|
|
 |
Простые линейные стабилизаторы на TL431 и полевых транзисторах
Схемы простых регулируемых линейных стабилизаторов с низким падением
напряжения и защитой от токовых перегрузок.
Или как сделать мощный и при
этом неубиваемый лабораторный блок питания?
Для популярных регулируемых интегральных стабилизаторов LM317 (LM337), подробно описанных на странице
[1], 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
[2].
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 биполярного и полевого транзисторов
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.
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.
Как работает такой стабилизатор? 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
падения напряжения на подтягивающем резисторе.
Рис.2 Стабилизатор на MOSFET с вольтдобавкой
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/Iмакс(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*Iмакс(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) = (Uвх(В) - Uвых(В)) * Iнагр(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".
Литература:
1. Vpayaem.ru – Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337. https://vpayaem.ru/inf_LM317.html
2. Vpayaem.ru – Руководство по применению ИМС TL431, TL432. https://vpayaem.ru/inf_TL431.html
|
|
