Линейные стабилизаторы на TL431 и полевых транзисторах

Схемы простых регулируемых линейных стабилизаторов с низким падением напряжения и защитой от токовых перегрузок. Как сделать мощный и при этом неубиваемый лабораторный блок питания?

Для популярных регулируемых интегральных стабилизаторов LM317 (LM337), подробно описанных на странице, минимальное падение напряжения между входом и выходом составляет около 3 вольт. Этот параметр накладывает определённые ограничения при необходимости запитывания устройств стабилизированными напряжениями, близкими к уровням источника питания.
Радикальным решением проблемы являются импульсные стабилизаторы, имеющие низкое падение напряжения, высокий КПД и малые габариты. Однако с точки зрения пульсаций, ВЧ помех и динамических характеристик, импульсные устройства не могут составить однозначную конкуренцию линейным стабилизаторам, особенно когда дело касается ряда высокочувствительных узлов РЭА, где перечисленные характеристики являются приоритетными.

Качественные устройства линейных стабилизаторов напряжения с довольно высоким коэффициентом стабилизации без труда реализуются на основе трёхвыводной ИМС TL431, которая представляет собой регулируемый источник опорного напряжения с высокой температурной стабильностью и низким выходным шумом. При этом следует иметь ввиду, что типовые схемы умощнения TL431, приводимые в datasheet-ах (Рис.1), практически не имеют ощутимых преимуществ перед ИМС типа LM317.



Рис.1 Типовые схемы умощнения TL431 при помощи силового транзистора

Это связано с тем, что в качестве мощного биполярного транзистора обычно используется составной транзистор с Uбэ ~ 2 В плюс напряжение насыщения Uкэ ~ 1 В. Полевики же (в основном) имеют значение Uзи около 3...4 В, поэтому минимальное падение напряжения и в том, и другом случае никак не может быть меньше 3 В. Кроме того, в этих простых схемах нет защиты от КЗ и перегрузки по току. Единственным преимуществом данных схем по сравнению с интегральными 3-контактными LM317, является то, что выходной ток стабилизатора можно практически неограниченно повышать до необходимого (посредством выбора соответствующей мощности транзисторов).

А тем временем, применение мощных полевых транзисторов в стабилизаторах напряжения имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как: низкое сопротивление открытого канала, большие выходные токи, устойчивость к перегрузкам и относительно низкая стоимость. Остаётся только решить одну проблему – высокое пороговое напряжение, которое требуется подать на затвор, для того чтобы открыть транзистор.

И тут на помощь может прийти дополнительный слаботочный источник питания (Рис.2). Он повысит потенциал на затворе полевого транзистора на несколько вольт по отношению к напряжению входной положительной шины. Этого будет достаточно, чтобы поднять напряжение на затворе MOSFET-а и открыть транзистор.
Поскольку входное сопротивление полевого МОП-транзистора очень высоко, дополнительный источник питания может быть очень маломощным и иметь ток, подаваемый на подтягивающий резистор, значением всего в несколько миллиампер. Снизу этот ток ограничен минимальным током катода TL431, который составляет 1 мА.
Как работает такой стабилизатор напряжения?

Рис.2 Стабилизатор на MOSFET с вольтдобавкой

Когда потенциал на выходе стабилизатора, а соответственно, на управляющем входе TL431, становится ниже его порогового значения в 2.5 В, микросхема снижает выходной ток (ток катода). Таким образом, напряжение на затворе полевого МОП-транзистора увеличивается за счёт снижения величины падения напряжения ΔU на подтягивающем резисторе.
А вместе с этим увеличивается и напряжение на истоке транзистора (выходное напряжение), тем самым эффективно восстанавливая баланс.
При увеличении же напряжения на выходе и управляющем входе TL431 схема работает аналогично, но по обратному алгоритму.

Кроме, собственно, самого стабилизатора в устройстве также крайне желательно иметь защиту от КЗ и токовых перегрузок. При этом дополнительные ~ 0,6 вольт, падающие на резистивном датчике при максимальных токах – это относительно невысокая цена за надёжность изделия и безопасность подключаемых к нему устройств.

Рассмотрим окончательную схему стабилизатора:

Рис.3 Регулируемый стабилизатор с малым падением напряжения, защитой от КЗ и токовых перегрузок на N-канальном транзисторе

Элементы: C1, D1, D2, C3 – это классический умножитель напряжения, позволяющий получить на выходе удвоенный потенциал.
Транзистор Т2 и датчик тока R3 образуют цепь ограничения выходного тока.

При указанных значениях элементов выходное стабилизированное напряжение можно регулировать в диапазоне от 2,5 до 29,4 вольт. Максимальное значение напряжения определяется величиной выпрямленного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а максимальный ток, начиная с которого происходит его ограничение – номиналом резистора R3.
Значение R3 рассчитывается по формуле: R3(Ом) ≈ 0,6/I_макс(А), то есть при номинале R3 = 0,1 Ом ток ограничения составляет 6 А.
Мощность на резисторе R3, которая выделяется в виде тепла при максимальном токе нагрузки равна: P(Вт) = 0,6*I_макс(А), то есть в приведённой схеме она составляет 3,6 Вт.

А теперь поговорим об элементах, которые повышают надёжность и устойчивость работы устройства и которые порой отсутствуют в схемах, приводимых в различных радиотехнических источниках:
1. R1 – это "антизвонный" резистор для предотвращения возбуждения транзистора. Рекомендуется для установки в цепь затворов всех ключевых MOSFET-ов.
2. Защитный стабилитрон D3 – исключает возможность превышения допустимого напряжения затвор-исток, которое может возникнуть в силу ряда причин. Необходим для устройств с напряжением питания свыше 20 В.
3. Неполярный конденсатор С5 шунтирует выход стабилизатора для высоких частот и тем самым повышает устойчивость, предотвращая возникновение ВЧ пульсаций.
4. Резистор R5 необходим при нарушениях контакта в цепи движка переменного резистора. В таких случаях выходное напряжение может достигать максимального уровня, что, в свою очередь, может вывести из строя оборудование, подключённое к стабилизатору.

Все диоды, транзисторы и конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение – не менее 60 В.
Полевой транзистор – это любой N-канальный MOSFET с максимальным током, превышающим ток нагрузки. Тепловую мощность, рассеиваемую на транзисторе, можно рассчитать по формуле:
P(Вт) = (U_вх(В) - U_вых(В)) * I_нагр(А).

Собственно говоря, для того чтобы радикально снизить падение напряжения на стабилизаторе, вовсе не обязательно применять схему вольтдобавки и тем самым ужесточать требования к максимально-допустимым напряжениям элементов. Вполне достаточно поменять N-канальный транзистор на P-канальный и использовать его включение по схеме с общим истоком.
Пример реализации такого стабилизатора приведён на Рис.4.

Рис.4 Регулируемый стабилизатор с малым падением напряжения, защитой от КЗ и токовых перегрузок на Р-канальном транзисторе

Требования, предъявляемые к элементам в данном устройстве, такие же, как и в схеме, приведённой на Рис.3. Однако максимальное напряжение, подаваемое на вход стабилизатора, а также выходное стабилизированное напряжение здесь может быть в два раза выше. Получается, что данная схема значительно "эффективнее" предыдущей? Тогда почему же она не сыскала должного внимания в широких радиолюбительских кругах, а также у производителей бюджетных промышленных ИМС?
Ответ здесь довольно прост – высокое петлевое усиление в цепи обратной связи делает данную схему склонной к возбуждению.

Основные методы борьбы с этим неприятным явлением здесь такие же, как и в предыдущем устройстве: "антизвонный" резистор в цепи затвора, неполярный конденсатор на выходе, но главное – резистор R5 в эмиттере Т3, снижающий общее усиление в петле ОС. В случае чрезмерного увеличение номинала этого резистора, возникают ограничения на минимальный уровень входного напряжения, но если этот уровень не опускается ниже 9 В, то имеет полный смысл повысить номинал R5 до 2 кОм.
Все эти меры способствуют стабильной и устойчивой работе стабилизатора, приведённого на Рис.4, в широком диапазоне выходных токов. Однако, если при определённых условиях самовозбуждение всё-таки возникает, следует подключить конденсатор ёмкостью в несколько сотен пикофарад между катодом и управляющим электродом ИМС TL431.

Поскольку оба стабилизатора, приведённые в данной статье, содержат простейшие ограничители тока (без триггерного эффекта), которые по совместительству осуществляют также и защиту от КЗ, то для повышения надёжности устройств их следует дополнить плавкими предохранителями.
Предохранители можно подключить как к первичной обмотке трансформатора, так и к выходу стабилизатора. Во втором варианте (он же – предпочтительный), номинальный ток "срабатывания" предохранителя должен на 30...50% превышать максимальный ток нагрузки.
Данная мера в совокупности с описанными схемотехническими решениями позволит сделать данные стабилизаторы практически "неубиваемыми".