Стабилизатор напряжения с малым минимальным падением напряжения. Схема, описание

Порой в радиолюбительской практике возникает необходимость в стабилизаторе с малым падением напряжения на регулирующем элементе (1,5-2В). Это может быть вызвано недостаточным напряжением на вторичной обмотке трансформатора, габаритными ограничениями, когда корпус не вмещает радиатор необходимого размера, соображениями экономичности устройства и т.д.

И если выбор микросхем для построения «обычных» стабилизаторов достаточно широк (типа LM317 , 78XX и т.п.), то микросхемы для построения Low-Drop стабилизаторов обычно не всем доступны. Поэтому несложная схема на доступных компонентах может быть весьма актуальна.

Представляю схему, которой сам пользовался много лет. За это время схема показала надёжную, стабильную работу. Доступные компоненты и простота настройки позволят без трудностей повторить конструкцию даже начинающим радиолюбителям.

увеличение по клику

Схема напоминает довольно стандартный параметрический стабилизатор , который дополнен ГСТ (генератором стабильного тока) для управления током базы регулирующего транзистора, за счёт чего и удалось получить низкое падение напряжения .

Схема рассчитана на выходное напряжение 5В (выставляется резистором R4) и ток нагрузки 200мА. Если требуется получить больший ток, то вместо T3 следует применить составной транзистор .

При необходимости получить большее выходное напряжение придётся пересчитать значения резисторов.

В случае отсутствия транзисторных сборок можно использовать дискретные транзисторы. В моём варианте вместо сборки КР198НТ5 использовалось два подобранных транзистора КТ361. Сборку КР159НТ1 можно заменить двумя транзисторами КТ315, подбор которых не требуется.

Так как информации в Интернете по отечественным компонентам практически нет, привожу для справки цоколёвку транзисторных сборок.

На основе мощных переключательных полевых транзисторов можно построить линейные стабилизаторы напряжения. Подобное устройство было ранее описано в . Немного изменив схему, как показано на рис. 1, можно улучшить параметры описанного стабилизатора, существенно (в 5…6 раз) уменьшив падение напряжения на регулирующем элементе, в качестве которого применен транзистор IRL2505L. Он имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,008 Ом), обеспечивает ток до 74 А при температуре корпуса 100 °С, отличается высокой крутизной характеристики (59 А/В). Для управления им требуется небольшое напряжение на затворе (2,5…3 В). Предельное напряжение сток-исток - 55 В, затвор-исток - ±16 В, мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 200 Вт.

Подобно современным микросхемным стабилизаторам, предлагаемый модуль имеет три вывода: 1 - вход, 2 - общий, 3 - выход. В качестве управляющего элемента применена микросхема DA1 - параллельный стабилизатор напряжения КР142ЕН19 (TL431). Транзистор VT1 выполняет функцию согласующего элемента, а стабилитрон VD1 обеспечивает стабильное напряжение для его базовой цепи. Значение выходного напряжения можно рассчитать по формуле
Uвых=2,5(1+R5/R6).
Выходное напряжение регулируют, изменяя сопротивление резистора R6. Конденсаторы обеспечивают устойчивую работу стабилизатора. Устройство работает следующим образом. При увеличении выходного напряжения повышается напряжение на управляющем входе микросхемы DA1, в результате чего ток через нее увеличивается. Напряжение на резисторе R2 увеличивается, а ток через транзистор VT1 уменьшается. Соответственно напряжение затвор-исток транзистора VT2 уменьшается, вследствие чего сопротивление его канала возрастает. Поэтому выходное напряжение уменьшается, восстанавливаясь до прежнего значения.

Регулирующий полевой транзистор VT2 включен в минусовый провод, а управляющее напряжение поступает на него с плюсового провода. Благодаря такому решению стабилизатор способен обеспечить ток нагрузки 20…30 А, при этом входное напряжение может быть всего на 0,5 В больше выходного. Если предполагается использовать модуль при входном напряжении более 16 В, то транзистор VT2 необходимо защитить от пробоя с помощью маломощного стабилитрона с напряжением стабилизации 10…12 В, катод которого подключают к затвору, анод - к истоку.

В устройстве можно применить любой n-канальный полевой транзистор (VT2), подходящий по току и напряжению из списка, приведенного в , желательно выделенный желтым цветом. VT1 - КТ502, КТ3108, КТ361 с любыми буквенными индексами. Микросхему КР142ЕН19 (DA1) допустимо заменить на TL431. Конденсаторы - К10-17, резисторы - Р1-4, МЛТ, С2-33.
Схема подключения модуля стабилизатора приведена на рис. 2.

При большом токе нагрузки на транзисторе VT2 рассеивается большая мощность, поэтому необходим эффективный теплоотвод. Транзисторы этой серии с буквенными индексами L и S устанавливают на теплоотвод с помощью пайки. В авторском варианте в качестве теплоотвода и одновременно несущей конструкции применен корпус от неисправного транзистора КТ912, КП904. Этот корпус разобран, удалена его верхняя часть так, что осталась позолоченная керамическая шайба с кристаллом транзистора и выводами-стойками. Кристалл аккуратно удален, покрытие облужено, после чего к нему припаян транзистор VT2. К покрытию шайбы и выводам транзистора VT2 припаяна печатная плата из двусторонне фольгированного стеклотекстолита (рис. 3). Фольга на обратной стороне платы целиком сохранена и соединена с металлизацией шайбы (стоком транзистора VT2) После налаживания и проверки модуля стабилизатора плата приклеена к корпусу. Выводы 1 и 2 - площадки на печатной плате, а вывод 3 (сток транзистора VT2) - металлический вывод-стойка на керамической шайбе.

Если применить детали для поверхностного монтажа: микросхему TL431CD (рис. 4), транзистор VT1 КТ3129А-9, транзистор VT2 IRLR2905S, резисторы Р1-12, то часть их можно разместить на печатной плате, а другую часть - навесным монтажом непосредственно на керамической шайбе корпуса. Внешний вид собранного устройства показан на рис. 5. Модуль стабилизатора напряжения не имеет гальванической связи с основанием (винтом) корпуса, поэтому его можно непосредственно разместить на теплоотводе, даже если он соединен с общим проводом питаемого устройства.

Также допустимо использовать корпус от неисправных транзисторов серий КТ825, КТ827. В таком корпусе кристаллы транзистора прикреплены не к керамической, а к металлической шайбе. Именно к ней, предварительно удалив кристалл, припаивают транзистор VT2. Остальные детали устанавливают аналогично. Сток транзистора VT2 в этом случае соединен с корпусом, поэтому модуль можно непосредственно установить на теплоотвод, соединенный с минусовым проводом питания нагрузки.
Налаживание устройства сводится к установке требуемого выходного напряжения подстроечным резистором R6 и к проверке отсутствия самовозбуждения во всем интервале выходного тока. Если оно возникнет, его нужно устранить увеличением емкости конденсаторов.

ЛИТЕРАТУРА
1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. - Радио, 2001, № 5, с. 45.
2. Нечеев И. Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе. - Радио, 2003, № 8. с. 53, 54.

И. НЕЧАЕВ, г. Курск
“Радио” №2 2005г.

MOSFET + TL431 = Последовательный компенсационный стабилизатор напряжения с минимальным падением

Идеальный LDO регулятор

LDO = low dropout = малое минимальное падение напряжения на проходном элементе

Для популярного трёх-выводного интегрального стабилизатора LM317 (datasheet) минимальное падение напряжения, при котором ещё нормируется его работа - 3 Вольта. Причём в документации этот параметр явно нигде не указан, а так, скромненько, в условиях измерений упоминается. В большинстве же случаев подразумевается, что падение на чипе 5 Вольт и более:
"Unless otherwise specified, VIN − VOUT = 5V" .

Баба Яга - против! Жалко терять 3 Вольта на глупом проходном транзисторе. И рассеивать лишние Ватты. Популярное решение проблемы - импульсные стабилизаторы - здесь не обсуждаем по причине того, что они свистят . С помехами можно бороться, но, как известно: кто не борется - тот непобедим! 😉

Идея
Идея данной схемки восходит к одному из многочисленных datasheet "ов на TL431. Вот, например, что предлагают National Semiconductor / TI:

Vo ~= Vref * (1+R1/R2)

Сам по себе такой регулятор не шибко интересен: на мой взгляд он ни чем не лучше, чем обычные трёхвыводные стабилизаторы 7805, LM317 и тому подобные. Минимальное падение на проходном дарлингтоне меньше 2 Вольт тут вряд ли удастся получить. Да к тому же никаких защит ни по току, ни от перегрева. Разве что транзисторы можно ставить на столько толстые, на сколько душа пожелает.

Недавно мне понадобилось-таки соорудить линейный стабилизатор с минимальным падением напряжения. Конечно, всегда можно извернуться, взять трансформатор с бОльшим напряжением на вторичке, диоды Шоттки в мост поставить, конденсаторов накопительных поболе... И всем этим счастьем греть трёхвыводной стабилизатор. Но хотелось-то изящного решения и с тем трансом, что был в наличии. Какой проходной регулятор может обеспечить падение близкое к нулю? MOSFET: у современных мощных полевиков сопротивление канала может быть единицы милли-Ом.

Простая замена дарлингтона на полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом (т.е. самый обычный MOSFET) в схеме выше - не особо поможет. Так как пороговое напряжение затвор-исток будет Вольта 3-4 у обычных, и всё одно больше Вольта у "логических" MOSFET"ов - чем и будет задано минимальное проходное напряжение на таком стабилизаторе.

Интересно могло бы получиться при использовании полевика, работающего в режиме обеднения (т.е. со встроенным каналом), или с p-n переходом. Но к сожалению, мощные устройства этих типов нынче практически недоступны.

Спасает дополнительный источник напряжения смещения. Такой источник совсем не должен быть сильноточным - несколько миллиАмпер будет достаточно.

Работает это всё очень просто: когда напряжение на управляющем входе TL431, пропорциональное выходному напряжению, падает ниже порогового (2.5V) - "стабилитрон" закрывается и "отпускает" затвор полевика "вверх". Ток от дополнительного источника через резистор "подтягивает" напряжение на затворе, а, следовательно, и на выходе стабилизатора.
В обратную сторону, при увеличении выходного напряжения, всё работает аналогично: "стабилитрон" приоткрывается и уменьшает напряжение на затворе полевика.
TL431 суть устройство линейное, никаких защёлок в ней нету:

Реальность
В схеме реального устройства я всё же добавил защиту по току, пожертвовав пол-Вольта падения в пользу безопасности. В принципе, в низковольтных конструкциях часто можно обойтись плавким предохранителем, так как полевые транзисторы доступны с огромным запасом по току и при наличии радиатора способны выдерживать бешеные перегрузки. Если же и 0.5 Вольта жалко, и защита по току необходима - пишите, ибо есть способы 😉

30 января 2012: 🙂 Работает отлично! При токах нагрузки примерно от 2А и выше - мощные диоды желательно усадить на небольшой радиатор. R8=0; C7=0.1 ... 10мкФ керамика или плёнка.

При номиналах R5-R6-R7, указанных на схеме, диапазон регулировки выходного напряжения примерно от 9 до 16 Вольт. Естественно, реальный максимум зависит от того, сколько может обеспечить трансформатор под нагрузкой.
R4 необходимо использовать достойной мощности: PmaxR4 ~= 0.5 / R. В данном примере - двухватник будет в самый раз.

Где это может понадобиться
Например: в ламповой технике для питания накальных цепей постоянным током.
Зачем постоянный, да ещё так тщательно стабилизированный ток для питания нитей накала?

1. Исключить наводки переменного напряжения в сигнальные цепи. Путей для просачивания "фона" из накальных цепей в сигнал несколько (тема для отдельной статьи!)
2. Питать накал строго заданным напряжением. Есть данные, что превышение напряжения накала на 10% от номинального может сократить срок службы лампы на порядок. Нормы же допусков для напряжения питающей сети плюс погрешности исполнения трансформаторов и т.п. - 10% ошибки легко набежит.

Для 6-вольтовых накалов необходимо уменьшить R5: 5.6КОм будет в самый раз.

Что можно улучшить
Например, для питания нитей накала полезно добавить плавный старт. Для этого достаточно будет увеличить C4 скажем до 1000мкФ и включить между мостом и C4 резистор сопротивлением в 1КОм.

Немножко окололамповой мифологии
Позволю себе пройтись по поводу одного стойкого заблуждения, утверждающего, будто питание накала "постоянкой" отрицательно сказывается на "звуке".
Наиболее вероятный источник происхождения этого мифа, как водится - недостаток понимания и кривые ручки. Например: один трансформатор запитывает и аноды и накал. Номинальный ток накальной обмотки, скажем, 1А, который до этого питал накал ламп напрямую, и те потребляли чуть меньше этого самого 1А. Всё работало хорошо, может быть фонило чуток. Если теперь некий паяльщик-такелажник, мнящий себя "tube-guru", вдруг запитал те же лампы от той же обмотки но уже через выпрямитель/конденсатор/стабилизатор - всё, хана усилку! Объяснение простое, хотя не для всех очевидное:

1. Во-первых, трансформатор теперь перегружен из-за импульсного характера тока заряда накопительной ёмкости (нужна отдельная статья!) Если вкратце: надо брать транс с номинальным током вторички примерно в 1.8 раза больше, нежели выпрямленный ток нагрузки.
2. Во-вторых - ударные токи заряда накопительных емкостей в источнике питания накала ничего хорошего в анодное питание не добавят.

• Заключение

• Вам было интересно? Напишите мне!

Спрашивайте, предлагайте: в комментариях, или по e-mail (есть в моём профайле). Спасибо!

Всего Вам доброго!
- Сергей Патрушин.

This entry was posted in , by . Bookmark the .

Комментарии ВКонтакте

131 thoughts on “MOSFET + TL431 = Последовательный компенсационный стабилизатор напряжения с минимальным падением ”

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом.

Имеется большая потребность в 5-вольтовых стабилизаторах с выходными токами несколько ампер и с как можно меньшим падением напряжения. Падение напряжения является просто разностью между входным постоян­ным напряжением и выходным с условием, что поддерживается стабилиза­ция. Необходимость в стабилизаторах с такими параметрами можно видеть на практическом примере, в котором напряжение никель-кадмиевого ак­кумулятора, равное примерно 8,2 В, стабилизируется на уровне 5 В. Если падение напряжения составляет обычные 2 или 3 В, то ясно, что длитель­но пользоваться таким аккумулятором невозможно. Увеличение напряже­ния аккумулятора является не лучшим решением, поскольку в этом слу­чае в проходном транзисторе будет бессмысленно рассеиваться мощность. Если бы можно было поддерживать стабилизацию при падении напряжения, например, вдвое меньшем, общая ситуация была бы намного лучше.

Известно, что непросто сделать в интегральных схемах стабилизаторов проходной транзистор с низким напряжением насыщения. Хотя желатель­но управлять проходным транзистором с помощью ИС, сам транзистор дол­жен быть отдельным устройством. Это естественно предполагает примене­ние гибридных устройств, а не полностью интехральных схем. Фактически это скрытое благословение, поскольку позволяет легко оптимизировать на­пряжение насыщения и бета транзистора для достижения намеченной цели. Кроме того, можно даже экспериментировать с германиевыми транзистора­ми, которые по своей природе имеют низкие напряжения насыщения. Дру­гой фактор, который следует учесть, состоит в том, что /7л/7-транзисторы имеют более низкие напряжения насыщения, чем их прп аналоги.

Использование этих фактов естественно приводит к схеме стабили­затора с низким падением напряжения, показанной на рис. 20.2. Паде­ние напряжение на этом стабилизаторе составляет 50 мВ при токе на­грузки 1 А и всего лишь 450 мВ при токе 5 А. Необходимость создания проходного транзистора по существу была стимулирована выпуском ли­нейного интегрального стабилизатора?71123. Кремниевый /?л/7-транзис-тор MJE1123 был специально разработан для этой схемы, но имеется не­сколько аналогичных транзисторов. Низкое напряжение насыщения является важным параметром при выборе транзистора, но важен также высокий коэффициент усиления по постоянному току (бета) для надеж­ного ограничения тока короткого замыкания. Оказалось, что германие­вый транзистор 2iV4276 позволяет получить даже более низкие падения напряжения, но, вероятно, за счет ухудшения характеристики ограниче­ния тока при коротком замыкании. Сопротивление резистора в цепи базы проходного транзистора (на схеме 20 Ом) подбирается опытным путем. Идея состоит в том, чтобы делать его как можно выше при при­емлемом падении напряжения. Его величина будет зависеть от предпо­лагаемого максимального входного напряжения. Другой особенностью

этого стабилизатора является низкая величина тока холостого хода, око­ло 600 мкА, что способствует долгому сроку службы аккумулятора.

Рис. 20.2. Пример линейного стабилизатора, имеющего низкое паде­ние напряжения. Здесь используется гибридная схема, потому что трудно получить низкое падение напряжения, применяя только ИС. Linear Technology Софога!1оп.

Аналогичный линейный стабилизатор с низким падением напряжения другой полупроводниковой фирмы показан на рис. 20.3. Основные характе­ристики остаются теми же самыми - падение напряжения 350 мВ при токе нафузки 3 А. И снова, применение гибридной схемы дает дополнительную гибкость при проектировании. Главное, чем отличаются различные ИС для управления такими стабилизаторами, состоит в наличии вспомогательных функций. Необходимость в них можно заранее оценить применительно к конкретному приложению и сделать соответствующий выбор. Большинство этих специализированных ИС имеют, по крайней мере, защиту от короткого замыкания и перегрева. Поскольку проходной рпр-тршшстор является вне­шним по отношению к ИС, важен хороший теплоотвод. Часто для обеспе­чения дополнительной стабилизации линейный стабилизатор с низким па­дением напряжения добавляют к уже созданному ИИП. Причем, к.п.д. системы в целом при этом практически не изменится. Этого нельзя сказать, когда для дополнительной стабилизации используется обычный интефаль-ный стабилизатор напряжения с 3-мя выводами.

Первым желанием может быть повторение только что описанных двух схем с низким падением напряжения, применяя обычный интег­ральный стабилизатор напряжения с 3-мя выводами и проходной тран­зистор. Однако ток покоя (ток, потребляемый интефальной схемой ста­билизатора, и который не протекает через нагрузку) будет намного выше, чем при использовании специальных схем. Это губит саму идею - не вводить дополнительного рассеяния мощности в системе.

Рис. 20.3. Другая схема линейного стабилизатора с малым падением нап­ряжения. Используется та же самая конфигурация с внешним рпр-транзистором. Выбранная управляющая ИС является лучшей с точки зре­ния требуемых вспомогательных функций. Cherry Semiconductor Соф.

С ПАДЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ 0.05 В

При питании различной аппаратуры от батареек, часто возникает необходимость стабилизировать напряжение и потребляемый ток. Например при создании DVD лазера (смотрите статью на сайте) или светодиодного фонарика. Для этих целей, промышленность уже разработала несколько так называемых микросхем - драйверов, представляющих собой преобразователь низковольтного напряжения со встроенным стабилизатором. Последняя разработка - микросхема LT1308A.

Нисколько не уменьшая достоинства этих драйверов, хочу заметить, что даже в нашем крупном областном центре, такие микросхемы не достанешь. Только под заказ и по цене от 10 уе. Поэтому предлагаю простую, дешёвую но эффективную схему стабилизатора, из радиоаматора 4 2007.

Коэффициент стабилизации около 10000, выходное напряжение выставляем резистором 2.4 к* в пределах 2 - 8 В. При напряжении на входе меньше чем на выходе, регулирующий транзистор полностью открыт, и падение напряжения составляет несколько милливольт. Когда напряжение входа превышает выходное - падение на стабилизаторе составляет всего 0.05 В! Это делает возможным питание свето- и лазерных диодов от двух - трёх пальчиковых батареек. Тем более, что меняя ток нагрузки в пределах 0 - 0.5 А, Uвых меняется лишь на 1 милливольт. Плату для такого простого девайса можно не травить, а вырезать резаком. Для тех, кто не знает, объясню: берём сломанное полотно от ножовки по металлу и затачиваем на наждаке. Далее для удобства держания в руке, обматываем толстым проводом.

Теперь этим инструментом просто процарапываем с усилием медь, как дорожки.

Зачищаем наждачкой, залуживаем, паяем детали, и готово.