Как работает двуполярный стабилизатор напряжения на 15 вольт. Какие компоненты используются в схеме. Для чего применяется такой стабилизатор в электронике. Как собрать и настроить двуполярный стабилизатор напряжения своими руками.
Принцип работы двуполярного стабилизатора напряжения
Двуполярный стабилизатор напряжения представляет собой электронное устройство, которое преобразует нестабилизированное входное напряжение в стабилизированное выходное напряжение положительной и отрицательной полярности относительно общего провода. Типичная схема двуполярного стабилизатора на 15 вольт состоит из следующих основных блоков:
- Силовой трансформатор
- Выпрямительный мост
- Сглаживающие конденсаторы
- Стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения
- Выходные фильтры
Принцип работы заключается в следующем:
- Трансформатор понижает сетевое напряжение до требуемого уровня
- Выпрямительный мост преобразует переменное напряжение в пульсирующее постоянное
- Сглаживающие конденсаторы уменьшают пульсации выпрямленного напряжения
- Стабилизаторы обеспечивают постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения и тока нагрузки
- Выходные фильтры дополнительно подавляют пульсации и помехи
Основные компоненты схемы двуполярного стабилизатора на 15 В
Рассмотрим ключевые компоненты, используемые в типичной схеме двуполярного стабилизатора напряжения на 15 вольт:

- Трансформатор с двумя вторичными обмотками на напряжение 18-20 В
- Диодный мост на ток 3-5 А
- Электролитические конденсаторы 2200-4700 мкФ х 35 В
- Интегральные стабилизаторы L7815 и L7915
- Керамические конденсаторы 0.1-0.33 мкФ
- Защитные диоды 1N4007
Выбор номиналов компонентов зависит от требуемого выходного тока стабилизатора. Для увеличения тока используют более мощные трансформаторы и диодные мосты, а также параллельное включение стабилизаторов с общими радиаторами охлаждения.
Применение двуполярных стабилизаторов напряжения
Двуполярные стабилизаторы напряжения ±15 В широко используются в различной электронной аппаратуре:
- Усилители звуковой частоты
- Операционные усилители
- Измерительные приборы
- Лабораторные блоки питания
- Промышленная автоматика
- Медицинское оборудование
Наличие двуполярного питания позволяет работать со знакопеременными сигналами без дополнительного смещения. Это упрощает схемотехнику аналоговых устройств и повышает их характеристики.
Преимущества использования двуполярных стабилизаторов
Применение двуполярных стабилизаторов напряжения дает ряд преимуществ по сравнению с однополярными источниками питания:

- Возможность обработки биполярных сигналов без смещения
- Увеличение динамического диапазона схем
- Симметричность питания относительно общего провода
- Уменьшение уровня помех и наводок
- Упрощение схемотехники аналоговых устройств
Это делает двуполярные стабилизаторы незаменимыми в прецизионных аналоговых схемах, измерительном оборудовании и аудиотехнике высокого класса.
Сборка двуполярного стабилизатора своими руками
Для самостоятельной сборки двуполярного стабилизатора напряжения ±15 В потребуются следующие компоненты:
- Трансформатор 220/2×18 В, 50 Вт
- Диодный мост KBPC3510
- Конденсаторы 4700 мкФ х 35 В — 2 шт
- Микросхемы L7815 и L7915
- Конденсаторы 0.33 мкФ — 4 шт
- Диоды 1N4007 — 2 шт
- Радиаторы охлаждения
Порядок сборки:
- Соберите схему на макетной плате согласно принципиальной схеме
- Установите микросхемы стабилизаторов на радиаторы
- Подключите трансформатор к сети через предохранитель
- Проверьте выходные напряжения мультиметром
- При необходимости настройте выходные напряжения подстроечными резисторами
При правильной сборке стабилизатор обеспечит стабильное двуполярное напряжение ±15 В при токе нагрузки до 1 А.

Настройка и проверка работоспособности
После сборки двуполярного стабилизатора напряжения необходимо выполнить его настройку и проверку:
- Измерьте выходные напряжения без нагрузки — они должны составлять +15 В и -15 В с погрешностью не более 0.5 В
- Подключите нагрузку 100-200 Ом к каждому выходу и убедитесь, что напряжения остаются стабильными
- Проверьте уровень пульсаций на выходах осциллографом — он не должен превышать 10-20 мВ
- Измерьте ток потребления без нагрузки — он не должен превышать 20-30 мА
- Проверьте нагрев элементов схемы при максимальной нагрузке
При обнаружении отклонений от нормы необходимо проверить правильность монтажа и номиналы компонентов. Для точной настройки выходных напряжений можно установить подстроечные резисторы на выходах стабилизаторов.
Меры безопасности при работе со стабилизатором
При сборке и эксплуатации двуполярного стабилизатора напряжения необходимо соблюдать следующие меры безопасности:
- Использовать качественные изолированные провода и разъемы
- Обеспечить надежное заземление корпуса устройства
- Не прикасаться к токоведущим частям схемы при включенном питании
- Использовать предохранители для защиты от перегрузки и короткого замыкания
- Обеспечить хорошую вентиляцию силовых элементов схемы
- Не превышать максимально допустимые токи нагрузки
Соблюдение этих простых правил позволит избежать поражения электрическим током и выхода стабилизатора из строя.

Схема мощного двухполярного стабилизатора напряжения для УМЗЧ (41В, 4А)
Описание и принципиальная схема мощного двуполярного стабилизатора напряжения для питания усилителей мощности звуковой частоты, 2 х 41В, ток 4А.
Компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного действия последовательного типа обладают невысоким КПД, однако большим коэффициентом стабилизации и низким выходным сопротивлением. Поэтому они всё ещё имеют широкое распространение.
Однако им свойственна низкая надёжность при перегрузке или замыкании в нагрузке. Это особенно опасно для транзисторных устройств, поэтому приходится вводить в стабилизаторы сложные узлы защиты с датчиками тока. В рассматриваемом в этой статье мощном двухполярном стабилизаторе напряжения выходной ток ограничен.
Устройство не боится перегрузок и может работать на фильтрующие конденсаторы большой ёмкости.
Питание для усилителей мощности звука
Анализ схем УМЗЧ позволяет сделать вывод о том, что для питания их выходных ступеней стабилизаторы напряжения непрерывного действия применяют редко.
Причины этого — высокая стоимость таких стабилизаторов, большие энергетические потери при их применении, а главное — «и так сойдёт», ведь работает и без стабилизатора. Когда стабилизатора нет, напряжение питания усилителя меняется в зависимости от нагрузки в широких пределах (в AV-ресивере «Pioneer-714» — 30…50 В).
Дело в том, что среднее выходное напряжение выпрямителя с ёмкостным фильтром сильно зависит от тока нагрузки. Причём конденсаторы фильтра заряжаются импульсами в каждом полупериоде сетевого напряжения.
Процесс может занять несколько полупериодов, и это частично передаётся в нагрузку УМЗЧ. В радиолюбительской литературе неоднократно высказывалось мнение о необходимости питать УМЗЧ от стабилизированного источника для обеспечения более естественного звучания.
Действительно, при максимальной выходной мощности усилителя размах пульсаций напряжения нестабилизированного источника достигает нескольких десятков вольт.
Это незаметно на пиковых значениях высокочастотных составляющих звуковых сигналов, но сказывается при усилении их низкочастотных составляющих большого уровня, пики которых имеют большую длительность.
В результате фильтрующие конденсаторы успевают разрядиться, снижается напряжение питания, а значит, и пиковая выходная мощность усилителя. Если же снижение напряжения питания таково, что приводит к уменьшению тока покоя выходных транзисторов усилителя, это может вызывать дополнительные нелинейные искажения.
Кардинальный способ подавления пульсаций и нестабильности напряжения питания — его стабилизация. Стабилизатор снижает пульсации напряжения на линиях питания на один-два порядка, что позволяет без труда получить максимальную амплитуду выходного сигнала усилителя.
Кроме снижения уровня фона частотой 50 (100) Гц, уменьшаются также нелинейные искажения и вероятность ограничения сигнала на пиках громкости. Увеличивается запас по предельно допустимым параметрам транзисторов выходной ступени усилителя.
Снижается вероятность проникновения сетевых помех на выход усилителя. Кроме того, применение стабилизатора позволяет упростить усилитель, что благотворно сказывается на звуке.
Ещё один плюс — функцию защиты выходной ступени усилителя от перегрузки тоже можно поручить стабилизатору. Из минусов — реализация мощного и надёжного стабилизатора напряжения непрерывного действия становится существенной финансовой проблемой и технически непростой задачей.
Помимо этого, возникает необходимость отводить от силовых транзисторов стабилизатора большое количество тепла. Суммарные КПД и рассеиваемая мощность усилителя вместе со стабилизатором гораздо хуже, чем без него.
Для повышения качества источника питания в нём желательно применить сетевой трансформатор с пониженной индукцией. Как известно, пусковой ток обычных трансформаторов достигает значений, значительно превосходящих рабочий ток.
Уменьшение амплитуды индукции в магнитопроводе вдвое значительно повышает надёжность, уменьшает поток рассеивания трансформатора и уменьшает его пусковой ток до значения, не превышающего номинальный ток холостого хода. Однако меньшая индукция приводит к увеличению необходимого числа витков обмоток и, как следствие, к ухудшению массогабаритных показателей трансформатора, его стоимости и возрастанию потерь энергии на активном сопротивлении обмоток.
Но ведь речь идёт о действительно высококачественном звуковоспроизведении, не так ли? А звучание усилителя, питающегося стабилизированным напряжением, существенно лучше по сравнению со звучанием того же усилителя без стабилизатора.
Принципиальная схема
Двухполярный стабилизатор напряжения, схема которого изображена на рисунке 1, предназначен для питания УМЗЧ.
Рис. 1. Принципиальная схема мощного двуполярного стабилизатора напряжения для питания УМЗЧ (2 х 41в, 4А).
Основные технические параметры:
- Число каналов стабилизации ….2;
- Выходные напряжения, В ….+41 и -41;
- Максимальный ток нагрузки каждого канала, А….4;
- Размах пульсаций при токе нагрузки 4 А, мВ ….4,7;
- Рассеиваемая мощность при максимальном токе нагрузки, Вт….180.
Он состоит из двух независимых стабилизаторов напряжения положительной и отрицательной относительно общего провода полярности. Верхняя часть схемы относится к стабилизатору положительной полярности, а нижняя — отрицательной полярности.
Схема стабилизатора отрицательной полярности представляет собой, по существу, зеркальное отражение схемы стабилизатора положительной полярности.
Поэтому подробно рассмотрим только стабилизатор напряжения положительной полярности. Переменное напряжение, снимаемое с обмотки II трансформатора Т1, выпрямляет двухполупериодный выпрямитель на сдвоенных диодах Шотки VD3 и VD4 SR30100P, имеющих изолированный корпус, поэтому их удобно крепить на общем теплоотводе.
Через помехоподавляющий дроссель L1 выпрямленное напряжение поступает на сглаживающие и помехоподавляющие конденсаторы С8-С16 и далее на уравнивающие эмиттерные токи параллельно соединённых транзисторов VT1 -VT9 резисторы R3-R11.
Эти резисторы имеют довольно большое сопротивление, что способствует эффективной «изоляции» коллекторных цепей транзисторов VT1 -VT9 от сетевых помех. Вместе с транзистором VT20 транзисторы VT1-VT9 образуют мощный составной транзистор с большим коэффициентом усиления тока. Базовый ток транзистора VT20 втекает в коллектор транзистора VT22.
Транзистором VT22 управляет напряжение с выхода ОУ DA3.1. К выходу стабилизатора подключены соединённые последовательно стабилитроны VD13, VD14, суммарное напряжение стабилизации которых служит образцовым для рассматриваемого стабилизатора.
Детали и налаживание
Вместо стабилитронов можно установить резистор такого сопротивления, чтобы вместе с резистором R29 он обеспечивал нулевой потенциал в точке их соединения при номинальном выходном напряжении стабилизатора.
Но по сравнению со стабилитронами это менее эффективный вариант. Сдвинутый стабилитронами или резистором потенциал в системе стабилизации представляет собой сигнал рассогласования и поступает на инвертирующий вход ОУ DA3.1, неинвертирующий вход которого соединён с проводом «0».
Имейте в виду, что провода «0» и «Общ.» должны быть соединены между собой и с общим проводом питаемого от стабилизатора устройства (усилителя) на плате последнего. Это значительно уменьшает уровень наводок и помех в стабилизированном напряжении.
Резистор R21 обеспечивает работоспособность стабилизатора, когда к нему не подключён усилитель. В процессе работы ОУ непрерывно сравнивает потенциал на своём инвертирующем входе с нулевым потенциалом на неинвертирующем входе.
Далее он так управляет транзистором VT22, а вместе с ним и составным транзистором VT20, VT1-VT9, чтобы на выходе стабилизатора поддерживалось заданное напряжение. Предположим, напряжение на выходе стабилизатора уменьшилось вследствие увеличения тока нагрузки.
Потенциал на инвертирующем входе ОУ DA3.1 станет отрицательным относительно неинвертирующего, и напряжение на выходе ОУ увеличится. Это приведёт к увеличению коллекторного тока транзистора VT22, а с ним базового и эмиттер- ного тока транзистора VT20. В результате увеличится суммарный коллекторный ток транзисторов VT1-VT9, компенсируя приращение тока нагрузки.
Выходное напряжение вернётся к прежнему значению. Устройство мягкого старта на транзисторе VT19 и реле К1 обеспечивают плавное нарастание напряжения на батарее конденсаторов С28-С30, С34- С63 при подключении стабилизатора (первичной обмотки трансформатора Т1) к сети. В этот момент через резистор R2 начинает течь ток, заряжающий конденсатор С27.
Когда через 30…35 с напряжение, приложенное к стабилитрону VD9, достигает 36 В, он открывается. Это приводит к открыванию транзистора VT19 и срабатыванию реле К1, которое переключает резисторы, ограничивающие выходной ток стабилизатора.
Пока реле не сработало, этот ток ограничен резистором R32 до 450…650 мА, что устраняет бросок тока зарядки батареи конденсаторов С28-С30, С34-С63 общей ёмкостью более 100000 мкФ.
Сработавшее реле подключает параллельно резистору R32 резистор R35. С этого момента стабилизатор может отдавать в нагрузку ток, достигающий 4 А.
При случайном замыкании выхода стабилизатора с общим проводом ток тоже не превысит 4 А, но резко увеличится мощность, рассеиваемая на транзисторах VT1-VT9. Однако она не превысит 25 Вт на каждый транзистор.
Из этого следует, что стабилизатор напряжения надёжен и не боится замыканий в нагрузке. Чтобы точно установить уровни ограничения тока, необходимо временно заменить резистор R32 переменным резистором сопротивлением около 500 кОм, а резистор R35 не устанавливать. Движок переменного резистора переведите в положение максимального сопротивления.
Замкнув выход стабилизатора амперметром, включите стабилизатор и плавно уменьшайте сопротивление переменного резистора, наблюдая за показаниями амперметра.
При достижении требующегося безопасного пускового тока выключите стабилизатор, измерьте введённое сопротивление переменного резистора и замените его постоянным резистором такого же сопротивления.
Затем вместо резистора R35 подключите переменный резистор сопротивлением 100 кОм, а к выходу стабилизатора через амперметр — максимальную нагрузку.
Включите стабилизатор и дождитесь срабатывания реле. После этого начинайте плавно уменьшать сопротивление переменного резистора.
При достижении номинального напряжения стабилизации и заданного максимального тока нагрузки выключите стабилизатор, измерьте введённое сопротивление переменного резистора и замените его постоянным.
Такую же процедуру нужно выполнить и со стабилизатором отрицательного напряжения. Нельзя просто устанавливать резисторы R33 и R36 такого же сопротивления, как соответственно R32 и R35. Дело в том, что коэффициенты передачи тока у транзисторов, применённых в обоих стабилизаторах, существенно различаются.
Например, у транзисторов 2SA1943 он — около 140, а у 2SC5200 — только 85. Трансформаторы Т1 и Т2 — заказные с пониженной индукцией и вторичными обмотками на 2×54 В (со средними выводами) при токе нагрузки 5 А.
Трансформаторы устанавливают каждый со своей стороны в самой нижней части теплообменника (акваблока) системы водяного охлаждения стабилизатора. Акваблок служит своеобразным шасси, на котором размещены все узлы устройства.
Перед установкой трансформаторов для них формуют с помощью эпоксидной смолы идеально плоские посадочные площадки. Затем резьбовыми шпильками М12 трансформаторы прижимают к акваблоку.
В режиме холостого хода напряжение на выходах выпрямителей (входах собственно стабилизаторов) — 76 В. При подключении к выходу стабилизатора нагрузки сопротивлением 10 Ом оно падает до 64 В.
Если необходим больший ток нагрузки, например 10 А, то номиналы резисторов R3-R20 следует уменьшить до 10 Ом. Диоды-супрессоры VD1 и VD2 предназначены для гашения перенапряжений во время переходных процессов, сопровождающих включение стабилизатора в сеть.
При правильном монтаже и сборке стабилизатор начинает работать без каких-либо проблем. При непрерывной нагрузке током 4 А на транзисторах VT1 — VT9 рассеивается мощность около 60 Вт (по 6 Вт на каждом транзисторе).
На каждом из резисторов R3-R11 — по 4 Вт. Совместно стабилизаторы напряжения положительной и отрицательной полярности рассеивают около 180 Вт.
Две пары стабилизаторов для питания усилителей левого и правого стереоканалов, установленные на общем акваблоке, рассеивают 360 Вт.
Акваблок состоит из двух отрезков дюралюминиевой шины сечением 100×10 мм и длиной 1000 мм, стянутых винтами по периметру.
Для герметизации стыка между шинами применён автомобильный герметик. На внутренней поверхности каждой шины отфрезерованы по две параллельные канавки размерами 960x15x4 мм, по которым течёт охлаждающая вода.
Общее сечение водопроводящего канала — 15×8 мм, его суммарная длина — 1920 мм, расход воды — 0,75 л/мин, температура воды на входе акваблока — 24°С, на выходе — 29°С.
Вода поступает из водопровода через одноступенный фильтр. Четырёхлетний опыт эксплуатации такой открытой системы водяного охлаждения показал стабильность её тепловых параметров.
Но систему можно сделать и закрытой с циркуляцией дистиллированной воды через акваблок и внешний автомобильный радиатор.
Транзисторы VT1-VT18 смонтированы на печатной плате с алюминиевой подложкой, прижатой к акваблоку с применением теплопроводной пасты. Температура поверхности платы — около 34°С. Транзисторы 2SA1943 и 2SC5200 нагреваются до температуры около 50°С.
Испытания показали, что эта температура в течение трёх часов работы оставалась неизменной.
Описанная система охлаждения компактна, эффективна и абсолютно бесшумна. Она позволяет отводить около киловатта тепловой мощности.
В качестве сигнализатора аварийного отсутствия проточной воды в системе в подводящем её трубопроводе установлен датчик давления ДРД-40.
Он идеально подходит для стандартной водопроводной сети. При аварийном отключении воды контакты этого датчика размыкаются и отключают стабилизатор от электрической сети.
Кроме того, необходимо установить датчики температуры на одном или нескольких транзисторах 2SA1943, которые, как показала практика, нагреваются сильнее, чем транзисторы 2SC5200. Такие же датчики рекомендуется установить и на трансформаторах.
В. Федосов, г. Краснодар. Р-12-2015.
Стабилизированный двуполярный регулируемый блок питания до 40 В — 3 А на КТ818БМ и КТ819БМ | РадиоДом
Стабилизированный двуполярный регулируемый блок питания до 40 В — 3 А на КТ818БМ и КТ819БМ | |
Любой радиолюбитель всегда должен иметь в арсенале разные источники питания, в том числе универсальный стабилизированный блок питания.![]() Резисторами R3 и R4 регулируется напряжение на выходе, а R21 и R22 — ток на выходе. Схема собрана на доступных отечественных транзисторах. Немного о работе схемы, рассмотрим один канал — верхний по схеме, работа второго полностью симметрична первому. Стабилизатор напряжения состоит из дифференциального усилителя VT1, VT3, на один вход которого подается опорное напряжение с движка резистора R3, а на другой — напряжение с делителя R23, R24. Сигнал ошибки поступает на усилитель тока на транзисторах VT10, VT9, VT8, VT7, который пытается уровнять напряжение на базах дифференциального усилителя и, таким образом, стабилизировать напряжение. Для стабилизации тока напряжение с датчика тока R15 отслеживается транзистором VT6. ![]() Все радиокомпоненты лабораторного стабилизированного блока питания отечественные, но имеют много зарубежных аналогов, что значительно упрощает сборку: C1, C2 — 10 мкФ х 63 вольт C3, C4 — 2,2 нФ C5, C6 — 4,7 мкФ х 63 вольт R1, R2 — 2,2 кОм R3, R4 — 10 кОм — переменные R5, R8 — 3,3 кОм R9, R10 — 6,8 кОм R11, R14 — 100 кОм R12, R13 — 1 кОм R15, R20 — 0,56 Ом R17, R19 — 200 кОм — переменные R21, R22 — 100 кОм — переменные R23, R26 — 200 кОм — переменные R24, R25 — 8,2 кОм — переменные VD1, VD3 — КС415А VD2, VD4 — КС210А VD5, VD6 — КД522 VT1, VT3, VT6, VT11, VT12 — КТ3107К VT2, VT4, VT5, VT9, VT10 — КТ3102БМ VT7 — КТ819БМ VT8 — КТ816Б VT13 — КТ817Б VT14 — КТ818БМ VT15 — КТ315Б VT16 — КТ361Б Питание самого стабилизатора в двух вариантах — первый, немного более предпочтителен, так как позволяет, в случае необходимости, использовать этот блок питания не как один двух полярный, а как два независимых однополярных. Силовой трансформатор может быть любым сетевым с мощностью не менее 200 ватт, с током вторичной обмотки 5 ампер, подойдёт ТС-270 от старых советских телевизоров. Диодный мост на ток больше 10 ампер. Перечень деталей питания стабилизатора: T1 — ТС-180, ТС-250, ТС-270 C1, C2 — 4700 мкФ х 63 вольт C3, C4 — 0,1 мкФ х 250 вольт C5, C6 — 10 нФ C7, C8 — 0,47 мкФ VD1, VD2 — Д242 или ещё мощнее | |
L78S15CV Регулятор напряжения +15 В 2A ST
От 1,14 £
Вкл. НДСОт 0,95 фунтов стерлингов
Без НДС- Исх Код: 551148
- Минимальное количество: 1
- Торговая марка: СТ
- Соответствие RoHS: Да
Скидки при покупке нескольких товаров | |||
---|---|---|---|
1+ | 1,14 фунта стерлингов Вкл.![]() | 0,95 фунтов стерлингов Без НДС | |
25+ | 0,84 фунта стерлингов Вкл. НДС | 0,70 фунтов стерлингов Без НДС | Скидка 27% |
50+ | 0,66 фунтов стерлингов Вкл. НДС | 0,55 фунта стерлингов Без НДС | Скидка 43% |
В наличии 123 шт.
Количество
- Описание
- Спецификация
Стационарные стабилизаторы напряжения с выходным напряжением 15 В и выходным током 2 А в корпусе TO-220. Эти устройства могут использоваться с внешними компонентами для получения регулируемого напряжения и тока.
- Отзывы
Напишите свой отзыв
Вы пишете отзыв: L78S15CV +15V Регулятор напряжения 2A STПсевдоним
Резюме
Обзор
Биполярные силовые решения для прецизионных испытательных и измерительных систем
от Алан Уолш Скачать PDF
Для обеспечения высокой точности прецизионным испытательным и измерительным системам требуются решения для источников питания с низким уровнем пульсаций и излучаемых шумов, чтобы не ухудшать характеристики сигнальных цепей преобразователей высокого разрешения. В этих испытательных и измерительных приложениях генерирование системных источников питания, которые являются биполярными и/или изолированными, представляет собой проблему для разработчиков систем с точки зрения площади платы, коммутационной пульсации, электромагнитных помех и эффективности. Для систем сбора данных и цифровых мультиметров требуются источники питания с низким уровнем шума, чтобы обеспечить производительность сигнальных цепей АЦП с высоким разрешением без искажения ложными тонами пульсации от импульсных источников питания. Источники-измерители и источники/источники питания постоянного тока предъявляют одинаковые требования к минимизации паразитных выходных пульсаций в сигнальных цепях ЦАП высокого разрешения. Существует также тенденция к увеличению количества каналов в прецизионных контрольно-измерительных приборах для увеличения числа параллельных испытаний. В электрически изолированных приложениях эти многоканальные приборы имеют все большую потребность в межканальной изоляции, где мощность должна генерироваться для каждого канала.
Это стимулирует решения, которые требуют все меньшего и меньшего размера печатной платы при сохранении производительности. Внедрение решений с низким уровнем шума в этих приложениях может привести к большему, чем хотелось бы, размеру печатной платы и/или снижению энергоэффективности из-за чрезмерного использования регуляторов LDO или схем фильтров.
Например, для шины импульсного источника питания с пульсациями 5 мВ на частоте 1 МГц потребуется комбинированный коэффициент ослабления источника питания (PSRR) 60 дБ или выше от регулятора LDO и АЦП с питанием, чтобы уменьшить пульсации переключения, наблюдаемые на выходе АЦП. до 5 мкВ или менее. Это будет доля LSB для 18-битного АЦП с высоким разрешением.
К счастью, существуют решения, которые упрощают эту задачу за счет более высокого уровня интеграции решения по питанию с устройствами и компонентами µModule ® , которые обеспечивают более высокую эффективность при одновременном снижении излучаемого шума и пульсаций переключения, таких как Silent Switcher ® и стабилизаторы LDO с высоким коэффициентом отклонения источника питания (PSRR).
Многие прецизионные контрольно-измерительные приборы, такие как источники-измерители или источники питания, требуют многоквадрантной работы для получения и измерения как положительных, так и отрицательных сигналов. Это требует генерации как отрицательного, так и положительного питания от одного положительного источника питания с низким уровнем шума и эффективным образом. Давайте рассмотрим систему, которая требует генерации биполярного питания от одного положительного входного источника. На рис. 1 показаны решения по питанию, которые генерируют ±15 В и ±5 В и используют положительные и отрицательные регуляторы LDO для фильтрации/уменьшения пульсаций переключения, а также генерируют дополнительные шины, такие как 5 В, 3,3 В или 1,8 В, для питания схем формирования сигнала или АЦП и ЦАП.
Рис. 1. Решение по питанию для неизолированной биполярной системы питания (±15 В и ±5 В) с низкой пульсацией питания.
Показанные здесь решения для шин питания были разработаны с использованием системного конструктора, входящего в состав LTpowerCAD ®. Инструмент проектирования LTpowerCAD ® представляет собой полную программу проектирования источников питания, которая может значительно упростить задачи проектирования источников питания для многих силовых продуктов.
LTM8049 и ADP5070/ADP5071 позволяют нам взять один положительный вход, усилить его до требуемого положительного напряжения и инвертировать его для создания отрицательного напряжения питания. LTM8049— это решение µModule, которое значительно упрощает количество компонентов, необходимых для этого — нам просто нужно добавить входной и выходной конденсаторы. Наряду с упрощением задачи проектирования с точки зрения выбора компонентов и компоновки платы для импульсных регуляторов, LTM8049 также минимизирует площадь печатной платы и список материалов, необходимых для создания биполярных источников питания. Там, где требуется эффективность при более легких нагрузках (<~100 мА), лучшим выбором будет ADP5070/ADP5071. Хотя для решения ADP5070 требуется больше внешних компонентов, таких как катушки индуктивности и диоды, оно позволяет больше настраивать решение по питанию. И ADP5070, и LTM8049иметь контакты синхронизации, которые можно использовать для синхронизации частоты переключения с часами АЦП, чтобы избежать переключения внутренних полевых транзисторов в течение чувствительных периодов времени для АЦП. Высокая эффективность этих регуляторов при токе нагрузки в несколько сотен мА делает их идеальными для питания прецизионных приборов.
LT3032 включает в себя как положительный, так и отрицательный малошумящий LDO-регулятор в одном корпусе с широким рабочим диапазоном. LT3023 включает в себя два малошумящих положительных LDO-регулятора с широким рабочим диапазоном. Оба стабилизатора LDO сконфигурированы для работы с минимальным запасом мощности (~0,5 В), чтобы максимизировать эффективность, а также обеспечить хорошее подавление пульсаций на каскаде импульсного регулятора. Оба регулятора LDO доступны в небольших корпусах LFCSP, которые уменьшают площадь печатной платы и упрощают спецификацию материалов. Если от регулятора LDO требуются гораздо более высокие уровни PSRR для дальнейшего уменьшения пульсаций переключения в диапазоне МГц, тогда регуляторы LDO, такие как LT3094/LT3045. Выбор того, сколько PSRR требуется на этапе LDO, будет зависеть от PSRR компонентов, таких как АЦП, ЦАП и усилители, которые питаются от шин питания. Как правило, регуляторы LDO с более высоким PSRR менее эффективны из-за более высокого тока покоя.
CN-0345 и CN-0385 являются двумя примерами эталонных проектов, реализующих это решение с использованием ADP5070. Эти конструкции предназначены для прецизионного многоканального сбора данных с использованием прецизионных АЦП, таких как 18-/20-разрядные AD4003/AD4020. В CN-0345 для фильтрации пульсаций переключения от ADP5070 используется колебательный контур LC вместо использования регулятора LDO, как показано на рисунке 1. В эталонном проекте CN-0385 используются положительные и отрицательные регуляторы LDO (ADP7118 и ADP7182). после ADP5070 для фильтрации пульсаций переключения. Пример питания биполярного 20-битного прецизионного ЦАП, такого как AD579.1 с ADP5070 можно найти в руководстве пользователя оценочной платы здесь.
Эти примеры показывают, как можно поддерживать высокий уровень точности при использовании импульсных стабилизаторов, таких как ADP5070, для создания биполярных источников питания в таких приложениях, как сбор данных и прецизионные источники/источники питания.
Изолированные биполярные источники питания
Когда прецизионный контрольно-измерительный прибор необходимо изолировать из соображений безопасности, возникают проблемы с эффективной передачей достаточной мощности через изолирующий барьер. В многоканальных изолированных приборах межканальная изоляция означает решение по мощности на канал. Это требует компактного силового решения, которое может эффективно подавать энергию. На рис. 2 показано решение для подачи изолированного питания с помощью биполярных шин.
Рис. 2. Решение по питанию для изолированной биполярной системы питания с низкой пульсацией питания.
ADuM3470 и LTM8067 позволяют подавать питание через изолирующий барьер до ~400 мА при изолированном выходе 5 В с высокой эффективностью. LTM8067 — это микромодуль, объединяющий трансформатор и другие компоненты, которые упрощают конструкцию и компоновку решения для изолированного питания, сводя к минимуму площадь печатной платы и перечень материалов. LTM8067 изолирует среднеквадратичное значение до 2 кВ. Для еще более низкой выходной пульсации в LTM8068 встроен выходной LDO-стабилизатор, который снижает выходную пульсацию с 30 мВ до 20 мкВ за счет снижения выходного тока до 300 мА.
Семейство ADuM3470 использует внешний трансформатор для подачи изолированного питания, а также интегрирует каналы цифровой изоляции для передачи данных и управления АЦП и ЦАП. В зависимости от того, как сконфигурировано решение по изоляции, за изолированным выходом мощности может следовать решение по питанию, подобное рисунку 1, как показано на рис. 2, чтобы генерировать шины ±15 В на изолированной стороне от одного положительного источника питания. В качестве альтернативы, конструкция ADuM3470 может быть сконфигурирована для генерирования биполярного питания напрямую без необходимости в дополнительном коммутаторе. Это приводит к решению с меньшей площадью печатной платы за счет эффективности. ADuM3470 обеспечивает изоляцию до 2,5 кВ (среднеквадратичное значение), но семейство ADuM4470 может использоваться для более высоких уровней изоляции напряжения до 5 кВ (среднеквадратичное значение).
CN-0385 является примером эталонного проекта, в котором реализовано решение ADuM3470, как показано на рис. 2. ADP5070 используется на изолированной стороне для создания биполярных шин ±16 В из изолированных 5,5 В. В этом эталонном проекте используется цифровых изолированных каналов, также включенных в ADuM3470. Аналогичная конструкция, в которой используется ADuM3470, — CN-0393. Это изолированная от банка система сбора данных на базе АЦП ADAQ7980/ADAQ7988 µModule. В этой конструкции ADuM3470 оснащен внешним трансформатором и двухполупериодным выпрямителем на диодах Шоттки для прямого генерирования напряжения ±16,5 В без необходимости в дополнительном каскаде стабилизатора. Это позволяет использовать решение с меньшей занимаемой площадью за счет более низкой эффективности. Аналогичное решение показано в CN-029.2, который представляет собой 4-канальное решение для сбора данных на основе AD7176 Σ-Δ АЦП, и CN-0233, который демонстрирует то же решение с изолированным питанием 16-разрядного биполярного ЦАП.
В этих примерах показано, как обеспечить изолированное питание для точного уровня производительности при изолированном сборе данных или изолированных источниках питания, сохраняя при этом небольшую площадь печатной платы и высокий уровень энергоэффективности.
Архитектура бесшумного коммутатора для эффективного перехода на более низкий уровень шума
В схеме источника питания, показанной на рис. 1, для понижения напряжения с 15 В до 5 В/3,3 В используется регулятор LDO. Это не очень эффективный способ создания шин низкого напряжения. Решение для повышения эффективности перехода к более низким напряжениям с помощью бесшумного переключателя, регулятора µModule LTM8074 показано на рис. 3.9.0005
Рис. 3. Решение по питанию для перехода на шины более низкого напряжения с низким уровнем электромагнитных помех.
LTM8074 — это бесшумный коммутатор, понижающий стабилизатор микромодуля в небольшом корпусе BGA размером 4 мм × 4 мм, способный выдавать до 1,2 А с низким уровнем излучаемого шума. Технология Silent Switcher устраняет паразитные поля, создаваемые коммутационными токами, тем самым уменьшая кондуктивные и излучаемые шумы. Высокая эффективность этого устройства µModule с очень низким излучаемым шумом делает его отличным выбором для питания чувствительных к шуму прецизионных сигнальных цепей. В зависимости от PSRR компонентов, подключенных к выходному источнику питания, таких как усилители, ЦАП или АЦП, может быть возможно запитать их напрямую от выхода Silent Switcher без необходимости в регуляторе LDO для дополнительной фильтрации пульсаций питания по мере необходимости. для традиционных коммутаторов. Его высокий выходной ток 1,2 А также означает, что его можно использовать для питания цифрового оборудования в системе, такой как FPGA, если это необходимо. Небольшие габариты LTM8074 и высокий уровень интеграции делают его идеальным решением для приложений с ограниченным пространством, а также упрощают и ускоряют проектирование и компоновку источника импульсного стабилизатора.
Если требуется дополнительная настройка за счет площади печатной платы, то можно реализовать дискретную реализацию устройства Silent Switcher с помощью такого продукта, как LT8609S. Эти продукты включают режим расширенного спектра для распределения энергии пульсаций на частоте переключения по полосе частот. Это уменьшает амплитуду паразитных тонов, появляющихся в прецизионной системе от источников питания.
ТехнологияSilent Switcher в сочетании с высоким уровнем интеграции, присущим решениям µModule, решает проблему увеличения плотности для точных приложений, таких как многоканальные источники-измерители, без ущерба для производительности с высоким разрешением, которой должны достичь разработчики систем.
Заключение
Генерация биполярных систем питания с изоляцией для точных электронных испытаний и измерений может быть балансом между производительностью системы, сохранением небольшой занимаемой площади и энергоэффективностью. Здесь мы показали решения и продукты, которые помогают справиться с этими проблемами и позволяют разработчику системы найти правильный компромисс.
использованная литература
Балат, Фил Пауло, Джефферсон Эко и Джеймс Макасэт. «Предотвращение проблем при запуске из-за пускового тока в импульсных преобразователях». Аналоговый диалог , январь 2018 г.
Кнот, Стив. «Поставка чистой энергии с помощью регуляторов LDO со сверхнизким уровнем шума». Analog Devices, Inc., сентябрь 2018 г.Лимжоко, Олдрик. «Понимание выходных артефактов импульсного регулятора ускоряет проектирование источника питания». Аналоговый диалог , август 2014 г.
Луан, Остин. «Низкий уровень электромагнитных помех, бесшумный коммутатор, микромодульный регулятор 1,2 А в корпусе BGA 4 мм × 4 мм × 1,82 мм». Analog Devices, Inc., январь 2019 г.
Морита, Гленн. «Понимание концепций регулятора с малым падением напряжения (LDO) для достижения оптимального дизайна». Аналоговый диалог , декабрь 2014 г.
Обальдия, Эстибализ Санс и Джеймс Джаспер Макасэт. AN-1359 Замечания по применению, Малошумящее решение с двойным питанием, использующее ADP5070 для прецизионного биполярного ЦАП AD5761R в системах с однополярным питанием . Analog Devices, Inc., март 2016 г.
Томпсит, Кевин. AN-1366 Замечания по применению, Использование ADP5070/ADP5071 для создания положительной и отрицательной шин напряжения, когда V OUT < V IN . Analog Devices, Inc., июль 2015 г.
Уолш, Алан. «Питание прецизионного АЦП последовательного приближения с использованием высокоэффективного коммутатора со сверхнизким энергопотреблением в приложениях, чувствительных к энергопотреблению». Analog Devices, Inc., март 2016 г.
Автор
Алан Уолш
Алан Уолш (Alan Walsh) — инженер по системным приложениям в Analog Devices. Он присоединился к ADI в 1999 году и работает в Precision Instrumentation Group в Уилмингтоне, штат Массачусетс. Он получил степень бакалавра технических наук в области электронной инженерии в Университетском колледже Дублина.