Site Loader

Содержание

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В статье расскажу, как сделать простой стабилизатор тока для светодиодов на полевом транзисторе.

Описание задумки.

Задолго до разработки фонарика на ATtiny13 мне уже доводилось работать со сверх-яркими светодиодами. И что могу сказать. Редкий радиолюбитель жаждет чтобы светодиоды перегорали, как можно чаще! :). Особенно мощные и дорогие. Вот и мне этого не хотелось и решил взяться за разработку стабилизатора тока.

Немного теории.

Мне часто задают один и тот же вопрос, мол почему именно стабилизатор тока лучше для светодиодов, а не стабилизатор напряжения. Ответ простой, но он многим не нравиться. Постараюсь пояснить на вольт-амперной характеристики(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528, рисунок 1.

Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528 при 25⁰С.

Ось У – ток через светодиод.

Ось Х – падение напряжения на светодиоде.

Теперь внимание! Заявленный производителем ток для данного светодиода равен 20мА.

Смотрим на рисунок и видим, что ток 20 мА приблизительно соответствует напряжению на светодиоде 3,4В. Если поднять напряжение на светодиоде до 3,5В, а это всего лишь на 0,1В больше чем его типовое напряжение, то ток увеличиться до 50мА, а это в 2,5 раза больше чем его заявленный ток. Если всё перевести в процентное соотношение, то получиться что ток возрастает в 2,5 раза, при увеличении напряжения всего лишь на 3%(округлил). Вот почему стабилизатор напряжения должен быть практически идеальным!

Теперь рассмотрим стабилизатор тока. Если стабилизировать ток 20мА, то увеличение тока на 3% даст результат – 20,6мА. Согласитесь, что это совсем другой результат и он куда лучше предыдущего!

Иногда мне пытаются доказать, что последовательное соединение светодиодов + стабилизатор напряжения лучше, чем параллельное + стабилизатор тока. Это, конечно, тема для отдельной статьи, но хочу тут немного пояснить, что параллельное соединение однозначно выигрывает.

Для примера возьмём пять светодиодов 20мА, 3,4В и соединим их последовательно и параллельно. При последовательном соединении если один светодиод перегорает и остаётся замкнутым, а такое бывает и часто, напряжение 17В(3,4В*5шт) делится между оставшимися четырьмя светодиодами в равных пропорциях (предположим что так). Получается, что падение напряжение на каждом светодиоде будет — 4,25В (17В/4шт). Ток при этом возрастает до неимоверных значений, а это приводит к последовательному перегоранию оставшихся светодиодов или части из них.

При параллельном соединении и стабилизации тока в 100мА(20мА*5шт) перегорание светодиода приведёт к увеличению тока на оставшихся всего на 5мА(20мА/4шт). Или по-другому: 100мА/4шт = 25мА – ток на каждом светодиоде. Разница очевидна! В этой статье не буду больше приводить плюсы и минусы каждого из решений, статья совсем о другом. Надеюсь пример был понятным. Мой личный выбор всегда на стороне параллельного соединения светодиодов и стабилизатора тока для них. Если и ваш тоже, то читайте дальше, как сделать несложный стабилизатор тока для светодиодов.

О схеме.

Принципиальная схема стабилизатора тока на полевом транзисторе показана на рисунке 2.

Рисунок 2.

Резистор R1 нужен для того чтобы транзистор VT2 открывался. Стабилитрон VD1 защищает затвор от перенапряжения, для транзистора P0903BDG максимальное напряжение затвор-сток – 20В. Если у вас другой транзистор, то информацию на него смотрите в даташите. Параметр этот называется Gate-Source Voltage. Если напряжение питание значительно меньше максимального напряжения затвор-сток, то можно вообще стабилитрон не ставить. Резисторы R2-R6 выполняют роль шунта. На схему добавил их побольше чтобы можно было удобно подобрать нужный номинал.

Схема работает следующим образом. В начальный момент времени транзистор VT2 открыт, ток протекает через светодиоды и шунт из резисторов R2-R6, транзистор VT1 закрыт. При протекании тока через шунт на нём падает определённое напряжение и если оно равняется напряжению открытия транзистора VT1, то он открывается и «садит» затвор транзистора VT2 на минус питания, транзистор VT2 закрывается и ток через светодиоды и шунт начинает снижаться. При снижении тока через светодиоды будет снижаться падение напряжение и на шунте, как только напряжение станет меньше чем нужно для открытия транзистора VT1, он закроется и «освободит» затвор транзистора VT2. Транзистор VT2 снова откроется и ток устремиться к светодиодам и шунту. Дальше все повторяется по кругу.

Настройка.

Настройка схемы заключается в определении необходимого тока для светодиодов и подбору номиналов резисторов шунта. Приблизительно считаю, что падение напряжение на шунте должно быть около 0,5В. Этого напряжения достаточно для открытия транзистора VT1. Хотя по даташиту напряжение база-эмиттер для транзистора BC846 – 0,66В, для отечественных – 0,7В.

В качестве примера рассчитаю для вас номиналы резисторов шунта на ток 170мА.

Сопротивление шунта(Ом) = падение напряжение на шунте(В) / ток через шунт (А), получается: Сопротивление шунта = 0,5В / 0,17А = 2,94 Ом. Полученный результат округляю до 3 Ом. Из стандартного ряда можно взять два резистора номиналом 1 Ом и 2 Ом и впаять их на плату, как R2, R3. Резисторы R4-R6 при этом исключаются из схемы.

Дальше нужно проверить какой ток стабилизирует стабилизатор. Для проверки потребуется амперметр или миллиамперметр. Прибор нужно подключить в разрыв любого из проводов питания, подать питающее напряжение, оно, кстати, должно быть больше чем типовое питание светодиодов. Лучше использовать источник питания с возможностью регулировки выходного напряжения. Подключаем, регулируем, смотрим.

В определённый момент времени ток через стабилизатор перестанет меняться – это и будет током стабилизации. Дальнейшее увеличение напряжения ничего не изменит, разве что добавит разогрев транзистора VT2. Нужно понимать, что всё избыточное напряжение будет выделяться на транзисторе VT2 в качестве тепла. Если ток стабилизации получился таким какой нужен значит подбор шунта закончен, если же ток отличается от нужного значения в большую сторону – увеличиваем сопротивление шунта, в меньшую – уменьшаем.

О печатной плате.

Печатную плату разрабатывал под SMD компоненты в программе P-CAD 2006. Размеры платы – 37×18мм, рисунок 3. Вы можете разработать свою печатную плату и прислать мне файл для размещения на сайте.

Рисунок 3.

О деталях.

Перечень деталей, необходимых для сборки стабилизатора тока, свёл в таблицу 1.

Таблица1 – перечень компонентов.

Позиционное обозначение

Наименование

Аналог/замена

R1

Резистор 10к.

SMD типоразмер 0805

R2-R6

Резисторы шунта.

SMD типоразмер 1206

VD1

Стабилитрон 9,1В.

Корпус SOD80

VT1

Транзистор биполярный BC846. Структура – n-p-n.

Корпус SOT23.

VT2

Транзистор полевой P0903BDG. Структура — n-канальный.

Корпус DPAK

Резюмирую. Во всех моих разработках со светодиодами обязательно есть стабилизатор тока. Он или простой, как в тот, что описан в статье или на операционном усилителе. Светодиоды обычно подключаю параллельно или последовательно-параллельно, всё зависит от конкретной задачи. В этой же статье рассказал, как сделать несложный стабилизатор тока для светодиодов на полевом транзисторе. Постарался объяснить, чем отличается стабилизатор напряжения от стабилизатора тока для светодиодов и что лучше. Надеюсь у меня получилось. Привёл принципиальную схему стабилизатора тока и печатную плату. Все файлы можно скачать с сайта. Приятных разработок!

Ну и фото напоследок.

BC846 datasheet.

P0903BDG datasheet.

Архив с проектом.

Стабилизатор тока на двух транзисторах (схема, плата, сборка, испытание) — Схемка: Электронные Радиосхемы

Схема простейшего стабилизатора тока

Выше представлена очень простая схема линейного стабилизатора тока на двух транзисторах: полевом и биполярном, первый силовой, он управляет нагрузкой (на схеме светодиод), а второй (маломощный) полупроводниковый прибор задаёт режим работы первого.

Принцип работы (работа стабилизатора тока)

Пусть наша нагрузка это R, будем считать, что её сопротивление почти не изменяется (R = const), ток мы хотим неизменный (I = const), а что у нас остаётся – только выходное напряжение на источнике тока, его то и будет подбирать схема, причём не просто от балды, а именно такое, при котором через вышеупомянутою нагрузку R потечёт ровно тот ток I, на который рассчитано устройство.

А вот разбор работы самой схемы:

после подключения источника питания через резистор R1 открывается полевой транзистор, через резистор R2-открытый канал сток-исток VT1 и нагрузку (светодиод) течёт ток. Чем больший ток, тем больше будет падать напряжения на резисторе, и когда оно достигнет значения открытия VT2 (для кремниевого биполярного примерно 0,60-0,75 В) тот откроется, через его ЭК потечёт ток от минуса к затвору VT1, тем самым прикрыв его, но не полностью, ведь R1 никуда не девается.

Примечание. Детали для данного экземпляра взяты со старых плат, в частности мощный полевой N-канальный транзистор MTD20N06V в DPAK (TO-252) исполнении с материнки, у него сопротивление открытого канала 65 мОм, а максимальное длительно приложенное напряжение затвор-исток 20 Вольт, питается схема от БП 12 Вольт (скачки напряжения не более нескольких Вольт), поэтому диод Зенера не понадобится. Биполярный транзистор – это известный BC847A в SOT-23 корпусе. Резистор R1 = 11 кОм, R2 = 2 Ом типоразмера 1205 и мощностью 0.25 Вт. Этот экземпляр предназначен для стабилизированного тока:

Iстаб = UБЭ * R2 = 0.6 В / 2 Ом = 300 мА

Испытание

Дорожки были начерчены маркером, поэтому плата немного отличается от разработанной, крепления под винтики сделаны не были. Подключаем устройство к источнику питания (у меня был трансформатор 12В с диодным мостом и конденсатором), теперь зная, что ток относительно невелик я тупо замкнул выход амперметром, рассчитанным на измерение постоянного тока до 20А, показания ниже:

 

Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло  Uвых = 2.72 В при токе Iвых = 0.31 А, при этом на входе Uпит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

P1 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (10.88-2.72)*0.31 = 8.16*0.31 = 2.53 Вт

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно Uвых = 10.32 В, Iвых = 0.29 А при Uпит = 11.22 В, получаем:

P2 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Когда входное напряжение как можно меньше отличается от нужного напряжения питания для обеспечения требуемого тока, тогда и достигается высокий КПД (со вторым СИД η = 92%) при простоте исполнения.

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

Iвых = UБЭ/R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Проверка амперметром:

Таким образом при питании 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток ~1.3 мА, через два/три светодиода ток будет такой же, ведь напряжения питания хватает для этого.

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для Iст), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

Увеличение стабильности

При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( UБЭ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.

ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры UБЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным ТКН – стабилитрон (с Uст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).

Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы VT2 почти не будет изменяться.

Печатные платы

Всё уместилось на маленьком кусочке (3 на 2 см) фольгированного текстолита, тепло отводится путём крепления всей платы на кусок алюминия винтами, спроектирована она с расчётом на крепёж M2, чтобы легко и надёжно закрепить её или попросту приклеить к теплоотводу теплопроводящим клеем (Stars 922). При необходимости её можно легко уменьшить почти в два раза раза два.

Список компонентов

Видео

В конечном счете

Такой условный источник тока можно использовать как стабилизатор тока для светодиодов в автомобиле (12 В-14,4 В), с помощью него подключать лазеры к какому-то трансформатору или ИБП со скачущим напряжением в несколько вольт или использовать в схемах зарядных устройств. Но, как вы поняли использовать данное устройство можно с любой другой нагрузкой, требующей стабильного значения электрического тока. Этот стабилизатор рассеивает “лишнюю” энергию в виде теплоты, что может быть неприемлемо в ситуациях, когда разница напряжений большая и протекающий ток не мал, но, например, в условиях когда входное напряжение не сильно превышает выходное и ток стабилизации мал, почему бы и нет?

Стабилизаторы тока » PRO-диод

Стабилизаторы тока

25.10.2013 | Рубрика: Электроника

Бывают случаи, когда необходимо пропускать стабильный ток через светодиоды, ограничить ток зарядки аккумуляторов или испытать источник питания, а реостата под рукой нет. В этом, и не только, случае помогут специальные схемотехнические решения ограничивающие, регулирующие и стабилизирующие ток. Далее подробно рассмотрены схемы стабилизаторов и регуляторов тока

Источники тока, в отличие от источников напряжения, стабилизируют выходной ток, изменяя выходное напряжение так, чтобы ток через нагрузку всегда оставался одинаковым.
Таким образом, источник тока отличается от источника напряжения, как вода отличается от суши. Типичное применение источников тока – питание светодиодов, зарядка аккумуляторов и т.п.
Внимание! Не путайте стабилизатор тока со стабилизатором напряжения! Это может плохо кончиться =)

Простой стабилизатор тока на КРЕНке

Для этого стабилизатора тока достаточно применить КР142ЕН12 или LM317. Это регулируемые стабилизаторы напряжения способные работать с токами до 1,5А, входными напряжениями до 40В и рассеивают мощность до 10Вт (при соблюдении теплового режима).
Схема и применение показаны на рисунках ниже

Стабилизатор тока на КР142ЕН12 (LM317)

Стабилизатор тока на КРЕН в качестве зярядного устройства

Собственное потребление данных микросхем относительно невелико – около 8мА и это потребление практически не меняется при изменении тока протекающего через крен или изменения входного напряжения. Как видим, в вышеприведенных схемах, стабилизатор LM317 работает как стабилизатор напряжения, удерживая на резисторе R3 постоянное напряжение, которое можно регулировать в некоторых пределах построечным резистором R2. В данном случае R3 называется токозадающим резистором. Поскольку сопротивление R3 неизменно, то ток через него будет стабильным. Ток на входе крен будет примерно на 8мА больше.

Таким образом, мы получили простой как веник стабилизатор тока, который может применяться как электронная нагрузка, источник тока для заряда аккумуляторов и т.п.

Интегральные стабилизаторы достаточно шустро реагируют на изменение входного напряжения. Недостаток же такого регулятора тока – весьма большое сопротивление токозадающего резистора R3 и как следствие необходимость применять более мощные и более дорогие резисторы.

Простой стабилизатор тока на двух транзисторах

Достаточно широкое распространение получили простенькие стабилизаторы тока на двух транзисторах. Основной минус данной схемы – не очень хорошая стабильность тока в нагрузке при изменении питающего напряжения. Впрочем, для многих применений сгодятся и такие характеристики.

Далее показана схема стабилизатора тока на транзисторе. В данной схеме токозадающим резистором является R2. При увеличении тока через VT2, увеличится напряжение на токозадающем резисторе R2, которое при величине примерно 0,5…0,6В начинает открывать транзистор VT1. Транзистор VT1 открываясь начинает закрывать транзистор VT2 и ток через VT2 уменьшается.

Стабилизатор тока на транзисторах

Зарядка аккумуляторов

Вместо биполярного транзистора VT2, можно применить MOSFET – полевой транзистор.

Стабилитрон VD1 выбирается на напряжение 8…15В и необходим в случаях, когда напряжение источника питания достаточно велико и может пробить затвор полевого транзистора. Для мощных MOSFET это напряжение составляет порядка 20В. Далее показана схема стабилизатора тока с использованием MOSFET.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Нужно учитывать, что MOSFET открываются при напряжении на затворе не менее 2В, соответственно увеличивается и напряжение, необходимое для нормальной работы схемы стабилизатора тока. При зарядке аккумуляторов и некоторых других задачах вполне достаточно будет включить транзистор VT1 с резистором R1 непосредственно к источнику питания так, как это показано на рисунке:

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В схемах стабилизатора тока на транзисторах необходимое значение токозадающего резистора для заданного значения тока примерно в два раза меньше, чем в схемах со стабилизатором на КР142ЕН12 или LM317. Это позволяет применить токозадающий резистор меньшей мощности.

Стабилизатор тока на операционном усилителе (на ОУ)

Если необходимо собрать регулируемый в широких пределах стабилизатор тока или стабилизатор тока с токозадающим резистором на порядок или даже два ниже, чем на схемах, показанных ранее, можно применить схему с усилителем ошибки на ОУ (операционном усилителе). Схема такого стабилизатора тока показана на рис:

Стабилизатор тока на операционном усилителе

В данной схеме токозадающим является резистор R7. ОУ DA2.2 усиливает напряжение токозадающего резистора R7 – это усиленное напряжение ошибки. ОУ DA2.1 сравнивает опорное напряжение и напряжение ошибки и регулирует состояние полевого транзистора VT1.

Обратите внимание, что схема требует отдельного питания, подаваемого на разъем XP2. Напряжение питания должно быть достаточным для работы компонентов схемы и не превышать значения напряжения пробоя затвора MOSFET VT1.

В качестве генератора опорного напряжения в схеме на рис. 7 применена микросхема DA1 REF198 с выходным напряжением 4,096В. Это достаточно дорогая микросхема, поэтому ее можно заменить обычной кренкой, а если напряжение питания схемы (+U) является стабильным, то и вовсе обойтись без стабилизатора напряжения в данной схеме. В этом случае переменный резистор R подсоединяется не к REF, а к +U. В случае электронного управления схемой вывод 3 DA2.1 можно подключить непосредственно к выходу ЦАП.

Для настройки схемы необходимо выставить ползунок переменного резистора R1 в верхнее по схеме положение, подстроечным резистором R3 установить необходимое значение тока – это значение будет максимальным. Теперь резистором R1 можно регулировать ток через VT1 от 0 до установленного при настройке максимального тока. Элементы R2, C2, R4 необходимы для предотвращения возбуждения схемы. Из-за этих элементов временные характеристики не являются идеальными, что видно по осциллограмме

Осциллограмма стабилизатора тока на ОУ

На осциллограмме луч 1 (желтый) показывает напряжение нагружаемого ИП (источника питания), луч 2 (голубой) показывает напряжение на токозадающем резисторе R7. Как видно, в течение 80 мкс через схему протекает ток в несколько раз больше установленного.

Стабилизатор тока на микросхеме импульсного стабилизатора напряжения

Иногда от стабилизатора тока требуется не только работать в широком диапазоне питающих напряжений и нагрузок, но и иметь высокий КПД. В этих случаях компенсационные стабилизаторы не годятся и на смену им приходят стабилизаторы импульсные (ключевые). Кроме того, импульсные стабилизаторы могут при небольшом входном напряжении получать высокое напряжение на нагрузке.

Далее предлагается к рассмотрению широко распространенная микросхема MAX771. Основные характеристики MAX771:

  • Напряжение питяния 2…16,5В
  • Собственное потребление 110uA
  • Выходная мощность до 15W
  • КПД при токе нагрузки 10mA…1A достигает 90%
  • Опорное напряжение 1,5V

На рисунке показан один из вариантов включения микросхемы, именно его мы и возьмем за основу нашей схемы.

MAX771 включен как повышающий стабилизатор напряжения

Упрощенно процесс стабилизации выглядит следующим образом. Резисторы R1 и R2 являются делителями выходного напряжения микросхемы, как только делимое напряжение, поступающее на вывод FB микросхемы MAX771, больше опорного напряжения (1,5V) микросхема уменьшает выходное напряжение и наоборот — если напряжение на выводе FB меньше 1,5V, микросхема увеличивает входное напряжение.

Очевидно, что если контрольные цепи изменить так, чтобы MAX771 реагировала (и соответственно регулировала) выходной ток, то мы полчим стабилизированный источник тока.
Ниже показаны модифицированная схема с ограничением выходного напряжения и вариант нагрузки.

Схема стабилизатора тока на MAX771
Нагрузка для стабилизатора тока

При небольшой нагрузке, пока падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 меньше 1,5V, схема на Рис.10a работает как стабилизатор напряжения, стабилизируя напряжение на уровне стабилитрона VD2 + 1,5V. Как только ток нагрузки становится достаточно большим, на R3 падение напряжения увеличивается и схема переходит в режим стабилизации тока.

Резистор R8 устанавливается в том случае, если напряжение стабилизации может быть большим — больше 16,5V. Резистор R3 является токозадающим и рассчитывается по формуле: R3 = 1,5/Iст.
Недостатком схемы является достаточно большое падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3. Данный недостаток устраняется применением операционного усилителя (ОУ) для усиления сигнала с резистора R3. Например, если резистор требуется уменьшить в 10 раз при заданном токе, то усилитель на ОУ должен усилить напряжение падающее на R3 тоже в 10 раз.

Заключение

Итак, было рассмотрено несколько схем выполняющих функцию стабилизации тока. Конечно же, эти схемы можно улучшать, увеличивая быстродействие, точность и т.д. Можно применять в качестве датчика тока специализированные микросхемы и делать сверхмощные регулирующие элементы, но эти схемы идеально подходят в тех случаях, когда требуется быстро создать инструмент для облегчения своей работы или решения определенного круга задач.

Метки:: Стабилизатор тока

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

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

Работа стабилизаторов тока

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

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

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

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

Устройство и работа полевого транзистора

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

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

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

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

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

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

Стабилизаторы тока предназначены для поддержания параметров тока на определенном уровне. Благодаря этим свойствам, данные приборы успешно используются во многих электронных схемах. Чтобы понять принцип действия, следует рассмотреть некоторые теоретические вопросы. Известно, что в идеальном источнике тока присутствует ЭДС, стремящаяся к бесконечности и бесконечно большое внутреннее сопротивление. За счет этого удается получить ток с требуемыми параметрами, независимо от сопротивления нагрузки.

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

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

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

Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

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

Схема стабилизатора.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мощный стабилизатор на полевике

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах

Схемы генераторов тока, разновидности токовых зеркал, Онлайн калькулятор
расчёта элементов источников тока.


На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию «Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования», поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока.
- Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! — начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию Семён Самсонович Елдыкин.
- Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных электрически заряженных частиц — как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков.
«Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как не вступить с электричеством в интимные отношения?» — станет темой нашего научного коллоквиума.

Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме. Напустим энциклопедического глубокомыслия:

«Источник тока — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока…» — учит нас Википедия.

Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник между инвертирующим входом и выходом.

Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока.
Первой и основной из них является величина выходного тока.
Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.
Третья спецификация — это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом, т.е. выходной транзистор находится в активном режиме.
В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.

Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.


Рис.1

Схема источника тока на биполярном транзисторе — самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков — и температурная нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным Iн = Iк≈β×Iб.

Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток — практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов полупроводников.
Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R1.

Генераторы тока на операционных усилителях (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Единственное, но существенное в отдельных случаях «но» состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. не подключённой никаким боком к земле.
Ток через нагрузку практически с 100% точностью описывается формулой Iн= Uвх/R1.

Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.

Рис.2

Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока.
За примерами далеко ходить не надо — источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д. Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока.
Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ≈0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через нагрузку.
Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений Rб.
Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом). Единственное, за чем надо зорко послеживать — максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора. Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение на затворе в допустимые пределы.
Выходной ток рассчитывается по простой формуле Iн≈0,6/ R1.
В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.


Рис.3


Про схему токового зеркала, изображённую на Рис.3, смело можно сказать, что это базовая схема источника тока.
Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную обратную связь по току, что с одной стороны, приводит к улучшению термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов Т1 и Т2.

Здесь ток   Ik1, задаваемый резистором R1:
Iк1≈(Eп-0,7)/(R1+ Rэ1),
а ток, протекающий в нагрузке:
Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2).


Рис.4


Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис.4), называемые двойным зеркалом тока.
Механизм работает следующим образом: Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1. Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние.

Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1),
Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2).


Рис.5


Источник тока, представленный на Рис. 5, называется схемой токового зеркала Уилсона и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора токозадающего Т2 фиксирован и не влияет на выходной ток.

Все формулы аналогичны предыдущему описанию:
Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1),
Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2).


Рис.6


Каскодный генератор тока, изображённый на Рис. 6, обладает достоинствами, связанными с очень высоким внутренним сопротивлением и значительным ослаблением эффекта Эрли. Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает величину в несколько МОм.

И опять — всё то же самое:
Iк1≈(Eп-1,4)/(R1+ Rэ1),
Iн≈ Rэ1×(Eп-0,7)/(R1× Rэ2+ Rэ1× Rэ2).

Легко заметить, что для всех типов приведённых токовых зеркал формула для расчёта выходного тока — одна и та же. Формула приблизительная, не учитывающая влияние на расчётные показатели незначительных величин базовых токов транзисторов, однако дающая возможность с погрешностью, не превышающей 5-7%, рассчитать величины токозадающих элементов.


При необходимости сгенерить ток обратного направления, следует перевернуть схему вверх ногами и заменить n-p-n транзисторы на полупроводники обратной проводимости.

И по традиции приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.

РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСТОЧНИКОВ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Источники тока на полевых транзисторах, в связи со значительностью разброса параметров данного типа полупроводников, практическое применение получили в основном при производстве аналоговых интегральных микросхем. При этом при использовании МОП-структур полевых транзисторов, схемотехника токовых зеркал практически не отличается от приведённых выше источников тока на биполярных собратьях.

Рис.6

Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах — занятие, на мой взгляд, довольно нецелесообразное.
Другое дело — специально разработанные полупроводники, называемые токостабилизирующими диодами (CRD), в основе которых лежит полевой транзистор с каналом n-типа.

Рис.7

Полевые диоды имеют только два вывода и оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик. При их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффициента, объединяя CRD с резистором, имеющим тот же самый, но противоположного знака температурный коэффициент.
Токостабилизирующие диоды не очень известны в широких массах радиолюбительского сообщества, но тем временем активно выпускаются буржуйскими промышленниками, имеют приличную номенклатуру токов и достаточно широкий диапазон рабочих напряжений.

А на следующей странице продолжим тему — посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.

 

Стабилизаторы напряжения на полевых транзисторах: схема включения и регулировки

Этот стабилизатор обладает неплохими характеристиками, имеет плавную регулировку тока и напряжения, хорошую стабилизацию, без проблем терпит короткие замыкания, относительно простой и не требует больших финансовых затрат.

  Он обладает высоким кпд за счет импульсного принципа работы, выходной ток может доходить до 15 ампер, что позволит построить мощное зарядное устройство и блок питания с регулировкой тока и напряжения.

При желании можно увеличить выходной ток до 20-и и более ампер.

В интернете подобных устройств, каждое имеет свои достоинства и недостатки, но принцип работы у них одинаковый. Предлагаемый вариант — это попытка создания простого и достаточно мощного стабилизатора.

За счет применения полевых ключей удалось значительно увеличить нагрузочную способность источника и снизить нагрев на силовых ключах. При выходном токе  до 4-х ампер транзисторы и силовой диод можно не устанавливать на радиаторы.

Номиналы некоторых компонентов на схеме могут отличаться от номиналов на плате, т.к. плату разрабатывал для своих нужд.

Диапазон регулировки выходного напряжения от 2-х до 28 вольт, в моем случае максимальное напряжение 22 вольта, т.к.

я использовал низковольтные ключи и поднять напряжение выше этого значения было рискованно, а так при входном напряжении около 30 Вольт, на выходе спокойно можно получить до 28-и Вольт.

  Диапазон регулировки выходного тока от 60mA до 15A Ампер, зависит от сопротивления датчика тока и силовых элементов схемы.

  • Устройство не боится коротких замыканий, просто сработает ограничение тока.
  • Собран источник на базе ШИМ контроллера TL494, выход микросхемы дополнен драйвером для управления силовыми ключами.

Хочу обратить ваше внимание на батарею конденсаторов установленных на выходе. Следует использовать конденсаторы с низким внутренним сопротивлением на 40-50 вольт, с суммарной емкостью от 3000 до 5000мкФ.

Нагрузочный резистор на выходе применен для быстрого разряда выходных конденсаторов, без него измерительный вольтметр на выходе будет работать с запаздыванием, т.к.

при уменьшении выходного напряжения конденсаторам нужно время, для разрядки, а этот резистор быстро их разрядит. Сопротивление этого резистора нужно пересчитать, если на вход схемы подается напряжение больше 24-х вольт.

Резистор двух ваттный, рассчитан с запасом по мощности, в ходе работы может греться, это нормально.

Как это работает:

ШИМ контроллер формирует управляющие импульсы для силовых ключей. При наличии управляющего импульса транзистор,  и питание по открытому каналу транзистора через дроссель поступает на накопительный конденсатор. Не забываем, что дроссель является индуктивной нагрузкой, которым свойственно накапливание энергии и отдача за счет самоиндукции.

Когда транзистор закрывается накопленный в дросселе заряд через диод шоттки продолжит подпитывать нагрузку. Диод в данном случае откроется, т.к. напряжение с дросселя имеет обратную полярность. Этот процесс будет повторяться десятки тысяч раз в секунду, в зависимости от рабочей частоты микросхемы ШИМ.

По факту ШИМ контроллер всегда отслеживает напряжение на выходном конденсаторе.

Стабилизация выходного напряжения происходит следующим образом. На неинвертирующий вход первого усилителя ошибки микросхемы (вывод 1) поступает выходное напряжение стабилизатора, где оно сравнивается с опорным напряжением, которое присутствует на инверсном входе усилителя ошибки.

 При снижении выходного напряжения будет снижаться и напряжение на выводе 1, и если оно будет меньше опорного напряжения, ШИМ контроллер будет увеличивать длительности импульсов, следовательно транзисторы больше времени будут находиться в открытом состоянии и больше тока будет накачиваться в дроссель, если же выходное напряжение больше опорного, произойдет обратное — микросхема уменьшит длительность управляющих импульсов. Указанным делителем можно принудительно менять напряжение на неинвертирующщем входе усилителя ошибки, этим увеличивая или уменьшая выходное напряжение стабилизатора в целом. Для наиболее точной регулировки напряжения применён подстроечный многооборотный резистор, хотя можно использовать обычный.

Минимальное выходное напряжение составляет порядка 2 вольт, задается указанным делителем, при желании можно поиграться с сопротивлением резисторов для получения приемлемых для вас значений, не советуется снижать минимальное напряжение ниже 1 вольта.

Для отслеживания потребляемого нагрузкой тока установлен шунт. Для организации функции ограничения тока задействован второй усилитель ошибки в составе ШИМ контроллера тл494.

Падение напряжения на шунте поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки, опять сравнивается с опорным, а дальше происходит точно тоже самое, что и в случае стабилизации напряжения.

Указанным резистором можно регулировать выходной ток.

  1. Токовый шунт изготовлен из двух параллельно соединённых низкоомных резисторов с сопротивлением 0,05Ом.
  2. Накопительный дроссель намотан на желто белом кольце от фильтра групповой стабилизации компьютерного блока питания.

Так как схема планировалась на довольно большой входной ток, целесообразно использовать два сложенных вместе кольца. Обмотка дросселя содержит 20 витков  намотанных двумя жилами провода диаметром 1,25мм в лаковой изоляции, индуктивность около 80-90 микрогенри.

  • Диод желательно использовать с барьером Шоттки и обратным напряжением 100-200 вольт, в моем случае применена мощная диодная сборка MBR4060 на 60 вольт 40 Ампер.

Силовые ключи вместе с диодом устанавливают на общий радиатор, притом изолировать подложки компонентов от радиатора не нужно, т.к. они общие.

  1. Подробное описание и испытания блока можно посмотреть в видео

Печатная плата тут 

Источник: https://www.vip-cxema.org/index.php/home/bloki-pitaniya/422-impulsnyj-stabilizator-toka-i-napryazheniya

MOSFET: простые конструкции

ПРОЕКТ №33: Простые конструкции на MOSFET-транзисторах

  • 1. Регулятор напряжения
  • 2. Симметричный мультивибратор
  • 3. Стабилизатор напряжения
  • 4. Усилитель НЧ

Возникла идея выполнить несколько опытов по реализации простых конструкций на MOSFET-транзисторах с индуцированным каналом N-типа. Попробую. Возможно, что-то станет основой для будущих проектов моих студентов.

  • 1. Регулятор напряжения
  • или

на биполярном транзисторе:

Средний угол поворота:

Максимальный угол поворота: Регулятор работает вполне нормально. Правда, никакого выигрыша по сравнению с регулятором на биполярном транзисторе, не получится. Закон Ома никто не отменил и на кривой кобыле не объехал. Закон Джоуля-Ленца – аналогично.

Поэтому нагрев будет тем больше, чем больше разница между Uвх и Uвых, и чем больше ток. Величина тока зависит от мощности трансформатора и параметров вторичной обмотки.

Короче: детка за репку, бабка за детку и далее по тексту (в том смысле, что одно цепляется за друное).

  1. 2. Симметричный мультивибратор

Когда-то я посвятил небольшой цикл мультивибратору на биполярных транзисторах (см. «Мультивибратор» в разделе РАДИОбиблиотека). Напомню стандартную схему симметричного мультивибратора:

Там же приводится пример мультивибратора на ПОЛЕВЫХ транзисторах: ВНИМАНИЕ! В данном случае НЕТ ПРЯМОЙ ЗАМЕНЫ биполярных транзисторов полевыми. Частотозадающие цепочки и нагрузка ВКЛЮЧАЮТСЯ ИНАЧЕ!

  • Далее цитата:
  • Конец цитаты.

В данном мультивибраторе использованы отечественные полевые n-канальные транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Внутри корпуса между выводами затвора и истока стоит защитный стабилитрон, который защищает транзистор при неумелом обращении. Конечно, не на 100%.  Частота переключения мультивибратора 2 Гц. Она задаётся, как обычно, С1, С2, R1, R2. Нагрузка — лампы накаливания EL1, EL2. Резисторы, включенные между стоком и затвором транзисторов, обеспечивают «мягкий» пуск мультивибратора, но, одновременно, несколько «затягивают» выключение транзисторов. Вместо ламп накаливания нагрузкой в цепях стоков могут служить светодиоды с дополнительными резисторами или телефоны типа ТК-47. В этом случае, разумеется, мультивибратор должен работать в области звуковых частот. Если используется один капсюль, то в цепь стока другого транзистора надо включить резистор сопротивлением 100-200 Ом. Резисторы R1 и R2 можно составить из нескольких, соединённых последовательно, или, если таковых не найдётся, использовать конденсаторы большей ёмкости. Конденсаторы могут быть неполярные керамические, либо плёночные, например, серий КМ-5, КМ-6, К73-17. Лампы накаливания на напряжение 6В и ток до 100 мА. Вместо транзисторов указанной серии, которые рассчитаны на постоянный ток до 180 мА, можно применить более мощные ключи КР1064КТ1 или КР1014КТ1. В случае использования более мощной нагрузки, например, автомобильных ламп, следует применить другие транзисторы, например, КП744Г, рассчитанные на ток до 9А. В этом случае между затвором и истоком следует установить защитные стабилитроны на напряжение 8-10В (катодом — к затвору) — КС191Ж или аналогичные. При больших токах стока транзисторы придётся установить на теплоотводы. Налаживание мультивибратора сводится к подбору конденсаторов для получения желаемой частоты. Для работы на звуковых частотах ёмкости должны быть в пределах 300-600 пФ. Если же оставить конденсаторы указанной на схеме ёмкости, то сопротивление резисторов придётся значительно уменьшить, вплоть до 40-50 кОм. При использовании мультивибратора в качестве узла в разрабатываемой конструкции, между проводами питания следует включить блокировочный конденсатор 0,1-100 мкФ. Мультивибратор работоспособен при напряжении питания 3-10В (с соответствующей нагрузкой). У меня нет отечественных полевых КП501А, в которых имеется встроенный стабилитрон между Истоком и Затвором. Да и нагрузкой моего мультивибратора будут автомобильные лампы. В следующей схеме применены буржуйские МДП-транзисторы:

При указанных номиналах С и R частота мультивибратора около 1 Гц. При использовании переменных резисторов (нужен ОДИН сдвоенный!) частота регулируется в широких пределах.

Если лампы заменить динамиками, а ёмкости С1 и С2 уменьшить в десятки раз, то можно получить колебания звуковой частоты. Стабилитроны (любые на 8-10 В) служат для предотвращения пробоя транзисторов.

Если нужна только одна нагрузка, то лампу EL1, например, нужно заменить резистором на 100-500 Ом. Транзисторы – любые аналогичные. При мощной нагрузке их надо ставить на радиаторы.

Я применю МОП-транзисторы FS10UM-5: .

Тип транзистора: MOSFET с индуцированным каналом N-типа Максимальная рассеиваемая мощность (Pd): 90 W Предельно допустимое напряжение сток-исток (Uds): 250 V Предельно допустимое напряжение затвор-исток (Ugs): 30 V Максимально допустимый постоянный ток стока (Id): 10 A Сопротивление сток-исток открытого транзистора (Rds): 0.4 Ohm Тип корпуса: TO-220 Как видно из фрагмента Datasheet’а, этот транзистор не имеет встроенного стабилитрона.

  1. Мои детальки: лампочки 12В х 5Вт, конденсаторы 1мкФ, резисторы 820к, стабилитроны Д814В:
  2. Мультивибратор спаян «IN STEREO»:

Подал напряжение непосредственно с диодного моста – загорелась EL1 и всё. Никаких пульсаций. Схема спаяна верно, обрывов, замыканий нет, все детали исправны.

В чём дело? Я даже хотел заменить FS10UM-5 на К1808 и отсоединил радиаторы, но возникли мысли: 1) ежели сгладить пульсации после моста? 2) так ли уж нужны стабилитроны при напряжении питания около ±14В? Я удалил стабилитроны и подключил параллельно ± диодного моста электролит 1000мк Х 40В:

  • Включил трансформатор в сеть и мультивибратор тут же заработал:

Пульсации действительно происходят с частотой ≈1 Гц. Чтобы прояснить ситуацию, решил вернуть стабилитроны на место и тут обнаружил, что один из них был Д818В (это хорошо видно на 2-м фото), а у них, по сравнению с Д814В, анод и катод – наоборот. Надо быть внимательнее! Я впаял ОБА стабилитрона Д814Б:

Без сглаживающего конденсатора в момент включения может быть: или т.е. один транзистор открывается, и лампа EL2 светится ярко, а второй – частично, нить накала EL1 еле тлеет; или наоборот, это уж как повезёт. Но мультивибратор НЕ ЗАПУСКАЕТСЯ.

Вывод: питать мультивибратор на MOSFET’ах надо от батареек, аккумуляторов или от блока питания с простейшим сглаживающим фильтром. И тут я подумал: а может и на биролярных будет то же самое?! Но проверять не стал.

К сожалению, я не нашёл у себя сдвоенного переменника даже на 100 кОм, поэтому оперативно порегулировать частоту не получилось. Но цель опыта достигнута: мультивибратор на MOSFET’ах с индуцированным каналом N-типа РАБОТАЕТ.

Кстати, 40-минутное «моргание» лампочек никак не сказалось на температуре транзисторов, хотя они без радиаторов. Значит 5 Вт для этих транзисторов – мелочь. И ещё одно. Я не применял никаких особых мер при пайке полевых транзисторов, но, не смотря на это, ни один из них статикой пробит не был.

  1. 3. Стабилизатор напряжения
  2. Начало цитаты:

Сначала процитирую источник, слегка подкорректировав текст (ПТ – полевой транзистор, БП – блок питания). В литературе неоднократно описывались различные схемы стабилизаторов к БП. В этой статье автор приводит описание аналогового стабилизатора напряжения для БП повышенной мощности. В схеме стабилизатора напряжения удалось значительно улучшить параметры, применив в качестве силового элемента мощный переключающий ПТ. В основном, при построении сильноточных стабилизаторов напряжения, радиолюбители используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключающий ПТ, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор. Схема одного из вариантов такого стабилизатора: В нём применен мощный ПТ IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном. Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечивает ток до 30А при температуре корпуса до 100°С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5…3 В. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт. Микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (TL431) управляет ПТ. Работает стабилизатор следующим образом. При подключении сетевого трансформатора Т1 к сети на его вторичной обмотке появляется переменное напряжение около 13 В (эффективное значение). Оно выпрямляется диодным мостом VD1, и на сглаживающем конденсаторе С1 большой емкости (обычно несколько десятков тысяч мкФ) выделяется постоянное напряжение около 16 В. Оно поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор. Часть выходного напряжения через делитель R2R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления «ву» микросхемы DA1 не достигнет порогового – около 2,5 В. В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т. е. частично закрывая его, и устройство входит в режим стабилизации. Конденсатор СЗ ускоряет выход стабилизатора на рабочий режим. Значение выходного напряжения можно установить в пределах от 2,5 до 30 В подбором резистора R2, значение которого может изменяться в широких пределах. Конденсаторы С1, С2 и С4 обеспечивают устойчивую работу стабилизатора. Для описанного варианта стабилизатора минимальное падение напряжения на регулирующем мощном транзисторе VT1 составляет 2,5…3 В, хотя потенциально этот транзистор может работать при напряжении сток-исток, близком к нулю. Обусловлен данный недостаток тем, что управляющее напряжение на затвор поступает из цепи стока, поэтому при меньшем значении падения напряжения на нём транзистор открываться не будет, ведь на затворе открытого транзистора должно быть положительное напряжение относительно истока. Чтобы уменьшить падение напряжения на регулирующем транзисторе, цепь его затвора целесообразно питать от отдельного выпрямителя с напряжением на 5… 7 В больше, чем выходное напряжение стабилизатора. Если нет возможности сделать дополнительный выпрямитель, то в устройство можно ввести дополнительный диод и конденсатор:

Эффект от такой простой доработки может быть большим. Дело в том, что напряжение, поступающее на сток транзистора, является пульсирующим, имеет значительную переменную составляющую, которая увеличивается при увеличении потребляемого тока.

Благодаря диоду VD2 и конденсатору С5 напряжение на затворе будет примерно равно пиковому значению пульсирующего, т.е. может быть на несколько вольт больше, чем среднее или минимальное. Поэтому стабилизатор оказывается работоспособным при меньшем среднем напряжении сток-исток.

Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту:

 В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе. При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроечным.

Значение выходного напряжения можно определить по формуле: Uвых=2,5(1+R2/R3). Детали В устройстве допустимо применитьлюбой подходящий транзистор. Если использовать, к примеру, IRF840, то минимальное значение управляющего напряжения на затворе будет составлять 4,5… 5В.

Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — МЛТ, С2-33, Р1-4. Диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.

Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод. Примененный транзистор предназначен для установки на радиатор с помощью пайки.

В этом случае целесообразно использовать промежуточную медную пластину толщиной несколько миллиметров, к которой припаивают транзистор и на которой можно установить остальные детали. Затем, после окончания монтажа, пластину можно разместить на радиаторе.

Пайки при этом уже не требуется, поскольку пластина будет иметь большую площадь теплового контакта с радиатором. Если применить для поверхностного монтажа микросхему DA1 типа TL431С, резисторы типа Р1-12 и соответствующие чип-конденсаторы, то их можно разместить на печатной плате:

  • Настройка
  • Конец цитаты.

из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Плату припаивают к выводам транзистора и приклеивают к упомянутой медной пластине клеем. В качестве такой пластины можно использовать, например, корпус с фланцем от испорченного мощного биполярного транзистора, скажем, КТ827, применив при этом навесной монтаж. Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов. Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа. Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам С1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины. Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1. И. Нечаев Литература: 1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы InternationalRectifier. — Радио, 2001, №5, с. 45. 2.И. Нечаев. Необычное применение микросхемы КР142ЕН19А. — Радио, 2003, № 5, с. 53,54. Я буду делать стабилизатор по схеме: Поставлю мост VD1 D5SBA60 600В/6А; диод VD2 RGP15J; транзистор VT1 K1531; DA1 (регулируемый стабилитрон) TL431C; конденсаторы С1 1000мк Х 50В, С2 здесь совершенно ни к чему, С3 4,7мк Х 50В, С4 680мк Х 35В, С5 100мк Х 30В; резисторы R1 470 Ом, R2 переменный 20к, R3 3,6к.

Детали: Стабилизатор буду делать на плате (без макетирования) старым способом – прорезыванием изолирующих дорожек между полигонами. Преимущество этого способа при изготовлении простых плат – быстрота. И экологичность:-)) разумеется. Эскиз платы:

  1. Кстати нашёлся подходящий кусок двухстороннего фольгированного текстолита:
  2. С одной стороны фольгу пришлось просто содрать:
  3. Дорожки прорезаны:
  4. Плата залужена:
  5. Детали распаяны:
  6. В качестве нагрузки использую мультивибратор. Напряжение на выходе стабилизатора минимально:
  7. Среднее:
  8. Максимальное:

Стабилизатор на MOSFET-транзисторе работает, причём я не подбирал транзистор по каким-то параметрам.

При переменном напряжении на выходе трансформатора около 13 В диапазон регулировки Uвых стабилизатора составляет 2,6…12,5 В. Это нормально.

Мой транзистор не установлен на радиатор, но это весьма желательно, поскольку пальцем ощутим его нагрев. После установки на теплоотвод  транзистор стал чувствовать себя гораздо комфортнее:

  • 4. Усилитель НЧ
  • 1-ый по адресу: http://amplif.ru/publ/usilitel_na_polevom_tranzistore_klass_a/1-1-0-119

На вход моста я подал ~30 В, что позволило повысить Uвых и регулировать его в более широком диапазоне. Следуя принципу «от простого», я не буду пытаться собрать УНЧ на MOSFET’ах мощностью в десятки и сотни Ватт. В сети я быстро нашёл два, подходящих для моих опытов, варианта:

2-ой по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=nhTzc8eSNRY

IRF511 у меня нет, зато в достаточном количестве имеются IRF630, и я решил попробовать 2-й вариант. Хотя, вполне возможно, что и в 1-м варианте IRF630 тоже будет работать. Однако я не провожу тут научное исследование, а просто пробую МОСФЕТы в несложных конструкциях. Детальки:

    Транзистор IRFS630; резисторы МЛТ-1 Вт: 1,3к+1к=2,3к; 470 Ом; 1 Ом; конденсаторы 100мк Х25В, 2200мк Х 35В, 470мк Х 25В. УНЧ распаян в пространстве (в 3D, в STEREO):

    Подан ВХОДной сигнал с нетбука, ВЫХОД на отечественный динамик 10ГДШ-2 4 Ом, питание от стабилизатора на МОСФЕТе: Усилитель работает.

    Звук не очень громкий (на слух 300-400 мВт), но особых искажений не слышно. Опыт успешно завершён. Итак, простые конструкции на MOSFET’ах оказались вполне рабочими.

    Возможно, что несколько позже я сделаю кое-что не совсем простое, но это будет другой проект и другая история.

    ©SEkorp, 20 октябрь 2017

    Источник: http://radiomurlo.narod.ru/HTMLs_3/PROJECT_33.html

    Три простые схемы регулятора тока для зарядных устройств

    • Мы уже рассматривали много схем регуляторов напряжения для самых разных целей, сегодня же я вам покажу три простые схемы регуляторов постоянного тока, которые стоит взять на вооружение, так как они универсальны и могут быть использованы не только в зарядных устройствах, но и во многих самодельных конструкциях, включая и лабораторные блоки питания.
    • Регулятор тока по идее не многим отличается от регулятора напряжения, стоит заметить, что есть понятие стабилизатор тока.
    • В отличие от регулятора он поддерживает стабильный выходной ток независимо от напряжения на входе и выходной нагрузки.
    • Сегодня мы рассмотрим пару вариантов стабилизатора и один регулятор общего применения, стабилизатор тока неотъемлемая часть любого нормального лабораторного блока питания или зарядного устройства, предназначен он для ограничения тока подаваемого в нагрузку.
    • Важный момент… во всех трех вариантах в качестве датчика тока использованны шунты, по сути это низкоомные резисторы, для увеличения выходного тока любой из перечисленных схем нужно будет снизить сопротивление шунта экспериментальным образом.

    Кстати ссылки на все печатные платы найдёте в конце статьи. Нужное значение тока выставляют вручную, как правило вращением переменного резистора.

    Все три варианта которые мы сегодня рассмотрим работают в линейном режиме, а значит силовой элемент — транзистор. При больших нагрузках будет нагреваться и нуждается в охлаждении.

    Постараюсь пояснить принцип работы схем максимально простыми словами…

    Первая схема отличается максимальной простотой и доступностью компонентов, всего два транзистора, один из них управляющий, второй же является силовым, по которому протекает основной ток.Датчик тока или шунт представляет из себя низкоомный проволочный резистор, при подключении выходной нагрузки на этом резисторе образуется некоторое падение напряжения, чем мощнее нагрузка, тем больше падение.

    Такого падения напряжения достаточно для срабатывания управляющего транзистора, чем больше падение, тем больше приоткрыт этот транзистор.

    Резистор R1 задаёт напряжение смещения для силового транзистора, именно благодаря ему основной транзистор находится в открытом состоянии.

    Ограничение тока происходит за счет того, что напряжение на базе силового транзистора, которое было образовано резистором R1, грубо говоря затухается или замыкается на плюс питания через открытый переход маломощного транзистора. Этим силовой транзистор будет закрываться, следовательно ток протекающий по нему уменьшается вплоть до полного нуля.

    Резистор R2 по сути обычный делитель напряжения, которым мы можем задать как бы степень приоткрытости управляющего транзистора, а следовательно управлять и силовым транзистором, ограничивая ток протекающий по нему.Увеличить общий ток коммутации этой схемы, можно дополнительными силовыми транзисторами, подключенных параллельно. Так как характеристики даже одинаковых транзисторов будут отличаться, в их коллекторную цепь добавлены резисторы, они предназначены для выравнивания токов через транзисторы, чтобы последние были нагружены равномерно.

    Вторая схема построена на базе операционного усилителя, её неоднократно использовал в зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, в отличие от первого варианта эта схема является именно стабилизатором тока.Как и в первой схеме, тут также имеется датчик тока или шунт, операционный усилитель фиксирует падение напряжения на этом шунте, всё по уже знакомой нам схеме.

    Усилитель сравнивает напряжение на шунте с опорным, которое задается стабилитроном. Переменным резистором мы искусственно меняем опорное напряжение, операционный усилитель в свою очередь постарается сбалансировать напряжение на входах, путём изменения выходного напряжения.

    1. Выход операционного усилителя управляется мощным полевым транзистором.
    2. То есть, принцип работы мало, чем отличается от первой схемы за исключением того, что тут имеется источник опорного напряжения в лице стабилитрона.
    3. Эта схема также работает в линейном режиме и силовой транзистор при больших нагрузках будет сильно нагреваться и ему необходим радиатор, кстати возможно применение биполярных транзисторов.

    Последняя схема построена на базе популярной интегральной микросхемы стабилизатора LM317, это линейный стабилизатор напряжения но имеется возможность использовать микросхему в качестве стабилизатора тока.

    Нужный ток задается переменным резистором. Недостатком схемы является то, что основной ток протекает именно по ранее указанному резистору и естественно тот нужен мощный, очень желательно использование проволочных резисторов.

    Введите электронную почту и получайте письма с новыми поделками.

    • Максимально допустимый ток для микросхема LM317 составляет около полтора ампера, увеличить его можно дополнительным силовым транзистором, в этом случае микросхема уже будет в качестве управляющей, следовательно нагреваться она не будет.
    • Взамен будет нагреваться транзистор и от этого никуда не денешься.
    • Архив к статье; скачать…
    • Автор; АКА Касьян

    Источник: https://xn--100—j4dau4ec0ao.xn--p1ai/tri-prostye-sxemy-regulyatora-toka-dlya-zaryadnyx-ustrojstv/

    Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе

    В статье описан аналоговый стабилизатор напряжения для блока питания повышенной мощности. Автору удалось значительно улучшить параметры стабилизатора, применив в качестве силового элемента мощный переключательный полевой транзистор.

    При построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами.

    Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор.

    Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис.1. В нем в качестве силового применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме.

    Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечиваетток до 30 А при температуре корпуса до 100 °С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5…3 В [1].

    Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.

    Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (TL431). Ее назначение, устройство и параметры подробно описаны в статье [2]. Работает стабилизатор (рис. 1) следующим образом.

    При подключении сетевого трансформатора Т1 к сети на его вторичной обмотке появляется переменное напряжение около 13 В (эффективное значение).

    Оно выпрямляется диодным мостом VD1, и на сглаживающем конденсаторе большой емкости (обычно несколько десятков тысяч микрофарад) выделяется постоянное напряжение около 16 В.

    Оно поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор. Часть выходного напряжения через делитель R2R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС.

    Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления ву микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В. В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т. е.

    частично закрывая его, и устройство входит в режим стабилизации. Конденсатор СЗ ускоряет выход стабилизатора на рабочий режим.

    Значение выходного напряжения можно установить в пределах от 2,5 до 30 В подбором резистора R2, его значение может изменяться в широких пределах. Конденсаторы С1, С2 и С4 обеспечивают устойчивую работу стабилизатора.

    Для описанного варианта стабилизатора минимальное падение напряжения на регулирующем мощном транзисторе VT1 составляет 2,5…3 В, хотя потенциально этот транзистор может работать при напряжении сток-исток, близком к нулю.

    Обусловлен данный недостаток тем, что управляющее напряжение на затвор поступает из цепи стока, поэтому при меньшем значении падения напряжения на нем транзистор открываться не будет, ведь на затворе открытого транзистора должно быть положительное напряжение относительно истока.

    Чтобы уменьшить падение напряжения на регулирующем транзисторе, цепь его затвора целесообразно питать от отдельного выпрямителя с напряжением на 5…7 В больше, чем выходное напряжение стабилизатора.

    Если нет возможности сделать дополнительный выпрямитель, то в устройство можно ввести дополнительный диод и конденсатор (рис. 2). Эффект от такой простой доработки может быть большим.

    Дело в том, что напряжение, поступающее на сток транзистора, является пульсирующим, имеет значительную переменную составляющую, которая увеличивается при увеличении потребляемого тока.

    Благодаря диоду VD2 и конденсатору С5 напряжение на затворе будет примерно равно пиковому значению пульсирующего, т.е. может быть на несколько вольт больше, чем среднее или минимальное. Поэтому стабилизатор оказывается работоспособным при меньшем среднем напряжении сток-исток.

    Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту (рис. 3). В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе.

    При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроечным резистором. Значение выходного напряжения можно определить по формуле Uвых = 2,5(1+R2/R3).

    В устройстве допустимо применить подходящий транзистор из списка в вышеприведенном справочном листке, желательно выделенный желтым цветом. Если использовать, к примеру, IRF840, то минимальное значение управляющего напряжения на затворе будет составлять 4,5…5 В. Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — МЛТ, С2-33, Р1-4.

    Диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.

    Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод. Примененный транзистор предназначен для установки на радиатор с помощью пайки.

    В этом случае целесообразно использовать промежуточную медную пластину толщиной несколько миллиметров, к которой припаивают транзистор и на которой можно установить остальные детали (рис. 4). Затем, после окончания монтажа, пластину можно разместить на радиаторе.

    Пайки при этом уже не требуется, поскольку пластина будет иметь большую площадь теплового контакта с радиатором.

    Если применить для поверхностного монтажа микросхему DA1 типа~П_431С, резисторы типа Р1 -12 и соответствующие чип-конденсаторы, то их можно разместить на печатной плате (рис. 5) из односторонне фольгированного стеклотекстолита.

    Плату припаивают к выводам транзистора и приклеивают к упомянутой медной пластине клеем.

    В качестве такой пластины можно использовать, например, корпус с фланцем от испорченного мощного биполярного транзистора, скажем, КТ827, применив при этом навесной монтаж.

    Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов.

    Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа. Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам С1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины.

    Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1.

    ЛИТЕРАТУРА

    1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. — Радио, 2001, № 5, с. 45.
    2. И. Нечаев. Необычное применение микросхемы КР142ЕН19А. — Радио, 2003, № 5, с. 53,54.

    Источник: https://www.radio-schemy.ru/supply/common-supply/515-stabilizator-napryajeniya-na-mownom-polevom-tranzistore.html

    Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе 13В (IRLR2905)

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

       Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис. 3.28.0. Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение около 13 В (эффективное значение) поступает на выпрямитель и сглаживающий фильтр. На конденсаторах фильтра оно равно 16 В. Это напряжение поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор.

       Часть выходного напряжения через делитель R2, R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В. В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т.е.

    частично закрывая его, и, таким образом, устройство входит в режим стабилизации. Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту (рис. 3.28.6).

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

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

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

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

    Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.

       Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (импортный аналог TL431). Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — MJ1T, С2-33, диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки).

    Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.

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

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

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

       Печатная плата устройства приведена на рис. 3.29. Эта плата рассчитана на установку малогабаритных деталей в корпусах для поверхностного монтажа, в том чис

       ле и микросхема КР142ЕН19 требует замены на импортный аналог в корпусе SO-8.

       В случае, если полевой транзистор найти не удалось, стабилизатор можно выполнить по другой схеме (рис. 3.30), на мощных биполярных транзисторах, с использованием той же микросхемы. Правда, максимальный ток нагрузки у этого варианта стабилизатора не более 3…4 А.

    Для повышения коэффициента стабилизации применен стабилизатор тока на полевом транзисторе, в качестве регулирующего элемента применен мощный составной транзистор.

    Трансформатор должен обеспечивать на вторичной обмотке напряжение не менее 15 В при максимальном токе нагрузки.

    Источник: http://nauchebe.net/2010/10/stabilizator-napryazheniya-na-moshhnom-polevom-tranzistore-13v-irlr2905/

    Мощный стабилизатор двухполярного напряжения для УМЗЧ

    Электропитание

    Главная  Радиолюбителю  Электропитание

      

    Автор предлагает двухполярныи стабилизатор напряжения питания, пригодный для усилителей мощностью до 50- 100 Вт на канал.

    Устройство выполнено на мощных полевых транзисторах, способных работать при многократных кратковременных перегрузках по току.

    Применение таких стабилизаторов в значительной степени оправдано в усилителях с высокой чувствительностью к изменению и пульсациям питающего напряжения, что особенно присуще несложным усилителям без общей обратной связи.

    Как известно, для питания мощного выходного каскада УМЗЧ в ряде конструкций используется отдельный источник питания, а остальная часть усилителя питается от стабилизатора напряжения.

    Большинство таких источников питания — нестабилизированные и представляют собой два двухполупе-риодных выпрямителя (на напряжения положительной и отрицательной полярности) со средней точкой со сглаживающими конденсаторами.

    Это нестабили-зированное напряжение не используется остальной частью усилителя, если в нём есть дополнительные узлы и коммутатор источников сигнала (полный, «интегральный» усилитель).

    Кроме того, общая обратная связь, применяемая в большинстве УМЗЧ, существенно снижает чувствительность к пульсациям напряжения питания. А если глубина общей ООС невелика или её совсем нет, пульсации питающего напряжения могут прослушиваться через акустические системы.

    Кардинальным способом подавления пульсации и нестабильности является питание выходных каскадов усилителя стабилизированным напряжением, однако применение интегральных стабилизаторов тоже наталкивается на ряд проблем. Дело в том, что такие стабилизаторы имеют относительно большое падение напряжения.

    Кроме того, в них, как правило, встроены ограничители по току и мощности, которые вообще могут свести на нет достоинства стабилизатора. Можно, конечно, применить интегральный стабилизатор большой мощности (например, с выходным током в 10 А), однако его стоимость, на мой взгляд, неприемлема.

    Альтернативой при решении этой задачи может быть использование в стабилизаторе напряжения питания мощных полевых транзисторов. Эти транзисторы, кстати, недороги и имеют малое сопротивление открытого канала (сотые доли ома) и максимальный ток до 70…

    100 А, что позволяет конструировать стабилизаторы с очень малым падением напряжения (не более 0,25 В) при токе до 20 А. Параметры описываемого стабилизатора следующие. При выходном напряжении в 27 В его максимальный ток достигает 4,5 А. При таком токе нагрузки минимальное рабочее напряжение между входом и выходом не превышает 0,25 В.

    Разница между выходным напряжением стабилизатора без нагрузки и напряжением при токе нагрузки в 4,5 А составляет не более 0,15 В, при токе в 6 А эта разница не превышает 0,16 В.

    Такие параметры стабилизатора обеспечивают применённые в нём мощные полевые транзисторы — IRF4905 (р-канальный) с максимальным током стока 74 А и сопротивлением открытого канала в 0,02 Ом и IRL2505 (п-канальный), с соответствующими током 104 А и сопротивлением 0,008 Ом.

    Рис. 1

    Источник: http://www.radioradar.net/radiofan/power_supply/powerful_regulator_bipolar_voltage.html

    Регулятор тока

    JFET | Дискретные полупроводниковые схемы

    ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

    • Полевой транзистор с одним N-канальным переходом, рекомендуются модели 2N3819 или J309 (каталожный номер Radio Shack № 276-2035 — модель 2N3819)
    • Две 6-вольтовые батареи
    • Один потенциометр 10 кОм, однооборотный, с линейным конусом (каталог Radio Shack № 271-1715)
    • Один резистор 1 кОм
    • Один резистор 10 кОм
    • Три резистора 1,5 кОм

    Для этого эксперимента вам понадобится N-канальный JFET, а не P-канал! Для эксперимента вам понадобится N-канальный JFET, а не P-канал!

    Помните, что не все транзисторы имеют одинаковые обозначения клемм или распиновку , , даже если они имеют одинаковый внешний вид.От этого будет зависеть, как вы будете соединять транзисторы вместе и с другими компонентами, поэтому обязательно проверьте спецификации производителя (техническое описание компонентов), которые легко получить на веб-сайте производителя.

    Помните, что на корпусе транзистора и даже в техническом паспорте производителя могут отображаться неправильные схемы идентификации клемм! Настоятельно рекомендуется дважды проверить идентификацию контактов с помощью функции «проверка диодов» мультиметра.

    Для получения подробной информации о том, как определить клеммы соединительного полевого транзистора с помощью мультиметра, обратитесь к главе 5 тома «Полупроводники» (том III) этой серии книг.

    ССЫЛКИ

    Уроки электрических цепей , том 3, глава 5: «Переходные полевые транзисторы» Уроки электрических цепей , том 3, глава 3: «Диоды и выпрямители»

    ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

    • Как использовать JFET в качестве регулятора тока
    • Как JFET относительно невосприимчив к изменениям температуры

    СХЕМА

    ИЛЛЮСТРАЦИЯ

    ИНСТРУКЦИЯ

    Ранее в этой главе вы видели, как пару биполярных переходных транзисторов (BJT) можно использовать для формирования токового зеркала , при этом один транзистор будет пытаться поддерживать через него такой же ток, как если бы другой — уровень тока другого. устанавливается переменным сопротивлением.Эта схема выполняет ту же задачу по регулированию тока, но использует полевой транзистор с одним переходом (JFET) вместо двух BJT.

    Два последовательных резистора R регулируют и R limit устанавливают точку регулирования тока, в то время как резисторы нагрузки и контрольные точки между ними служат только для демонстрации постоянного тока, несмотря на изменения сопротивления нагрузки. Чтобы начать эксперимент, прикоснитесь щупом к TP4 и отрегулируйте потенциометр по диапазону его хода.

    При перемещении механизма потенциометра вы должны увидеть небольшой изменяющийся ток, показываемый вашим амперметром: не более нескольких миллиампер. Оставьте потенциометр в положении, дающем круглое число миллиампер, и переместите черный измерительный щуп измерителя в TP3.

    Текущая индикация должна быть почти такой же, как и раньше. Переместите датчик к TP2, затем к TP1. Опять же, вы должны увидеть почти неизменное количество тока.

    Попробуйте установить потенциометр в другое положение, чтобы получить другую индикацию тока, и прикоснитесь черным щупом измерителя к контрольным точкам с TP1 по TP4, отмечая стабильность показаний тока при изменении сопротивления нагрузки.Это демонстрирует текущий , регулирующий поведение этой схемы.

    TP5 на конце резистора 10 кОм предназначен для значительного изменения сопротивления нагрузки. Подключение черного щупа вашего амперметра к этой контрольной точке дает общее сопротивление нагрузки 14,5 кОм, что будет слишком большим сопротивлением для транзистора, чтобы поддерживать максимальный регулируемый ток через него.

    Чтобы испытать то, что я здесь описываю, прикоснитесь черным щупом к TP1 и настройте потенциометр на максимальный ток.Теперь переместите черный щуп к TP2, затем к TP3, затем к TP4.

    Для всех этих положений контрольных точек ток будет оставаться примерно постоянным. Однако, когда вы прикоснетесь черным щупом к TP5, ток резко упадет. Почему? Потому что на этом уровне сопротивления нагрузки падение напряжения на транзисторе недостаточно для поддержания стабилизации.

    Другими словами, транзистор будет насыщаться, поскольку он пытается обеспечить больший ток, чем позволяет сопротивление цепи.Переместите черный щуп обратно к TP1 и отрегулируйте потенциометр на минимальный ток.

    Теперь прикоснитесь черным щупом к TP2, затем к TP3, затем к TP4 и, наконец, к TP5. Что вы замечаете в текущей индикации во всех этих точках? Когда точка регулирования тока настроена на меньшее значение, транзистор может поддерживать регулирование в гораздо большем диапазоне сопротивления нагрузки.

    Важное замечание относительно схемы токового зеркала BJT состоит в том, что оба транзистора должны иметь одинаковую температуру, чтобы два тока были равными.Однако для этой схемы температура транзистора практически не имеет значения.

    Попробуйте зажать транзистор между пальцами, чтобы нагреть его, отмечая ток нагрузки с помощью амперметра. После этого попробуйте охладить его, дуя на него.

    Не только устраняется требование согласования транзисторов (из-за использования всего на один транзистор ), но также почти устраняются тепловые эффекты из-за относительной тепловой устойчивости полевого транзистора. Такое поведение также делает полевые транзисторы невосприимчивыми к тепловому разгоне; явное преимущество перед транзисторами с биполярным переходом.

    Интересным применением этой схемы регулятора тока является так называемый диод постоянного тока . Описанный в главе «Диоды и выпрямители» тома III, этот диод вообще не является устройством с PN-переходом. Вместо этого это JFET с фиксированным сопротивлением, подключенным между выводами затвора и истока:

    Нормальный диод с PN-переходом включен последовательно с JFET для защиты транзистора от повреждения напряжением обратного смещения, но в остальном средство регулирования тока этого устройства полностью обеспечивается полевым транзистором.

    КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

    Схема с номерами узлов SPICE:

    Netlist (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

    Регулятор тока JFET vsource 1 0 rload 1 2 4.5k j1 2 0 3 mod1 rlimit 3 0 1k .model mod1 njf .dc vsource 6 12 0.1 .plot dc i (vsource) .end 

    SPICE не позволяет изменять значения сопротивления, поэтому, чтобы продемонстрировать регулирование тока этой схемы в широком диапазоне условий, я решил изменить напряжение источника с 6 до 12 вольт на 0.Шаги по 1 вольту. При желании вы можете установить для rload различные значения сопротивления и убедиться, что ток в цепи остается постоянным.

    При предельном значении r 1 кОм регулируемый ток будет 291,8 мкА. Это текущее значение, скорее всего, будет , а не , таким же, как ваш фактический ток цепи, из-за различий в параметрах JFET.

    Многие производители предоставляют параметры модели SPICE для своих транзисторов, которые можно ввести в строке .model списка соединений для более точного моделирования схемы.

    СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

    А источник тока на основе JFET 9000 1 А источник тока на основе JFET

    Источник тока на JFET

    В лекции 1 мы представили идею источника тока и упомянули, что их было немного сложнее реализовать, чем, возможно, более знакомые источник напряжения.

    Теперь мы можем изучить практический способ реализации текущих источники.Схема ниже (которая была введена в pSpice схемотехнический симулятор) показывает простой способ сделать это с помощью JFET (см. Лекцию Примечания стр. 86). Обратите внимание, что символ, используемый для JFET, типа 2N3819, является не совсем то же самое, что и более широко распространенный вариант, с которым мы столкнулись!

    Отрицательная клемма питания V1 (символ батареи) подключена к Земля, также известная как Узел 0, представляет собой точку отсчета для любого измерения, которые мы можем сделать.Хотя напряжение батареи обозначено как 5 В, pSpice позволит нам экспериментально варьировать это значение в любом требуемом диапазоне. Ток, вырабатываемый цепью, протекает в цепи стока и фактически составляет Я Д . Для этого приложения светодиодный индикатор отображается как нагрузка, в которой протекает постоянный ток. Это очень типичный использование для такой схемы; светодиод работает наиболее стабильно (давая стабильный световой поток), если ток, проходящий через него, может поддерживаться постоянным, даже при изменении напряжения питания — например, как аккумулятор разряды.

    Схема может быть описана как полевой транзистор с самосмещением: истоковый резистор R определяет напряжение затвора истока через соотношение V GS = -V S0 = -I D R

    Это позволяет достичь диапазона токов, так как рабочий условия JFET могут быть выбраны путем выбора значения R, которое определяет относительные значения I D и V GS . В анализ разработан в лекции 7.

    Использование pSpice для прогнозирования поведения схемы

    pSpice может помочь нам предсказать многие аспекты поведения схемотехники. прежде чем мы его построим. Чтобы смоделировать напряжение-ток характеристика нелинейного устройства, такого как полевой транзистор, pSpice может использовать ряд различные математические модели. Для этого приложения моделируется JFET. используя выражение, основанное на биномиальном приближении, для зависимости I D на V DS и V GS .Для различных типов JFET требуется различные коэффициенты, которые будут использоваться в выражении, и они могут быть включены.

    Здесь симулятор pSpice использовался для прогнозирования производительности цепи, поскольку напряжение питания изменяется в диапазоне. Если дизайн работая правильно, мы ожидаем, что ток не будет зависеть от V1. pSpice использовался для прогнозирования поведения схемы с различными значениями R, от 0 Ом до 1000 Ом. Мы ожидаем увидеть текущее изменение как вводятся разные значения R.

    Семейство кривых, показанных выше, представляет выходные данные pSpice. В ожидаемое значение I D (ток в светодиодах) отображается в зависимости от напряжение питания V1, для различных значений R.

    Мы видим, что при условии, что напряжение питания V1 находится в пределах 5 вольт. примерно до 25 вольт, ток практически не меняется с V1: это эффективно постоянный. Однако, когда V1 падает ниже примерно 5 вольт, цепь видна. выйти из строя, так как ток быстро падает.

    Если бы мы использовали отдельный резистор, чтобы попытаться контролировать ток через LED, ток сильно зависел бы от V1 для всех значений.

    Видно, что выбор значения R оказывает значительное влияние на постоянный ток получается. При соответствующем выборе R постоянный ток может быть получен в любом месте в диапазоне 2–12 мА. Глядя на кривой для R = 0, мы можем видеть, как схема на странице 85 примечаний будет вести себя.При этих условиях мы знаем из передачи charact eristic что JFET будет работать с током стока, равным I DSS (см. Конспект лекций, стр. 85). Недостатком этой очень простой схемы является что вы застряли со значением I DSS для конкретного выбранный вами транзистор, и это может значительно отличаться от транзистора к транзистор. Включение R придает схеме гораздо большую универсальность.

    Хотя JFET может обеспечить простое решение для проектирования тока источник, это не лучшее возможное решение.Гораздо лучший дизайн может быть достигается с помощью биполярных транзисторов (с которыми вы встретитесь на втором курсе), или с помощью операционных усилителей (с которыми вы познакомитесь в лекциях 17-18 настоящей курс). Используя подходящие математические модели для этих компонентов, pSpice также может прогнозировать производительность этих различных подходов и является поэтому мощный союзник разработчика электронных схем. Однако это важно помнить, что полученные результаты настолько точны, насколько точны числовые модели, используемые для представления моделируемых устройств.В реальном схема, производственные допуски и другие переменные (например, температура) могут заставляют реальную схему работать совершенно иначе, чем симуляция. А хороший дизайнер всегда учтет эти возможности.


    Дэвид Холберн Октябрь 2005

    Строительные, рабочие и проектные типы

    Так же, как ситуации, в которых нам нужно регулировать напряжение в наших конструкциях, существуют сценарии, в которых нам нужно регулировать ток, который подается в определенную часть нашей цепи.В отличие от преобразования (перехода от одного уровня напряжения к другому), которое обычно является одной из основных причин регулирования напряжения, регулирование тока обычно заключается в поддержании подаваемого тока постоянным, независимо от изменений сопротивления нагрузки или входного напряжения. Цепи (встроенные или нет), которые используются для обеспечения постоянного тока , называются (постоянными) регуляторами тока , и они очень часто используются в силовой электронике.

    Хотя регуляторы тока использовались в нескольких приложениях на протяжении многих лет, возможно, до недавнего времени они не были одной из самых популярных тем в обсуждениях проектирования электроники.Текущие регуляторы теперь достигли своего рода повсеместного статуса благодаря их важным приложениям в светодиодном освещении среди других приложений.

    В сегодняшней статье мы рассмотрим эти регуляторы тока и исследуем лежащие в их основе принципы работы, их конструкцию, типы и применение, среди прочего .

    Принцип действия регулятора тока

    Работа регулятора тока аналогична работе регулятора напряжения с основным отличием в параметре, который они регулируют, и величине, которую они изменяют для обеспечения своего выхода.В регуляторах напряжения ток изменяется для достижения необходимого уровня напряжения, в то время как регуляторы тока обычно включают изменения напряжения / сопротивления для достижения требуемого выходного тока. Таким образом, хотя это возможно, обычно трудно одновременно регулировать напряжение и ток в цепи.

    Чтобы понять, как работают регуляторы тока, необходимо быстро взглянуть на закон Ома;

      В = ИК или I = В / П  

    Это означает, что для поддержания постоянного тока на выходе эти два свойства (напряжение и сопротивление) должны поддерживаться постоянными в цепи или регулироваться таким образом, чтобы при изменении одного значения другого соответственно регулировалось для сохранения такой же выходной ток.Таким образом, регулирование тока включает в себя регулировку напряжения или сопротивления в цепи или обеспечение неизменности значений сопротивления и напряжения независимо от требований / воздействий подключенной нагрузки.

    Регулятор тока рабочий

    Чтобы правильно описать, как работает регулятор тока, рассмотрим приведенную ниже принципиальную схему.

    Переменный резистор в приведенной выше схеме используется для представления действия регулятора тока.Предположим, что переменный резистор автоматизирован и может автоматически регулировать собственное сопротивление. Когда схема находится под напряжением, переменный резистор регулирует свое сопротивление, чтобы компенсировать изменения тока из-за изменения сопротивления нагрузки или напряжения питания. Что касается базового класса электричества, вы должны помнить, что при увеличении нагрузки, которая по сути является сопротивлением (+ емкость / индуктивность), происходит эффективное падение тока, и наоборот. Таким образом, когда нагрузка в цепи увеличивается (увеличение сопротивления), а не падение тока, переменный резистор уменьшает свое собственное сопротивление, чтобы компенсировать повышенное сопротивление и обеспечить одинаковые токи.Таким же образом, когда сопротивление нагрузки уменьшается, переменное сопротивление увеличивает свое собственное сопротивление, чтобы компенсировать уменьшение, таким образом поддерживая значение выходного тока.

    Другой подход к регулированию тока состоит в том, чтобы подключить достаточно высокий резистор параллельно нагрузке так, чтобы в соответствии с законами основного электричества ток протекал по пути с наименьшим сопротивлением, который в этом случае будет проходить через нагрузку с только «незначительное» количество тока, протекающего через резистор с высоким номиналом.

    Эти изменения также влияют на напряжение, поскольку некоторые регуляторы тока поддерживают ток на выходе, изменяя напряжение. Таким образом, практически невозможно регулировать напряжение на том же выходе, на котором регулируется ток.

    Конструкция регуляторов тока Регуляторы тока

    обычно реализуются с использованием стабилизаторов напряжения на основе микросхем, таких как MAX1818 и LM317, или с использованием пассивных и активных компонентов, таких как транзисторы и стабилитроны.

    Проектирование регуляторов тока с использованием регуляторов напряжения

    Для разработки регуляторов тока с использованием регулятора напряжения на основе микросхемы, метод обычно включает настройку регуляторов напряжения с постоянным сопротивлением нагрузки, и обычно используются линейные регуляторы напряжения, поскольку напряжение между выходом линейных регуляторов и их землей обычно составляет Таким образом, жестко регулируемый, фиксированный резистор может быть вставлен между выводами, так что фиксированный ток течет к нагрузке.Хороший пример дизайна, основанного на этом, был опубликован Budge Ing в одной из публикаций EDN в 2016 году.

    Используемая схема использует линейный стабилизатор LDO MAX1818 для создания стабилизированного источника постоянного тока на стороне высокого напряжения. Источник питания (показанный на изображении выше) был спроектирован таким образом, что он питает RLOAD постоянным током, который равен I = 1,5 В / ROUT. Где 1,5 В — предустановленное выходное напряжение MAX1818 , но его можно изменить с помощью внешнего резистивного делителя.

    Для обеспечения оптимальной производительности конструкции напряжение на входной клемме MAX1818 должно быть до 2,5 В, но не выше 5,5 В, поскольку это рабочий диапазон, указанный в техническом паспорте. Чтобы удовлетворить это условие, выберите значение ROUT, которое позволяет от 2,5 В до 5,5 В между IN и GND. Например, при нагрузке, скажем, 100 Ом при 5 В VCC, устройство правильно работает с ROUT выше 60 Ом, так как это значение допускает максимальный программируемый ток 1,5 В / 60 Ом = 25 мА. Тогда напряжение на устройстве будет равно минимально допустимому: 5 В — (25 мА × 100 Ом) = 2.5В.

    Другие линейные регуляторы, такие как LM317, также могут использоваться в аналогичном процессе проектирования, но одно из основных преимуществ , которые имеют микросхемы типа MAX1818 по сравнению с другими, заключается в том, что они включают тепловое отключение, которое может быть очень важным в текущем регламенте , поскольку температура ИС имеет тенденцию к нагреванию при подключении нагрузок с высокими требованиями к току.

    Для стабилизатора тока на базе LM317 рассмотрите схему ниже;

    LM317 сконструированы таким образом, что регулятор продолжает регулировать свое напряжение до тех пор, пока напряжение между его выходным выводом и его регулировочным выводом не станет равным 1.25 В и как таковой делитель обычно используется при реализации в ситуации регулятора напряжения. Но для нашего случая использования в качестве регулятора тока это на самом деле очень упрощает нам задачу, потому что, поскольку напряжение постоянно, все, что нам нужно сделать, чтобы сделать ток постоянным, — это просто вставить резистор последовательно между выводами Vout и ADJ. как показано на схеме выше. Таким образом, мы можем установить выходной ток на фиксированное значение, которое задается:

      I = 1,25 / R 
     

    Значение R является определяющим фактором значения выходного тока.

    Чтобы создать регулятор переменного тока, нам нужно только добавить переменный резистор в схему вместе с другим резистором, чтобы создать делитель на регулируемом выводе, как показано на изображении ниже.

    Работа схемы такая же, как и в предыдущей, с той разницей, что ток можно регулировать в цепи, поворачивая ручку потенциометра для изменения сопротивления. Напряжение на R составляет;

      В = (1 + R1 / R2) x 1.25  

    Это означает, что ток через R определяется выражением;

      I  R  = (1,25 / R) x (1+ R1 / R2). 
     

    Это дает цепи диапазон тока I = 1,25 / R и (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

    Зависит от установленного тока; Убедитесь, что номинальная мощность резистора R может выдерживать ток, протекающий через него.

    Преимущества и недостатки использования LDO в качестве регулятора тока

    Ниже приведены некоторые преимущества для выбора подхода линейного регулятора напряжения.

    ИС регулятора
    1. включают защиту от перегрева, которая может пригодиться при подключении нагрузок с повышенными требованиями к току.
    2. ИС регулятора
    3. имеют больший допуск для больших входных напряжений и в значительной степени поддерживают высокое рассеивание мощности.
    4. Подход ИС регулятора предполагает использование меньшего количества компонентов с добавлением лишь нескольких резисторов в большинстве случаев, за исключением случаев, когда требуются более высокие токи и подключены силовые транзисторы.Это означает, что вы можете использовать одну и ту же микросхему для регулирования напряжения и тока.
    5. Уменьшение количества компонентов может означать сокращение стоимости внедрения и времени разработки.

    Недостатки:

    С другой стороны, конфигурации, описанные в рамках подхода ИС регулятора, позволяют пропускать тока покоя от регулятора к нагрузке в дополнение к регулируемому выходному напряжению. Это приводит к ошибке, которая может быть недопустимой в некоторых приложениях.Однако это можно уменьшить, выбрав регулятор с очень низким током покоя.

    Еще одним недостатком подхода к регулятору IC является отсутствие гибкости в конструкции.

    Помимо использования микросхем регуляторов напряжения, регуляторы тока также могут быть спроектированы с использованием желейных частей, включая транзисторы, операционные усилители и стабилитроны с необходимыми резисторами. Стабилитрон используется в схеме, вероятно, просто, как если бы вы помните, что стабилитрон используется для регулирования напряжения.Конструкция регулятора тока с использованием этих деталей является наиболее гибкой, поскольку их обычно легко интегрировать в существующие схемы.

    Регулятор тока на транзисторах

    В этом разделе мы рассмотрим два дизайна. В первом будут использованы только транзисторы, а во втором — операционный усилитель и силовой транзистор .

    Для транзисторов рассмотрим схему ниже.

    Регулятор тока, описанный на схеме выше, является одной из простейших конструкций регулятора тока. Это регулятор тока низкой стороны ; Подключал после нагрузки до земли. Он состоит из трех основных компонентов; управляющий транзистор (2N5551), силовой транзистор (TIP41) и шунтирующий резистор (R). Шунт, который по сути представляет собой резистор малой мощности, используется для измерения тока, протекающего через нагрузку. При включении цепи на шунте отмечается падение напряжения.Чем выше значение сопротивления нагрузки RL, тем выше падение напряжения на шунте. Падение напряжения на шунте действует как триггер для управляющего транзистора, так что чем выше падение напряжения на шунте, тем больше транзистор проводит и регулирует напряжение смещения, приложенное к базе силового транзистора, для увеличения или уменьшения проводимости с резистор R1, действующий как резистор смещения.

    Как и в других схемах, переменный резистор может быть добавлен параллельно шунтирующему резистору для изменения уровня тока путем изменения величины напряжения, приложенного к базе управляющего транзистора.

    Регулятор тока с использованием операционного усилителя

    В качестве второго варианта проектирования рассмотрим схему ниже;

    Эта схема основана на операционном усилителе , и, как и в примере с транзистором, также использует шунтирующий резистор для измерения тока. Падение напряжения на шунте подается в операционный усилитель, который затем сравнивает его с опорным напряжением, установленным стабилитроном ZD1.Операционный усилитель компенсирует любые расхождения (высокие или низкие) в двух входных напряжениях, регулируя свое выходное напряжение. Выходное напряжение операционного усилителя подключается к мощному полевому транзистору, и проводимость зависит от приложенного напряжения.

    Основным отличием этой конструкции от первой является опорное напряжение, реализуемое стабилитроном. Обе эти конструкции являются линейными, и при высоких нагрузках будет выделяться большое количество тепла, поэтому к ним следует присоединить радиаторы для отвода тепла.

    Преимущества и недостатки

    Основным преимуществом этого подхода к проектированию является гибкость, которую он предоставляет проектировщику. Детали могут быть выбраны, а конструкция сконфигурирована по вкусу без каких-либо ограничений, связанных с внутренней схемой, которая характерна для подхода на основе регуляторов на основе ИС.

    С другой стороны, этот подход имеет тенденцию быть более утомительным, трудоемким, требует большего количества деталей, громоздких, подверженных сбоям и более дорогих по сравнению с подходом на основе регуляторов.

    Применение регуляторов тока

    Регуляторы постоянного тока находят применение во всех видах устройств, от цепей питания до цепей зарядки аккумуляторов, драйверов светодиодов и других приложений, где необходимо регулировать постоянный ток независимо от приложенной нагрузки.

    Вот и все! Надеюсь, ты кое-что узнал.

    До следующего раза!

    Отсутствует

    Код 404 страница не найдена.К сожалению, страница отсутствует или перемещена.

    Ниже приведены основные подразделы этого сайта.


    • Главная страница General Electronics
    • Мой канал электроники на YouTube
    • Проекты микроконтроллеров Arduino
    • Raspberry Pi и Linux
    • Пересмотр регистров порта Arduino
    • Digispark ATtiny85 с расширителем GPIO MCP23016
    • Программа безопасной сборки H-моста
    • Построить управление двигателем с H-мостом без фейерверков
    • H-образный мост MOSFET для Arduino 2
    • Гистерезис компаратора и триггеры Шмитта
    • Учебное пособие по теории компараторов
    • Эксплуатация и использование фотодиодных схем
    • Оптопары MOSFET реле постоянного тока с фотоэлектрическими драйверами
    • Подключение твердотельных реле Crydom MOSFET
    • Учебное пособие по схемам фотодиодных операционных усилителей
    • Входные цепи оптопары для ПЛК
    • h21L1, 6N137A, FED8183, TLP2662 Оптопары с цифровым выходом
    • Цепи постоянного тока с LM334
    • LM334 Цепи CCS с термисторами, фотоэлементами
    • LM317 Цепи источника постоянного тока
    • TA8050P Управление двигателем с Н-мостом
    • Оптическая развязка управления двигателем с Н-мостом
    • Управление двигателем с Н-мостом на всех NPN-транзисторах
    • Базовые симисторы и тиристоры
    • Твердотельные реле переменного тока с симисторами
    • Светоактивированный кремниевый управляемый выпрямитель (LASCR)
    • Базовые схемы драйверов транзисторов для микроконтроллеров
    • ULN2003A Транзисторная матрица Дарлингтона с примерами схем
    • Учебное пособие по использованию силовых транзисторов Дарлингтона TIP120 и TIP125
    • Управление силовыми транзисторами 2N3055-MJ2955 с транзисторами Дарлингтона
    • Общие сведения о биполярных транзисторных переключателях
    • Учебное пособие по переключению N-канального силового полевого МОП-транзистора
    • Учебное пособие по переключателю P-Channel Power MOSFET
    • Построение транзисторного управления двигателем с H-мостом
    • Управление двигателем с Н-мостом и силовыми МОП-транзисторами
    • Больше примеров схем Н-моста силового полевого МОП-транзистора
    • Построение мощного транзисторного управления двигателем с H-мостом
    • Теория и работа конденсаторов
    • Построить радио AM с вакуумной трубкой 12AV6
    • Катушки для высокоселективного кристаллического радио
    • Добавление двухтактного выходного каскада к аудиоусилителю Lm386
    • Исправление источника питания
    • Основные силовые трансформаторы
    • Цепи стабилизатора на транзисторе-стабилитроне
    • Уловки и подсказки для регуляторов напряжения серии LM78XX
    • Биполярные источники питания
    • Создайте регулируемый источник питания 0-34 В с Lm317
    • Использование датчиков Холла с переменным током
    • Использование переключателей и датчиков на эффекте Холла
    • Использование ратиометрических датчиков на эффекте Холла
    • Использование датчиков Холла с Arduino-ATMEGA168
    • Простой преобразователь от 12-14 В постоянного тока до 120 В переменного тока
    • Глядя на схемы оконного компаратора
    • Автоматическое открытие и закрытие окна теплицы
    • La4224 Усилитель звука мощностью 1 Вт
    • Управление двигателем H-Bridge с силовыми МОП-транзисторами Обновлено
    • Обновлено в сентябре 2017 г .:
    • Веб-мастер
    • Раскрытие Бристоль, Юго-Западная Вирджиния
    • Наука и технологии
    • 2017 Обновления и удаления веб-сайтов
    • Электроника для хобби
    • Конституция США
    • Христианство 101
    • Религиозные темы
    • Электронная почта

    »Главная » Электронное письмо »Пожертвовать » Преступление »Хобби Электроника
    » Защита окружающей среды »Расизм »Религия »Бристоль VA / TN

    »Архив 1 »Архив 2 »Архив 3 »Архив 4 »Архив 5
    » Архив 6 »Архив 7 »Архив 8 »Архив 9


    Веб-сайт Авторские права Льюис Лофлин, Все права защищены.

    LM334 Учебное пособие по схемам постоянного тока


    Рис. 1

    Льюиса Лофлина

    Источник постоянного тока (CCS) в электронике — это устройство / цепь, которая производит постоянное значение тока независимо от напряжения источника или сопротивления нагрузки. На рис. 1 показана общая схема CCS с использованием биполярного транзистора PNP. Значения Ic = Ib * hfe (бета) транзистора. Цепь постоянного тока также может использоваться в качестве ограничителя тока.

    Maxim Semiconductor отмечает следующее, почему нам нужно использовать источник постоянного тока:

    При использовании белых светодиодов для подсветки дисплеев или других приложений освещения есть две причины использовать их с постоянным током: Чтобы избежать нарушения абсолютного максимального номинального тока и снижения надежности.

    Для получения предсказуемой и согласованной силы света и цветности от каждого светодиода … Прямой ток по сравнению с прямым напряжением шести случайных белых светодиодов (по три от каждого из двух производителей)…. при подаче на эти шесть светодиодов напряжения 3,4 В, например, их прямой ток будет изменяться от 10 мА до 44 мА, в зависимости от светодиода ».

    Помимо светодиодов, источники постоянного тока используются с резистивными датчиками, такими как фотоэлементы и термисторы, для большей стабильности и для источников питания с ограничением тока. Также полезно для тестирования и создания прототипов.

    См. Источник постоянного тока LM334 с резистивными датчиками.


    Рис. 2

    На Рис. 2 показан источник постоянного тока с ОУ 741.См. 3-амперный источник постоянного тока операционного усилителя LM741.

    На рис. 1 Ib управляется резистором 1 кОм и потенциометром 5 кОм. При Vcc, равном 12 вольт, мы падаем 0,6 вольт на переход база-эмиттер Q1. Мы настраиваем потенциометр на базовый ток 3 мА (0,003 А). Если Q1 имеет hfe 50: Ic = 0,003 * 50 = 150 мА или 0,15 А.

    Эти схемы необходимы для работы с мощными светоизлучающими диодными (СИД) матрицами. Схема выше проста, может быть немного нестабильной из-за дрейфа температуры с Q1, вызывающего дрейф тока.Эта проблема незначительна по сравнению с дрейфом источника питания, который может вызвать гораздо большую нестабильность.

    В других источниках постоянного тока используется популярный регулятор переменного напряжения LM317.

    TL431A — еще одна популярная деталь в небольшом корпусе TO-92. Проще говоря, TL431A действует как регулируемый / регулируемый с температурной компенсацией https: //www.bristolwatch/ele/zener_power_supply.htmЗенеровский диод. Он также может действовать как источник опорного напряжения или постоянного тока.


    Рис. 3

    Рис. 3 использует LM334, трехконтактный источник тока, предназначенный для работы при уровнях тока от 1 мкА до 10 мА, которые задаются внешним резистором Rset.Устройство работает как «настоящий двухконтактный источник тока, не требующий дополнительных подключений питания». Он также может работать как датчик температуры.

    В этом примере я использую LM334 для управления Ib в Q3. Rset — это комбинация R1 и R2, настроенная на 100 Ом. Iset = Ib = 67,7 мВ / Rset = 677 мкА. Ic = Ib * hfe; Ic = 677 мкА * 180 = 120 мА. Q3 был 2N2907. См. Лист технических характеристик LM334.

    Это намного превосходит две более ранние схемы, потому что колебания напряжения питания вызывают небольшое измеримое изменение Ic.Но LM334 страдает от максимального тока привода всего 10 мА, и есть много приложений, где требуются гораздо более высокие токи.

    В следующем разделе мы рассмотрим использование регулятора переменного напряжения LM317 в режиме источника постоянного тока.

    См. Цепи постоянного тока LM317

    Выше мы увеличиваем ток из LM317. См. Источник питания

    с регулируемым напряжением и током LM317.

    Другие схемы и теория CCS

    Видео на YouTube

    Другие схемы

    Домашняя страница Hobby Electronics и домашняя страница для веб-мастеров (Off site.)

    LM317 со схемой повышения внешнего тока

    Популярная микросхема стабилизатора напряжения LM317 рассчитана на выдачу не более 1,5 А, однако добавление в схему повышающего транзистора внешнего тока позволяет модернизировать схему регулятора для работы с гораздо более высокими токами, и до любых желаемых уровней.

    Вы, возможно, уже встречали схему фиксированного стабилизатора напряжения 78XX, которая была модернизирована для обработки более высоких токов, добавив к ней внешний силовой транзистор, IC LM317 не является исключением, и то же самое можно применить к этой универсальной схеме регулируемого регулятора напряжения в чтобы обновить его характеристики для обработки большого количества тока.

    Стандартная схема LM317

    На следующем изображении показана стандартная схема регулируемого стабилизатора напряжения IC LM317, использующая минимум компонентов в виде одного постоянного резистора и потенциометра 10 кОм.

    Предполагается, что эта установка предлагает регулируемый диапазон от нуля до 24 В при входном напряжении 30 В. Однако, если мы рассмотрим диапазон тока, он не превышает 1,5 ампера независимо от входного тока питания, поскольку микросхема внутренне оборудована, чтобы допускать только до 1.5 ампер и подавите все, что может потребоваться выше этого предела.

    Показанная выше конструкция, которая ограничена максимальным током 1,5 А, может быть обновлена ​​с помощью внешнего PNP-транзистора, чтобы повысить ток наравне с входным током питания, что означает, что после реализации этого обновления вышеуказанная схема сохранит свою переменную. Функция регулирования напряжения, тем не менее, сможет обеспечить нагрузку полным входным током питания, минуя внутреннюю функцию ограничения тока IC.

    Расчет выходного напряжения

    Для расчета выходного напряжения цепи источника питания LM317 можно использовать следующую формулу

    VO = VREF (1 + R2 / R1) + (IADJ × R2)

    где = VREF = 1.25

    Current ADJ можно фактически игнорировать, поскольку он обычно составляет около 50 мкА и, следовательно, слишком мал.

    Добавление внешнего усилителя Mosfet

    Это усиление тока может быть реализовано путем добавления внешнего PNP-транзистора, который может быть в форме силового BJT или P-канального MOSFET, как показано ниже, здесь мы используем mosfet, сохраняющий вещи компактный и допускающий огромное обновление технических характеристик.

    В вышеупомянутой конструкции Rx становится ответственным за обеспечение триггера затвора для МОП-транзистора, так что он может проводить в тандеме с LM317 IC и усиливать устройство дополнительным током, указанным входным источником.

    Первоначально, когда входная мощность подается в схему, подключенная нагрузка, которая может быть рассчитана на гораздо более высокий, чем 1,5 А, пытается получить этот ток через LM317 IC, и в этом процессе пропорциональная величина отрицательного напряжения создается на RX, заставляя MOSFET реагировать и включаться.

    Как только срабатывает МОП-транзистор, весь входной источник питания имеет тенденцию течь через нагрузку с избыточным током, но, поскольку напряжение также начинает увеличиваться за пределы уставки потенциометра LM317, LM317 получает обратное смещение.

    Это действие на время отключает LM317, который, в свою очередь, отключает напряжение на Rx и питание затвора для МОП-транзистора.

    Таким образом, МОП-транзистор также имеет тенденцию отключаться на мгновение, пока цикл снова не продлится, позволяя процессу продолжаться бесконечно с заданным регулированием напряжения и высокими требованиями к току.

    Расчет резистора затвора МОП-транзистора

    Rx можно рассчитать, как указано в:

    Rx = 10 / 1A,

    , где 10 — оптимальное напряжение срабатывания МОП-транзистора, а 1 ампер — это оптимальный ток через ИС до появления Rx. это напряжение.

    Следовательно, Rx может быть резистором 10 Ом с номинальной мощностью 10 x 1 = 10 Вт

    Если используется силовой BJT, цифра 10 может быть заменена на 0,7 В

    Хотя приведенное выше приложение повышения тока с использованием МОП-транзистор выглядит интересно, у него есть серьезный недостаток, так как эта функция полностью лишает ИС функции ограничения тока, что может привести к перегоранию или возгоранию МОП-транзистора в случае короткого замыкания на выходе.

    Чтобы противостоять этой уязвимости, связанной с перегрузкой по току или коротким замыканием, другой резистор в форме Ry может быть установлен с выводом истока МОП-транзистора, как показано на следующей схеме.

    Резистор Ry должен вырабатывать противодействующее напряжение на себе всякий раз, когда выходной ток превышает заданный максимальный предел, так что противодействующее напряжение на источнике МОП-транзистора подавляет напряжение срабатывания затвора МОП-транзистора, вызывая полное отключение в течение МОП-транзистор, предотвращая тем самым возгорание МОП-транзистора.

    Эта модификация выглядит довольно простой, однако вычисление Ry может немного сбить с толку, и я не хочу исследовать его глубже, поскольку у меня есть более приличная и надежная идея, которая, как можно ожидать, выполнит полный контроль тока для обсуждаемого подвесного двигателя LM317. схема применения повышающего транзистора.

    Использование BJT для управления током

    Конструкцию для создания вышеуказанной конструкции, оснащенной повышающим током, а также защитой от короткого замыкания и перегрузки, можно увидеть ниже:

    Пара резисторов и BC547 BJT — все, что может потребуются для включения желаемой защиты от короткого замыкания в модифицированную схему повышения тока для LM317 IC.

    Теперь вычисление Ry становится чрезвычайно простым и может быть вычислено по следующей формуле:

    Ry = 0.7 / ограничение тока.

    Здесь 0,7 — это напряжение срабатывания BC547, а «ограничение тока» — это максимальный допустимый ток, который может быть указан для безопасной работы МОП-транзистора, допустим, этот предел установлен равным 10 А, тогда Ry можно рассчитать как :

    Ry = 0,7 / 10 = 0,07 Ом.

    Вт = 0,7 x 10 = 7 Вт.

    Итак, теперь, когда ток имеет тенденцию пересекать вышеуказанный предел, BC547 проводит, заземляя контакт ADJ IC и отключая Vout для LM317

    Использование BJT для повышения тока

    Если вы не слишком увлечены используя МОП-транзистор, в этом случае вы, вероятно, могли бы применить BJT для требуемого повышения тока, как показано на следующей диаграмме:

    Предоставлено: Texas Instruments

    Сильноточный регулятор LM317 с регулируемым напряжением / током

    На следующей схеме показан сильно регулируемый LM317 на основе сильноточный источник питания, который обеспечит выходной ток более 5 ампер и переменное напряжение от 1.От 2 В до 30 В.

    На рисунке выше мы можем видеть, что регулирование напряжения реализовано в стандартной конфигурации LM317 через потенциометр R6, который соединен с выводом ADJ на LM317.

    Тем не менее, конфигурация операционного усилителя специально включена, чтобы иметь полезную полномасштабную регулировку высокого тока в диапазоне от минимального до максимального 5 ампер.

    Сильноточный импульс 5 А, доступный в этой конструкции, может быть дополнительно увеличен до 10 А путем соответствующей модернизации внешнего транзистора MJ4502 PNP.

    Инвертирующий входной контакт №2 операционного усилителя используется в качестве опорного входа, который устанавливается потенциометром R2. Другой неинвертирующий вход используется как датчик тока. Напряжение, возникающее на R6 через резистор ограничителя тока R3, сравнивается с опорным значением R2, которое позволяет выходу операционного усилителя стать низким, как только будет превышен максимальный установленный ток.

    Низкий уровень на выходе операционного усилителя заземляет вывод ADJ LM317, отключая его, а также выходной источник питания, который, в свою очередь, быстро снижает выходной ток и восстанавливает работу LM317.Непрерывный режим ВКЛ / ВЫКЛ гарантирует, что ток никогда не может превысить установленный порог, регулируемый R2.

    Максимальный уровень тока также можно изменить, настроив значение резистора ограничения тока R3.

    регуляторы напряжения и тока

    регуляторы напряжения и тока
    Elliott Sound Products Регуляторы напряжения и тока
    © 20013, Род Эллиотт Вершина
    Указатель статей
    Главный указатель

    Содержание
    Введение

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

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

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

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

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

    Регуляторы напряжения

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

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

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

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

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

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

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


    Зачем регулировать?

    Итак, зачем нам стабилизированное напряжение?

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

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

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

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

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

    Далее, зачем нам стабилизированный ток?

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

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

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


    1 — Базовый дискретный регулятор напряжения

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

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


    Рисунок 1 — Базовый стабилитрон шунтирующего регулятора

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

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

    I = P / V
    I = 1/15 = 66,7 мА

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

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

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

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

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

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

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

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


    2 — Следующий шаг к регулированию напряжения

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

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


    Рисунок 2 — Простой дискретный регулятор серии

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

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

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

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

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

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

    Выходное напряжение можно определить следующим образом …

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

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

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

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

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

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

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


    Рисунок 3 — Простой дискретный серийный регулятор с ограничением тока

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

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


    2.1 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

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

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

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

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


    Рисунок 4 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

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

    Примечание 1: Танталовые конденсаторы (и всегда были) самые ненадежные конденсаторы из когда-либо созданных.Они совершенно не переносят сильные импульсные токи, и уникальны тем, что их режим отказа — короткое замыкание (которое может быть прерывистым). Как известно постоянным читателям, я никогда не рекомендую танталовые крышки для чего-либо.

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

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


    2.2 — Требования к дифференциальному напряжению ввода-вывода

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

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


    Рисунок 5 — Пульсация входного напряжения относительно напряжения. Регулируемая мощность

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

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

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


    3 — Регуляторы IC Регуляторы

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

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

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

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

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

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

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

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


    3.1 — Регулируемые регуляторы IC

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

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


    Рисунок 6 — Регулируемый регулятор, показан LM317

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

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

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

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

    V ВЫХ = 1,25 × (1 + R2 / R1) + I ADJ × R2

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

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

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

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


    4 — Повышение тока от регуляторов IC

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


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

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

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

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


    5 — Базовый регулятор тока

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

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

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


    6 — Более продвинутый регулятор тока

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

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

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


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

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

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

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

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

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


    6.1 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

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

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

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

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


    7 — IC Регулятор тока

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

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


    Рисунок 9 — LM317 как источник тока

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

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

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


    Рисунок 10 — LM317 как регулируемый источник тока

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


    8 — Отрицательные регуляторы

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

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


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

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


    9 — Методы опорного напряжения

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

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

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

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

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

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

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


    Рисунок 12 — Концептуальная схема эталонной ширины запрещенной зоны

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

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

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


    10 — Змеиное масло

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

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

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

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


    Выводы

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

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

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

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

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

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


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


    Основной индекс
    Указатель статей
    Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2012.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.