилизатор на одном транзисторе

Для питания нагрузки большей мощности в схему добавляют транзистор. Пример схемы показан ниже.

Принцип работы стабилизатора на одном транзисторе

Цепочка из R1 и VT1 нам уже знакома из предыдущей схемы, это простейший стабилизатор, он задает стабилизированное напряжение на базе транзистора VT2. Транзистор в свою очередь выполняет функцию усилителя тока и является управляющим элементом в этой схеме. Например, при повышении входного напряжения, выходное напряжение будет стремится к возрастанию. Это приводит к понижению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, что приводит к его закрытию. При этом падение напряжения на участке эмиттер – коллектор возрастает на столько, что напряжение на стабилитроне уменьшается до исходного уровня. При понижении напряжения стабилизатор реагирует в обратном порядке.

Стабилизатор на транзисторах с защитой от КЗ

В практике радиолюбителя бывают ошибки и происходит короткое замыкание. Для уменьшения последствий в результате КЗ рассмотрим схему стабилизатора на два фиксированных напряжения и с защитой от короткого замыкания.

Как видим в данную схему добавлен транзистор V4, диоды V6 и V7, и параметрический стабилизатор состоящий из резистора R1, диодов V2, V3 оснащен переключателем S2.

Принцип работы защиты стабилизатора

Данная схема рассчитана на ток срабатывания от КЗ 250…300 мА, пока он не превышен, ток будет проходить через делитель напряжения состоящий из диода V7 и резистора R3. Путем подбора данного резистора можно регулировать порог срабатывания защиты. Диод V6 при этом будет закрыт и никакого влияния на работы оказывать не будет. При срабатывании защиты диод V7 закроется, а диод V6 откроется и зашунтирует подключений стабилитрон, при этом транзисторы V4 и V5 закроются. Ток на нагрузке упадет до 20…30 мА. Транзистор V5 следует устанавливать на теплоотвод.

Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

В ремонте или наладке электронных устройств необходимо иметь блок питания с регулируемым выходным напряжением. Принципиальная схема стабилизаторы с регулировкой по напряжению представлена ниже.

Принцип работы стабилизатора с регулировкой напряжения

Параметрический стабилизатор состоящий из R2 и V2 стабилизируют напряжение на переменном резисторе R3. Напряжение с этого резистора поступает на управляющий транзистор. Этот транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является резистор R4. Напряжение с резистора R4 подается на регулирующий транзистор V4, нагрузкой которого уже выступает наше питаемое устройство. Регулировка напряжения осуществляется переменным резистором R3, если движок резистора находится в минимальном положении по схеме, то напряжения для открытия транзисторов V3 и V4 недостаточно и на выходе будет минимальное напряжение. При вращении движка, транзисторы начинают открываться, что увеличивает напряжение на нагрузке. При увеличении тока нагрузки, падение напряжения на резисторе R1 и лампа Н1 начинает загораться, при токе в 250 мА наблюдается тусклое свечение, а при токе в 500мА и выше яркое. Транзистор V4 следует устанавливать на теплоотвод. При повышенной нагрузке более 500 мА, следует как можно быстрее выключить блок питания, так как при длительной максимальной нагрузке выходят из строя диоды в выпрямительном мостике и транзистор V4.

Данные схемы при правильной сборке не нуждаются в наладке. Также их можно модернизировать на более большой ток и напряжения. Путем подбора радиоэлементов с нужными нам параметрами.

На этом все. Если у Вас есть замечания или предложения по данной статье, прошу написать администратору сайта.

1. как на картинке, стоит у меня дома
мастер говорит, что нужен как на картинке 2.
Нужен он для отопительного газового котла двухконтурного, вот описания стабилизаторов:
1. Автоматические электронные стабилизаторы напряжения серии TCA (Tap Change AVR)
Компактные, надежные стабилизаторы напряжения серии ТСА, предназначены для защиты бытовой техники, персональных компьютеров, аудио и видеотехники, систем управления автономным водо- и теплоснабжением и др. маломощной техники от суточных колебаний напряжения в электросети. Стабилизатор выполнен по классической схеме — автотрансформатор с переключаемыми при помощи реле обмотками.
Особенности:
•КПД более 95%
•защита от высоковольтных импульсов
•совместим со всеми типами устройств
Типрелейный
Мощность1 кВт
Точность7 %
Индикатор напряжениясветодиодный
Количество розеток1 шт
Защитные характеристики
Минимальное напряжение на входе176 В
Максимальное напряжение на входе264 В
Защитаперегрузка, короткое замыкание
Напряжение на выходе
Номинальное напряжение на выходе220 В
Физические характеристики
Высота9.3 см
Ширина11.5 см
Глубина13.6 см
Вес2.3 кг

2.
Стабилизатор напряжения СНАП-500, однофазный, переносной
Стабилизатор напряжения автоматический переносной (СНАП-500) предназначен для защиты автоматики котлов отопления или маломощных приборов.
Характеристики
•мощность 500 ВА (максимальная нагрузка при напряжении в сети 150 В – 300 Вт)
•переносное исполнение
•предохранитель на передней панели
•подключение — розетки (3 шт.)
•принцип работы — электромеханический автотрансформатор, управляемый прецизионной электроникой
•входное напряжение — 150 V. 250 V
•точность поддержания выходного напряжения — 220 V ±3%
•форма выходного напряжения — чистая синусоида
•коэффициент гармоник — нет дополнительных искажений
•встроенная защита от перенапряжения — 246 V ±4 V
•защита от пониженного напряжения — 184 V ±4 V
•скорость реакции — менее 1 секунды
•частота сети: 50/60 Гц
•КПД: 98% при 220 В в сети
•рабочая температура: 5…+40° С
•вес 4,0 кг
•размеры 175 х 190 х 140 мм.

По мощности можем уравнять их. Мне интересно, почему с индикатором стрелочкой, это тот что надо, а без не тот.

Стабилизаторы напряжения. Теория.


Стабилизаторы напряжения. Теория.

  При изменениях напряжения сети и тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя также изменяется, причем иногда значительно. В ряде случаев (например, при питании оконечного каскада УМЗЧ) это вполне допустимо, а вот, скажем, для радиоприемников, генераторов и других радиоэлектронных устройств напряжение должно быть стабильным при изменении тока нагрузки. Здесь без стабилизатора не обойтись. Одновременно этот прибор выполняет и другую функцию — снижает до минимума пульсации питающего напряжения.

  Основа простейшего стабилизатора (рис. 68,а) — цепочка из резистора R1 и стабилитрона VD1. Стабилитрон — это специальный диод, включенный в обратной полярности и работающий в режиме лавинного обратимого пробоя. Если повышать обратное напряжение на стабилитроне, то сначала ток будет небольшим, а по достижении напряжения стабилизации (об этом указывается в справочных данных) резко возрастет. Чтобы ограничить возрастание тока через стабилитрон, его включают через резистор R1 (это так называемый балластный резистор). Рассчитывают ток через стабилитрон по формуле I = (Uвх — Uст)/R. Таким образом, входное напряжение должно быть всегда больше выходного, стабилизированного.

  При питании маломощных устройств часто обходятся таким простейшим стабилизатором, снимая выходное напряжение со стабилитрона. При расчете по данной формуле ток I должен включать в себя как ток стабилитрона (обычно 5…20 мА), так и ток нагрузки (такого же порядка). При большем токе нагрузки используют дополнительный транзистор VT1, включенный как эмиттерный повторитель (рис. 68,б). Он «повторяет» на нагрузке стабилизированное напряжение базы. Выходное напряжение Uст примерно на 0,7 В (падение напряжения на переходе база-эмиттер) меньше паспортного напряжения стабилизации стабилитрона. При больших токах нагрузки используют составной транзистор.

  Схема более совершенного стабилизатора приведена на рис. 69. Стабилитрон VD1 выбирают на напряжение, примерно равное половине выходного стабилизированного Uст. Такое же напряжение подают и на базу маломощного управляющего транзистора VT2 с делителя напряжения R2-R4. Если по каким-либо причинам выходное напряжение понизится, это изменение полностью передастся через стабилитрон на эмиттер транзистора VT2, в то время как на его базе изменение напряжения будет меньше. В результате транзистор приоткроется и его увеличившийся коллекторный ток откроет мощный регулирующий транзистор VT1, компенсируя падение выходного напряжения. При повышении выходного напряжения оба транзистора закрываются. Регулирование происходит, таким образом, благодаря сильной отрицательной обратной связи.

  Поскольку управляющий сигнал вырабатывается из уже стабилизированного выходного напряжения, параметры стабилизатора при простой схеме получаются довольно высокими. Дополнительное достоинство стабилизатора в том, что он не боится коротких замыканий на выходе — при КЗ пропадает и управляющее напряжение, в результате чего оба транзистора закрываются. Ток срабатывания защиты зависит в основном от тока стабилитрона, который подбирают резистором R1.

  Конструкций стабилизаторов напряжения много, но все они обладают существенным недостатком — входное напряжение должно быть выше выходного стабилизированного, при одном и том же токе, в итоге часть мощности выпрямителя превращается в тепло и рассеивается на теплоотводе регулирующего транзистора. Этот недостаток устранен в импульсных стабилизаторах, имеющих высокий КПД.

Импульсные источники питания

  Традиционные блоки питания с низкочастотным трансформатором, выпрямителем и стабилизатором просты, надежны, практически не создают помех, но при большой выходной мощности имеют значительные габариты, массу и низкий КПД. Эти недостатки особенно заметны при больших мощностях. Размеры и масса трансформатора, а также емкости сглаживающих конденсаторов уменьшаются при повышении частоты питающей сети. В связи с этим некоторые местные электросети, особенно военного назначения, имеют повышенную частоту (400 Гц).

  В бытовой аппаратуре, в частности в современных телевизорах и компьютерах, используют импульсные блоки питания (рис. 70), принцип действия которых состоит в следующем. Сетевое напряжение 220 В выпрямляется диодным мостом VD1- VD4. Получившееся постоянное напряжение примерно 300 В подается на генератор, вырабатывающий последовательность импульсов, питающих малогабаритный импульсный трансформатор Т1 на магнитопроводе из феррита. Он и обеспечивает гальваническую развязку питаемой аппаратуры от сети.

  Чтобы уменьшить проникновение импульсных помех в питающую сеть, обязательно устанавливают фильтр, содержащий дроссели Lф и конденсаторы Сф. Резистор R1 нужен для ограничения тока через диоды выпрямителя в момент включения, когда оксидный конденсатор С1 (емкостью до 100 мкФ и более) еще не заряжен. Керамический конденсатор С2 значительно меньшей емкости уменьшает высокочастотные пульсации выпрямленного напряжения при работе генератора.

  Мощный высоковольтный транзистор VT1 работает в ключевом режиме с высоким КПД. Он открывается импульсами генератора и создает ток в первичной обмотке трансформатора. Импульсное напряжение со вторичных обмоток (III и IV) выпрямляется и сглаживается. Еще одна обмотка (II) питает цепь стабилизации, которая управляет длительностью и/или частотой импульсов так, чтобы напряжения U1 и U2 были стабилизированы. Более подробное описание импульсных блоков питания можно найти в журнальных статьях и специальной литературе. В мощных импульсных блоках питания используют и двухтактные генераторы и выпрямители. Генераторы импульсов и цепи стабилизации (обозначенные прямоугольниками на рис. 70) теперь часто выполняют в виде готовых интегральных схем.

  Импульсные стабилизаторы напряжения выполняют по похожим схемам, но вместо трансформатора в них используют дроссели на ферритовых магнитопроводах. Рассмотрим схему понижающего преобразователя-стабилизатора (рис. 71), вырабатывающего, например, стабилизированное напряжение 5В из нестабилизированного 12…18 В. Он работает с высоким КПД (только при стабильном токе нагрузки), достигающим 90% и более. Это означает, что ток в нагрузке больше потребляемого!

  Ключевой транзистор VT1 включается короткими импульсами от задающего генератора. Ток в дросселе L1 нарастает за время импульса до сравнительно большого значения (порядка тока нагрузки). Когда же по окончании импульса транзистор закрывается, ток в дросселе продолжает протекать через открывшийся диод VD1 до начала следующего импульса. При этом расходуется энергия, запасенная в магнитном поле дросселя. Цепь стабилизации регулирует длительность или частоту повторения импульсов так, чтобы выходное напряжение оставалось неизменным. Например, при возрастании выходного напряжения длительность импульсов уменьшается. Учитывая, что импульсные стабилизаторы создают помехи, они требуют хорошей фильтрации напряжения на входе и выходе.

В. ПОЛЯКОВ
г. Москва
Радио №12, 2000

Источник: shems.h2.ru

Однотранзисторный регулятор напряжения и тока

Использовать однопроходный элемент (в данном случае МОП-транзистор IRF520) в источнике питания с регулируемым напряжением и током — тривиальная задача. Все, что вам нужно, это диод.

Регулятор напряжения должен иметь возможность управлять затвором, добавляя или удаляя заряд, или, другими словами, управляя затвором с большим или меньшим напряжением, в зависимости от того, что необходимо для поддержания регулирования напряжения.

Стабилизатор тока, с другой стороны, работает только в одном направлении: он только снижает ток.Увеличение тока потребует повышения напряжения при фиксированной нагрузке, и тогда вы потеряете регулирование напряжения. Регулятор напряжения устанавливает «максимальное» напряжение, но регулятор тока заботится только о том, когда или если ток превышает установленный максимум. Во всех возможных ситуациях ему нужно делать только одно: снижать напряжение, что в конечном итоге снижает ток. Так что нужно только снизить напряжение. Никогда не нагнетать.

Так что используйте диод. Подключите один к выходу регулятора тока.Используйте последовательные резисторы (которые зависят от операционных усилителей и их номинальных значений тока и мощности), чтобы регулятор тока всегда мог отводить больший ток, чем может выдать регулятор напряжения, и это гарантирует, что регулятор тока всегда может перегрузить регулятор напряжения. желает, когда это необходимо, но не может повысить напряжение (что потребовало бы от регулятора тока источника тока, что предотвращает диод).

Примерно так:

Это лишь один из многих способов сделать это.Другой вариант — использовать BJT, а не MOSFET в качестве проходного элемента, и управлять его базой, используя источник постоянного тока. Установите диоды как на регулятор напряжения, так и на регулятор тока, и им нужно только отводить больший или меньший ток от базы, чтобы повышать или понижать напряжение. Таким образом, регулятору тока даже не нужно подавлять регулятор напряжения, поскольку ни один из них не может обеспечивать ток, и поэтому любой регулятор должен иметь возможность отводить тот же максимальный ток, который может обеспечить источник постоянного тока.

Это просто не в моей голове, вероятно, есть дюжина других способов добиться этого. Другой популярный способ — использовать регулятор тока для сервопривода входного напряжения регулятора напряжения, чтобы он регулировал ток, понижая напряжение, которое пытается произвести регулятор напряжения. Вы, кажется, слишком зациклены на той части, которая не является проблемой и имеет много разных решений, и все они работают. В использовании однопроходного элемента нет ничего странного или сложного.

Не существует физического закона, который гласил бы, что у вас должен быть только один контур управления, управляющий затвором транзистора.

Вот почему ваша схема определенно никогда не будет работать.

Ненавижу быть носителем плохих новостей, но в этом есть загвоздка. У меня нет времени критиковать всю вашу схему, но вот очевидные фатальные недостатки, которые не позволят ей когда-либо работать:

1. Вы должны управлять затвором N-канального MOSFET напряжением на несколько вольт, обычно на 5-10 В выше напряжения источника. Это означает, что ваш операционный усилитель должен выдавать 30 В, если вы хотите получить выход 20 В. Если вы запитываете свой операционный усилитель от шины 12 В, вы получите максимум несколько вольт на выходе IRF520.Ему нужно на 5 В выше, чем напряжение источника, чтобы проводить 1 А, и при этом он упадет на 50 В. У вас нет 50 В, поэтому для его включения потребуется еще большее напряжение. Вы, кажется, думаете, что падение напряжения в регуляторах напряжения связано с проходным элементом. Это не так. МОП-транзисторы обладают резистивностью в своей области насыщения, поэтому это резистор очень низкого номинала. При 2А, если предположить, что он на 10 В выше источника на его затворе, он будет иметь сопротивление 270 мОм, поэтому он упадет на 540 мВ.

Падение в линейных регуляторах происходит от усилителя ошибки (операционного усилителя), а не от проходного элемента.Если вы подключите операционный усилитель непосредственно к шине входного напряжения, которое составляет 22 В, то он сможет качаться только в пределах пары вольт или около того, и именно здесь происходит ваше падение. Конечно, это если вы использовали BJT. Поскольку вы используете полевой МОП-транзистор, напряжение на выходе составляет минимум 10 В. Таким образом, вам необходимо запитать операционный усилитель напряжением на 10 В выше максимального выходного напряжения или 30 В, чтобы достичь желаемого диапазона напряжений. Нет никаких уловок, чтобы обойти это.Если вы используете BJT, вам все равно потребуется запитать операционный усилитель от входной шины с дополнительным напряжением на пару вольт. Кроме того, есть много вещей, которые необходимы для обеспечения стабильной работы операционного усилителя, но шина постоянного напряжения не входит в их число. Если бы это было так, трехконтактных линейных регуляторов не могло бы быть.

2. Операционные усилители не похожи на емкостные нагрузки . Другими словами, им не нравятся такие вещи, как вентили MOSFET, прикрепленные к их выходам. Затвор полевого МОП-транзистора — это конденсатор, и его зарядка включает и выключает полевой транзистор.К счастью, вы выбрали полевой транзистор с относительно низкой емкостью затвора, и это хорошо. Но вам все равно потребуется выполнить значительную частотную компенсацию, чтобы операционные усилители работали стабильно при любых условиях нагрузки. Другими словами, вам нужно знать, как строить графики Боде, вычислять запас по фазе, знать, что означают слова «ноль» и «полюс», и в целом уметь выполнять анализ вашей схемы в частотной области. Пока вы этого не сделаете, вы не сможете произвести работающий, стабильный лабораторный источник питания, за исключением случаев, когда это возможно случайно.И даже тогда вы никогда не узнаете , если он стабилен, вы просто узнаете подмножество нагрузок, которые не заставят его колебаться или перескакивать (и, вероятно, разрушить все, что с ним связано).

Но вы же сказали, что это для того, чтобы вы могли учиться, верно? Что ж, лабораторный источник питания — отличный способ узнать обо всем, что я только что упомянул. Если это звучит как вещи, на изучение которых вы хотите потратить свое время (и все они, на мой взгляд, очень полезны), тогда не сдавайтесь! Просто не надейтесь построить это, и оно действительно заработает в ближайшее время или без некоторого дополнительного обучения и работы.

3. Невозможно снизить напряжение до 0 В без источника отрицательного напряжения или виртуального заземления. Что в любом случае одно и то же.

Нет. Стабилизатор напряжения может регулировать напряжение до 0 В без какого-либо источника отрицательного напряжения для отвода тока смещения. Чтобы регулятор мог регулировать, ток должен течь, а при 0 В. ток не течет. Это физика сдвига. Если вы хотите 0 В, вам понадобится шина отрицательного напряжения. Конец истории. И нет, LT3083 неуязвим к этому требованию не больше, чем что-либо еще.Со страницы 11 спецификации LT3083:

Итак, вам нужно для начала переосмыслить свою стратегию распределения напряжения для операционных усилителей. Но это легкая часть. Особенно регулируя до 0В. Просто запитайте отрицательный вывод питания операционного усилителя от пары вольт под землей, и он без проблем переключится на 0 В, и он сможет регулировать до 0 В. Никаких других изменений не требуется. Вам не нужны симметричные шины питания или что-то в этом роде. Операционные усилители, чтобы не знать и не заботиться о том, какой произвольный потенциал вы решили назвать землей.Операционные усилители будут операционными усилителями (да, я использую операционный усилитель как глагол) независимо от того, как они питаются. Если они не питаются от потенциала, превышающего их диапазон напряжений, операционные усилители взорвутся. Но в противном случае они собираются использовать операционные усилители.

В любом случае, продолжайте — на самом деле это отличный способ узнать много нового об аналоговой стороне электроники. Пожалуйста, не пугайтесь, это хороший проект, и вы будете рады за него в будущем, если будете доводить его до конца. Сделайте ваше будущее прочным и продолжайте работать над достижением этой цели, даже если она находится дальше, чем вы надеялись!

Операционный усилитель

— Некоторые вопросы о последовательном транзисторе и стабилизаторе напряжения операционного усилителя

Схема

Исходная схема является результатом экспериментов в симуляторе и делает схему более сложной.Для понимания позвольте мне его перерисовать.

Как мы видим, схема состоит из трех строительных блоков:

  1. A Стабилитрон в качестве опорного напряжения .
  2. Операционный усилитель как неинвертирующий усилитель .
  3. A BJT в качестве эмиттерного повторителя для нашего выходного каскада.

Вот очень упрощенное пошаговое объяснение.

Операционный усилитель

Неинвертирующий усилитель — это сердце схемы.Итак, сначала посмотрим на операционный усилитель. Операционный усилитель имеет три контакта: неинвертирующий вход (V +), инвертирующий вход (V-) и выход (Vout). Конечно, операционный усилитель должен использовать питание, и мы обычно используем их для обработки сигналов переменного тока (по центру 0 В), таких как аудио, ему нужна не только одна, но и две шины питания постоянного тока, назовем это 12 В и -12 В. .

Открытый цикл

Операционный усилитель можно рассматривать как дифференциальный усилитель, он только усиливает разность напряжений между (V + и V-).Например, если V + составляет 5 вольт, V- составляет 4 вольта (это не имеет значения), V + на 1 вольт больше, чем V-, операционный усилитель будет пытаться усилить сигнал в 1 вольт на выходной стороне.

Но проблема в том, что операционный усилитель — это усилитель с сумасшедшим коэффициентом усиления, он попытается создать выходной сигнал в 1000000 раз больше, чем исходная разница, поэтому выходное напряжение начинает расти. Тем не менее, операционный усилитель — это не вечный двигатель, он не может выводить напряжение из ниоткуда. В конце концов, он останавливается на «максимальном положительном» напряжении, которым в нашем случае является источник питания +12 В для операционного усилителя.Аналогично, если V + на 1 вольт меньше, чем V-, операционный усилитель выдает свой выходной сигнал прямо до «максимального отрицательного» напряжения, источника питания -12 В. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутым контуром настолько велик, это означает, что малейший дисбаланс между V + и V- приведет к колебаниям выходного сигнала операционного усилителя с +12 В до -12, взад и вперед.

Кроме того, входной импеданс V + и V- чрезвычайно высок, это означает, что даже самые слабые входы не пострадают, если вы подключите к ним идеальный операционный усилитель, например, идеальный вольтметр. Наконец, идеальный операционный усилитель имеет чрезвычайно низкий выходной импеданс, что означает, что Vout не упадет, независимо от того, что к нему подключено.

  • Операционный усилитель имеет огромное усиление, усиливает малейший дисбаланс входов V + и V- и пытается создать в 10 000 000 раз больший выходной сигнал, но ограничен источником питания +12 В и -12 В.

  • V + и V- имеют чрезвычайно большой входной импеданс, это означает, что они не повлияют на самые слабые входы. Другими словами, в них не течет ток. Как и в идеальном вольтметре, V + и V- в идеальном операционном усилителе ведут себя так, как будто они не подключены.

  • Vout имеет чрезвычайно низкий выходной импеданс, это означает, что независимо от того, что подключено, он не будет понижать выходной сигнал.

Буфер усиления Unity

Что толку от таких сумасшедших усилителей? Основная идея — ввести отрицательную обратную связь.

Если мы подключим выход обратно к его неинвертирующему входу (V-), произойдет что-то интересное. Сначала представьте, что V-, V + равны 0 вольт. Разницы в напряжении нет, поэтому Vout равен 0 вольт. Затем мы подключаем + 5 В к V +, мгновенно появляется разница в +5 В между двумя выходами, операционный усилитель начинает попытки усилить разницу напряжений.

Если обратная связь не подключена, Vout будет увеличиваться до +12 В. Однако Vout подключается напрямую к V- из-за отрицательной обратной связи, когда Vout начинает расти, V- также возрастает с 0v, в момент, когда Vout достигает + 5v, V- также будет + 5v, а V + все еще + 5в. Операционный усилитель останавливается и достигает равновесия. Вы можете себе представить, что этот процесс происходит так быстро, почти мгновенно.

Во всех конфигурациях с отрицательной обратной связью мы машем руками и предполагаем, что равновесие, при котором V + = V- достигается мгновенно.Теперь мы подходим к важному выводу.

  • Операционный усилитель будет выводить все, что делает V + = V-.

В результате Vout операционного усилителя всегда следует за V +: он принимает V + и использует собственный источник питания для создания реплики.

Это полезно? Да, поскольку операционный усилитель работает как повторитель, он может получать слабый сигнал (например, источник напряжения 5 В с последовательно включенным резистором 1 МОм, который по-прежнему составляет 5 В, но максимальный ток меньше 1 мА) и управлять мощная копия этого сигнала, использующая собственный источник питания.Напряжение такое же, но выходное сопротивление теперь близко к нулю, а ток практически неограничен. Мы называем это буфером.

Неинвертирующий усилитель

На этот раз вместо подключения провода от Vout к V- мы используем R1 и R2.

Это называется делителем напряжения, где

$$ V_ {out} = V_ {in} \ times \ frac {R_2} {R_1 + R_2} $$

А в нашем неинвертирующем усилителе предположим, что R2 = 1000 Ом, R1 = 2000 Ом

$$ V _ {-} = V_ {out} \ times \ frac {R_2} {R_1 + R_2} $$

$$ V _ {-} = V_ {out} \ times \ frac {1000} {3000} $$

$$ V _ {-} = V_ {out} \ times \ frac {1} {3} $$

$$ V_ {out} = 3 V _ {-} $$

Предположим, что Vin составляет 5 В.Опять же, выход операционного усилителя будет пытаться устранить разницу напряжений на V-. Но на этот раз у него есть делитель напряжения, когда Vout = 5V, V- получает только 1/3 его, поэтому операционный усилитель продолжает расти, пока Vout не станет в 3 раза больше, чем Vin.

Это неинвертирующий усилитель.

Теперь проанализируем эту схему,

Что такое Vout? Это 3 x V +. Если у вас есть неизменное опорное напряжение V + = 3,0, изменив радио на R2 и R3, вы можете установить на выходе операционного усилителя произвольное напряжение.

Если вы дочитали до этого места и поняли все мои предыдущие идеи, поздравляю, вы уже поняли принцип работы вашей схемы.

Выход вашей схемы просто,

$$ V_ {out} = 3,0 \ times (\ frac {1} {\ frac {1000} {2000 + 1000}}) $$

$$ V_ {out} = 3.0 \ times \ frac {2000 + 1000} {1000} $$

$$ V_ {out} = 3.0 \ times (1 + \ frac {2000} {1000}) = 9.0 $$

Кроме того, если Vout когда-либо упадет, операционный усилитель «заметит», потому что V +, опорное напряжение больше не равно V-, «дискретизированному» выходному напряжению, и начнет выводить более высокий выходной сигнал, чтобы исправить это.Аналогичным образом, если Vout слишком высокий, операционный усилитель будет выдавать более низкое напряжение.

Операционный усилитель может заметить малейшую разницу между фактическим выходным напряжением и предполагаемым напряжением, даже ошибку 0,05 В, потому что операционный усилитель имеет огромное усиление. Поэтому, когда для этой цели используется неинвертирующий усилитель операционного усилителя, мы также называем его усилителем ошибки .

Если компоненты идеальны, все это происходит почти мгновенно.

Стабилитрон

Теперь, где мы можем получить стабильную 3.Опорное напряжение 0в? С помощью стабилитрона.

Кремниевый диод позволяет току течь только в одном направлении с постоянным падением напряжения на диоде 0,6 В. Это падение напряжения представляет собой потерю мощности, но это не всегда доставляет неудобства, поскольку позволяет создать опорное постоянное напряжение 0,6 В независимо от напряжения источника питания. Но это напряжение всегда близко к 0,6 вольт и негибкое.

Стабилитрон — это специальный диод, предназначенный для работы в обратном направлении.Если вы подключите стабилитрон обратной стороной, он выйдет из строя при низком напряжении пробоя (нормальный кремниевый силовой диод имеет напряжение пробоя в сотни вольт, и это бесполезно). На диоде также будет постоянное падение напряжения. Мы можем использовать это напряжение для создания опорного напряжения.

Диод ZPD3.0 имеет напряжение пробоя 3,0 В. Резистор гарантирует отсутствие короткого замыкания на диоде. Правильный ток, протекающий через стабилитрон, можно найти в таблице данных, обычно ~ 10 мА.

Повторитель эмиттера

Как я упоминал ранее, идеальный операционный усилитель имеет чрезвычайно низкий выходной импеданс, что означает, что Vout не будет падать независимо от того, что к нему подключено, и может выдавать неограниченный ток, поэтому сам операционный усилитель может использоваться в качестве буфера.

Но на самом деле операционные усилители обычно используются для приборов и приложений с низким энергопотреблением. Если вы используете его в качестве источника питания, он быстро перегреется и может выйти из строя. Поэтому мы не будем использовать сам операционный усилитель в качестве выходного каскада, а будем использовать его только как усилитель ошибки .

Транзистор в этой конфигурации называется эмиттерным повторителем.

Так же, как буфер операционного усилителя,

Vout является копией Vin, но дублируется и управляется транзистором, использующим собственный источник питания.

Силовой транзистор обеспечивает более высокий выходной ток и может поставляться с радиатором. Это последний шаг, вместо того, чтобы напрямую управлять выходом, мы используем операционный усилитель для управления силовым транзистором, который затем управляет выходом.

Собираем все вместе

  1. Опорное напряжение 3,0 В генерируется резисторами R1 и D1.

  2. Неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 3, установленным R2 и R3, определяет выходное напряжение регулятора как 9 вольт.

  3. Силовой транзистор BJT в качестве эмиттерного повторителя буферизует операционный усилитель и управляет выходной шиной питания.

Все линейные регуляторы напряжения, как и LM317, работают по одному и тому же принципу работы.

В интегральных схемах опорное напряжение с шириной запрещенной зоны 1,25 В часто используется в качестве опорного напряжения и имеет гораздо более высокие характеристики, чем стабилитрон, и позволяет создать очень точный стабилизатор напряжения.

Вот почему формула почти для всех линейных регуляторов напряжения:

Транзисторный регулятор напряжения



(источник: Electronics World , август 1963 г.)

Автор: ДЖОН Р.GYORKI / Heller’s Communication Service

КОЛИЧЕСТВО компаний мобильной радиосвязи используют автомобильный аккумулятор и комбинация мотор-генератор для оснащения испытательного радиостенда низковольтным оборудованием, сильноточная мощность. Однако гораздо больше магазинов используют аккумуляторные батареи и зарядное устройство. Немногие компании, если таковые имеются, будут использовать обычные низковольтные блок питания, преобразующий 117-вольтовый переменный ток. линия на сильноточный постоянный ток В Причина этого в том, что обычный источник питания обычно имеет очень плохое регулирование напряжения для требований по току, которые сильно колеблются при кнопка передачи радиоприемника нажимается и отпускается.Также вывод Импеданс источника питания обычно высокий по сравнению с сопротивлением накопителя. аккумулятор. Можно приобрести регулируемый низковольтный сильноточный источник питания, но это будет сравнительно дорого, и приложение может не гарантировать такие затраты.


——— Простой транзисторный стабилизатор последовательного с обычным авторегулятором.

Комбинация автомобильного аккумулятора и зарядного устройства, вероятно, наиболее популярны у сервисных инженеров.Зарядное устройство подключено к аккумулятору а затем включается, когда радиостанция ставится на верстак для обслуживания. После радио отремонтировано и отключено от источника, разрешено зарядное устройство поработать некоторое время, чтобы снова разрядить аккумулятор.

Затем необходимо выключить зарядное устройство и отсоединить аккумулятор так, чтобы он не разряжается через блок питания. Неудобство просмотра над аккумулятором, чтобы он не перезарядился, и отключите его, чтобы не разряжается, устраняется обычным автомобилем регулятор напряжения, как будет описано.


Рис. 1. Принципиальная схема обычного тройного реле напряжения и тока. регулятор, используемый в автомобилях.

Регулятор стандартного напряжения

Стандартный регулятор напряжения (рис. 1) состоит из трех основных компонентов. Первое из них — реле отключения RL3.

Это реле нормально разомкнуто, когда двигатель работает медленно или не работает. вообще и предотвращает разряд аккумулятора обратно через генератор.Когда двигатель работает и мощность генератора начинает расти, ток идет от генератора через последовательные и шунтирующие катушки к заземляет и подает питание на реле; подключение генератора к аккумулятору. Второе реле, RL2, представляет собой вибрационный регулятор тока, который управляет выходной ток генератора с шунтовой обмоткой. Этот регулятор сохраняет токовый выход генератора в безопасных пределах, поскольку генератор с шунтирующей обмоткой не имеет встроенных функций ограничения тока.

Третий компонент — реле контроля напряжения вибрации, RL1. Весна натяжение якоря регулятора напряжения реле удерживает контакты закрывается, пока выход генератора не достигнет заданного напряжения. Как напряжение приближается к этому значению, ток через обмотку катушки намагничивает сердечник достаточно, чтобы опустить якорь, тем самым размыкая контакт точки. Это подключает сопротивление последовательно с обмоткой возбуждения и снижает выходное напряжение.

Биметаллический шарнир обычно используется на якоре регулятора, чтобы для размыкания точек контакта в холодную погоду потребуется большее напряжение поскольку для зарядки аккумулятора в холодных условиях необходимо более высокое напряжение.

Транзисторный регулятор напряжения

Транзисторный электромеханический регулятор напряжения — это просто обычный автомобильный регулятор, подключенный к транзисторной схеме, которая занимает место функции поля генератора.См. Рис. 2. Используется с обычным нерегулируемый источник питания или зарядное устройство и аккумулятор на 12 вольт. Реле регулятора напряжения и тока штатного регулятора управления ток возбуждения генератора путем добавления сопротивления к нормальному заземленный конец цепи возбуждения. Резисторы, найденные на оригинальном регуляторе должны быть удалены в транзисторном приложении, так как реле будут теперь используется для управления базовым током силового транзистора.

Реле отключения работает в транзисторной системе так же, как и в автомобиле. Когда блок питания включен, ток течет через серийная и шунтирующая обмотки. Два результирующих магнитных поля действуют в том же направлении и добавить, чтобы потянуть вниз якорь реле, подключив аккумулятор к питанию через транзистор.

Когда источник питания отключен, напряжение батареи выше, чем напряжение питания (заряд остался в конденсаторах фильтра), обратный ток течет от АКБ к земле в шунтирующей обмотке и от АКБ к источнику питания на землю в последовательной обмотке.Эти два течения теперь будет создавать противоположные полюса в сердечнике выреза и магнитного потяните за фиксаторы якоря реле, размыкая цепь, чтобы аккумулятор не разряжать обратно через блок питания.


— Нижняя сторона радиатора транзистора, показывающая размещение базы резистор смещения. Обратите внимание на подключение к изолированной клеммной колодке.

Регулятор тока RL2 ограничивает максимальную величину протекающего тока. из источника питания.Полный ток зарядки, идущий на аккумулятор должен проходить через обмотку катушки регулятора тока. Это текущие наборы магнитное поле и натянуть якорь реле. Если текущая (и результирующее магнитное притяжение) превышает то, при котором натяжение якоря установлен, реле размыкается, отсоединяя базу транзистора от земли и отключение тока, идущего к батарее. Как только цепь в открытом состоянии, однако, поле регулятора схлопывается и реле возвращается в исходное положение.Этот, в свою очередь, снова настраивает поле и процесс повторяется от 150 до 250 раз в секунду. Это действие служит для предотвращения превышения энергопотребления. его максимальная номинальная токовая нагрузка.


Рис. 2. Схема использования последовательного транзистора.

Для удвоенного токового выхода можно использовать второй транзистор.

Регулятор напряжения RL1 регулирует максимальное напряжение на клеммах аккумуляторной батареи. Когда напряжение аккумулятора достигает некоторого заданного напряжения во время зарядки (около 15 вольт) ток в обмотке шунта создает достаточно магнитного сила тянуть якорь реле вниз против натяжения пружины.Этот открывает цепь базы транзистора и отключает зарядный ток. Когда напряжение аккумулятора немного падает, магнитное поле ослабевает. и позволяет контактам снова замкнуться. Это включает транзистор и позволяет источнику питания снова зарядить аккумулятор. Этот цикл повторяется от 50 до 200 раз в секунду, чтобы вызвать вибрацию якоря и т. удерживайте напряжение на достаточно постоянном уровне.

——-

Детали конструкции простой схемы последовательного регулятора, которая спроектирована для использования с нерегулируемым настольным источником питания или зарядным устройством и аккумуляторной батареей.Занят для обслуживания мобильной радиосвязи.

———

Когда питание включено и контакты RL1 и RL2 замкнуты, около 600 мА. базовых текущих потоков; транзистор теперь «повернут» включен или насыщен. Сопротивление коллектор-эмиттер очень низкое (около 0,080 Ом) и максимальный ток коллектора (ток зарядки). Когда контакты RL1 или RL2 размыкаются из-за чрезмерного напряжения или тока, базовый ток не протекает, и транзистор «повернут» выкл. «или отрезать.Сопротивление коллектора к эмиттеру очень высокое; приближающийся состояние разомкнутой цепи.

RL1 можно регулировать в диапазоне напряжений, изменяя натяжение пружины. на реле якоря. RL2 следует отрегулировать для ограничения тока коллектора. до 10 ампер при использовании одного транзистора. Если больше зарядного тока требуется, можно подключить еще один транзистор (Q2), как показано на рис. 2 пунктирными линиями. Два транзистора могут выдерживать ток 20 ампер, обеспечивая используемый блок питания способен выдерживать 20 ампер при 16 вольт d.c.

Регулятор, показанный на фотографиях, был сконструирован для зарядного тока. 5 ампер при 16 вольт. Транзистор должен иметь коллекторный ток. номинал, достаточный для выдерживания желаемого тока зарядки. Показанный это 2N174.

Однако можно использовать силовой транзистор 2N277, 2N278 или 2N441. Четный некоторые транзисторы «по выгодной цене» могут использоваться в большинстве случаев, так как максимальное напряжение коллектор-эмиттер составляет 16 вольт или меньше.

При установке транзистора на радиатор немного силиконовой смазки. должен быть помещен между ним и радиатором для лучшей теплопроводности.Радиатор электрически соединен с коллектором транзистора. поэтому следует позаботиться о том, чтобы ничто с другим потенциалом не могло коротко против него.

Радиатор имеет площадь около 80 квадратных дюймов и трехконтактный барьерная планка, установленная на одном конце для подключения к эмиттеру транзистора, базовый резистор и коллектор. Резистор смещения базы помещается под радиатор с помощью изоляционной стойки, как показано на одном фотографий.Радиатор установлен вертикально под испытательный стенд. наряду с обычным автомобильным регулятором напряжения.


Назад к основам: ИС регуляторов напряжения, часть 1

Среди регуляторов самая простая схема регулятора предназначена для регулятора напряжения с малым падением напряжения (LDO), топология которого показана на Рис. 1 . Как линейный регулятор напряжения, его основными компонентами являются проходной транзистор, усилитель ошибки, опорное напряжение и выходной МОП-транзистор. Один вход усилителя ошибки, установленный резисторами R1 и R2, контролирует процентное значение выходного напряжения.Другой вход — это стабильное опорное напряжение (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 колебания выходного сигнала вызваны влиянием температуры на опорное напряжение LDO, усилитель ошибки и его резисторы выборки (R1 и R2).

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Во многих приложениях линейные источники питания были заменены импульсными источниками.Показанный на Рис. 2 — 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 ШИМ-контроллера. 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 генерации сигнала ШИМ усилитель ошибки принимает входной сигнал обратной связи и стабильное опорное напряжение для создания выходного сигнала, соответствующего разнице 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.

ИС ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

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 стоимость 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. Изолированный преобразователь ( Рис. 2, ) использует трансформатор для обеспечения изоляции 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 трансформаторного преобразователя заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений с использованием нескольких 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 одно повышение эффективности — 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 стоимость 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 трансформаторного преобразователя заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений с использованием нескольких вторичных обмоток.

МНОГОКРАТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / РЕГУЛЯТОР 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. Два регулятора имеют общую схему, включая источник входного сигнала, источник опорного напряжения и генератор, но в остальном они независимы.Их контур обратной связи контролирует пиковый ток в переключателе во время каждого цикла. В этом режиме управления током улучшается динамика контура и обеспечивается поэтапное ограничение тока.

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), ввод 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 тока в постоянный, 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 °, чтобы уменьшить входную пульсацию. 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

КПД — важный критерий при проектировании преобразователей постоянного тока, требующих малой мощности. Эти потери вызваны переключателем мощности, магнитными элементами и выходным выпрямителем. Для уменьшения потерь в переключателе мощности и магнитных потерь требуются компоненты, которые могут эффективно работать на высоких частотах переключения. Выходные выпрямители могут быть диодами Шоттки, но с синхронным выпрямлением ( рис.4 ), состоящие из силовых МОП-транзисторов, обеспечивают более высокий КПД.

Рис. 4. Синхронный выпрямитель более эффективен, чем диодный выпрямитель Шоттки.

МОП-транзисторы демонстрируют более низкие потери прямой проводимости, чем диоды Шоттки. В отличие от обычных самокоммутирующихся диодов, полевые МОП-транзисторы включаются и выключаются с помощью управляющего сигнала затвора, синхронизированного с работой преобразователя. Основным недостатком синхронного выпрямления является дополнительная сложность и стоимость, связанные с устройствами MOSFET и соответствующей управляющей электроникой.Однако при низких выходных напряжениях результирующее повышение эффективности более чем компенсирует недостаток стоимости в большинстве приложений.

ПРЕДСТОЯЩИЕ ТЕМЫ

Существуют и другие ключевые топологии регуляторов. В следующем месяце мы обсудим две основные топологии ИС, используемые в источниках питания постоянного тока: понижающий или понижающий преобразователь и повышающий или повышающий преобразователь. Топология Buck — это неизолированная конфигурация управления питанием, преимуществами которой являются простота и низкая стоимость. В повышающем преобразователе используется метод переключения, который вызывает нарастание тока в катушке индуктивности, а затем сохраняет полученное напряжение в выходном конденсаторе.Несколько циклов переключения создают напряжение выходного конденсатора, так что выходное напряжение выше входного.

Телефонное реле, регуляторы LM317, зарядное устройство для лития

LM317T Регулятор переменного напряжения


LM317T — регулируемый трехконтактный стабилизатор положительного напряжения. способен обеспечить ток более 1,5 А в диапазоне выходных 1.От 25 до 37 вольт. Устройство также имеет встроенное ограничение тока и тепловое отключение, что делает его устойчивым к взрыву.

Выходное напряжение устанавливается двумя резисторами R1 и R2, подключенными, как показано ниже. Напряжение на R1 составляет постоянное 1,25 В, а клемма регулировки ток меньше 100uA. Выходное напряжение может быть близко приблизительно от Vout = 1,25 * (1+ (R2 / R1)), который игнорирует клемму настройки ток », но будет близок, если ток через R1 и R2 во много раз больше.Требуется минимальная нагрузка около 10 мА, поэтому значение R1 может должно быть выбрано падение 1,25 В при 10 мА или 120 Ом. Что-то меньшее, чем 120 Ом можно использовать для обеспечения минимального тока более 10 мА. В приведенном ниже примере показан LM317, используемый в качестве регулятора на 13,6 В. 988 Резистор для R2 можно получить стандартным 910 и 75 Ом последовательно.

При отключении питания регулятора выходное напряжение должно упасть. быстрее, чем ввод.В противном случае диод можно подключить через клеммы входа / выхода для защиты регулятора от возможного обратного напряжения. Танталовый конденсатор емкостью 1 мкФ или электролитический конденсатор емкостью 25 мкФ на выходе улучшает переходную характеристику, а небольшой танталовый конденсатор емкостью 0,1 мкФ рекомендуется на входе, если регулятор расположен на значительном расстояние от фильтра блока питания. Силовой трансформатор должен быть достаточно большой, чтобы входное напряжение регулятора оставалось 3 вольта выше выхода при полной нагрузке, или 16.6 вольт для выхода 13,6 вольт.

LM317 Лист данных

Меню

LM317T Регулятор напряжения с проходным транзистором


Выходной ток LM317T можно увеличить, используя дополнительную мощность. транзистор, чтобы разделить часть общего тока. Количество тока разделение устанавливается резистором, включенным последовательно с входом 317. и резистор, включенный последовательно с эмиттером проходного транзистора.На рисунке ниже проходной транзистор начнет проводить, когда Ток LM317 достигает примерно 1 А из-за падения напряжения на 0,7 резистор ом. Ограничение тока происходит примерно на 2 ампера для LM317, который упадет примерно на 1,4 В на резисторе 0,7 Ом и создаст 700 Ом. падение милливольт на эмиттерном резисторе 0,3 Ом. Таким образом, общий ток ограничено примерно 2+ (0,7 / 0,3) = 4,3 ампер. Входное напряжение должно быть быть примерно на 5,5 вольт больше, чем выходное напряжение при полной нагрузке и тепловыделении при полной нагрузке будет около 23 Вт, поэтому достаточно большой радиатор может быть нужен как для регулятора, так и для проходного транзистора.Размер конденсатора фильтра можно аппроксимировать из C = IT / E, где I — ток, T — полупериод. время (8,33 мс при 60 Гц), а E — падение напряжения, которое произойдет в течение одного полупериода. Чтобы напряжение пульсации не превышало 1 В при 4,3 ампер, необходим фильтрующий конденсатор емкостью 36 000 мкФ или больше. Сила трансформатор должен быть достаточно большим, чтобы максимальное входное напряжение регулятор остается на 5,5 вольт выше выходного при полной нагрузке, или на 17,5 вольт для выхода 12 В.Это допускает падение напряжения на регуляторе на 3 В, плюс падение 1,5 В на последовательном резисторе (0,7 Ом) и 1 В пульсации, создаваемой конденсатором фильтра. Конденсатор фильтра большего размера будет снизить требования к вводу, но ненамного.
Меню

Сильноточные регулируемые источники питания

В регуляторе высокого тока ниже используется дополнительная обмотка или отдельный трансформатор для питания регулятора LM317, чтобы проходные транзисторы могут работать ближе к насыщению и повышать эффективность.Для хорошего КПД напряжение на коллекторах два параллельных 2N3055 проход транзисторов должен быть близок к выходному напряжению. LM317 требует пара дополнительных вольт на входе плюс падение эмиттера / базы 3055, плюс все потери на уравнительных резисторах (0,1 Ом) (1 вольт при 10 ампер), поэтому отдельная цепь трансформатора и выпрямителя / фильтра напряжение на несколько вольт выше, чем выходное напряжение. LM317 будет обеспечить ток более 1 А для управления базами проходных транзисторов и предполагая усиление 10, комбинация должна выдавать 15 ампер или более.В LM317 всегда работает при разнице напряжений 1,2 между выходными клеммы и клеммы настройки и требует минимальной нагрузки 10 мА, поэтому был выбран резистор 75 Ом, который потребляет ток (1,2 / 75 = 16 мА). Это то же самое ток протекает через резистор эмиттера 2N3904, который производит падение напряжения около 1 В на резисторе 62 Ом и 1,7 В на базе. Выходное напряжение устанавливается делителем напряжения (1K / 560) так, чтобы 1,7 вольт подается на базу 3904, когда выход составляет 5 вольт.На 13 вольт При работе резистор 1 кОм можно отрегулировать примерно до 3,6 кОм. Регулятор не имеет защиты выхода от короткого замыкания, поэтому выход, вероятно, следует использовать предохранителем.
Меню

Простой регулируемый источник напряжения


Простой, но менее эффективный метод управления напряжением постоянного тока заключается в использовании конфигурации делителя напряжения и транзисторного эмиттерного повторителя. На рисунке ниже показано использование потенциометра 1K для установки базового напряжения NPN-транзистор средней мощности.Коллектор NPN питает базу более крупный силовой транзистор PNP, который подает большую часть тока на нагрузку. Выходное напряжение будет примерно на 0,7 В ниже напряжения дворника. потенциометра 1K, поэтому выход можно регулировать от 0 до полного напряжение минус 0,7 вольта. Использование двух транзисторов обеспечивает коэффициент усиления по току около 1000 или более, так что потребляется только пара миллиампер тока от делителя напряжения для подачи на выход пары ампер тока.Обратите внимание, что эта схема намного менее эффективна, чем диммер с таймером 555. схема, использующая подход переключения с переменным рабочим циклом. На рисунке ниже лампа на 25 Вт / 12 В потребляет около 2 А при 12 В и 1 А при 3 вольт, чтобы мощность, потерянная при тусклом свете лампы, была примерно (12-3 вольт * 1 ампер) = 9 ватт. Для предотвратить перегрев силового транзистора PNP. Мощность, потребляемая лампа будет только (3 вольта * 1 ампер) = 3 ватта что дает нам КПД составляет всего 25% при затемненной лампе.Преимущество схемы — это простота, а также то, что она не генерирует RF помехи, как это делает импульсный регулятор. Схема может быть использована как регулятор напряжения, если входное напряжение остается постоянным, но не будет компенсировать изменения на входе, как это делает LM317.
Меню

Зарядное устройство для 2-элементных литий-ионных аккумуляторов

Эта схема была построена для зарядки пары литиевых ячеек (3,6 В каждый, 1 Ампер-час), установленный в переносной транзисторный радиоприемник.

Зарядное устройство работает путем подачи короткого импульса тока через серию резистора, а затем отслеживая напряжение батареи, чтобы определить, есть ли другой требуется пульс. Ток можно отрегулировать, изменив последовательный резистор. или регулировка входного напряжения. Когда батарея разряжена, ток импульсы расположены близко друг к другу, так что постоянный ток настоящее время. Когда аккумуляторы полностью заряжены, импульсы разнесены. дальше друг от друга, и состояние полного заряда отображается светодиодом мигает медленнее.

TL431, опорное напряжение запрещенной зоны (2,5 В) используется на выводе 6 компаратора. поэтому выход компаратора переключится на низкий уровень, срабатывая таймер 555, когда напряжение на выводе 7 меньше 2,5 вольт. Выход 555 включается 2 транзистора и батареи заряжаются примерно 30 миллисекунд. Когда импульс заряда заканчивается, напряжение батареи измеряется и делится. вниз комбинацией резисторов 20 кОм, 8,2 кОм и 620 Ом, поэтому, когда Напряжение аккумулятора достигает 8.2 вольта, вход на выводе 7 компаратора поднимется чуть выше 2,5 вольт, и цепь перестанет заряжаться.

Схема может использоваться для зарядки других типов батарей, таких как как Ni-Cad, NiMh или свинцово-кислотный, но напряжение отключения должно быть можно отрегулировать, заменив резисторы 8,2 кОм и 620 Ом так, чтобы на входе компаратора остается 2,5 вольта, когда клемма аккумуляторной батареи напряжение достигнуто.

Например, чтобы зарядить свинцово-кислотную батарею на 6 В до предела 7 В, ток через резистор 20K будет (7-2.5) / 20К = 225 мкА. Это означает комбинацию двух других резисторов (8,2 кОм и 620). должно быть R = E / I = 2,5 / 225 мкА = 11111 Ом. Но это не стандартное значение, так что вы можете использовать 10K последовательно с 1,1K или другими значениями, которые всего 11.11K

Будьте осторожны, чтобы не перезарядить батареи. Я бы рекомендовал использовать большой конденсатор вместо батареи для проверки цепи и убедитесь, что он отключается при правильном напряжении.

Меню

Зарядное устройство для одно- или двухэлементных литий-ионных аккумуляторов

Еще одна идея зарядного устройства — использовать регулируемый блок питания. для полного заряда аккумулятора и резистор для ограничения тока.Он не обеспечивает постоянный ток и требует примерно на 30% больше заряда. время, или около 4 часов. Зарядное устройство постоянного тока может уменьшить это до 3 часов, но потребуется больше деталей.

Можно добавить светодиодный индикатор зарядного тока, как показано в нижнем левом углу. чертежа. Светодиод гаснет, когда ток заряда меньше около 35 мА, а падение напряжения на резисторе 18 Ом составляет около 600 мВ или менее. Тестовый запуск потребовал 260 минут, чтобы светодиод погас, что должен указывать примерно 85% полной мощности, но не уверен.Более информацию можно найти по адресу:

Литий-ионная статья на Battery University.com

Напряжение Емкость Время зарядки Емкость с
                                        полная насыщенность
-------------------------------------------------- -------
3,8 60% 120 мин. 65%
3,9 70% 135 мин. 76%
4,0 75% 150 мин. 82%
4,1 80% 165 Мин. 87%
4.2 85% 180 мин. 100%
-------------------------------------------------- -------
 

Детали схемы:

Когда батарея разряжена, напряжение на опорном контакте TL431 будет меньше 2,5 вольт, что приведет к отключению TL431, увеличивая напряжение базы транзистора и ток заряда. Текущий ограничен до 300 мА резистором 18 Ом (двухэлементная установка). Когда батарея приближается к полной зарядке, контрольный вывод TL431 подходы 2.5 вольт, увеличивая ток TL431 и уменьшая напряжение базы транзистора и ток заряда. Использование 2-х ячеек (8,2 вольт, 1000 мАч), ток падает с 300 мА до примерно 100 мА при заряд достигает 75% емкости за 200 минут. Еще час необходимо довести заряд до 85% Обратите внимание, значение 4,1, а не 4.2 был выбран за чуть больший запас и меньшую нагрузку на аккумулятор при полной зарядке. Судя по приведенным выше данным, это всего лишь 5% емкости. потерян.Диод предотвращает обратное напряжение на переход э / б транзистора в случае подключения блока питания закорочены при подключенной батарее. Резистор 220 Ом был выбран для базового тока около 20 мА. Минимальное усиление транзистора — 30, поэтому 20 мА должны давать не менее 600 мА. Выходное напряжение холостого хода составляет установить с делителем напряжения на 4,1 или 8,2 вольт. Две перемычки используются для выбора желаемого ограничения напряжения и тока.

Например, чтобы зарядить одну литий-ионную батарею до 4,1 вольт, ток через резистор 10К будет
(4,1-2,5) / 10К = 160 мкА. Сериал Комбинация двух других резисторов должна составлять 2,5 / 160 мкА = 15625 Ом. Можно использовать 15K последовательно с 620, а 620 отрегулировать для компенсации для 15K немного больше или меньше. Я закончил 15K и 750, так как 15К было немного мало.

В корпусе с 2 ячейками (8,2 В) два дополнительных резистора добавляются параллельно. с 15625 (с помощью перемычки), чтобы увеличить выходное напряжение с 4.1 к 8.2. В итоге я получил 5,6 кОм последовательно с 430 Ом. 430 можно отрегулировать чтобы понять это правильно.

Вторая перемычка используется (через резистор 12 Ом) для поддержания примерно одинаковый зарядный ток с одной или двумя ячейками операция. Обе перемычки устанавливаются на работу от 8,2 В и снимаются. для работы на 4,1 В. Примечание: на изображении печатной платы показаны два 5-ваттных Резисторы на 12 Ом. Один из резисторов выходит за допустимые пределы и неисправен. собственно 17 ом.

Осторожно: будьте осторожны, чтобы не установить перемычки на работу от 8,2 В. подключен к одноэлементной батарее (4,1 В). Используйте цифровой мультиметр для проверки Напряжение холостого хода — это то, что вы хотите, прежде чем подключать аккумулятор.


Индикатор использования телефона

Меню

Используемый релейный контроллер телефона

Меню

Мультивибратор нестабильный

Меню

Что такое регулятор напряжения? | EAGLE

Регуляторы, монтаж:


Регулятор напряжения и как он защищает вашу схему

Будь то ваш автомобиль, ноутбук или смартфон, каждое электронное устройство нуждается в защите от скачков напряжения.В наши дни, когда устройства становятся плотнее, чем когда-либо, с такими чувствительными компонентами, как микропроцессоры и интегральные схемы (ИС), даже малейшее изменение напряжения может нанести ущерб вашей тщательно спроектированной схеме. Итак, что может сделать чувствительный компонент, когда он требует защиты? Ему нужен регулятор, чтобы поддерживать стабильное и плавное напряжение от входа к выходу.

Обзор регуляторов напряжения

В мире электронных компонентов регулятор напряжения — один из наиболее широко используемых, но что делает эта ИС? Он обеспечивает схему с предсказуемым и фиксированным выходным напряжением в любое время, независимо от входного напряжения.

LM7805 — один из самых популярных линейных регуляторов напряжения. (Источник изображения)

Как регулятор напряжения решает эту задачу, в конечном итоге зависит от разработчика. Некоторое напряжение можно контролировать с помощью более простого стабилитрона, в то время как для других приложений требуется продвинутая топология линейных или импульсных стабилизаторов. В конце концов, у каждого регулятора напряжения есть первичная и вторичная цель:

.

Первичный: Для создания постоянного выходного напряжения цепи в ответ на изменения условий входного напряжения.У вас может быть 9 В на входе, но если вы хотите только 5 В на выходе, вам нужно будет понизить его (Бак) с помощью регулятора напряжения.

Вторичный : Регуляторы напряжения также служат для экранирования и защиты вашей электронной схемы от любого потенциального повреждения. Меньше всего вам нужно сжечь микроконтроллер, потому что он не справляется с скачком напряжения.

Когда дело доходит до добавления регулятора напряжения в вашу схему, вы обычно работаете с одним из двух типов — линейными регуляторами напряжения или импульсными регуляторами напряжения.Давайте посмотрим, как они работают.

Линейные регуляторы напряжения

Этот тип регулятора действует как делитель напряжения в вашей цепи и представляет собой тип регулятора, обычно используемый при разработке маломощных и недорогих приложений. С линейным регулятором вы получите преимущество силового транзистора (BJT или MOSFET), который играет роль переменного резистора, повышая и понижая выходное напряжение вашей схемы при изменении входного питания.

Независимо от того, какая нагрузка находится в вашей цепи, линейный регулятор напряжения всегда будет идти в ногу, чтобы обеспечить вам постоянное стабильное выходное напряжение.Например, трехконтактный линейный стабилизатор напряжения, такой как LM7805, обеспечивает постоянный выходной сигнал 5 вольт на 1 ампер, пока входное напряжение не превышает 36 вольт.

LM705 подключен последовательно для обеспечения стабильного выходного напряжения. (Источник изображения)

Обратной стороной этого типа регулятора в конечном итоге является принцип его работы. Поскольку он ведет себя как резистор для стабилизации напряжения, он в конечном итоге тратит массу энергии на преобразование тока сопротивления в тепло. Вот почему линейные регуляторы напряжения идеально подходят для приложений, в которых требования к мощности невысоки, а разница между входным и выходным напряжениями минимальна.Давайте сравним две разные ситуации регулирования напряжения, чтобы увидеть, как складывается линейный регулятор:

С входным источником 10 В, который понижается до 5 В с помощью LM7805, вы в конечном итоге потратите 5 Вт и получите только 50% эффективности от ваших усилий.

Возьмите тот же регулятор LM7805 и подайте на него входное напряжение 7 В, пониженное до 5 В, и в итоге вы потратите только 2 Вт и получите КПД 71%.

Как видите, чем ниже начальная потребляемая мощность, тем эффективнее может быть линейный стабилизатор напряжения.При работе с этими регуляторами в вашей собственной схеме вы обычно столкнетесь с двумя вариантами: последовательным или шунтирующим.

Стабилизатор напряжения серии

В этом стандартном стабилизаторе последовательно с нагрузкой установлен транзистор, управляемый стабилитроном. Здесь стабилизатор использует в качестве переменного элемента (в данном случае транзистор), плавно увеличивая и уменьшая сопротивление в зависимости от переменного входного напряжения, чтобы обеспечить стабильное и стабильное выходное напряжение.

Простая схема последовательного регулятора напряжения, обеспечивающая регулируемый выход постоянного тока.(Источник изображения)

Шунтирующий регулятор напряжения

Это приложение работает аналогично последовательному регулятору напряжения, но не подключено последовательно. Все избыточное напряжение по-прежнему отправляется на землю через тот же процесс переменного сопротивления, что снова приводит к потере энергии. Чаще всего шунтирующие регуляторы используются в:

  • Прецизионные ограничители тока
  • Контроль напряжения
  • Источники питания с регулируемым напряжением
  • Усилители ошибок
  • Цепи источника и потребителя тока
  • Импульсные источники питания с низким выходным напряжением

Шунтирующий регулятор напряжения не подключен последовательно, но по-прежнему посылает избыточный ток на землю.(Источник изображения)

В целом, если вы работаете с маломощным и недорогим приложением, в котором эффективность преобразования энергии не является основным приоритетом, то линейный стабилизатор напряжения будет вашим выбором. Вот некоторые окончательные преимущества и недостатки, о которых следует помнить перед выбором линейного регулятора для вашего следующего проекта:

Преимущества Недостатки
  • Имеет более низкие электромагнитные помехи и шум, чем импульсные регуляторы
  • Вариант с очень низким энергопотреблением, если разница между входным и выходным напряжением велика
  • Быстро реагирует на изменения нагрузки или сетевого напряжения
  • Часто требует добавления радиатора для рассеивания всей потраченной впустую энергии
  • Обеспечивает стабильное и стабильное низкое выходное напряжение, идеально подходит для приложений с низким энергопотреблением.
  • У вас нет возможности получить выходное напряжение выше входного

Импульсные регуляторы напряжения

Импульсные регуляторы

идеально подходят, когда у вас большая разница между входным и выходным напряжениями.По сравнению с линейными регуляторами напряжения переключение выигрывает в эффективности преобразования энергии. Однако вся эта дополнительная эффективность также делает вашу схему более сложной.

Вы обнаружите, что импульсные регуляторы имеют совершенно другую внутреннюю схему, в которой для регулирования напряжения используется управляемый переключатель. Вот почему он называется импульсным регулятором.

Как работает импульсный регулятор? Вместо того, чтобы постоянно сопротивляться входному напряжению и посылать его на землю в качестве стока, импульсные регуляторы вместо этого накапливают и затем доставляют заряд меньшими частями к выходному напряжению на основе обратной связи.Подавая выходное напряжение обратно в переключатель, регулятор постоянно проверяет, нужно ли ему увеличивать или уменьшать синхронизацию порций напряжения для вывода.

Переключение регуляторов становится немного сложнее. (Источник изображения)

Импульсный стабилизатор поддерживает уровень заряда с помощью транзистора, который включается, когда для его накопителя требуется больше энергии, и выключается, когда он достигает желаемого выходного напряжения. Это помогает обеспечить гораздо более энергоэффективный метод управления уровнями выходного напряжения с помощью своего рода плотиноподобной системы, которая не просто сопротивляется потоку входного напряжения, но вместо этого реагирует на изменения напряжения и включение / выключение как нужный.

Однако у этого процесса включения / выключения есть некоторые недостатки. Чем быстрее ваш импульсный регулятор переключается, тем больше времени он потратит на переход из проводящего в непроводящее состояние, что приводит к общему снижению эффективности преобразования. Вы также получите намного больше шума в своей цепи с импульсным стабилизатором, чем с линейным регулятором напряжения.

Однако, в отличие от линейных регуляторов напряжения, импульсные регуляторы гораздо более разнообразны в своих доступных приложениях.Эти регуляторы не просто понижают или повышают ваше напряжение, но также могут инвертировать его. Вот три метода, которыми известны импульсные регуляторы напряжения:

Boosting (Повышающий)

Этот метод обеспечивает более высокое регулируемое выходное напряжение за счет увеличения входного напряжения.

Эта схема увеличивает входное напряжение 5 В до 12 В на выходе. (Источник изображения)

Bucking (понижающий)

Этот метод обеспечивает более низкое регулируемое выходное напряжение на основе переменного входного напряжения, аналогично тому, как работает линейный регулятор.

Эта схема понижает вход 8-40 В, до 5 В на выходе. (Источник изображения)

Повышающий / понижающий (инвертор)

Этот метод представляет собой своего рода гибрид, предоставляющий разработчику возможность повышать, понижать или инвертировать выходное напряжение по мере необходимости.

В целом, если вы работаете со сложной конструкцией, в которой важна эффективность преобразования мощности, а разница между входным и выходным напряжениями велика, тогда вам подойдут импульсные стабилизаторы.Вот некоторые окончательные преимущества и недостатки, о которых следует помнить, прежде чем выбирать этот регулятор для вашего следующего проекта:

Преимущества Недостатки
  • Достигает гораздо более высокой эффективности преобразования мощности, чем линейные регуляторы, 85% +
  • Производит больше электромагнитных помех и шума, чем линейные регуляторы
  • Не требует добавления радиатора на вашу плату, экономя место
  • Требует большей сложности и дополнительных компонентов на вашем макете
  • Может легко работать с силовыми приложениями, где есть широкий диапазон входных и выходных напряжений.
  • Дополнительные компоненты увеличивают общую стоимость проекта, что не идеально для низкозатратных или бюджетных проектов.

Оставаясь простым — стабилитрон

Многим разработчикам может не понадобиться иметь дело со сложными линейными или импульсными регуляторами напряжения. В этих ситуациях мы можем полагаться на еще более простое решение для регулирования напряжения с помощью стабилитрона. Один только этот компонент может в некоторых случаях обеспечить все необходимое регулирование напряжения, не требуя каких-либо специальных деталей.

Стабилитрон выполняет свою работу, шунтируя все избыточное напряжение выше его порогового значения на землю.Однако вся эта простота имеет ограниченные возможности, и вы обычно будете использовать стабилитроны только в качестве регуляторов напряжения для приложений с очень низким энергопотреблением.

Какой регулятор вам нужен?

Все конструкции уникальны, и нет ни одного универсального регулятора, который удовлетворит потребности каждого инженера. Лучше оценивать каждый новый проект в индивидуальном порядке и задавать себе следующие вопросы:

  • Требует ли ваша конструкция низкого уровня шума на выходе и низкого уровня электромагнитных помех? Если это так, то линейные регуляторы — это то, что вам нужно.
  • Требуется ли ваша конструкция максимально быстрого реагирования на помехи на входе и выходе? Линейные регуляторы снова побеждают.
  • Есть ли у вашего проекта строгие ограничения по стоимости, и вам нужно учитывать каждый доллар? Линейные регуляторы — это экономичный выбор.
  • Ваша конструкция работает на уровне мощности выше нескольких ватт? В этой ситуации импульсные стабилизаторы дешевле, поскольку не требуют радиатора.
  • Требуется ли для вашей конструкции высокий КПД преобразования мощности? Импульсные регуляторы — это лучший выбор, предлагающий КПД 85% + для повышающих и понижающих применений.
  • Ваше устройство работает только от источника постоянного тока, и вам нужно увеличить выходное напряжение? Регуляторы переключения справятся с этим.

Все еще не уверены, какого риэлтора выбрать? Вот некоторые другие детали, которые следует учитывать в разделе Как выбрать лучший стабилизатор напряжения для моей схемы? от Силовой Электроники.

Регуляторы

, монтаж вверх

Какое бы устройство вы ни проектировали, ему потребуется серьезная защита от колебаний напряжения.Стабилизаторы напряжения — идеальный инструмент для этой задачи, способный обеспечить стабильное выходное напряжение, чтобы ваша схема работала должным образом. В конечном итоге, выбор регулятора напряжения зависит от требований вашей конструкции. Работаете с малопотребляющим и недорогим приложением, где преобразование энергоэффективности не имеет значения? Возможно, вам подойдут линейные регуляторы. Или, может быть, вы работаете над более сложной конструкцией, требующей повышения и понижения напряжения по мере необходимости. Если это так, подумайте о переключении регуляторов.Какой бы регулятор вы ни выбрали, вы защитите свою электрическую цепь от опасностей, связанных с этими напряжениями в дикой природе.

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE включает в себя массу бесплатных библиотек регуляторов напряжения, готовых для использования в вашем следующем проекте? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

8.3: Линейные регуляторы — Разработка LibreTexts

Если управляющий элемент регулятора работает в линейной области, регулятор называется линейным регулятором. Большинство ИС линейных регуляторов относятся к последовательному типу.Основными преимуществами линейных регуляторов являются простота использования и точность регулирования. Их главный недостаток — невысокий КПД.

Базовый линейный регулятор показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Управляющим элементом серии является транзистор \ (Q_1 \). Этот компонент чаще всего называют проходным транзистором, поскольку он позволяет току проходить через нагрузку. Пропускной транзистор управляется операционным усилителем. Работа проходного транзистора заключается в усилении выходного тока операционного усилителя. Операционный усилитель постоянно контролирует свои два входа.Неинвертирующий вход видит напряжение стабилитрона устройства \ (D_1 \). \ (R_1 \) используется для правильного смещения \ (D_1 \). Инвертирующий вход операционного усилителя видит падение напряжения на \ (R_3 \). Обратите внимание, что \ (R_2 \) и \ (R_3 \) составляют делитель напряжения с \ (V_ {load} \) в качестве источника делителя. Помня основы отрицательной обратной связи, вспомните, что операционный усилитель вырабатывает достаточно тока, чтобы поддерживать два своих входа примерно на одном уровне, таким образом сохраняя \ (V_ {error} \) на нуле. Другими словами, напряжение на \ (R_3 \) должно быть равно потенциалу Зенера.Это равенство сохраняется до тех пор, пока операционный усилитель имеет достаточно высокий выходной ток. Обратите внимание, что падение \ (V_ {BE} \), создаваемое \ (Q_1 \), компенсируется, поскольку оно находится в контуре обратной связи. Разница между отфильтрованным входным сигналом и окончательным \ (V_ {load} \) пропускается через коллектор / эмиттер \ (Q_1 \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Базовый линейный стабилизатор операционного усилителя.

По сути, схема на рисунке \ (\ PageIndex {1} \) представляет собой неинвертирующий усилитель.\ (V_ {zener} \) — входной потенциал, а \ (R_2 \) и \ (R_3 \) заменяют резисторы \ (R_f \) и \ (R_i \) соответственно. \ (V_ {load} \) находится с использованием варианта основной формулы усиления:

\ [V_ {load} = V_ {zener} \ frac {R_2 + R_3} {R_3} \ label {8.3} \]

Путем выбора подходящего соотношения резисторов и подходящего стабилитрона можно достичь широкого диапазона выходных потенциалов. Обратите внимание, что операционный усилитель питается от нерегулируемого входа. Любая пульсация на этой линии вряд ли повлияет на работу операционного усилителя.Пульсации будут уменьшены PSRR операционного усилителя (коэффициент отклонения источника питания). Резистор смещения стабилитрона \ (R_1 \) выбирается таким образом, чтобы он создавал ток, гарантирующий проводимость стабилитрона. Обычно это низкий диапазон миллиампер.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Определите вывод рисунка \ (\ PageIndex {1} \), если \ (R_1 = 5 k \ Omega \), \ (R_2 = 20 k \ Omega \), \ (R_3 = 10 k \ Omega \) и \ (V_ {стабилитрон} = 3,9 В \). Предположим, что отфильтрованный вход составляет 20 В постоянного тока с размахом пульсации не более 3 В.

Во-первых, обратите внимание, что входной сигнал варьируется от минимум 18,5 В до максимум 21,5 В (20 В \ (\ pm \) 1,5 В пиковое). Пока схема не пытается производить больше минимального входного напряжения и пока соблюдаются все ограничения по току и рассеиваемой мощности, все должно работать правильно.

\ [V_ {load} = V_ {zener} \ frac {R_2 + R_3} {R_3} \ notag \]

\ [V_ {load} = 3,9 V \ times \ frac {20 k + 10 k} {10 k} \ notag \]

\ [V_ {нагрузка} = 11,7 В \ notag \]

Из-за падения \ (V_ {BE} \) операционный усилитель должен производить около 0.На 7 В больше этого. Также обратите внимание, что теперь можно найти стабилитрон.

\ [I_ {zener} = \ frac {V_ {load} — V_ {zener}} {R_1} \ notag \]

\ [I_ {стабилитрон} = \ frac {11,7 В − 3,9 В} {5 k} \ notag \]

\ [I_ {стабилитрон} = 1,56 мА \ notag \]

Это разумное значение.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Определите рассеиваемую мощность для \ (Q_1 \) и КПД схемы для примера \ (\ PageIndex {1} \), если эффективное сопротивление нагрузки составляет 20 \ (\ Omega \).

Сначала необходимо определить \ (I_ {load} \).

\ [I_ {load} = \ frac {V_ {load}} {R_ {load}} \ notag \]

\ [I_ {load} = \ frac {11,7 В} {20} \ notag \]

\ [I_ {load} = 0,585A \ notag \]

Рассеивание \ (Q_1 \) — это произведение тока, проходящего через него, и напряжения на нем. Ток через \ (Q_1 \) — это ток нагрузки. Напряжение на \ (Q_1 \) — это разница между выходным напряжением фильтра и напряжением нагрузки. Поскольку на выходе фильтра присутствует относительно небольшой сигнал переменного тока, поступающий на постоянный ток, среднее значение будет равно значению постоянного тока, в данном случае 20 В.

\ [V_ {CE} = V_C — V_E \ notag \]

\ [V_ {CE} = 20 В — 11,7 В \ notag \]

\ [V_ {CE} = 8,3 В \ notag \]

\ [P_D = I_C V_ {CE} \ notag \]

\ [P_D = 0,585 А \ умножить на 8,3 В \ notag \]

\ [P_D = 4.86 Вт \ notag \]

Итак, проходной транзистор должен рассеивать 4,86 ​​Вт и выдерживать ток 0,585 А. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер возникает при пиковом входном напряжении 21,5 В. Следовательно, максимальный дифференциал составляет 9,8 В.

Наконец, обратите внимание, что для выхода 0,585 ампер потребуется минимум \ (\ beta \)

\ [\ beta = \ frac {I_C} {I_B} \ notag \]

\ [\ beta = \ frac {585 мА} {20 мА} \ notag \]

\ [\ beta = 29.25 \ notag \]

Это предполагает, что операционный усилитель может вырабатывать 20 мА, а также игнорирует малые токи стабилитрона и делителя напряжения на выходе.

Что касается эффективности, необходимо рассчитать входную мощность и мощность нагрузки. Для мощности нагрузки,

\ [P_ {load} = I_ {load} V_ {load} \ notag \]

\ [P_ {load} =.585 А \ умножить на 11,7 В \ notag \]

\ [P_ {нагрузка} = 6,844 Вт \ notag \]

Игнорируя требования к току операционного усилителя, стабилитрона и делителя \ (R_2 / R_3 \), подаваемый ток равен 0,585 А. Среднее входное напряжение составляет 20 В.

\ [P_ {in} = I_ {in} V_ {in} \ notag \]

\ [P_ {in} = 0,585 А \ умножить на 20 В \ notag \]

\ [P_ {in} = 11,7 Вт \ notag \]

Эффективность, \ (\ eta \), определяется как отношение полезного выхода к требуемому входу, поэтому

\ [\ eta = \ frac {P_ {load}} {P_ {in}} \ notag \]

\ [\ eta = \ frac {6.844 Вт} {11,7 Вт} \ notag \]

\ [\ eta = 0,585 \ или \ 58,5 \% \ notag \]

Таким образом, 41,5% входной мощности теряется. Чтобы свести к минимуму потери и максимизировать эффективность, дифференциальное напряжение на входе / выходе должно быть как можно меньшим. Для правильной работы операционного усилителя и проходного транзистора это обычно означает, что дифференциал ниже 2–3 В невозможен. Следовательно, эта форма регулирования очень неэффективна, когда источник питания должен обеспечивать низкие уровни выходного напряжения.

Компьютерное моделирование

Моделирование Multisim линейного регулятора на базе ОУ, такого как показанное на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Входной сигнал составляет в среднем 20 В, а пиковая синусоидальная волна 2 В с частотой 120 Гц на нем представляет собой пульсации. Операционный усилитель 741 используется в качестве элемента сравнения вместе с обычным транзистором для проходного устройства. В качестве эталона используется стабилитрон 5,2 В. Учитывая значения схемы, ручной расчет показывает

\ [V_ {out} = V_ {стабилитрон} (1+ \ frac {R_f} {R_i}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 5.2 V \ times (1+ \ frac {14k} {11k}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 11,8 В \ notag \]

График выходного сигнала показывает постоянный выходной сигнал примерно при 12,6 В. Расхождение может быть связано с неидеальной природой стабилитрона (например, его внутренним сопротивлением). Действительно, первоначальное решение показывает, что потенциал стабилитрона (узел 5) составляет приблизительно 5,5 В. Более точное определение стабилитрона (в частности, параметров BV и IBV) привело бы к гораздо более точному предсказанию.Другой способ взглянуть на это — сказать, что спецификация стабилитрона 5,2 В слишком сильно ниже фактической точки смещения стабилитрона для максимальной точности (т. Е. Ручные вычисления несколько неаккуратны и, следовательно, являются ошибочными). Помимо этого незначительного несоответствия, график во временной области действительно показывает стабильность выходного сигнала, несмотря на значительные колебания входного сигнала.

Рисунок \ (\ PageIndex {2a} \): Регулятор операционного усилителя в Multisim.

Рисунок \ (\ PageIndex {2b} \): формы сигналов на входе и выходе из Multisim.

8.3.1: Три оконечных устройства

Стремясь упростить работу проектировщика, производители предоставляют схемы, подобные показанной на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), в одном корпусе. Если вы заметили, схеме действительно нужны только три контакта для подключения к внешнему миру: вход от фильтра, земля и выход. Эти устройства широко известны как трехконтактные регуляторы — вряд ли можно назвать креативным названием, но, по крайней мере, описательным. Доступно несколько различных устройств для различных требований по току и рассеиваемой мощности.

Типичное семейство «3-контактных» устройств — это LM340-XX / LM78XX и LM360-XX / LM79XX. Серия LM340-XX / LM78XX предназначена для положительных выходов, а серия LM360-XX / LM79XX — для отрицательных выходов. «XX» указывает номинальное напряжение нагрузки. Например, LM340-05 — стабилизатор +5 В, а LM7912 — блок -12 В. Самые популярные типоразмеры — это блоки на 5, 12 и 15 В. Для простоты далее серия будет называться LM78XX.

Лист данных серии LM78XX показан на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).Этот регулятор выпускается в нескольких вариантах, включая ТО-3, ТО-220 и версии для поверхностного монтажа. Версия с корпусом TO-3 предлагает несколько более высокую рассеиваемую мощность. Доступны выходные токи более 1 А. В качестве дополнительного примечания, для более легких нагрузок с более низким потреблением тока можно использовать LM78LXX. Этот регулятор предлагает выход 100 мА и поставляется в различных корпусах.

Рисунок \ (\ PageIndex {3a} \): лист данных LM78XX.

Рисунок \ (\ PageIndex {3b} \): лист данных LM78XX (продолжение).Перепечатано с любезного разрешения Texas Instrutments

.

Практический предел рассеиваемой мощности серии LM78XX, как и любого другого устройства питания, сильно зависит от типа используемого радиатора. Из графиков видно, что в корпусе ТО-3 она может достигать 20 Вт. Типичное выходное напряжение находится в пределах примерно 5 процентов от номинального значения. Это указывает на присущую IC точность и не является мерой ее регулирующих способностей. Значения для регулирования нагрузки и линии приведены в листе технических данных.При отклонении линейного напряжения более 2: 1 мы можем видеть, что выходное напряжение изменяется не более чем на 1 процент от номинального выходного значения. Регулирование нагрузки в наихудшем случае так же хорошо, показывая отклонение не более 1 процента при изменении тока нагрузки от 5 мА до 1,5 А. Также можно увидеть, что регулятор потребляет очень небольшой ток в режиме ожидания, всего 8,5 мА в широком диапазоне температур. диапазон.

Выход серии LM78XX довольно чистый. LM7815 показывает выходное напряжение шума обычно 90 мкВ и среднее подавление пульсаций 70 дБ.Это означает, что пульсации на входе регулятора уменьшаются на 70 дБ на выходе. Поскольку 70 дБ переводятся в коэффициент более 3000, это означает, что входной сигнал пульсации 1 В будет уменьшен до менее одной трети милливольта на выходе. Стоит отметить, что этот показатель зависит от частоты, как показано на графике подавления пульсаций. К счастью, максимальное значение находится в желаемом диапазоне от 60 до 120 Гц.

Последний важный пункт в техническом паспорте является чрезвычайно важным: входное напряжение, необходимое для поддержания регулирования линии.Это значение примерно на 2,5–2,7 В больше номинального значения регулятора. Без этого запаса регулятор перестанет нормально работать. Хотя желательно поддерживать низкое дифференциальное напряжение на входе / выходе, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность устройства и максимизировать эффективность, слишком низкое значение приведет к выходу из строя регулятора. Как видно на графике пикового выходного тока, самые высокие токи нагрузки достигаются, когда дифференциал находится в диапазоне от 5 до 10 В.

Во всех случаях устройства обеспечивают тепловое отключение и защиту от короткого замыкания на выходе.Максимальное входное напряжение ограничено до 35 В. Помимо серии LM78XX доступны специальные сильноточные типы с выходами в диапазоне 3 А и выше.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Двойное питание для схем операционного усилителя.

В качестве примера на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан биполярный источник питания. Трансформатор с центральным отводом используется для создания необходимой положительной / отрицательной полярности. \ (C_1 \) и \ (C_2 \) служат конденсаторами фильтра. Положительный пик на каждом конденсаторе не должен превышать 35 В, иначе регуляторы могут быть повреждены.Минимальное напряжение на конденсаторах должно быть как минимум на 3 В выше желаемого выходного уровня. Точный размер конденсатора зависит от ожидаемого тока нагрузки. Аналогичным образом величина тока нагрузки будет определять, какой стиль корпуса будет использоваться. Конденсаторы \ (C_3 \) и \ (C_4 \) емкостью 220 нФ и требуются только в том случае, если регуляторы расположены на расстоянии нескольких дюймов или более от конденсаторов фильтра. Если требуется их использование, \ (C_3 \) и \ (C_4 \) должны располагаться очень близко к регулятору.\ (C_5 \) и \ (C_6 \) используются для улучшения переходной характеристики регулятора. Они не используются для фильтрации или стабилизации цепи. Из-за частого неправильного использования \ (C_5 \) и \ (C_6 \) часто называют «конденсаторами стабильности», хотя это не их функция. Наконец, диоды \ (D_1 \) и \ (D_2 \) защищают регуляторы от условий перенапряжения на выходе, например, от индуктивных нагрузок.

Как видите, проектирование умеренных источников питания с фиксированным напряжением с помощью этого шаблона может быть очень простым делом.После того, как основной источник питания настроен, все, что нужно добавить, — это регуляторы, несколько конденсаторов и диодов. Проще говоря, стабилизатор «прикрепляется» к базовому нерегулируемому источнику питания с конденсаторным фильтром. Для простого источника питания с одной полярностью дополнительные компоненты могут быть сведены к одной ИС регулятора, при этом дополнительные конденсаторы и диод игнорируются.

8.3.2: Повышение тока

Для очень высоких выходных токов можно использовать внешние проходные транзисторы в дополнение к основным ИС линейного регулятора.Пример показан на рисунке \ (\ PageIndex {5} \). Когда входной ток возрастает до определенного уровня, падение напряжения на \ (R_1 \) будет достаточно большим, чтобы включить транзистор \ (Q_1 \). Когда \ (Q_1 \) начинает проводить, ток течет через \ (R_3 \). По мере увеличения этого тока потенциал на \ (R_3 \) увеличится до точки, в которой силовой транзистор \ (Q_2 \) включится. \ (Q_2 \) будет обрабатывать любое дальнейшее увеличение тока нагрузки. Обычно \ (R_1 \) устанавливается так, чтобы регулятор работал на уровне, превышающем половину своего максимального номинала, прежде чем произойдет переключение.Типичное значение — 22 \ (\ Omega \). Например, если переключение происходит при 1 А, регулятор будет обеспечивать все потребности нагрузки до 1 А. Если нагрузке требуется более 1 А, стабилизатор подаст 1 А, а остальное будет обеспечивать силовой транзистор. Для правильной работы схемам этого типа часто требуется минимальный ток нагрузки. Такой «утечки» можно добиться, добавив один резистор параллельно нагрузке.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): пропускные транзисторы для увеличения тока нагрузки.

Другая возможность увеличения выходного тока — это параллельное соединение устройств и добавление небольших балластных резисторов. Пример этого показан на рисунке \ (\ PageIndex {6} \). Балластные резисторы используются для создания локальной обратной связи. Это снижает потребление тока и заставляет регуляторы равномерно распределять ток нагрузки. (Это тот же метод, который обычно используется в усилителях большой мощности, так что несколько выходных транзисторов могут быть подключены параллельно.) Размер балластных резисторов довольно невелик, обычно 0.5 \ (\ Omega \) или меньше.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Параллельные устройства для повышенного тока нагрузки

8.3.3: Регуляторы с малым падением напряжения

Регуляторы с малым падением напряжения (обычно сокращенно LDO) — это особый подкласс обычных линейных регуляторов. Как правило, они работают одинаково, но с одним важным исключением. В отличие от обычных линейных регуляторов, LDO не требуют большого дифференциального напряжения на входе-выходе в несколько вольт. Вместо этого LDO будут регулировать дифференциал всего в несколько десятых вольта.Этот минимальный дифференциал ввода-вывода известен как падение напряжения. При меньшем запасе мощности LDO намного более эффективен, чем стандартный стабилизатор, особенно с низковольтными выходами. Примером может служить LM2940. Как и LM78XX, этот регулятор доступен для многих популярных выходных потенциалов, включая 5, 12 и 15 В. Он рассчитан на выходной ток 1 А. При максимальном токе падение напряжения обычно составляет 0,5 В. На выходе 100 мА падение напряжения обычно составляет 110 мВ.

8.3.4: Программируемые и отслеживающие регуляторы

Наряду с простыми трехконтактными фиксированными регуляторами доступен ряд регулируемых или программируемых устройств. Некоторые устройства также включают в себя такие функции, как программируемое ограничение тока. Кроме того, можно настроить несколько регуляторов так, чтобы они отслеживали или следовали друг за другом.

Один из популярных регулируемых регуляторов — LM317. Это устройство функционально похоже на серию 340, описанную в предыдущем разделе.По сути, он имеет внутреннее опорное напряжение 1,25 В. При использовании внешнего делителя напряжения доступен широкий диапазон выходных потенциалов. LM317 будет производить максимальный ток 1,5 А и максимальное напряжение 37 В. Базовая схема подключения показана на рисунке \ (\ PageIndex {7} \). Делитель \ (R_1 / R_2 \) устанавливает выходное напряжение по формуле

\ [V_ {out} = 1,25 В (1+ \ frac {R_2} {R_1}) + I_ {adj} R_2 \ notag \]

\ (I_ {adj} \) — ток, протекающий через нижний регулировочный штифт.\ (I_ {adj} \) составляет около 100 мкА, и, поскольку он такой маленький, в первом приближении им можно пренебречь. \ (R_1 \) установлен на 240 \ (\ Omega \). D1 служит устройством защиты от выходных перенапряжений, как было показано в предыдущем разделе. Конденсатор на 10 мкФ используется для увеличения подавления пульсаций устройством. Добавление этого конденсатора увеличит подавление пульсаций как минимум на 10 дБ. Диод \ (D_2 \) используется для предотвращения возможных деструктивных разрядов конденсатора 10 мкФ. На практике \ (R_2 \) устанавливается на резистор фиксированного размера для статических источников питания или представляет собой потенциометр для источников питания, регулируемых пользователем.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Базовый регулятор LM317.

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Определите значение для \ (R_2 \), чтобы выход можно было регулировать от минимального 1,25 В до максимального 15 В.

Для минимального значения \ (R_2 \) должно быть 0 \ (\ Omega \). Игнорируя эффект \ (I_ {adj} \), максимальное значение находится на

\ [V_ {out} = 1,25 В (1+ \ frac {R_2} {R_1}) \ notag \]

\ [R_2 = R_1 \ times (\ frac {V_ {out}} {1.25 В} −1) \ notag \]

\ [R_2 = 240 \ times (\ frac {15 В} {1,25 В} -1) \ notag \]

\ [R_2 = 2,64 к \ нотаг \]

Обычно такое значение недоступно для стандартных потенциометров. Блок 2,5 k \ (\ Omega \) может быть легко доступен, поэтому \ (R_1 \) можно немного уменьшить для компенсации.

Компьютерное моделирование

На рисунке \ (\ PageIndex {8} \) показано моделирование регулятора, разработанного в примере \ (\ PageIndex {3} \). Используемая модель LM117 очень похожа на LM317.Максимальное значение потенциометра 2,5 k \ (\ Omega \) используется здесь, чтобы увидеть, насколько далека конструкция от целевого значения 15 вольт. Как и в моделировании в предыдущей главе, синусоидальная волна на смещении постоянного тока используется в качестве входа для имитации пульсации на нерегулируемом источнике питания. Анализ переходных процессов Multisim используется для построения графиков входных и выходных сигналов. При желании схема выдает очень стабильный выход постоянного тока. Кроме того, уровень составляет всего несколько десятых вольт от желаемого максимума в 15 вольт, как и ожидалось.Моделирование достаточно хорошо проверяет ручные расчеты.

Рисунок \ (\ PageIndex {8a} \): моделирование LM317 / LM117.

При использовании LM317, если требуется минимальное значение более 1,25 В, потенциометр можно подключить последовательно с фиксированным резистором. В качестве альтернативы, точные предустановленные значения могут быть получены с помощью поворотного переключателя и набора постоянных резисторов, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {9} \). Фактически, эти методы также могут быть применены к фиксированным трехконтактным устройствам, представленным в предыдущем разделе.Например, LM7805 можно использовать в качестве стабилизатора 15 В, просто добавив внешний делитель, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {10} \). Вы можете думать о LM7805 как о LM317 с опорным напряжением 5 В. Точные значения не важны; Важно то, что соотношение двух резисторов составляет 2: 1.

Рисунок \ (\ PageIndex {8b} \): осциллограммы из Multisim.

Одна из основных проблем регулируемых линейных регуляторов — это ограничение «нижнего конца». Стабилизатору этого типа легче генерировать большой ток нагрузки при высоком напряжении нагрузки, чем генерировать большой ток нагрузки при низком напряжении нагрузки.Причина этого в том, что при низких выходных напряжениях внутренний проходной транзистор видит очень высокое дифференциальное напряжение. Это приводит к очень большому рассеянию мощности. Если устройство станет слишком горячим, могут сработать схемы тепловой защиты. С точки зрения пользователя это означает, что источник питания может выдавать выходное напряжение 15 В, 1 А, но не может обеспечивать выходное напряжение 5 В, 1 А.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Регулируемое регулирование.

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): Изменение выходного напряжения с фиксированным регулятором.

Еще одна популярная микросхема стабилизатора — LM723. Это устройство имеет более модульную конструкцию и позволяет задавать ограничение тока. Эквивалентная схема 723 показана на рисунке \ (\ PageIndex {11} \). Сам по себе LM723 способен выдавать только 150 мА. При использовании транзисторов с внешним проходом стабилизатор на основе LM723 может выдавать ток нагрузки в несколько ампер. Внутреннее опорное напряжение составляет примерно 7,15 В. Из-за этого существуют две основные конфигурации: одна для выходов ниже 7 В и одна для выходов выше 7 В.Эти конфигурации и их формулы вывода показаны на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Эквивалентная схема LM723. Перепечатано с любезного разрешения Texas Instrutments

.

Объединив рисунок \ (\ PageIndex {10} \) с рисунком \ (\ PageIndex {11} \) и перерисовав результаты в рисунках \ (\ PageIndex {13a} \) и \ (\ PageIndex {13b} \), вы можно увидеть сильное сходство с обычным регулятором операционного усилителя, встреченным ранее. Рисунок \ (\ PageIndex {13a} \) используется для выходных значений больше 7.Опорное напряжение 15 В. Таким образом, резисторы \ (R_1 \) и \ (R_2 \) используются для установки коэффициента усиления внутреннего усилителя (т. Е. Величины, на которую будет умножаться опорное значение). Резистор \ (R_3 \) просто служит для компенсации смещения постоянного тока для \ (R_1 \) и \ (R_2 \). Для выходов меньше эталонного, \ (R_1 \) и \ (R_2 \) служат делителем напряжения, который эффективно уменьшает эталон, тогда как усилитель работает с коэффициентом усиления, равным единице. Опять же, R3 служит для компенсации смещения. Короче говоря, выходное напряжение снова определяется опорным напряжением в сочетании с парой резисторов.В обоих случаях предел выходного тока устанавливается на

.

\ [I_ {limit} = \ frac {V_ {sense}} {R_ {sc}} \ notag \]

Где \ (V_ {sense} \) составляет примерно 0,65 В при комнатной температуре (для других температур график \ (V_ {sense} \) приведен в листе данных LM723). Это уравнение можно найти в паспорте производителя, но его можно легко получить, проверив рисунок \ (\ PageIndex {13} \). Резистор \ (R_ {sc} \) включен последовательно с нагрузкой, и, таким образом, ток через него является током нагрузки (без учета небольшого тока, необходимого для регулировочных резисторов).Транзистор ограничения тока подключен так, что напряжение на \ (R_ {sc} \) прикладывается к переходу база-эмиттер этого транзистора. Коллектор транзистора ограничения тока соединен с базой выходного транзистора. Если выходной ток возрастает до точки, где напряжение на \ (R_ {sc} \) превышает примерно 0,65 В, транзистор ограничения тока включается, тем самым шунтируя выходной ток возбуждения от транзистора выходного прохода. Как видите, формула для \ (I_ {limit} \) немного больше, чем прямое применение закона Ома.Эта схема аналогична методу, рассмотренному в главе 2, для безопасного ограничения выходного тока операционного усилителя.

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): LM723 «подключения». Перепечатано с любезного разрешения Texas Instrutments

.

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \) (продолжение): LM723 «подключения». Перепечатано с любезного разрешения Texas Instrutments

.

Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): Две основные конфигурации регулятора LM723. а. Выход> 7,15 В (вверху). б. Выход <7.15 вольт (внизу).

Пример \ (\ PageIndex {4} \)

Разработайте стабилизатор +12 В с использованием LM723 с ограничением тока 50 мА.

Базовая форма для этого — версия, показанная в \ (\ PageIndex {12.2} \). Соответствующее выходное уравнение:

.

\ [V_ {out} = V_ {ref} \ frac {R_1 + R_2} {R_2} \ notag \]

Выбор произвольного значения для \ (R_2 \) из 10 k \ (\ Omega \), а затем решение для \ (R_1 \),

\ [R_1 = \ frac {V_ {out}} {V_ {ref}} R_2 — R_2 \ notag \]

\ [R_1 = \ frac {12V} {7.15 В} 10 кОм — 10 кОм \ notag \]

\ [R_1 = 6,78 к \ нотаг \]

Для резистора считывания тока,

\ [I_ {limit} = \ frac {V_ {sense}} {R_ {sc}} \ notag \]

\ [R_ {sc} = \ frac {V_ {sense}} {I_ {limit}} \ notag \]

\ [R_ {sc} = \ frac {0,65 В} {50 мА} \ notag \]

\ [R_ {sc} = 13 \ Omega \ notag \]

Наконец, для минимального температурного дрейфа, \ (R_3 \) включен и установлен на \ (R_1 || R_2 \)

\ [R_3 = R_1 || R_2 \ notag \]

\ [R_3 = 10 к || 6.78 к \ нотаг \]

\ [R_3 = 4,04 к \ нотаг \]

Завершенная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {14} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {14} \): Завершенная цепь 12 В для примера \ (\ PageIndex {4} \).

Пример \ (\ PageIndex {5} \)

Используя LM723, спроектируйте источник питания с плавной регулировкой от 2 В до 5 В с ограничением тока 1,0 А.

Базовая форма для этого — версия, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {12.1} \). Соответствующее выходное уравнение:

.

\ [V_ {out} = V_ {ref} \ frac {R_2} {R_1 + R_2} \ notag \]

Нам необходимо внести несколько изменений в основную форму, чтобы приспособиться к высокому выходному току и регулировке выходного напряжения.Одна из возможностей показана на рисунке \ (\ PageIndex {15} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {15} \): Пример схемы \ (\ PageIndex {5} \): регулятор от 2 до 5 В, 1 ампер.

Для создания тока нагрузки 1 А будет использоваться внешний проходной транзистор. Для получения желаемой регулировки напряжения резистор \ (R_1 \) заменяется последовательной комбинацией потенциометр / резистор (\ (R_ {1a}, R_ {1b} \)). Таким образом, минимальное значение для R1 будет R1b, а максимальное значение будет \ (R_ {1a} + R_ {1b} \).Есть несколько способов подойти к расчету этих трех резисторов. Возможно, самый простой — выбрать значение для \ (R_2 \), а затем определить значения для \ (R_ {1a} \) и \ (R_ {1b} \). Хотя это довольно просто, это не очень практично, потому что вы, скорее всего, получите нестандартный размер для потенциометра. Более лучший, хотя, по общему признанию, более сложный подход заключается в выборе разумной стоимости банка, например 10 к \ (\ Omega \). При желаемых выходных потенциалах можно найти два других резистора.

Прежде всего, обратите внимание, что эти три резистора являются не более чем делителем напряжения. Уравнение выходного напряжения можно переписать как

\ [\ frac {R_1 + R_2} {R_2} = \ frac {V_ {ref}} {V_ {out}} \ notag \]

Для максимального случая имеем

\ [\ frac {R_ {1b} + R_2} {R_2} = \ frac {V_ {ref}} {V_ {out}} \ notag \]

\ [\ frac {R_ {1b} + R_2} {R_2} = \ frac {7,15 В} {5 В} \ notag \]

\ [\ frac {R_ {1b} + R_2} {R_2} = 1,43 \ notag \]

Если мы считаем \ (R_2 \) равным единице, мы можем сказать, что отношение двух резисторов к \ (R_2 \) равно 1.43: 1, или, что отношение \ (R_ {1b} \) к \ (R_2 \) составляет 0,43: 1.
Для минимального случая имеем

\ [\ frac {R_ {1a} + R_ {1b} + R_2} {R_2} = \ frac {V_ {ref}} {V_ {out}} \ notag \]

\ [\ frac {R_ {1a} + R_ {1b} + R_2} {R_2} = \ frac {7.15 V} {2 V} \ notag \]

\ [\ frac {R_ {1a} + R_ {1b} + R_2} {R_2} = 3,575 \ notag \]

Мы можем сказать, что отношение трех резисторов к \ (R_2 \) составляет 3,575: 1, или что отношение \ (R_ {1a} + R_ {1b} \) к \ (R_2 \) составляет 2,575: 1. . Потому что мы уже знаем, что отношение \ (R_ {1b} \) к \ (R_2 \) равно 0.43: 1, соотношение \ (R_ {1a} \) к \ (R_2 \) должно быть разницей, или 2,145: 1. Поскольку мы выбрали 10 k \ (\ Omega \) для \ (R_ {1a} \),

\ [R_2 = \ frac {R_ {1a}} {2.145} \ notag \]

\ [R_2 = \ frac {10 k} {2.145} \ notag \]

\ [R_2 = 4,66 к \ нотаг \]

Аналогично

\ [R_ {1b} = R_2 \ times 0,43 \ notag \]

\ [R_ {1b} = 4.66k \ times 0.43 \ notag \]

\ [R_ {1b} = 2k \ notag \]

Для резистора считывания тока,

\ [I_ {limit} = \ frac {V_ {sense}} {R_ {sc}} \ notag \]

\ [R_ {sc} = \ frac {V_ {sense}} {I_ {limit}} \ notag \]

\ [R_ {sc} = \ frac {0.65V} {1.0 A} \ notag \]

\ [R_ {sc} = 0,65 \ Omega \ notag \]

Для минимального температурного дрейфа, \ (R_3 \) включен и установлен на \ (R_1 || R_2 \). Поскольку \ (R_1 \) настраивается, будет использоваться среднее значение.

\ [R_3 = R_1 || R_2 \ notag \]

\ [R_3 = 6k || 4.66к \ notag \]

\ [R_3 = 2,62 к \ нотаг \]

Окончательный расчет включает внешний проходной транзистор. В этой конструкции используется выход 1 А, поэтому данное устройство должно выдерживать этот ток непрерывно.Кроме того, требуется минимальная спецификация \ (\ beta \). Поскольку LM723 будет управлять проходным транзистором, LM723 должен только генерировать базовый ток возбуждения. При максимальном выходном сигнале 150 мА это соответствует минимальному значению \ (\ beta \)

.

\ [\ beta_ {min} = \ frac {I_c} {I_b} \ notag \]

\ [\ beta_ {min} = \ frac {1 A} {150 мА} \ notag \]

\ [\ beta_ {min} = 6,67 \ notag \]

Это значение не должно создавать проблем для силового транзистора.

Помимо приложений, которые мы только что рассмотрели, LM723 может также использоваться для создания отрицательных регуляторов, импульсных регуляторов и других типов.Одним из полезных вариантов базовой темы является использование ограничения тока смещения, как показано на Рисунке \ (\ PageIndex {12.6} \). В отличие от обычной формы ограничения тока, обратное ограничение фактически приводит к уменьшению выходного тока при достижении предельной точки. На рисунке \ (\ PageIndex {16a} \) показан эффект обычного ограничения. По достижении предельной точки дальнейшие запросы нагрузки игнорируются. Проблема с этой компоновкой заключается в том, что в условиях короткого замыкания проходной транзистор будет испытывать большие нагрузки.Поскольку нагрузка закорочена, \ (V_ {load} \) = 0, и, следовательно, большой потенциал будет падать на проходном транзисторе. Это устройство уже полностью потребляет ток, поэтому рассеиваемая мощность может быть очень высокой. Ограничение обратной связи позволяет обойти эту проблему за счет снижения выходного тока по мере увеличения напряжения проходного транзистора. Обратите внимание, как на рисунке \ (\ PageIndex {16b} \) кривая ограничения тока не опускается прямо до точки ограничения, а скорее, когда потребность в нагрузке увеличивается, ток снова падает до \ (I_ {sc} \) .За счет ограничения тока таким образом достигается гораздо меньшее рассеивание мощности.

Рисунок \ (\ PageIndex {16} \): ограничение тока. а. Обычный (вверху). б. Отогните (внизу).

Наш последний интересный предмет в этом разделе — серия двойных регуляторов LT3032. Эти устройства представляют особый интерес для техников и разработчиков операционных усилителей. LT3032 доступен как фиксированный биполярный регулятор с выходами \ (\ pm \) 3.3, \ (\ pm \) 5, \ (\ pm \) 12 или \ (\ pm \) 15 вольт. Другой вариант предлагает настраиваемый вывод из \ (\ pm \) 1.22 вольт до \ (\ pm \) 20 вольт. Выходной ток до 150 мА. Эти устройства идеально подходят для питания схем операционных усилителей общего назначения.

Схема на рисунке \ (\ PageIndex {17} \) представляет собой двойной стабилизатор с минимальной конфигурацией частей, требующий только два резистора и конденсатор на каждую сторону. Все, что требуется перед этой схемой, — это стандартный трансформатор, выпрямитель и конденсатор фильтра. расположение, такое как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Максимальный выходной (ненагруженный) конденсатор фильтра должен быть не более 20 В, чтобы предотвратить повреждение LT3032.Эта схема, безусловно, проще, чем регулятор на основе LM317, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {7} \), и мало чем отличается от конструкции на основе LM340. Фактически, обратите внимание на сходство расчетных уравнений, представленных для LM317 и LT3032. Опять же, мы видим, что выходной потенциал находится, по существу, путем умножения опорного напряжения на коэффициент усиления последовательно-параллельного напряжения. Обратной стороной является то, что его рассеиваемая мощность и максимальные токи значительно ниже, чем у его аналогов LM340 или LM317. Тем не менее, выходного сигнала 150 мА достаточно для управления большим количеством операционных усилителей и других небольших сигнальных устройств.

Рисунок \ (\ PageIndex {17} \): распиновка и формулы LT3032. Перепечатано с разрешения Linear Technology

Встроены токоограничение и тепловое отключение. Другие конструктивные особенности включают тот факт, что LT3032 представляет собой стабилизатор с малым падением напряжения, для которого требуется только дифференциал 300 милливольт на канал. Защита от электростатического разряда (ESD) включена, диоды защиты от обратной полярности на выходе не требуются. Кроме того, добавление небольшого конденсатора емкостью 10 нФ на каждом выходе снизит напряжение шума регулятора до среднеквадратичного диапазона от 20 до 30 микровольт.

Есть много других ИС линейных регуляторов, доступных для разработчиков, чем было представлено здесь. Многие из этих устройств довольно специализированы, и кажется, что все устройства имеют свой особый набор рабочих формул и графиков. Однако среди них есть несколько общих тем. Во-первых, из-за относительной внутренней сложности производители часто дают очень конкретные инструкции по применению для своих конкретных ИС. Получающаяся в результате последовательность дизайна похожа на следование кулинарной книге и значительно облегчает жизнь дизайнера.Во-вторых, как упоминалось вначале, все линейные регуляторы имеют тенденцию быть довольно неэффективными. Эта неэффективность присуща конструкции и реализации схем линейного регулирования, и ее нельзя избежать. В лучшем случае можно минимизировать неэффективность данного приложения. Для достижения высокой эффективности необходимо рассмотреть другую топологию. Альтернативой является импульсный регулятор.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *