Меню

Схема двухполярного стабилизатора тока



Двуполярный регулируемый стабилизатор

Двуполярный регулируемый стабилизатор основана на микросхеме КР142ЕН5А. Такой стабилизатор обладает следующими характеристиками:

  • используется малое количество элементов;
  • простота в выборе трансформатора, так как можно использовать вторичную обмотку без центрального отвода;
  • максимальный выходной ток до 1А;
  • регулировка напряжения в пределах ± 5…15В.

Диоды VD1, VD2 представляют собой выпрямитель с удвоением напряжения. Конденсаторы С1-С4 выполняют роль фильтра, они сглаживает пульсации на входе стабилизатора. Цепочка R1,R2, VD3 задают напряжение на управляющем электроде микросхемы DA1. Резисторы R3, R4 образуют делитель. По напряжению с этого делителя операционный усилитель сравнивает напряжение в плюсовом и минусовом плече и корректирует его с помощью регулирующего транзистора VT1 . Например, если напряжение минусового плеча становится меньше, чем плюсового, напряжение на входе DA1 становится больше 0, и его выходное напряжение понижается, открывая регулирующий транзистор VT1, тем самым, компенсируя снижение напряжения минусового плеча.

Рекомендации по выбору радиоэлементов и сборке двуполярного стабилизатора

Трансформатор следует выбирать с напряжением вторичной обмотки 13-15В и током до 1А.

Транзистор VT1- КТ818 с любым буквенным индексом, вместо ОУ К140УД7 можно использовать К(Р)140УД6А(Б). За место микросхемы КР142ЕН5А подойдут К142ЕН5А, К142ЕН5В.

Транзистор VT1 и микросхему DA1 следует устанавливать на радиаторы. При установке на общий радиатор следует использовать изолирующие прокладки и втулки. Провода от печатной платы до навесных элементов следует делать как можно короче, не более 10 см.

Скачать печатную плату двуполярного стабилизатора

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

Источник

Усовершенствованный двуполярный стабилизатор на ОУ и мощных полевых транзисторах с токовой защитой и ультранизким уровнем пульсаций

ON Semiconductor MC34072 MOC3023

Алексей Кузьминов, Москва

В статье приведены принципиальные схемы, разводка плат и фотографии двуполярного стабилизатора напряжений ±14 В с максимальными токами 9.5 А по каждому из них на базе ОУ MC34072AMTTBG/MC33072P и мощных p- и n-канальных полевых транзисторов SUP90P06/IRF3205 с защитой по току с порогом 10 А. Применение транзисторов двух типов проводимости и классических схем стабилизаторов на их основе привело к снижению уровня пульсаций выходных напряжений до ¼ мВ на максимальных токах.

Введение

В статье автора [1] (см. Рисунок 1 в [1]) приведены функциональные схемы стабилизаторов, основанные на ОУ и мощных p- и n-канальных полевых транзисторах, включенных по классической схеме (входное напряжение подается на сток, выходное снимается с истока) и по схеме с «перевернутым транзистором» (входное напряжение подается на исток, выходное снимается со стока), то есть, всего четыре варианта. В этой же статье показано, что если в стабилизаторе положительной полярности использовать n-канальный полевой транзистор, включенный по классической схеме (Рисунок 1а в [1]), а в стабилизаторе отрицательной полярности – также n-канальный транзистор, но «перевернутый» (Рисунок 1г в [1]), то такая схема обладает преимуществом, поскольку в ней используются только n-канальные транзисторы, которые при прочих равных условиях, во-первых, дешевле p-канальных и, во-вторых, имеют лучшие характеристики (например, бóльшую крутизну и меньшее сопротивление сток-исток в открытом состоянии). Однако, как показал эксперимент автора, на уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов оказывают влияние отнюдь не выдающиеся характеристики транзисторов, а способ их включения. В частности, если в двуполярном стабилизаторе оба транзистора (p- и n-канальный) включены по классической схеме (Рисунки 1а и 1в в [1]), то пульсации выходных напряжений могут быть существенно снижены. Объяснением этому, по-видимому, служит относительно бóльшая функциональная симметрия двух стабилизаторов (положительного и отрицательного напряжений), а также идентичный принцип их работы. Что касается стоимости p-канальных транзисторов, то, хотя она и выше стоимости n-канальных, но не настолько существенно, чтобы не использовать p-канальные транзисторы вообще. А вот для достижения большей функциональной симметрии стабилизаторов желательно в них использовать p- и n-канальные транзисторы с близкими параметрами. В основном к таких параметрам относится крутизна передаточной характеристики (gfs), показывающая, на сколько ампер изменится ток стока при изменении напряжения затвор-исток на 1 вольт, и измеряющаяся в этих же единицах (А/В или сименсах – См), а также сопротивление сток (D) – исток (S) транзистора в открытом (on) состоянии (RDS(on)), измеряющееся в омах (а, точнее, в мОм). Остальные характеристики транзисторов существенного влияния на уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов не имеют.

В Таблице 1 приведены характеристики некоторых наиболее распространенных мощных p- и n-канальных полевых транзисторов (gfs и RDS(on)), причем, транзисторы в ней расположены таким образом, чтобы каждому p- канальному транзистору соответствовал n-канальный транзистор с идентичными (или близкими) параметрами. Например, если использовать транзистор SUP90P06 (gfs = 40 А/В, RDS(on) = 8 мОм), то ему должен соответствовать транзистор IRF3205 (gfs = 44 А/В, RDS(on) = 8 мОм) и т.п. Кроме того, в Таблице 1 транзисторы расположены в порядке уменьшения крутизны gfs.

Таким образом, резюмируя вышесказанное, дальнейшее изложение будет построено следующим образом. Вначале будут приведены принципиальные схемы, как самого двуполярного стабилизатора, так и некоторых вспомогательных устройств, предназначенных для его работы, затем будут приведены разводка плат и фотографии реального устройства. Далее будет рассказано об испытании устройства и полученных результатах.

Принципиальные схемы стабилизаторов

Как видно из Рисунка 1а, схема стабилизатора +14 В практически повторяет схему аналогичного стабилизатора, подробно описанного в [1] (см. Рисунок 3 в [1]), в связи с чем, на взгляд автора, в пояснениях не нуждается. Разница заключается только в использовании иного транзистора VT1 (IRF3205 вместо IRF3205Z [1] с существенно большей крутизной) и иных номиналах резисторов делителя R9, R10, R11 (соответствующих R3, R4, R5 в [1]), позволяющих более точно выставить выходное напряжение стабилизатора. А вот схема стабилизатора –14 В (Рисунок 1б) существенно изменена, поскольку в ней использован уже p-канальный транзистор (VT1). Однако если внимательно присмотреться к схеме Рисунок 1б, то можно обнаружить, что она практически идентична схеме Рисунок 1а. Разница заключается в использовании p-канального транзистора VT1 (вместо n-канального в схеме Рисунок 1а), в противоположной полярности включения электролитических конденсаторов (C2, C5, C8), диодов (VD2, VD3), стабилитронов (VD4), источников стабильного тока (DA2) и инфракрасных светодиодов оптосимисторов DA3. Благодаря функциональной идентичности двух схем (Рисунки 1а и 1б) и получается их относительная функциональная симметрия, о которой говорилось выше и которая приводит к существенному снижению уровня пульсаций выходных напряжений стабилизаторов (см. далее). В схемах Рисунок 1 жирным обозначены силовые проводники (сечением не менее 1.5 мм 2 ).

Рисунок 2. Альтернативная замена LM334 на J511: а – для стабилизатора +14 В, б – для стабилизатора –14 В.
Рисунок 3. Схемы индикации наличия положительного (а)
и отрицательного (б) выходных напряжений и
перегрузки.

В схеме Рисунок 1 показаны номера выводов для микросхемы ОУ MC34072AMTTBG в сверхминиатюрном корпусе WQFN10 размером 2.6×2.6 мм. Вместо нее можно использовать микросхему ОУ MC33072P с теми же характеристиками, но в корпусе DIP8. Номера выводов для MC33072P, естественно, иные, однако, чтобы не усложнять схему, на Рисунке 1 они не указаны (их можно найти в справочном листке или на разводке – см. далее).

Рисунок 5. Опции для схемы Рисунке 4: а – схема альтернативной замены
выпрямительных диодов, б – схема принудительного разряда
сглаживающих конденсаторов (C1, C2 – слева, C3, C4 –
справа) с помощью кнопок.

К вспомогательным схемам относятся: схема альтернативной замены источника стабильного тока на микросхеме DA2 (LM334Z) на диодный стабилизатор тока VD5 (J511) – Рисунок 2, схема индикации наличия выходных напряжений стабилизаторов и перегрузки (Рисунок 3), подробно описанная в [1], схема подключения стабилизаторов к выпрямителям и выходному разъему (Рисунок 4), схема альтернативной замены диодов выпрямителей (Рисунок 5а) и, наконец, схема принудительного разряда электролитических конденсаторов с помощью кнопок (Рисунок 5б) при повторном включении питания, если возникнет перегрузка (об этом режиме также подробно рассказано в [1]). В связи с простотой вспомогательных схем, на взгляд автора, в подробном описании их функционирования нет необходимости.

Разводка платы и внешний вид устройства

Рисунок 6. Вариант разводки платы стабилизаторов (для схемы Рисунок 1).

Из разводки платы (Рисунок 6), сделанной автором с помощью программы Sprint Layout 6.0, и eе фотографий (Рисунок 7), можно составить представление о ее размерах и внешнем виде. Поскольку разводка платы с микросхемой MC34072AMTTBG приведена на Рисунке 6 в чисто иллюстративных целях (по ней изготовить плату невозможно), разводка платы с микросхемой MC33072P не приводится. Для изготовления же плат в разделе «Загрузки» дана ссылка на файл разводки в формате *.lay6 для обеих плат (на базе MC34072AMTTBG и MC33072P). Фотография платы с микросхемой MC33072P для экономии места в статье также не приводится (плата имеет примерно такой же вид, как и плата, показанная на Рисунке 7).

Фотографии платы стабилизаторов: а - вид со стороны дорожек, б - вид с обратной стороны.
Фотографии платы стабилизаторов: а - вид со стороны дорожек, б - вид с обратной стороны.
Рисунок 7. Фотографии платы стабилизаторов: а – вид со стороны дорожек,
б – вид с обратной стороны.

Здесь следует отметить один нюанс, касающийся как самой разводки, так и изготовления плат, и, возможно, повлиявший на существенно сниженный уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов. Хотя разводка, показанная на Рисунке 6, и односторонняя, т.е. вторая сторона платы не используется, эту вторую сторону можно использовать как дополнительный «земляной» контур. В этом случае плата будет уже двусторонней, причем, поскольку компоненты навесного монтажа расположены на слое платы, противоположном слою дорожек, и припаяны к контактным площадкам через сквозные отверстия, на слое, где расположен «земляной» контур, для выводов компонентов навесного монтажа, не контактирующих с «землей», должны быть предусмотрены своего рода «прогалины». Как развести и изготовить подобную плату своими силами, подробно описано в статье автора [2]. В приведенном в дополнительных материалах к статье файле разводки используются обе стороны, однако, если изготовление двусторонней платы по каким-то причинам затруднено, платы могут быть изготовлены полностью односторонними. В этом случае, возможно, уровень пульсаций выходных напряжений будет чуть и увеличен, однако, по опыту автора, – не более чем в 1.5 – 2 раза.

Результаты испытаний стабилизаторов

Испытания стабилизаторов проводились по той же методике, что и в [1], которая там подробно описана, поэтому здесь не приводится. На Рисунке 8 показаны осциллограммы пульсаций входных и выходных напряжений стабилизаторов. Если сравнить эти осциллограммы с осциллограммами, приведенными на Рисунке 12 в [1], то можно заметить, что уровень пульсаций выходных напряжений снизился в 2 раза (для +14 В – 160 мкВ против 320 мкВ в [1], и для –14 В – 240 мкВ против 480 мкВ в [1]). Здесь, как говорят, комментарии излишни.

Подсчитаем, во сколько раз размах пульсаций выходных напряжений меньше размаха пульсаций входных. Для Рисунка 8а имеем: 980 мВ/0.16 мВ = 6125 или 75.74 дБ ≈ 76 дБ. Для Рисунка 8б: 1000 мВ/0.24 мВ = 4167 или 72.39 дБ ≈ 72 дБ.

Изменения выходных напряжений стабилизаторов в зависимости от изменения тока нагрузки в диапазоне от 0 (без нагрузки) до 9.5 А не отличаются от тех, что приведены в [1], и составляют не более ±10 мВ.

Что касается применений описанного двуполярного стабилизатора, то их может быть несколько, однако автор использовал его для питания мощного двухканального УМЗЧ [3]. Вероятно, у читателя могут возникнуть сомнения в использовании ИП с такими относительно низкими значениями выходных напряжений (±14 В), поскольку, как правило, для питания достаточно мощных (40 – 50 Вт ) УМЗЧ используются напряжения существенно выше (±25 В – ±35 В). Приведенные ниже некоторые соображения, на взгляд автора, эти сомнения могут рассеять.

При двуполярном питании напряжениями ±14 В УМЗЧ, сконструированный на базе хорошо известной микросхемы мощного ОУ LM3886 (или его сдвоенного аналога LM4780), работающего в мостовом режиме, этот ОУ способен без искажений воспроизвести сигнал амплитудой на 2.5 В меньше напряжений питания (2.5 В – так называемое напряжение ограничения или Clipping Voltage), т.e. его амплитуда не может превышать 14 В – 2.5 В = 11.5 В. Но уже при амплитуде 9 В (т.е. на 2.5 В меньше 11.5 В, или с запасом в 2.5 В) на нагрузке 4 Ом при использовании этого ОУ в мостовом режиме (см., например, [3]) амплитуда синусоидального сигнала будет удвоена и составит 18 В, выходной ток – 4.5 А, а действующее значение его мощности (как нетрудно подсчитать) будет равно 40.5 Вт. Если использовать два канала, то ток достигнет 9 А, однако не будет превышать максимальный ток 9.5 А, на который рассчитан описываемый стабилизатор. Для справки: предельная синусоидальная мощность акустических систем 35 АС-016 с номинальным электрическим сопротивлением 4 Ом (по паспорту) составляет 35 Вт. Так что мощности 40.5 Вт вполне хватит (и даже еще останется). К тому же реальная мощность звукового сигнала, а точнее, – музыкального (с теми же максимальными мгновенными значениями амплитуд, что и у синусоидального сигнала) существенно меньше синусоидальной мощности, а при воспроизведении музыкального сигнала в ¾ громкости (мощности) акустической системой 35 АС-016 уже начинают дрожать стекла…

Заключение

Применение в описанном двуполярном ИП полевых транзисторов двух типов проводимости, включенных по классическим схемам стабилизаторов, снижает уровни пульсаций выходных напряжений до ¼ мВ и ниже на максимальных токах до 9.5 А. При использовании в выпрямителе сглаживающих конденсаторов емкостью всего 44,000 мкФ отношение размаха пульсаций входных напряжений стабилизаторов (около 1 В) к размаху пульсаций выходных составляет не менее 4000 или не менее 72 дБ.

Источник