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.

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.

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 см 2 . 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 , предназначенного для 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.

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?

Исключить наводки переменного напряжения в сигнальные цепи. Путей для просачивания "фона" из накальных цепей в сигнал несколько (тема для отдельной статьи!)
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:

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.
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.

Вся современная радиоэлектронная аппаратура построена на элементах, чувствительных к питающему электричеству. От него зависит не только правильное функционирование, но и работоспособность схем в целом. Поэтому в первую очередь электронные устройства снабжают фиксированными стабилизаторами с малым падением напряжения. Они выполнены в виде интегральных микросхем, которые выпускают многие производители по всему миру.

Что такое стабилизатор напряжения с малым падением напряжения?

Под стабилизатором напряжения (СН) понимают такое устройство, основная задача которого состоит в поддержании на определенном неизменном уровне напряжения на нагрузке. Любой стабилизатор имеет определенную точность выдачи параметра, которая обусловлена типом схемы и компонентами, входящими в нее.

Внутренне СН выглядит подобно замкнутой системе, где в автоматическом режиме напряжение на выходе подстраивается пропорционально эталонному (опорному), которое генерирует специальный источник. Этот тип стабилизаторов именуют компенсационным. Регулирующим элементом (РЭ) в этом случае выступает транзистор - биполярник или полевик.

Элемент регулирования напряжения может работать в двух разных режимах (определяется схемой построения):

активном;
ключевом.

Первый режим подразумевает непрерывную работу РЭ, второй - работу в импульсном режиме.

Где применяют фиксированный стабилизатор?

Радиоэлектронная аппаратура современного поколения отличается мобильностью в глобальном масштабе. Системы питания устройств построены на использовании в основном химических источников тока. Задача разработчиков в этом случае состоит в получении стабилизаторов с небольшими габаритными параметрами и как можно меньшими потерями электричества на них.

Современные СН применяются в следующих системах:

средства мобильной связи;
компьютеры переносного типа;
элементы питания микроконтроллеров;
автономно работающие камеры слежения;
автономные охранные системы и датчики.

Для решения вопросов питания стационарной электроники применяют стабилизаторы напряжения с малым падением напряжения в корпусе с тремя выводами типа КТ (КТ-26, КТ-28-2 и др.). Их используют для создания простых схем:

зарядных устройств;
блоков питания бытовой электротехники;
измерительной аппаратуры;
систем связи;
спецоборудования.

Какими бывают СН фиксированного типа?

Все интегральные стабилизаторы (в состав которых входят и фиксированные) делят на две основных группы:

Стабилизаторы с минимально малым падением напряжения гибридного исполнения (ГИСН).
Микросхемы полупроводниковые (ИСН).

СН первой группы выполняют на интегральных микросхемах и полупроводниковых элементах бескорпусного типа. Все компоненты схемы размещают на подложке из диэлектрика, куда методом нанесения толстых или тонких пленок добавляют соединительные проводники и резисторы, а также элементы дискретные - переменные сопротивления, конденсаторы и др.

Конструктивно микросхемы представляют законченные устройства, выходное напряжение которых фиксировано. Это обычно стабилизаторы с малым падением напряжения на 5 вольт и до 15 В. Более мощные системы построены на мощных транзисторах бескорпусных и схеме управления (маломощной) на основе пленок. Схема может пропускать токи до 5 ампер.

ИСН микросхемы выполняют на одном кристалле, потому они имеют маленькие размеры и массу. По сравнению с предыдущими микросхемами они более надежны и дешевле в изготовлении, хотя по параметрам уступают ГИСН.

Линейные СН с тремя выводами относятся к ИСН. Если взять серию L78 или L79 (для положительных и отрицательных напряжений), то они делятся на микросхемы со:

Слабым током на выходе около 0.1 А (L78L**).
Средним значением тока, в районе 0.5 А (L78M**).
Сильноточные до 1.5 А (L78).

Принцип работы линейного стабилизатора с малым падением напряжения

Типовая структура стабилизатора состоит из:

Источника напряжения опорного.
Преобразователя (усилителя) сигнала ошибки.
Делителя сигнала и элемента регулирующего, собранных на двух резисторах.

Так как величина напряжения на выходе напрямую зависит от сопротивлений R1 и R2, то последние встраивают в микросхему и получается СН с фиксированным выходным напряжением.

Работа стабилизатора напряжения с малым падением напряжения основана на процессе сравнивания напряжения опорного с тем, которое поступает на выход. В зависимости от уровня несоответствия этих двух показателей усилитель ошибки воздействует на затвор силового транзистора на выходе, прикрывая либо открывая его переход. Таким образом, фактический уровень электричества на выходе стабилизатора будет мало отличаться от заявленного номинального.

Также в схеме присутствуют датчики защиты от перегрева и перегрузочных токов. Под воздействием этих датчиков у выходного транзистора полностью перекрывается канал, и он перестает пропускать ток. В режиме отключения микросхема потребляет всего 50 микроампер.

Схемы включения стабилизатора с малым падением напряжения

Интегральная микросхема-стабилизатор удобна тем, что имеет внутри все необходимые элементы. Установка ее на плату требует включения лишь фильтрующих конденсаторов. Последние призваны убрать помехи, приходящие от источника тока и нагрузки, как видно на рисунке.

Касательно СН серии 78xx и использовании танталовых либо керамических конденсаторов шунтирования входа и выхода, емкость последних должна быть в пределах до 2 мкФ (вход) и 1 мкФ (выход) при любых допустимых значениях напряжения и тока. Если применять алюминиевые конденсаторы, то их номинал не должен быть ниже 10 мкФ. Подключать элементы следует максимально близко к выводам микросхемы.

В случае когда нет в наличии стабилизатора напряжения с малым падением напряжения нужного номинала, можно увеличить номинал СН с меньшего на больший. За счет поднятия уровня электричества на общем выводе добиваются прироста его на такую же величину на нагрузке, как показано на схеме.

Преимущества и недостатки линейных и импульсных стабилизаторов

Интегральные микросхемы непрерывного действия (СН) имеют следующие преимущества:

Реализованы в одном корпусе небольшого размера, что позволяет эффективно располагать их на рабочем пространстве печатной платы.
Не требуют установки дополнительных регулирующих элементов.
Обеспечивают хорошую стабилизацию выходного параметра.

К недостаткам можно отнести низкий КПД, не превышающий 60%, связанный с падением напряжения на встроенном регулирующем элементе. При большой мощности микросхемы необходимо применять радиатор охлаждения кристалла.

Более производительными считаются с малым падением напряжения на полевике, КПД которых приблизительно на уровне 85%. Достигается это благодаря режиму работы элемента регулирующего, при котором ток через него проходит импульсами.

К недостаткам схемы импульсного СН можно отнести:

Сложность схематического исполнения.
Наличие помех импульсного характера.
Малую стабильность выходного параметра.

Некоторые схемы с использованием линейного стабилизатора напряжения

Кроме целевого использования микросхем в качестве СН, можно расширить область их применения. Некоторые варианты таких схем на базе интегральной микросхемы L7805.

Включение стабилизаторов в параллельном режиме

Чтобы увеличить ток нагрузки, СН включают параллельно друг к другу. Для обеспечения работоспособности такой схемы дополнительно в нее устанавливают резистор небольшого номинала между нагрузкой и выходом стабилизатора.

Стабилизатор тока на базе СН

Есть нагрузки, питание которых необходимо осуществлять постоянным (стабильным) током, например, светодиодная цепочка.

Схема регулирования оборотов вентилятора в компьютере

Регулятор этого типа построен таким образом, что при первоначальном включении на куллер поступает все 12 В (для его раскрутки). Далее по окончании заряда конденсатора C1 переменным резистором R2 можно будет регулировать величину напряжения.

Заключение

Собирая схему с применением стабилизатора напряжения с малым падением напряжения своими руками, важно учитывать, что некоторые типы микросхем (построенные на полевых транзисторах) нельзя паять обычным паяльником непосредственно от сети 220 В без заземления корпуса. Их статическое электричество может вывести электронный элемент из строя!

Область применения

Питание схем от аккумуляторной батареи
Сотовые телефоны
Ноутбуки и карманные компьютеры
Сканеры штрих-кода
Автомобильная электроника
DC-DC модули
Опорное напряжение в устройствах
Линейные низковольтные блоки питания

Второй вариант схемы

Эта схема представляет из себя low drop регулируемый блок питания с очень малым падением напряжения на нём. Конечно существует множество других конструкций для регулируемых источников питания, но микросхема MIC2941 имеет ряд преимуществ.

В зависимости от режима работы падение всего 40 - 400 мВ (сравните с 1, 25 - 2 В на LM317). Это означает, что вы можете использовать более широкий диапазон выходных напряжений (в том числе формирование стандартных для некоторых цифровых схем 3.3 В от столь же низкого 3.7 В напряжения (например, 3-х AA или литий-ионный аккумулятор). Обратите внимание, что микросхемы серии MIC2940 работают с фиксированным напряжением выхода, а MIC2941 можно плавно регулировать.

Таблица напряжений MIC294х

Возможности схемы на MIC2941

Защита от короткого замыкания и от перегрева.
Входной диод для защиты цепи от отрицательного напряжения или переменного тока.
Два индикаторных светодиода для высокого и низкого напряжения.
Выходной переключатель, чтобы выбрать 3,3 В или 5 В.
На плате потенциометр для регулировки напряжения от 1,25 В до максимального входного напряжения (20V max).
Высокая точность поддержания выходного напряжения
Гарантированный ток выхода 1.25 A.
Очень низкий температурный коэффициент
Вход микросхемы может выдержать от -20 до +60 В.
Логически управляемый электронный выключатель.
И, конечно, малое падение напряжения - от 40 мВ.