Меню

Интегральные стабилизаторы источников питания



Интегральный стабилизатор напряжения

В настоящее время в электронике широко применяются стабилизационные устройства, выполненные на микросхемах. Интегральный стабилизатор напряжения — устройство, в котором все входящие в конструкцию элементы скомпонованы на кремниевом кристалле таким путём, что последовательность этих соединений и компонентов представляет из себя схему стабилизатора.

Такие стабилизаторы можно встретить в разных видах электронной аппаратуры: в усилителях, в питающих блоках телевизоров, телефонов, аудиосистем.

Виды стабилизаторов

Широко примененяются в электронике два типа интегральных стабилизаторов:

  • полупроводниковый (твердотельный);
  • гибридно-плёночный (с элементами изготовленными из плёнок).

Интегральный стабилизатор напряжения

Полупроводниковые стабилизаторы, в свою очередь, подразделяются ещё на несколько групп:

  1. имеющие регулируемое напряжение на выходе – требуют подключения дополнительных элементов;
  2. обладающие фиксированным напряжением, подаваемым на выход – являются готовым к эксплуатации изделием, не требующим необходимости дополнительных включений в схему;
  3. двуполярные – используются для приборов, требующих двуполярного напряжения на выходе.

Характеристики

Типовая схема интегрального стабилизатора состоит из следующих элементов:

  • источника опорного напряжения;
  • усилителя ошибки;
  • включённых между источником и нагрузкой элементов регулировки;
  • схему выключения устройства при подачи сигнала извне;
  • транзистора для защиты от короткого замыкания или перегрузки.

Интегральные микросхемы стабилизаторов представляют собой функционально завершённые устройства и имеют всего три внешних вывода: входной, выходной и заземление. Данные микросхемы производятся для фиксированных значений напряжения от 5 до 24 В и нагрузки до 1 А.

Интегральный стабилизатор напряжения

Стабилизационные устройства на ИМС обеспечиваются встроенными схемами, ограничивающими выходной ток, а также схемой защиты от перегрузок по температуре.

Значение ИОН в схеме стабилизатора

Источник опорного напряжения является одним из ключевых элементов, поскольку выполняет задачу поддержания стабильного напряжения номинального значения на выходе при меняющихся значениях напряжения на входе. Простейшим вариантом этого источника является параметрический стабилизатор на стабилитроне. С их помощью можно получить напряжение от 2,5 В.

При необходимости получить меньшие значения опорного напряжения используются последовательные включения кремниевых диодов.

Также интегральные стабилизаторы могут использовать в качестве источника напряжение
эмиттерного перехода биполярных транзисторов.

Плюсы и минусы

К достоинствам интегральных линейных стабилизаторов напряжения можно отнести:

  1. высокий стабилизирующий коэффициэнт;
  2. высокий коэффициэнт сглаживания значения напряжения на нагрузке;
  3. низкое значение выходного сопротивление;
  4. не производят собственных помех.

Однако коэффициэнт полезного действия таких стабилизаторов невысок и снижается при малых значениях выходных напряжений. Увеличение КПД возможно за счёт прибавки размеров и габаритов устройства, что не всегда является удобным и выгодным вариантом.

Стабилизатор напряжения 12 Вольт

В ситуациях, когда использование полноценного блока питания на 12 Вольт бессмысленно, гораздо проще понизить основное напряжение схемы локально в какой-то её части, используется интегральный стабилизатор напряжения 12 Вольт. Такие стабилизаторы производятся на основе отечественной серии КР142ЕН или популярных микросхемах линейки 78ХХ.

Такие стабилизаторы обеспечены защитами по току и перегреву, что делает блоки питания с их использованием практически неуязвимыми. Данные свойства делают стабилизатор полезным для целого ряда электронных устройств:

  • бытовые электроприборы;
  • измерительная, лабораторная техника;
  • радиоэлектроника и пр.

Стабилизатор обладает такими характеристиками, как наличие внутренней системы терморегуляции, схемы защиты выходного транзистора, самозащита от импульсов коротких замыканий. Ток прибора на выходе равняется 1 А – 1,5 А, наибольшее значение напряжения 30 – 35 В.

Интегральный стабилизатор напряжения

Стабилизатор 12 В 5 А

Интегральный стабилизатор напряжения 12 Вольт 5 Ампер может основываться на микросхеме LM 338 и обладать следующими характеристиками:

  1. входное напряжение – от 3 до 35 Вольт;
  2. напряжение на выходе – от 1,2 до 32 Вольт;
  3. выходной ток – 5 Ампер;
  4. допустимый температурный режим – от 0 до 125 градусов Цельсия;
  5. погрешность напряжения на выходе не более 0,1 %.

Такой интегральный стабилизатор импортного производства является универсальной микросхемой, на основе которой можно получить цепи питания высокого качества путём её подключения различными способами.

Зарубежные интегральные стабилизаторы

Известная линейка 78ХХ компенсационных стабилизационных устройств положительного напряжения была успешно создана специалистами фирмы Texas Instruments. Данные стабилизаторы обеспечены защитой по токам КЗ, от превышения рабочего температурного режима кристалла, а также от перехода рабочей точки за границы допустимого для безопасности работы режима.

Читайте также:  Стойка стабилизатора киа каренс 2008

Помимо стабилизаторов фиксированного напряжения, за рубежом также производятся регулируемые модификации интегральных стабилизационных устройств. Яркими представителями таких устройств считается линейка микросхем «317». Подаваемое на выход напряжение у этих микросхем определяет делитель на двух резисторах.

Интегральный стабилизатор напряжения

Важные моменты

Используя интегральные стабилизаторы напряжения импортные, стоит учитывать некоторые особенности:

  • на вход и выход устройства следует подключать конденсатор с ёмкостью 47 – 220 нФ для предупреждения самовозбуждения;
  • при большой ёмкости подключенного на выход конденсатора и малом токе нагрузки между входом и выходом должен быть включен диод. Это обеспечит быстрое уменьшение выходного напряжения до значения входного;
  • для стабильной работы устройства значение входного напряжения должно быть выбрано выше выходного как минимум на 3В;
  • устройства линейки «law-drop», характеризующиеся небольшим перепадом напряжений от входа до выхода, для устойчивой стабилизации должны быть обеспечены входным напряжением, которое превышает выходное на 0,1 – 0,5 В.

Источник

Стабилизированные источники питания

Стабилизированные источники питанияВся электронная аппаратура питается от источников постоянного тока. Для мобильной аппаратуры, как правило, используются аккумуляторы или гальванические батареи. Сейчас такой аппаратуры в руках и карманах предостаточно: это мобильные телефоны, фотоаппараты, планшетные компьютеры, различные измерительные приборы и еще многое другое.

Стационарная электроника, — телевизоры, компьютеры, музыкальные центры и т.п. питается от сети переменного тока с помощью блоков питания. Здесь уже ни в коем случае не обойтись батарейками или малогабаритными аккумуляторами.

Электронные устройства часто не являются самостоятельными и работающими «сами по себе». Прежде всего, это встраиваемые электронные блоки, например блок управления стиральной машиной или микроволновой печью. Но даже и в этом случае электронные блоки имеют свои отдельные блоки питания, чаще всего даже стабилизированные, и даже с защитой, что позволяет защитить как сам блок питания, так и нагрузку, т.е. подключенный блок управления.

В конструкциях разрабатываемых радиолюбителями всегда имеется блок питания, если, конечно, эта конструкция доведена до конца, а не заброшена на полдороги. К сожалению, такое случается достаточно часто. Но в общем случае конструирование какой-либо схемы состоит из нескольких этапов.

Среди них разработка принципиальной схемы, а также сборка и отладка ее на макетной плате. И только после получения требуемых результатов на макетке, приступают к разработке капитальной конструкции. Вот тогда разрабатывают монтажные платы, корпус и блок питания.

В процессе опытов на макетной плате чаще всего используются так называемые лабораторные блоки питания. Один и тот же блок приходится использовать для наладки самых различных конструкций, поэтому он должен обладать широкими возможностями.

Как правило, это блок с регулированием выходного напряжения, и обеспечивающий достаточный ток. Иногда блок питания выдает несколько напряжений, такие блоки называют многоканальными. Примером может служить обычный компьютерный блок питания или двухполярный источник для мощного УМЗЧ.

Когда блок питания рассчитан на одно фиксированное напряжение, например 5В, то совсем неплохо предусмотреть защиту от превышения выходного напряжения: если пробило выходной транзистор стабилизатора, то может пострадать схема, которая от него питается.

Хотя такая защита не очень сложна, всего несколько деталей, в промышленных схемах ее почему-то не делают, и она встречается только в радиолюбительских конструкциях, да и то не во всех. Но, тем не менее, такие схемы защиты есть.

Если внимательно посмотреть на устройства – потребители, то можно заметить, что все электронные устройства питаются напряжениями из стандартного ряда. Это, прежде всего, 5, 9, 12, 15, 24В. Исходя из этих значений, выпускается целый ряд интегральных стабилизаторов с фиксированными напряжениями.

По внешнему виду эти стабилизаторы напоминают обычный транзистор в корпусе TO-220 (похожий на КТ819) либо в корпусе D-PAK для поверхностного монтажа. Выходное напряжение имеет значения 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24V. Эти напряжения отражаются прямо в маркировке стабилизаторов нанесенной на корпус прибора. Примерно это может выглядеть так: MC78XX или LM78XX.

В даташитах написано, что это трехвыводные стабилизаторы с фиксированным напряжением, как показано на рисунке 1.

Стабилизированные источники питания

Схема включения предельно проста: запаяли всего три ноги и получили стабилизатор с требуемым напряжением и выходным током от 1…2А. В зависимости от конкретно взятого стабилизатора токи меняются, на что следует обратить внимание в документации. Кроме этого интегральные стабилизаторы имеют встроенную защиту от перегрева и защиту по току.

Читайте также:  Стабилизатор бастион теплоком 888

Первые две буквы указывают фирму производителя, а вторые XX заменяются цифрами, показывающими напряжение стабилизации, иногда первые две буквы заменяются одной…тремя или вовсе не указываются. Например, MC7805 обозначает стабилизатор с фиксированным напряжением 5В, а MC7812 то же, но с напряжением на выходе 12В.

Кроме стабилизаторов с фиксированными напряжениями в интегральном исполнении существуют регулируемые стабилизаторы, например LT317A, типовая схема включения которого показана на рисунке 2. Там же указаны и пределы регулировки напряжения.

Типовая схема включения регулируемого стабилизатора LT317A

Рисунок 2. Типовая схема включения регулируемого стабилизатора LT317A

Иногда просто нет под рукой регулируемого стабилизатора, как же решить эту проблему, можно ли обойтись без него? Ну, надо вот напряжение 7,5В и все тут! Оказывается, что из стабилизатора с фиксированным напряжением легко получается регулируемый. Подобная схема включения показана на рисунке 3.

Схема регулируемого стабилизатора

Диапазон регулировки в этом случае начинается от фиксированного напряжения примененного стабилизатора и ограничивается лишь величиной входного напряжения, естественно, за вычетом минимального падения напряжения на регулирующем транзисторе стабилизатора.

Если не требуется регулировки напряжения, а просто вместо 5В требуется получить, например 10, достаточно просто убрать транзистор VT1 и все, что с ним связано, а вместо него включить стабилитрон с напряжением стабилизации 5В. Естественно, что стабилитрон включается в непроводящем направлении: анод подключается к минусовой шине питания, а катод к 8 (2) выводу стабилизатора.

Заслуживает внимания нумерация выводов трехногого корпуса, показанная на рис.3, а именно: 17, 8, 2! Откуда она взялась, кто ее придумал – непонятно. Наверно, это снова происки наших разработчиков, чтобы «ихние» не догадались! Но такая цоколевка применяется, и с этим приходится мириться.

После того, как были рассмотрены интегральные стабилизаторы можно перейти к изготовлению блоков питания на их основе. Для этого необходимо только найти подходящий трансформатор, дополнить его диодным мостом с электролитическим конденсатором, и все это собрать в подходящем корпусе.

Лабораторный блок питания

Приступая к разработке лабораторного блока питания, следует определиться с его элементной базой, или, попросту говоря, из чего будем его делать. Проще всего желаемый блок собрать на микросхеме LT317A или ее отечественном аналоге КР142ЕН12А(Б) — регулируемые стабилизаторы напряжения.

Вернемся к рисунку 2. Там указано, что диапазон регулировки напряжения 1,25…25В. Предельно допустимое значение этого параметра до 1,25…37В, при входном напряжении 45В. Это предельно допустимое напряжение, поэтому лучше ограничиться 25 вольтовым диапазоном регулирования.

За максимальным током (1,5А) тоже лучше не гнаться, поэтому будем исходить из расчета хотя бы на один ампер, что как раз составляет 75%. Как никак запас прочности должен быть всегда. Поэтому для подобного блока питания понадобится выпрямитель с напряжением не менее 30…33В и током до 1А.

C хема выпрямителя показана на рисунке 4. В случае, если потребляемый ток более одного ампера, стабилизатор следует дополнить внешними мощными транзисторами. Но это уже другая схема.

Схема выпрямителя

Рисунок 4. Схема выпрямителя

Расчет выпрямителя и трансформатора

Прежде всего, следует подобрать диоды выпрямительного моста, их прямой ток тоже должен быть не менее 1А, а лучше, если хотя бы 2А или больше. Здесь вполне подойдут диоды 1N5408 с прямым током 3А и обратным напряжением 1000В. Подойдут также отечественные диоды КД226 с любым буквенным индексом.

Электролитический конденсатор фильтра также можно просто подобрать, пользуясь практическими рекомендациями: на каждый ампер выходного тока одна тысяча микрофарад. Если мы планируем ток не более 1А, то подойдет конденсатор емкостью 1000µF. Электролитические конденсаторы, в отличие от керамических, не выносят повышенных напряжений, поэтому в схемах всегда указывают их рабочее напряжение, которое должно быть выше реального в данной цепи.

Для проектируемого блока питания понадобится конденсатор 1000µF * 50V. Ничего плохого не произойдет, если емкость конденсатора будет не 1000, а 1500…2000µF. Собственно выпрямитель уже сконструирован. Теперь, как говорится, дело за малым: осталось рассчитать трансформатор.

Читайте также:  Пищевые стабилизаторы е 1422

Прежде всего, следует определить мощность трансформатора. Это делается с учетом мощности нагрузки. Если выходной ток стабилизатора принять 1А, а входное напряжение стабилизатора 32В, то мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора P = U * I = 32 * 1 = 32Вт.

Какой потребуется трансформатор при такой мощности вторичной цепи? Все зависит от КПД трансформатора, чем больше габаритная мощность, тем выше КПД. На этот параметр влияет также качество и конструкция трансформаторного железа. Приблизительно определиться с этим вопросом поможет таблица, показанная на рисунке 5.

Чтобы узнать габаритную мощность трансформатора надо мощность во вторичной обмотке разделить на КПД трансформатора. Предположим, что в нашем распоряжении имеется обычный трансформатор с Ш – образным железом, обозначенный в таблице как «броневой штампованный». Расчетная мощность проектируемого блока питания 32Вт, тогда мощность трансформатора 32 / 0,8 = 40Вт.

Как было написано чуть выше, для разрабатываемого блока питания требуется постоянное напряжение 30…33В. Тогда напряжение вторичной обмотки трансформатора составит 33 / 1,41 = 23,404В.

Это позволяет выбрать стандартный трансформатор с напряжением вторичной обмотки на холостом ходу 24В.

Чтобы не усложнять расчетов здесь не учитывается падение напряжения на диодах моста и на активном сопротивлении вторичной обмотки. Достаточно лишь сказать, что при токе в 1А диаметр провода вторичной обмотки обычно принимается не менее 0,6мм.

Такой трансформатор можно подобрать из унифицированных трансформаторов серии ТПП. Мощность трансформатора может быть и больше 40Вт это только улучшит надежность блока питания, хотя несколько увеличит его вес. Если трансформатор ТПП приобрести не удалось, то можно просто перемотать вторичную обмотку трансформатора подходящей мощности.

Если потребуется двухполярный регулируемый блок питания, то его можно собрать по схеме, показанной на рисунке 6. Для этого понадобится стабилизатор напряжения отрицательной полярности КР142ЕН18А или LM337. Схема его включения очень похожа на КР142ЕН12А.

Схема двухполярного регулируемого блока питания

Рисунок 6. Схема двухполярного регулируемого блока питания

Совершенно очевидно, что для питания такого стабилизатора понадобится и двухполярный выпрямитель. Проще всего это делается на трансформаторе со средней точкой и диодном мосте, как показано на рисунке 7.

Схема двухполярного выпрямителя

Рисунок 7. Схема двухполярного выпрямителя

Конструкция блока питания произвольная. Собственно выпрямитель и плату стабилизаторов можно собрать на отдельных платах или на одной. Микросхемы следует установить на радиаторы площадью не менее 100 квадратных сантиметров. Если хочется уменьшить размеры радиаторов можно применить принудительное охлаждение с помощью небольших компьютерных кулеров, коих сейчас в продаже предостаточно.

Несколько улучшенная схема включения стабилизатора показана на рисунке 8.

Типовая схема включения КР142ЕН12А

Рисунок 8. Типовая схема включения КР142ЕН12А

Диоды VD1, VD2 защитные типа 1N4007 предназначены для защиты микросхемы от пробоя в случае, когда напряжение на выходе превысит напряжение на входе. Такая ситуация может произойти при выключении микросхемы. Поэтому емкость электролитического конденсатора C2 не должна быть больше, чем емкость электролитического конденсатора на выходе диодного моста.

Конденсатор Cadj, подключенный к регулирующему выводу значительно снижает пульсации на выходе стабилизатора. Его емкость обычно несколько десятков микрофарад.

В конструкции блока питания желательно предусмотреть встроенные вольтметр и амперметр, лучше электронные, которые продаются в интернет-магазинах. Вот только цены у них кусаются, поэтому поначалу лучше обойтись без них, а требуемое напряжение установить с помощью мультиметра.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Обучение Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник