Схема высоковольтного стабилизатора напряжения
В настоящее время существуют интегральные микросхемы, применяя которые можно создавать высоковольтные стабилизаторы напряжения компенсационного типа на выходное напряжение от 70 до 140 В. Это микросхемы типов SE070N, SE080N, SE090N, SE105N, SE110N, SE120N, SE125N, SE130N, SE135N, SE140N – они предназначены для контроля и регулировки напряжения постоянного тока. На рисунке показан один из возможных вариантов линейного стабилизатора на выходное напряжение 115 В постоянного тока. Источником напряжения для стабилизатора служит сеть переменного тока 220 В. В других конструкциях источником напряжения может быть, например, вторичная обмотка силового трансформатора, выход выпрямителя преобразователя напряжения. Стабилизатор выполнен на интегральной микросхеме SE115N, представляющей собой детектор напряжения на 115 В. Контролируемое напряжение с выхода стабилизатора поступает на вход DA1 — вывод 1.
Если напряжение на выходе стабилизатора стремится увеличиться свыше рабочего напряжения DA1, то открывается выходной п-p-n транзистор микросхемы, коллектор которого выведен на вывод 2 DA1.
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР С МАЛЫМ УРОВНЕМ ПУЛЬСАЦИЙ
Евгений Карпов
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР С МАЛЫМ УРОВНЕМ ПУЛЬСАЦИЙ
В статье описан относительно простой высоковольтный стабилизатор, обладающий малым уровнем шумов и пульсаций выходного напряжения. В стабилизатор встроены функции плавного нарастания выходного напряжения и защиты от перегрузок.
Стабилизатор предназначен для питания чувствительных схем предварительных усилителей и фонокорректоров, выполненных на электронных лампах.
Основные соображения
Основным назначением описанного ниже стабилизатора является питание высокочувствительных входных цепей ламповых усилителей. Это определило основное требование к стабилизатору – низкий уровень шума и пульсаций на выходе [1]. Конечно, было желательно получить и малое выходное сопротивление, но этот параметр не является определяющим из-за незначительного и мало меняющегося тока, потребляемого этим блоком усилителя.
За базовый вариант была принята классическая схема компенсационного стабилизатора с однокаскадным усилителем ошибки (Рис.1) [2]. Для получения малых пульсаций на выходе стабилизатора необходимо иметь значительную величину петлевого усиления, которое существенно зависит от коэффициента усиления усилителя ошибки. Для получения максимального коэффициента усиления в качестве коллекторной нагрузки транзистора VT1 применен источник тока I, и регулирующий элемент (VT2) выполнен на полевом транзисторе (можно считать, что каскад на транзисторе VT1 в области низких частот не нагружен).
Такая схемотехника позволяет получить в области низких частот усиление каскада порядка 55 — 63db (если b используемых транзисторов находится в пределах 40 — 100).
Читатель может задать закономерный вопрос: а почему не использовать стандартный операционный усилитель? Основным преимуществом такого решения является более простая схема при сравнимой величине усиления. Так же стабилизатор получается менее склонным к паразитной генерации.
Высокое выходное напряжение стабилизатора и относительно низкое опорное напряжение VR позволяет практически бесплатно и существенно (в 2 — 3 раза) повысить стабильность выходного напряжения за счет подключения резистора, задающего начальный ток стабилитрона (R1), к цепи выходного стабильного напряжения. Если вы посмотрите на схему, то увидите, что через стабилитрон текут три тока – стабильный ток I, заданный источником тока, стабильный ток IR1, заданный резистором R1 и нестабильный ток базы транзистора IB. Если учесть, что ток базы транзистора на несколько порядков меньше суммы стабильных токов I и IR1, то становится ясно, что влияние динамического сопротивления стабилитрона RD (Рис. 2) на выходное напряжение практически исключается.
Особое внимание было уделено вопросу минимизации уровня шумов на выходе стабилизатора. В схеме можно выделить два основных источника шума – это транзистор VT1 и стабилитрон VD. Шумом источника тока и резисторов делителя R2 и R3 можно в первом приближении пренебречь.
Это связано с тем, что суммарное сопротивление резисторов делителя достаточно мало (сотни ом – единицы килоомм), а шум источника тока не усиливается.
Возможность минимизации уровня шумов выбором типа и режима работы транзистора VT1 весьма ограничена. Во-первых, транзистор VT1 должен быть высоковольтным, это существенно ограничивает номенклатуру пригодных типов. Во-вторых, снижение уровня шумов путем снижением величины коллекторного тока наталкивается на два ограничения: ухудшение частотных свойств каскада и снижение величины b транзистора.
Точный расчет параметров каскада весьма громоздок, и я не буду его приводить, а ограничусь несколькими практическими рекомендациями.
Для большинства высоковольтных транзисторов средней мощности, аналогичных MPSA42, 2N6517, ZTX658, ZTX458 удовлетворительное сочетание параметров достигается при токе коллектора 0.7 — 1.5mA.
(При установке транзистора в схему желательно проверить величину его b; хотя типовые значения лежат в пределах 50 — 100, могут попасться экземпляры с b = 17 — 20.
)
Нежелательно использовать в качестве VT1 более мощные транзисторы (типа MJE13003), при малых токах коллектора они имеют очень малую величину b, для получения приемлемого усиления каскада придется значительно увеличивать ток коллектора. Конечно, частотные свойства стабилизатора улучшатся, но ценой этого будет значительное увеличение рассеиваемой мощности на элементах схемы и увеличение уровня шума на выходе.
Следующим объектом нашей заботы является стабилитрон VD, определяющий величину опорного напряжения VR. Как правило, выбор типа стабилитрона и его рабочих режимов производится исходя из необходимого напряжения и его стабильности. Его шумовые характеристики не учитываются и не приводятся в технических данных. Чаще всего, это и не надо, но в некоторых случаях шумовые характеристики стабилитрона важны. Например, если источник питания должен иметь низкий уровень шума на выходе, если стабилитрон используется в цепях сдвига уровня сигнала или для организации напряжения смещения во входных каскадах усилителей, и непосредственно включен в сигнальную цепь.
Простейшая эквивалентная схема стабилитрона, учитывающая его ЕДС шума EN, показана на рисунке 2. Если вы мысленно замените в схеме стабилизатора (Рис.1) стабилитрон VD на его эквивалентную схему, то становится очевидным, что шумовой генератор включен непосредственно во входную цепь усилительного каскада на транзисторе VT1 и, соответственно, его шум будет усилен.
Фактически, стабилитрон является почти идеальным источником белого шума в широкой полосе частот, простирающейся от постоянного тока до единиц мегагерц (это используется для создания генераторов шума)[3]. Уровень шумового напряжения, генерируемого стабилитроном, существенно зависит от его режима. Наибольший уровень шума стабилитрон генерирует, когда он начинает входить в режим стабилизации, и его рабочая точка находится на колене вольт-амперной характеристики. Этот режим характеризуется очень малыми токами, текущими через стабилитрон (десятки – сотни микроампер). Увеличение тока стабилитрона вызывает уменьшение уровня шумового напряжения, этот факт многократно описан в различных источниках, но численных данных о величине уровня шума мне обнаружить не удалось.
Поэтому я решил просто померить уровни шумов, генерируемых стабилитронами различных типов, и оценить влияние тока стабилизации. Измерения проводились по схеме, показанной на рисунке 3.
В качестве источника тока использовался довольно малошумящий полевой транзистор КП302Г. Уровень шума измерялся прибором ИСШ-НЧ в звуковой полосе частот (использовался внутренний фильтр). Конечно, полученные результаты не соответствуют абсолютно точному значению уровня шума, генерируемого стабилитроном, так как источник тока добавляет собственные шумы, но как показали измерения, они весьма малы, и этой погрешностью можно пренебречь.
Цепь регулятора постоянного тока высокого напряжения
Мы все хорошо знакомы с микросхемами регуляторов напряжения 78XX или регулируемыми типами, такими как LM317, LM338 и т. д. Хотя эти регуляторы выдающиеся по своим характеристикам и надежности, у них есть один большой недостаток… они не будут управлять все, что выше 35В.
Работа схемы
Схема, представленная в следующей статье, представляет собой конструкцию регулятора постоянного тока, которая эффективно решает указанную выше проблему и способна работать с напряжениями до 100 В.
Я большой поклонник вышеупомянутых типов ИС просто потому, что они просты в понимании, просты в настройке и требуют минимального количества компонентов, а также относительно дешевы в сборке.
Однако в областях, где входное напряжение может быть выше 35 или 40 вольт, с этими ИС возникают трудности.
При разработке солнечного контроллера для панелей, вырабатывающих более 40 вольт, я много искал в сети какую-нибудь схему, которая регулировала бы 40+ вольт от панели до желаемого выходного уровня, скажем, до 14 В, но это было довольно разочарован, так как не смог найти ни одной схемы, которая соответствовала бы требуемым спецификациям.
Все, что я смог найти, это схема регулятора 2N3055, которая не могла обеспечить ток даже 1 ампер.
Не найдя подходящего варианта, мне пришлось посоветовать покупателю выбрать панель, которая не будет генерировать ничего выше 30 вольт… это компромисс, на который заказчику пришлось пойти, используя стабилизатор зарядного устройства LM338.
Однако, немного подумав, я смог, наконец, придумать конструкцию, способную выдерживать высокие входные напряжения (постоянного тока) и намного лучшую, чем аналоги LM338/LM317.
Попробуем подробно разобраться в моей конструкции со следующими пунктами:
Судя по принципиальной схеме, IC 741 становится сердцем всей схемы регулятора .
В основном он был настроен как компаратор.
На контакт № 2 подается фиксированное опорное напряжение, определяемое номиналом стабилитрона.
Контакт № 3 зажат с помощью сети делителя потенциала, которая рассчитана соответствующим образом для обнаружения напряжений, превышающих указанный выходной предел схемы.
Первоначально, когда питание включено, резистор R1 запускает силовой транзистор, который пытается передать напряжение источника (входное напряжение) на другую сторону его контакта стока.
В момент, когда напряжение попадает в цепь Rb/Rc, она определяет условия повышения напряжения, и в течение доли секунды ситуация запускает ИС, выход которой мгновенно становится высоким, отключая силовой транзистор.
Мгновенно отключает напряжение на выходе, уменьшая напряжение на Rb/Rc, заставляя выход IC снова становиться низким, включая силовой транзистор, так что цикл фиксируется и повторяется, инициируя выходной уровень, который просто точно равно желаемому значению, заданному пользователем.
Схема цепи
Значения неуказанных компонентов в цепи могут быть рассчитаны по следующим формулам, а желаемые выходные напряжения могут быть зафиксированы и установлены:
R1 = 0,2 x R2 (кОм)
R2 = (Выходное напряжение — напряжение D1) x 1 кОм
R3 = напряжение D1 x 1 кОм.
Силовой транзистор представляет собой PNP-транзистор, который должен быть соответствующим образом выбран, чтобы выдерживать требуемое высокое напряжение и большой ток, чтобы регулировать и преобразовывать источник входного сигнала до желаемых уровней.
Вы также можете попробовать заменить силовой транзистор P-канальным МОП-транзистором для еще большей выходной мощности.
Максимальное выходное напряжение не должно превышать 20 вольт, если используется микросхема 741.
С 1/4 IC 324 максимальное выходное напряжение может быть превышено до 30 вольт.
Сильноточный регулятор с малым рассеиванием
Электропитание стало само собой разумеющимся с момента появления ныне известных трехвыводных регуляторов напряжения. Однако бывают случаи, когда такого регулятора недостаточно. Этот тип регулятора требует значительного падения потенциала на нем (обычно более 3 В) и высокого тока покоя (обычно 6 мА для 78xx). Показанный здесь регулятор очень удобен для устройств с батарейным питанием, поскольку он обеспечивает:
- Выходное напряжение является переменным и очень устойчивым.
- Пониженное падение потенциала (несколько десятых долей вольта).
- Ток покоя очень небольшой величины (20–30 мкА).
Теоретически регулятор представляет собой типичный серийный тип. В качестве опорного напряжения используется обычный или садовый красный светодиод с потребляемым током не менее 5 мкА. Светодиод имеет довольно постоянное падение напряжения при этом скромном токе.
Ток снимается с регулируемого выхода через R1. Это улучшает стабильность.
Операционный усилитель TLC271 CMOS обеспечивает стабилизацию. Подключив контакт 8 к положительной выходной клемме, этот усилитель работает в режиме низкого смещения, что обеспечивает чрезвычайно низкое потребление тока. Выход операционного усилителя используется в качестве основного привода для последовательного регулятора T2, который управляется источником тока T1. Такое расположение позволяет хорошо контролировать крошечные колебания напряжения на выходе операционного усилителя.
Это важно, потому что скорость нарастания операционного усилителя в режиме низкого смещения довольно низкая. Операционный усилитель также получает питание от выхода регулятора. В результате конденсатор C1 действует как развязывающий элемент для операционного усилителя. Было определено, что для эффективного управления необходим бутстрепный резистор R5.
Установки резисторов R1 и R4 на схеме дают регулируемое выходное напряжение от 3 до 8 В.
R4 можно увеличить на 200 кОм/В, чтобы получить более высокое выходное напряжение до 16 В. Если ток через D1 не упадет ниже 5 мкА, сопротивление резистора R1 также необходимо увеличить.
Длинных соединений в схемах такого типа следует избегать любой ценой, чтобы избежать паразитных емкостей. Регулирование в результате этого ухудшится. Пиковый выходной ток в основном определяется допустимым рассеянием на T2 и, в меньшей степени, разностью напряжений между входом и выходом.
О компании Swagatam
Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем/печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными схемами и учебными пособиями.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать через комментарии, я буду очень рад помочь!
MC33363B — Импульсный регулятор высокого напряжения
%PDF-1.4 % 1 0 объект > эндообъект 6 0 объект /Title (MC33363B — Импульсный регулятор высокого напряжения) >
который специально разработан для работы от выпрямленной линии 240 В переменного тока
источник. Эта интегральная схема имеет встроенный источник питания 700 В/1,0 А.
Выключатель питания SENSEFET®, 500 В, активный полевой транзистор с запуском в автономном режиме, режим работы
генератор с циклическим управлением, компаратор ограничения тока с
программируемый порог и гашение переднего фронта, фиксирующий импульс
широтный модулятор для подавления двойных импульсов, ошибка с высоким коэффициентом усиления
усилитель и урезанный внутренний эталон ширины запрещенной зоны. Защитный
функции включают поцикловое ограничение тока, пониженное входное напряжение
блокировка с гистерезисом, защита от перенапряжения и защита от перегрева
неисправность. Это устройство доступно в 16-выводном двухрядном и широком исполнении.
пакеты для поверхностного монтажа кузова.
