Стабилизатор тока простой: простой стабилизатор тока с минимальной просадкой напряжения

Содержание

простой стабилизатор тока с минимальной просадкой напряжения

РадиоКот >Схемы >Питание >Преобразователи и UPS >

простой стабилизатор тока с минимальной просадкой напряжения

               Стабилизатор тока с минимальной просадкой напряжения.

С необходимым девайсом столкнулся когда захотел сделать ходовые огни для авто. В магазине из того что было, выбрал самы подходящие по цене и качеству светодиоды LEMWS68T80FZ10. ниже фото зависимости светимости от напряжения на светодиоде.

 

Из таблицы видно что при 150 ма светодиод будет требовать 3 вольта, следовательно соединив 4 штучки последовательно я получу 12 вольт. Но не все так просто, собрав цепь из 4 светодиодов я подключил к лабораторному блоку питания, задал 12 вольт и смотрел. Сначала было как в таблице 150 ма, но потом ток начал расти, и причем cильно, не дожидаясь когда светодиоды сгорят я выключил ток. Проблема в том что при нагревании светодиоды начинают больше потреблять тока, в результате сильнее греться и еще больше потреблять и т д. Так у этих светодиодов очень сильно меняется яркость от напряжения, достаточно увеличить напругу на 0.1 вольт и уже отчетливо видно что светимость изменилась, а это всего 0.1 вольта из 12. Так же следует помнить что в машине не всегда 12 вольт, когда она заведена там уже 14, пробовал ставить постоянный резистор и смотреть как будет меняться светимость при изменение напряжения от 12 до 14, сильно меняется, нужен стабилизатор тока, но очень простой с минимумом обвязки. И вот что я придумал

полевик подойдет любой, единственное на что надо обращать внимание это его рабочие напряжение, прямой он или обратный, сопротивление при 5 вольт на затворе. я выбрал вот такой

резистор на 130 кОм на затворе нужен что бы не возникал резонанс, без него полевик слишком быстро открывается и закрывается и схема не может поймать нужный ток. Ток смотрится путем падения напряжения на резисторе 0.5 Ом. Если нужно держать ток в 100 ма, то напряжение на 0.5 Ом резисторе будет 50 мв, следовательно на 1 ножке микросхемы надо создать с помощью резисторного делителя те же 50 мв. в моем случае их создают резистор на 10 Ком и переменник на 500 Ом. 

Вот и вся схема. Микросхема имеет опорное напряжение 5 вольт на 14 ножке, на 3 ножке напряжение будет меняться от 0 до 5 вольт, тем самым будет осуществляться регулирование тока. Остальная   часть микрухи не задействована. Можно было бы использовать обычный операционный усилитель, но тогда еще стабилитрон с резистором мострячить бы пришлось, да и данная микросхема у меня была под рукой) Схема работает от 12 до 15 вольт, минимальная просадка на стабилизаторе 0.1 вольта при токе 100 ма, и 0.2 вольта при токе 200 ма.

 

 

На достигнутом я не смог остановиться и решил усилить светимость добавив еще 2 ряда светодиодов. Немного поэксперементировав получил такую схему

Настроил на ток 300 ма. по 100 ма на каждый ряд светодиодов, дело в том что при токе 100 ма КПД светодиодов больше и срок службы дольше. Из за неравномерного нагрева возможен перекос, то есть горячие светодиоды буду потреблять тока больше холодных, поэтому на каждую ветку добавил по 5 Ом ресзистору, так же это позволило разгузить полевик, в этой схеме он работает на пределе.  Повысилась минимальная просадка, с 0.1 вольта до 1 вольта. то есть такая схема работает от 13 до 15 вольт. Я решил сделать что бы ходовые огни включались сами при повороте ключа, для этого достаточно в машине найти нужный провод на котором напряжение будет появляться только при повороте ключа и   присоедениться к нему. Так как схема будет практически всегда работать при заведенном двигателе, а это значит напряжение падать если и будет то не существенно, поэтому и сделал рабочий режим от 13 до 15 вольт.

Паралельное соеденение мощных светодиодов как бы не желательно, причина неравномерный нагрев, в этой схеме я так сделал ради эксперемента, хотя можно было просто поднять ток в схеме с одним рядом светодиодов. Если же другого выхода нет и все же светодиоды нужно запаралелить, то нужно добиться что бы их температура по возможности была у всех одинакова.

Далее я сталкнулся с самой очевидной проблемой — нагрев. Вся платка сильно раскалялась, а это снижает срок службы светодиодов. Тем не менее для того что бы отвести тепло не надо мострячить радиатор к каждому светодиоду, оказалось достаточно просто хорошо охолождать плату. Сделал я это так

Полоска меди припаяна к обратно стороне платы, и прикручина к корпусу противотуманки.

естественно вместо переменника я подобрал постоянный резистор.

А вот так оно светиться. Жаль на фото это выглядит не так ярко как когда сам смотришь.




Все вопросы в
Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В статье расскажу, как сделать простой стабилизатор тока для светодиодов на полевом транзисторе.

Описание задумки.

Задолго до разработки фонарика на ATtiny13 мне уже доводилось работать со сверх-яркими светодиодами. И что могу сказать. Редкий радиолюбитель жаждет чтобы светодиоды перегорали, как можно чаще! :). Особенно мощные и дорогие. Вот и мне этого не хотелось и решил взяться за разработку стабилизатора тока.

Немного теории.

Мне часто задают один и тот же вопрос, мол почему именно стабилизатор тока лучше для светодиодов, а не стабилизатор напряжения. Ответ простой, но он многим не нравиться. Постараюсь пояснить на вольт-амперной характеристики(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528, рисунок 1.

Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528 при 25⁰С.

Ось У – ток через светодиод.

Ось Х – падение напряжения на светодиоде.

Теперь внимание! Заявленный производителем ток для данного светодиода равен 20мА. Смотрим на рисунок и видим, что ток 20 мА приблизительно соответствует напряжению на светодиоде 3,4В. Если поднять напряжение на светодиоде до 3,5В, а это всего лишь на 0,1В больше чем его типовое напряжение, то ток увеличиться до 50мА, а это в 2,5 раза больше чем его заявленный ток. Если всё перевести в процентное соотношение, то получиться что ток возрастает в 2,5 раза, при увеличении напряжения всего лишь на 3%(округлил). Вот почему стабилизатор напряжения должен быть практически идеальным!

Теперь рассмотрим стабилизатор тока. Если стабилизировать ток 20мА, то увеличение тока на 3% даст результат – 20,6мА. Согласитесь, что это совсем другой результат и он куда лучше предыдущего!

Иногда мне пытаются доказать, что последовательное соединение светодиодов + стабилизатор напряжения лучше, чем параллельное + стабилизатор тока. Это, конечно, тема для отдельной статьи, но хочу тут немного пояснить, что параллельное соединение однозначно выигрывает.

Для примера возьмём пять светодиодов 20мА, 3,4В и соединим их последовательно и параллельно. При последовательном соединении если один светодиод перегорает и остаётся замкнутым, а такое бывает и часто, напряжение 17В(3,4В*5шт) делится между оставшимися четырьмя светодиодами в равных пропорциях (предположим что так). Получается, что падение напряжение на каждом светодиоде будет — 4,25В (17В/4шт). Ток при этом возрастает до неимоверных значений, а это приводит к последовательному перегоранию оставшихся светодиодов или части из них.

При параллельном соединении и стабилизации тока в 100мА(20мА*5шт) перегорание светодиода приведёт к увеличению тока на оставшихся всего на 5мА(20мА/4шт). Или по-другому: 100мА/4шт = 25мА – ток на каждом светодиоде. Разница очевидна! В этой статье не буду больше приводить плюсы и минусы каждого из решений, статья совсем о другом. Надеюсь пример был понятным. Мой личный выбор всегда на стороне параллельного соединения светодиодов и стабилизатора тока для них. Если и ваш тоже, то читайте дальше, как сделать несложный стабилизатор тока для светодиодов.

О схеме.

Принципиальная схема стабилизатора тока на полевом транзисторе показана на рисунке 2.

Рисунок 2.

Резистор R1 нужен для того чтобы транзистор VT2 открывался. Стабилитрон VD1 защищает затвор от перенапряжения, для транзистора P0903BDG максимальное напряжение затвор-сток – 20В. Если у вас другой транзистор, то информацию на него смотрите в даташите. Параметр этот называется Gate-Source Voltage. Если напряжение питание значительно меньше максимального напряжения затвор-сток, то можно вообще стабилитрон не ставить. Резисторы R2-R6 выполняют роль шунта. На схему добавил их побольше чтобы можно было удобно подобрать нужный номинал.

Схема работает следующим образом. В начальный момент времени транзистор VT2 открыт, ток протекает через светодиоды и шунт из резисторов R2-R6, транзистор VT1 закрыт. При протекании тока через шунт на нём падает определённое напряжение и если оно равняется напряжению открытия транзистора VT1, то он открывается и «садит» затвор транзистора VT2 на минус питания, транзистор VT2 закрывается и ток через светодиоды и шунт начинает снижаться. При снижении тока через светодиоды будет снижаться падение напряжение и на шунте, как только напряжение станет меньше чем нужно для открытия транзистора VT1, он закроется и «освободит» затвор транзистора VT2. Транзистор VT2 снова откроется и ток устремиться к светодиодам и шунту. Дальше все повторяется по кругу.

Настройка.

Настройка схемы заключается в определении необходимого тока для светодиодов и подбору номиналов резисторов шунта. Приблизительно считаю, что падение напряжение на шунте должно быть около 0,5В. Этого напряжения достаточно для открытия транзистора VT1. Хотя по даташиту напряжение база-эмиттер для транзистора BC846 – 0,66В, для отечественных – 0,7В.

В качестве примера рассчитаю для вас номиналы резисторов шунта на ток 170мА.

Сопротивление шунта(Ом) = падение напряжение на шунте(В) / ток через шунт (А), получается: Сопротивление шунта = 0,5В / 0,17А = 2,94 Ом. Полученный результат округляю до 3 Ом. Из стандартного ряда можно взять два резистора номиналом 1 Ом и 2 Ом и впаять их на плату, как R2, R3. Резисторы R4-R6 при этом исключаются из схемы.

Дальше нужно проверить какой ток стабилизирует стабилизатор. Для проверки потребуется амперметр или миллиамперметр. Прибор нужно подключить в разрыв любого из проводов питания, подать питающее напряжение, оно, кстати, должно быть больше чем типовое питание светодиодов. Лучше использовать источник питания с возможностью регулировки выходного напряжения. Подключаем, регулируем, смотрим.

В определённый момент времени ток через стабилизатор перестанет меняться – это и будет током стабилизации. Дальнейшее увеличение напряжения ничего не изменит, разве что добавит разогрев транзистора VT2. Нужно понимать, что всё избыточное напряжение будет выделяться на транзисторе VT2 в качестве тепла. Если ток стабилизации получился таким какой нужен значит подбор шунта закончен, если же ток отличается от нужного значения в большую сторону – увеличиваем сопротивление шунта, в меньшую – уменьшаем.

О печатной плате.

Печатную плату разрабатывал под SMD компоненты в программе P-CAD 2006. Размеры платы – 37×18мм, рисунок 3. Вы можете разработать свою печатную плату и прислать мне файл для размещения на сайте.

Рисунок 3.

О деталях.

Перечень деталей, необходимых для сборки стабилизатора тока, свёл в таблицу 1.







Таблица1 – перечень компонентов.

Позиционное обозначение

Наименование

Аналог/замена

R1

Резистор 10к.

SMD типоразмер 0805

R2-R6

Резисторы шунта.

SMD типоразмер 1206

VD1

Стабилитрон 9,1В.

Корпус SOD80

VT1

Транзистор биполярный BC846. Структура – n-p-n.

Корпус SOT23.

VT2

Транзистор полевой P0903BDG. Структура — n-канальный.

Корпус DPAK

Резюмирую. Во всех моих разработках со светодиодами обязательно есть стабилизатор тока. Он или простой, как в тот, что описан в статье или на операционном усилителе. Светодиоды обычно подключаю параллельно или последовательно-параллельно, всё зависит от конкретной задачи. В этой же статье рассказал, как сделать несложный стабилизатор тока для светодиодов на полевом транзисторе. Постарался объяснить, чем отличается стабилизатор напряжения от стабилизатора тока для светодиодов и что лучше. Надеюсь у меня получилось. Привёл принципиальную схему стабилизатора тока и печатную плату. Все файлы можно скачать с сайта. Приятных разработок!

Ну и фото напоследок.

BC846 datasheet.

P0903BDG datasheet.

Архив с проектом.

Как самому изготовить стабилизатор тока для светодиодов: схемы

Иногда у автолюбителей появляется необходимость ограничить ток заряда АКБ, проверить тот или иной источник питания или пропустить напряжение через диоды. Чтобы осуществить одну из этих задач, есть смысл применить стабилизатор тока для светодиодов своими руками. Подробнее о том, какие существуют схемы для разработки данного девайса, вы узнаете ниже.

Содержание

[ Раскрыть]

[ Скрыть]

Схемы стабилизаторов и регуляторов тока

Источники тока не имеют ничего общего с источниками напряжения. Предназначение первых заключается в стабилизации выходного параметра, а также возможном изменении выходного напряжения. Это происходит так, чтобы уровень ток все время был одинаковым. Источники тока используются для запитки светодиодных ламп, заряда АКБ в авто и т. д. Если у вас возникла необходимость сделать простейший импульсный стабилизатор тока ходовых огней 12в для автомобиля своими руками, то предлагаем вашему вниманию несколько схем.

На КРЕНке

Обустройство цепи на кренке

Чтобы сделать простейший автомобильный импульсный стабилизатор тока в домашних условиях, вам потребуется микросхема 12v. Для этих целей отлично подойдет lm317. Такой стабилизатор напряжения 12 в lm317 считается регулируемым и способен функционировать с токами бортовой сети до полутора ампер. При этом показатель входного напряжения может составить до 40 вольт, lm317 в состоянии рассеивать мощность до 10 ватт. Но это возможно только в том случае, если будет соблюдаться тепловой режим.

В целом потребление тока lm317 сравнительно небольшое — в районе 8 мили ампер, и данный показатель почти никогда не изменяется. Даже в том случае, если через крен lm317 проходит другой ток или меняется показатель входного напряжение. Как вы можете понять, стабилизатор 12 в lm317 для бортовой сети авто дает возможность удерживать постоянное напряжение на компоненте R3.

Кстати, этот показатель можно регулировать благодаря использованию элемента R2, но пределы будут незначительными. В устройстве lm317 компонент R3 является устройством задающего тока. Так как показатель сопротивления lm317 всегда остается на одном и том же уровне, ток, который проходит через него, также будет стабильным (автор видео — Denis T).

Что касается входа крен lm317, ток на них составит на 8 мили ампер выше. Используя вышеописанную схему, можно разработать самый простой стабилизатор напряжения для ДХО автомобиля. Такой девайс может применяться как устройство электронной нагрузки, источника тока для подзарядки АКБ и других целей. Нужно отметить, что интегральные девайсы током 3а или меньше довольно быстро реагируют на различные изменения импульса. Что касается недостатков, то такие девайсы характеризуются слишком высоким сопротивлением, в результате чего придется применять мощные компоненты.

На двух транзисторах

Довольно распространенными сегодня являются стабилизаторы для бортовой сети автомобиля 12v на двух транзисторах. Одним из основных недостатков такого устройства является плохая стабильность тока, если происходят изменения в питающем напряжении вольт. Тем не менее, данная схема для бортовой сети автомобиля 12v подходит для многих задач.

Обустройство цепи на транзисторах

Ниже вы сможете ознакомиться с самой схемой. В этом случае устройством, которое раздает ток, является резистор R2. Когда данный показатель растет, соответственно растет и напряжение на данном элементе. В том случае, если показатель составляет от 0.5 до 0.6 вольт, открывается компонент VT1. При открытии данное устройство будет закрывать элемент VT2, в результате чего ток, который проходит через VT2, начнет снижаться. При разработке схемы можно использовать полевой транзистор Мосфет вместе VT2.

Что касается компонента VD1, то он применяется на напряжение от 8 до 15 вольт и нужен в том случае, если его уровень слишком высокий и работоспособность транзистора может быть нарушена. Если транзистор мощный, то показатель напряжения в сети авто может составить около 20 вольт. Необходимо помнить о том, что транзистор Мосфет открывается в том случае, когда показатель напряжения на затворе составит 2 вольта. Если вы используете универсальный выпрямитель для заряда АКБ или других задач, то вам вполне хватит работы транзистора и резистора R1.

На операционном усилителе (на ОУ)

Механизм на операционном усилителе

Вариант сборки устройства со специальным усилителем ошибки для авто актуален в том случае, если у вас возникла необходимость разработать устройство, работающее в широких пределах. В данном случае выполнять функцию токозадающего элемента будет R7. Операционный увелитель DA2.2 позволяет усилить уровень напряжения в вольтах токозадающего элемента. Устройство DA 2.1 предназначено для сравнивания уровня опорного параметра. Помните о том, что данная схема девайса на 3а нуждается в дополнительном питании, которое должно подаваться на разъем ХР2. Уровня напряжения в вольтах должно хватить для того, чтобы обеспечить функциональность элементов всей системы.

Устройство для авто должно быть дополнено генератором, в нашем случае эту функцию выполняет элемент REF198, характеризующийся уровнем выходного напряжения в 4 вольта. Сама схема стоит достаточно дорого, так что при необходимости вместо нее можно установить кренку. Чтобы правильно произвести настройку, следует установить ползунок резистора R1 в верхнее положение, а с помощью элемента R3 выставляется нужное значение тока 3а. Чтобы предотвратить возбуждение, используются компоненты R2, C2 и R4.

На микросхеме импульсного стабилизатора

Схема механизма с применением импульсного устройства

В некоторых случаях устройство для авто должно функционировать не только в большом диапазоне нагрузок, при этом обладая высоким коэффициентом полезного действия. Тогда использование компенсационных устройств будет не целесообразным, вм

Простой стабилизатор напряжения к зарядному устройству

Давно известно, что внутреннее оборудование автомобиля не заряжает полностью аккумуляторную батарею. Для подзарядки используется специальное устройство. Его выбор требует определённых знаний.
Автолюбителям, разбирающимся в радиотехнике, будет интересно познакомиться с простым стабилизатором напряжения, который с успехом используется в качестве зарядного устройства.

Выбираем зарядное устройство

Для качественной подзарядки аккумуляторной батареи требуются стабильные напряжение и ток.

Типовое зарядное устройство включает:

• узел питания. Предназначается для получения постоянного напряжения. С этой целью используется понижающий трансформатор или импульсное устройство с выпрямителем;
• узел стабилизации тока. Предназначается для поддержания с высокой точностью заданного значения тока зарядки.
По рекомендации изготовителей, зарядка производится током 1/10 величины ёмкости аккумуляторной батареи. К примеру, зарядный ток 6 А при ёмкости аккумулятора 60 А/ч;
• узел стабилизации напряжения. Предназначается для формирования стабилизированного и регулируемого напряжения.
Такое напряжение необходимо на заключительном этапе зарядки.
Рекомендуется начинать зарядку током до 50% ёмкости батареи, а затем устанавливать напряжение 14,5 В. Заряжается автомобильный аккумулятор до 14,4 В.

Популярностью у автолюбителей, прежде всего, пользуются несложные схемы стабилизации напряжения.

Выбираем схему стабилизатора напряжения

В зарубежной технической литературе опубликована простая схема стабилизации напряжения. Её использование для подзарядки аккумуляторов, показало высокую эффективность и надёжность.

Устройство собрано на полевом (MOSFET) транзисторе Q1, который выполняет функции регулирующего силового элемента. Схема рассчитана на работу с полупроводником IRLZ44N в ключевом режиме.
Устройство, в зависимости от установленного радиатора полевого транзистора, коммутирует токи до 10 А.

В качестве регулируемого стабилитрона U1 используется микросхема TL431.
Совместно с переменным резистором RV1 настраивается выходное напряжение схемы. Отечественным аналогом микросхемы считается стабилитрон КР142ЕН19А.

Электролиты C1 C2 C3 на 50 В являются сглаживающими элементами. Они обеспечивают устойчивую работу схемы.

На вход схемы подаётся напряжение от 6 до 50 В, а на выходе формируется требуемое напряжение от 3 до 27 В.
Минимальное напряжение 3 В определяется управляющим напряжением полевого транзистора.

Рассеиваемая мощность устройства не более 50 Вт.
Для отвода тепла полевой транзистор устанавливается на радиатор с площадью эквивалентной 0,02 м2.
Для улучшения теплоотвода применяется термопаста или резиновая подложка.

Соединительные провода подключаются к устройству с помощью двухполюсных колодок.

Печатная плата имеет следующий вид:

Собранное устройство, получается такого вида:

В общем, из недорогих и доступных радиодеталей собрано малогабаритное устройство с большими возможностями.
Кстати, некоторые детали взяты с компьютерного блока питания.
Желаем удачной сборки.

Автор; АКА КАСЬЯН

Стабилизатор тока для светодиодов: виды, схемы, как сделать

Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.

Назначение и принцип работы

Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, как подключить светодиод от сети 220 вольт). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.

Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.

  1. Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
  2. Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
  3. Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.

В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.

Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно здесь.

Обзор известных моделей

Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.

Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.

Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и Rset.

Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.

Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.

Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.

Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора Rsens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.

Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.

Стабилизатор на LM317

В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.

LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.

Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:

R1=1.25*I0.

Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:

W=I2R1.

Регулируемый стабилизатор

Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:

Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками

Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.

Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.

Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.

Какой стабилизатор использовать в авто

Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, как подключить светодиодную ленту в авто). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.

Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема светодиодного драйвера.

Вывод

Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.



 

О стабилизаторах напряжения на транзисторах: схема правильного стабилитрона

Для работы электронной аппаратуры необходимо напряжение, обладающие точно заданными характеристиками. Но в промышленной сети напряжение постоянно меняется. Его уровень зависит от подключенных в систему предприятий, зданий и оборудования. Функционирование любого прибора напрямую зависит от напряжения, колебания данного параметра влияют на качество работы, например, при перепадах приемник может начать хрипеть или гудеть. Для того чтобы решить данную проблему, используют стабилизаторы на транзисторе.

Стабилизатор импульсного типа

Принцип работы стабилизатора

Одна часть этого оборудования отвечает за сравнение с эталонным значением, а другая – управляет параметрами. Если входящий параметр оказывается больше требуемого показателя, то система снижает его. Если же значение меньше, то характеристики повышаются. По этой же схеме регулируется вода в кране: когда поток меньше, чем надо, вентиль закручивается и наоборот.

Принцип стабилизации применяется на самом разном оборудовании, начиная от утюгов и заканчивая космической отраслью. Разница заключается только в технологии контроля и управления показателями.

Важно! Согласно существующему ГОСТу, напряжение в сети может изменяться в пределах до 5%, а в реальных условиях и 10% от указанного значения. Для качественного функционирования оборудования этот показатель не может превышать 0,1%.

Самая простая схема стабилизатора напряжения содержит всего лишь 2 элемента:

  1. источник опорного напряжения – стабилитрон VD1;
  2. балластный резистор R1.

Стабилитроном называют диод, который при определенных значениях напряжения стабилизации (обратно приложенного) начинает пропускать ток в обратном направлении. Если напряжение растет, при уменьшении внутреннего сопротивления стабилитрон продолжает удерживать напряжение в заданном значении. Принцип работы можно увидеть на схеме стабилизатора напряжения.

Схема и график работы стабилизатора

Если обратное напряжение растет, то стабилитрон оказывает сопротивление, а, значит, ток на выходе минимален. При достижении заданного параметра ток начинает расти. Затем, доходя до точки 1 на вольтамперной характеристике, напряжение перестает расти, несмотря на повышение показателей тока. На p-n переходе напряжение увеличивается только на резисторе, стабилитрон работает в заданном режиме. Конечно, любой стабилитрон может удерживать напряжение только в заданном значении, и после повышения показателей до точки 2 элемент может начать греться и выйти из строя. Расстояние между точками 1 и 2 называется рабочим участком.

Такой простой метод стабилизации подходит только для сетей, в которых применяют малые токи. Для того чтобы повысить нагрузочную способность, применяется эмиттерный повторитель в виде биполярного транзистора. Данный элемент повторяет приложенное напряжение. За счет этого нагрузка может быть на порядок больше. Можно использовать схему из нескольких транзисторов, тогда нагрузка еще сильнее увеличится.

При создании таких схем важно учесть, что из-за падения на участке p-n перехода выходное напряжение уменьшится. Поэтому необходимо выбирать стабилитрон с учетом потерь на переходах на транзисторах. На рисунке в схеме с двумя транзисторами также можно увидеть еще один резистор. Его используют для ликвидации реактивной составляющей второго транзистора.

Два простых стабилизатора

Принципы расчета характеристик

Основными показателями стабилизатора являются максимальное выходное напряжение Uвых, минимальное выходное напряжение Uвых1 и максимальный ток Imax. Допустим, что эти величины составляют 14 Вольт, 1,5 Вольта и 1 Ампер, соответственно. Вычисляем входное напряжение по формуле:

Uвх=Uвых+ 3, где 3 – это коэффициент падения напряжение на переходе коллектор – эмиттер.

Обратите внимание! Паспортные параметры транзистора должны обеспечивать функционирование в полуоткрытом режиме и выдерживать разницу напряжений, возникающую между выходным напряжением и выходными данными.

Далее следует рассчитать максимальную мощность Pmax, которую будет рассеивать транзистор:

  • Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax=1.3(17-14)=3.9 Вт;
  • Pmax=1.3(Uвх-Uвых1)Imax=1.3(17-1.5)=20,15 Вт.

Как видно, большее значение получается при расчете для минимального входного напряжения, и эта величина будет правильной, для того чтобы подобрать транзистор по справочнику. У нас это будет КТ817.

Важно! Значение напряжение должно быть больше входного значения, а ток – больше заданного максимального значения. Иначе элемент будет работать на пределе возможностей и быстро выйдет из строя.

Схема на полевом транзисторе

Теперь нужно учесть Iб max ток базы самого транзистора:

Iб max=Imax/h31Э min, где h31Э min – коэффициент передачи тока (в нашем случае эта величина равна 25).

Iб max=1/25=0.04 А.

Зная эти показатели, можно определить характеристики стабилизатора напряжения на транзисторе. Стабилизированное напряжение равно 14 вольтам, а ток по формуле – 0.04 А. По этим показателям подходит Д814Д, но в этом случае ток базы будет составлять 0,005 А, то есть надо понизить выходные значение. Для этого используется второй транзистор (КТ315). За счет его использования нагрузка уменьшится на величину максимального коэффициента передачи тока второго транзистора (у нас h31Э=30). Таким образом, ток будет составлять 0,04/30=0,00133 мА.

Теперь определим показатели для Rб балластного резистора:

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)=(17-14)/(0,00133+0,005) = 474 Ом, где:

  • Iст min – ток стабилизации;
  • Uст – напряжение стабилизации стабилитрона.

Затем считаем балластную мощность:

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб=(17-14)2/473=0,02 Вт.

Параметры дополнительного резистора рассчитывают редко, при выборе этой детали нужно учесть только одно, что его значение тока должно быть меньше максимально нагрузочного. У нас используется резистор с сопротивлением в 1 Ом.

Компенсационные стабилизаторы

Рассмотренные выше схемы представляют собой параметрические стабилизаторы, то есть устройства, работающие на стабилитроне. Более точными считаются компенсационные схемы, где присутствует обратная связь, и уже стабилизирующую составляющую сравнивают с эталонными значениями. Основным преимуществом таких устройств является точное выходное напряжение, на которое практически не оказывает влияния ток нагрузки, тогда, как у параметрических систем именно нагрузка влияет на всю работу транзисторного стабилизатора.

Схема стабилизатора компенсационного типа может быть последовательной и параллельной. В первом варианте регулирующими элементами обычно являются транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа

На схеме:

  • Р – регулирующий элемент;
  • И – источник опорного (эталонного) напряжения;
  • ЭС – элемент сравнения;
  • У – усилитель постоянного тока.

Выходное напряжение для последовательного стабилизатора определяется по вышеуказанной формуле, где R4’ и R4’’, соответственно, верхняя и нижняя величина резистора R4. Транзистор VT1 выполняет роль регулирующего элемента, а VT2 стабилизирует, то есть сравнивает и при необходимости усиливает показатели. Источником опорного напряжения является стабилитрон VD1. Между базой и эмиттером VT2 напряжение определяется как разность UОП и UРЕГ. Если на нагрузке идет рост напряжения, то UРЕГ увеличивает и эмиттерные, и коллекторные токи VT2. Далее по схеме коллекторный ток идет на резистор R1, что вызывает падание напряжения. Это напряжение обратно по полярности для эмиттерной части VT1, поэтому коллекторные и эмиттерные токи данного транзистора падают, а номинальное напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для плавной регулировки на выходной цепи стабилизатора используется делитель напряжения, состоящий из R3, R4, R5. Ступенчатое регулирование происходит с помощью опорного напряжения стабилитрона.

Типовая схема компенсационного стабилизатора параллельного типа

В компенсационном стабилизаторе напряжения параллельного типа при возникновении отклонения значения от номинального появляется сигнал рассогласования, который составляет разницу между опорным и выходным напряжением. Далее этот сигнал усиливается на регулирующей части, которая стоит параллельно нагрузке. За счет этого ток на регулирующем элементе изменяется, напряжение на резисторе R1 падает, а на выходе сохраняются постоянные показатели:

U1=U0–IBXR1=const.

Важно! КПД стабилизаторов параллельного типа небольшое, поэтому подобные схемы используются довольно редко.

Импульсные стабилизаторы

Кроме компенсационных и параметрических стабилизаторов, существуют импульсные схемы, в которых коэффициент полезного действия самый большой, даже если диапазон входных напряжений достаточно большой. Работа этих устройств основана на том, что регулирующий элемент отключается и выключается в импульсном режиме. Общая схема стабилизатора состоит из ключа, накопителя энергии и цепи управления. Накопитель и ключ вместе представляют силовую часть, вместе с цепью они составляют контур регулирования.

Импульсный стабилизатор напряжения можно собрать на основе 3 транзисторов. При этом VT1, VT2 составляют ключевой регулирующий элемент, а VT3 необходим для усиления сигнала рассогласования.

Схема импульсного стабилизатора

Алгоритм работы следующий:

  1. С коллектора VT2 через конденсатор С2 на базу VT1 поступает напряжение положительной обратной связи;
  2. VT2 при насыщении током от резистора R2 открывается;
  3. На коллекторно-эмиттерном переходе при насыщенном VT1 меньше, чем напряжение для открывания VT2, значит, когда VT1 открыт, VT2 закрытый;
  4. Усилитель на VT3 через эмиттер подключен к стабилитрону VD2, а база – к делителю выходного напряжения R5, R6, R7;
  5. Таким образом, VT1 управляет закрыванием и открыванием VT2 по сигналу от VT3;
  6. Когда VT2 открыт, происходит накопление энергии в дросселе, после закрывания энергия идет в нагрузку.

Каждая из представленных схем позволит собрать простейшей вариант стабилизаторов.

Видео

Оцените статью:

регуляторы напряжения и тока

регуляторы напряжения и тока

Продукты Elliott Sound Регуляторы напряжения и тока

© 20013, Род Эллиотт

верхний


Указатель статей

Основной указатель


Содержание


Введение

Потребность в регулировании источника питания является общим требованием, но не все знают, почему необходимо регулировать источник питания или когда цепь может безопасно работать от нерегулируемого источника питания.Есть много неправильных представлений о регуляторах в целом и много дезинформации о том, что необходимо, а что просто чрезмерно. К сверхстабильным регулируемым источникам питания предъявляются некоторые требования, но в подавляющем большинстве приложений это бывает редко.

Необходимость регулирования часто понимают неправильно, утверждая, что основные схемы операционных усилителей в аудиосистеме (например) должны работать от жестко регулируемых источников питания, иначе звуковая сцена пострадает, или будет потеряна «авторитетность» низких частот (что бы это ни было может означать), или, возможно, высокие частоты будут «завуалированы», а средние частоты будут «загромождены».По большей части это ерунда, но эти мифы широко распространяются до тех пор, пока они каким-то образом не становятся «самоочевидными» из-за количества ссылок, перекрестных ссылок и людей, ссылающихся на сайты, на которых есть информация, которая, по их мнению, «доказывает» их точку зрения.

Регуляторы напряжения можно найти почти в каждом элементе электронного оборудования и варьируются от типов с очень низким напряжением (например, 3,3 В для многих микропроцессоров) до сотен вольт, используемых в некоторых ламповых усилителях и другом оборудовании, которое работает с высоким напряжением.

Не каждое напряжение нужно регулировать. Обычно операционные усилители, используемые в аудио, поставляются с регулируемыми источниками питания (обычно ± 15 В), но это в первую очередь делается для обеспечения низких пульсаций (100 или 120 Гц) и шума. Операционные усилители не заботятся о том, есть ли шум в источнике питания, и они совершенно счастливы, даже если напряжения питания немного изменяются во время работы. При условии, что их максимальное рабочее напряжение не превышено, а источники питания остаются достаточно высокими, чтобы пропускать сигнал без искажений, изменения питания не приведут к значительным изменениям выходного сигнала.

Однако обычно это считается неприемлемым. Подача на операционные усилители должна регулироваться , потому что ни один операционный усилитель не имеет бесконечного PSRR , и он ухудшается на высоких частотах, поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура падает из-за внутренней (или внешней) частотной компенсации. Во многих случаях может быть достаточно простого стабилизатора на стабилитроне, но он неэффективен и считается очень «низкотехнологичным» по современным стандартам.

Регуляторы напряжения

IC очень недорогие и дают отличные результаты.Конечно, есть ограничения. Дифференциальное напряжение входа-выхода никогда не должно превышаться, некоторые из них сравнительно шумные, и необходим радиатор, если они используются для передачи выходного тока от умеренного до высокого. До регуляторов IC люди обычно использовали дискретные версии, и их можно было заставить работать очень хорошо. Естественно, высокая производительность требует большей сложности схемы, и в наши дни мало случаев, когда дискретный стабилизатор является лучшим предложением, чем версия IC.

Эту статью следует читать вместе с блоками питания малой мощности.Две статьи охватывают схожие области, но эта версия больше нацелена на полное понимание концепции , а не на предоставление идей для конструкторов.

Стабилитроны тоже есть своя страничка. В примечании к применению AN008 — Как использовать стабилитроны описаны многие основные характеристики стабилитронов, а также некоторые основные характеристики и другая полезная информация. Особый интерес представляет динамическое сопротивление, которое представляет собой спецификацию, указывающую, насколько хорошо стабилитрон может уменьшить пульсации и шум.Чем ниже динамическое сопротивление, тем лучше стабилитрон будет регулировать и подавлять шум.

Существует ряд терминов, которые используются для описания характеристик любого регулятора. Приведенная ниже таблица взята из статьи «Источники питания малой мощности» и включает краткие пояснения.

Параметр Пояснение
Регулировка нагрузки Процент, представляющий собой изменение напряжения при заданном изменении выходного тока
Линейное регулирование Процент.изменение выходного напряжения для данного изменения входного напряжения
Падение напряжения Минимальный перепад напряжения между входом и выходом, прежде чем регулятор перестанет поддерживать приемлемую производительность
Максимальное входное напряжение Абсолютное максимальное напряжение, которое может быть приложено к входной клемме регулятора относительно земли
Подавление пульсаций Выражается в дБ, отношение пульсаций на входе (от нерегулируемого источника постоянного тока) к пульсации на выходе
Шум Где указано, количество случайных (тепловых) шумов, присутствующих на регулируемом выходном напряжении постоянного тока.
Переходная характеристика Обычно отображается графически, показывает мгновенную производительность с изменениями линейного напряжения или тока нагрузки

Не все из вышеперечисленных спецификаций будут даны, и не все они важны для многих приложений.Переходный отклик важен для любого регулятора, который подает быстро меняющуюся нагрузку, например логику TTL. Пульсации и шум важны для низкоуровневых аудиоприложений, особенно тех, которые используют дискретные транзисторы, где схема может иметь относительно низкое подавление шума источника питания.

Иногда думают, что простого резистивного делителя напряжения достаточно, чтобы обеспечить «регулируемое» напряжение. Если выход не буферизован с помощью повторителя (интегрированного или дискретного), это , а не .Делитель напряжения чувствителен к нагрузке, поэтому он может выдавать номинальное напряжение только в разомкнутой цепи (без нагрузки). Как только вы потребляете ток, напряжение упадет. Кроме того, любой шум (гул, гудение и т. Д.) На питании, питающем делитель, также попадет на выход. Простые делители были обычным явлением в ламповых усилителях, где основной источник питания может проходить через несколько резисторов с конденсаторами для заземления на каждом переходе, и клапанные каскады, образующие нагрузку.Это не «регулирование» ни в каком виде, это просто фильтрация, и здесь не рассматривается, кроме как часть надлежащего регулятора (где такие схемы фильтрации также довольно распространены).


Зачем регулировать?

Итак, зачем нам стабилизированное напряжение?

При большом количестве источников напряжения и во множестве топологий схем мы этого не делаем. Однако сейчас это так просто сделать и дает столько преимуществ, что было бы почти глупо не сделать этого. Основным преимуществом является то, что пульсации источника питания (при 100 или 120 Гц) почти полностью устраняются, и мы можем работать с операционными усилителями при напряжении, близком к их максимальному напряжению, не беспокоясь о низком сетевом напряжении, вызывающем преждевременное ограничение, или о высоком сетевом напряжении, вызывающем сбои.Нерегулируемый источник питания будет изменять свое напряжение при изменении напряжения сети (что обычно происходит на величину от + 10% до -15%). Многие люди живут в районах, где напряжение изменяется сильнее, и если подача не регулируется, оно будет колебаться примерно на тот же процент, что и входящая сеть.

Нерегулируемый источник питания также будет изменять свое выходное напряжение с нагрузкой, поэтому, когда схема потребляет энергию, напряжение падает. Точно так же, когда нагрузка уменьшается, напряжение возрастает. Это называется регулированием нагрузки, и при нерегулируемом питании включает отклонение от сети.Небольшая нагрузка, когда сеть находится на максимуме, означает, что питаемые цепи получат максимально возможное напряжение, которое может превышать абсолютное максимальное значение, указанное производителем ИС. Логические ИС TTL имеют очень ограниченную устойчивость к перенапряжению, и они откажутся от , если будет превышено максимальное значение. Рекомендуемое напряжение — 5 В, допустимый диапазон — от 4,5 до 5,5 В. Каждый использует регулируемое питание для ИС TTL просто потому, что было бы глупо (и рискованно) поступать иначе.Логика CMOS обычно вполне устраивает очень простой стабилизатор шунта Зенера, потому что потребление тока очень мало. Электропитание должно быть должным образом шунтировано с соответствующей емкостью.

Во многих ранних транзисторных усилителях мощности использовались стабилизированные источники питания, поскольку они использовали один источник питания, а колебания напряжения могли создавать дозвуковой выходной сигнал. Кроме того, во многих из этих ранних усилителей использовались транзисторы, которые работали при напряжении, близком к предельному, и если бы напряжение увеличивалось слишком сильно, они выходили из строя.В наши дни почти никто не использует регулируемые источники питания для усилителей мощности, потому что это увеличивает стоимость и значительную тепловую нагрузку и обычно не служит полезной цели. В некоторых ламповых усилителях используется регулируемое напряжение экранной сетки для получения максимальной мощности без нагрузки на клапаны. Другие просто подчеркнули клапаны (и даже во многих последних разработках это до сих пор так).

Очень редко можно увидеть какой-либо предусилитель, использующий операционные усилители или дискретные транзисторы, который не использует , а не стабилизированные источники питания. Большинство людей используют регуляторы IC, но есть и те, кто считает, что дискретный регулятор даст лучшую производительность.Я не буду вступать в дебаты о предполагаемой «слышимости» регулятора и «звуке постоянного тока», потому что, насколько я понимаю, это в основном принятие желаемого за действительное, без научных оснований или подтверждения правильным проведением слепого AB-тестирования. По определению, постоянный ток — это постоянный ток, поэтому его не слышно. В некоторых случаях может быть слышен шум , наложенный на на DC.

Большинство импульсных источников питания (SMPS) регулируются и могут использоваться напрямую, без дополнительных действий.Тем не менее, они почти всегда относительно шумные, имея существенное свидетельство частоты переключения (и ее гармоник) в источнике постоянного тока. Хотя эти артефакты переключения почти всегда неслышны, они сбивают с толку и могут очень затруднить разумные измерения в цепи.

Далее, зачем нам стабилизированный ток?

Помимо источников тока, раковин и зеркал (см. Статью), регуляторы тока раньше были более диковинкой, чем что-либо еще.Они уже много лет используются во многих областях, но стали повсеместными только недавно — светодиодное освещение. Подавляющее большинство из них — импульсные, поскольку в противном случае потери энергии будут чрезмерными, что снижает общую эффективность светодиодного источника света. Тем не менее, все еще есть примеры, когда линейный регулятор имеет больше смысла.

В частности, простой линейный регулятор тока легко подключить к плате Veroboard, что нелегко сделать с любой схемой переключения.Требования к линейным регуляторам тока незначительны по сравнению с регуляторами напряжения, но вы никогда не узнаете, когда он вам понадобится. В некоторых случаях вам потребуется регулировка как напряжения , так и тока , и зарядка аккумулятора — один из наиболее очевидных случаев, когда они будут совмещены.

В целом потребность в прецизионном регуляторе тока (в отличие от источника тока в составе, например, схемы усилителя) очень ограничена, но, поскольку принципы и результаты практически одинаковы для регулирования как напряжения, так и тока, они того стоят. покрытие.


1 — Базовый дискретный регулятор напряжения

Первыми использованными регуляторами были газоразрядные трубки [1] . Питание трубки осуществлялось через резистор, и напряжение разряда было достаточно стабильным при условии, что ток не слишком сильно менялся. Если требовался большой ток, то для его питания в качестве катодного повторителя использовался традиционный мощный вентиль (вакуумная трубка). Добавление дополнительных клапанов позволило получить хорошо регулируемое питание, на которое не повлияли изменения тока нагрузки или колебания входного напряжения.

Современный эквивалент газоразрядной трубки — стабилитрон. Они по-прежнему очень часто используются для регулирования либо в качестве простого шунтирующего регулятора (например, газоразрядная трубка), либо с дополнительными частями для формирования дискретного регулятора. Поскольку базовый шунтирующий регулятор является самым простым, на него стоит обратить внимание в первую очередь. Больше информации об использовании стабилитронов можно найти на странице Application Note 008 на веб-сайте ESP.

Рисунок 1 — Шунтирующий стабилизатор на базовом стабилитроне

Одним из основных недостатков простого шунтирующего стабилитрона является то, что он постоянно потребляет максимально допустимый ток от источника питания.Как показано выше, напряжение питания составляет 15 В, и это только один источник питания. Я буду использовать эту же общую компоновку для большинства диаграмм, потому что это делает их менее загроможденными и более легкими для понимания. Если необходим отрицательный источник питания, это обычно просто обратный полюс положительного напряжения. Сам источник питания (трансформатор и конденсатор фильтра) используется в большинстве примеров, но не будет показан, если только понимание схемы не является важным.

В приведенном выше источнике питания R1 должен обеспечивать достаточный ток, чтобы всегда оставаться в оптимальном диапазоне стабилитрона, а также обеспечивать нагрузку.Стабилитроны на стабилитронах не рекомендуются для любых схем, в которых ток изменяется более чем на несколько процентов. Ток стабилитрона должен составлять (примерно) от 10% до 50% от максимального тока стабилитрона, который очень просто получается из напряжения и номинальной мощности. Стабилитрон 15 В 1 Вт может выдерживать максимальный ток …

I = P / V
I = 1/15 = 66,7 мА

Ток стабилитрона не должен превышать 50% от максимального, чтобы поддерживать повышение температуры стабилитрона до разумного значения. Кроме того, при таком токе он будет довольно горячим, и на напряжение не будет сильно влиять температура окружающей среды.Итак, мы должны стремиться к 33 мА и не менее 7 мА, чтобы гарантировать, что динамическое сопротивление стабилитрона достаточно низкое, чтобы быть полезным. Поскольку номинальное входное напряжение составляет около 21 В, это означает, что сопротивление резистора должно быть около 180 Ом (R = V / I). 180 Ом дает ток стабилитрона 33 мА, но только когда ток нагрузки равен нулю, а напряжение в сети равно 230 В (или 120 В), и при условии, что выходное напряжение трансформатора равно 15 В RMS.

На самом деле ничего из вышеперечисленного обычно не соответствует действительности. Нет смысла иметь стабилизированное напряжение, но без нагрузки, поэтому нам нужно знать, какой ток потребляет цепь с питанием.Это может быть доступно в таблицах данных (для операционных усилителей), или вам, возможно, придется либо рассчитать, либо измерить фактический потребляемый ток. Для этих упражнений мы предполагаем, что ток нагрузки составляет 20 мА.

Теперь, если нагрузка потребляет 20 мА, это означает, что ток стабилитрона теперь снижен до 13 мА (33–20 мА), что находится в пределах желаемого диапазона. Чтобы сохранить значение 33 мА, которое мы рассмотрели вначале, общий ток , потребляемый от источника питания, будет равен необходимому току стабилитрона (33 мА) плюс ток нагрузки (20 мА), всего 53 мА.R1 теперь нужно пересчитать, и он станет 113 Ом. 120 Ом в этом случае вполне нормально. Поскольку общий потребляемый ток выше ожидаемого, на конденсаторе фильтра будет больше пульсаций, чем мы ожидали. Из-за избыточного тока напряжение будет меньше запланированного нами 21 В (нерегулируемого), но, к счастью, эти ошибки обычно не так велики, чтобы вызвать катастрофу. Если нагрузка отключена, теоретический ток стабилитрона будет 33 мА (нормальный ток стабилитрона) плюс 20 мА, которые потребляла бы нагрузка — всего 53 мА.Стабилитрон сильно нагревается до , и этот тип простого шунтирующего регулятора обычно не следует использовать без нагрузки.

Показанные характеристики питания должны быть разумными. Симулятор сообщает мне, что при входном среднеквадратичном напряжении 15 В мы получаем 19,4 В постоянного тока после выпрямителя и фильтра с пульсацией 94 мВ RMS (300 мВ P-P) на частоте 100 Гц. Стабилизированное напряжение составляет 15,1 В с пульсацией 4,9 мВ (16 мВ P-P). Ток нагрузки составляет 20 мА, но ток стабилитрона намного ниже запланированного, всего 15.7 мА. Хотя R1 можно уменьшить, чтобы обеспечить больший ток в стабилитрон, это также приведет к увеличению напряжения пульсации и немного снизит исходное напряжение постоянного тока. Суммарный ток от выпрямителя и фильтра составляет 35,7 мА … 20 мА на нагрузку и 15,7 мА через стабилитрон. R1 рассеивает 152,7 мВт, а рассеивание стабилитрона составляет 235,5 мВт (15 В x 15,7 мА). Как выяснилось, это безопасная общая конфигурация, и стабилитрон выживет, даже если входное напряжение сети повысится до максимально возможного.

Ток трансформатора составляет немногим более 113 мА (среднеквадратичное значение), состоящий из резких пиков ± 480 мА. Обратите внимание, что ток трансформатора с мостовым выпрямителем более чем в 3 раза превышает постоянный ток в этом примере, но он может быть выше или ниже в зависимости от выходного импеданса трансформатора (я использовал значение 0,2 Ом для моделирования). Если импеданс увеличивается, среднеквадратичный и пиковый ток уменьшаются, но вместе с тем уменьшается и напряжение постоянного тока.

Как видно из вышеизложенного, необходимо учитывать несколько взаимосвязанных факторов.Когда также принимаются во внимание нормальные колебания напряжения в сети, количество возможностей резко возрастает. К счастью, ошибки и отклонения от теоретических значений всегда будут, но пока проектировщик делает поправки, конечный результат все равно будет удовлетворительным. Важно знать, что почти никогда все не будет так просто, как кажется на первый взгляд.

Если R1 разделен на два резистора равного номинала (подойдет 2 x 56 Ом), то второй конденсатор от центрального отвода до земли уменьшит пульсации напряжения.При всего лишь 220 мкФ пульсации сокращаются до менее четверти (около 1,2 мВ RMS). Два резистора необходимы для отделения дополнительной емкости от основной крышки фильтра и стабилитрона, оба из которых имеют очень низкое сопротивление (вы также увидите, как этот трюк используется ниже). Возможно, неожиданно, пульсации напряжения немного больше при подключенной нагрузке. Это связано с тем, что стабилитрон пропускает меньше тока и его динамическое сопротивление немного увеличивается.

Обратите внимание, что на рис. 1 показан конденсатор конечного фильтра, и в большинстве случаев он необходим.Он не так эффективен, как можно было бы надеяться, потому что он подключен параллельно стабилитрону с низким импедансом, но он немного снизит шум и (что более важно) обеспечит мгновенный пиковый ток, который может потребоваться некоторым схемам. Фактически, очень и очень мало регуляторов любого типа следует использовать без разумной емкости на выходе. 10 мкФ часто бывает достаточно, но более высокие значения в большинстве случаев не вызовут никаких проблем.


2 — Следующий шаг к регулированию напряжения

Шунтирующее регулирование, описанное выше, по-прежнему является очень полезным инструментом, и во многих случаях это, безусловно, самый простой и дешевый способ получить, например, слаботочный стабилизированный источник питания для вспомогательных цифровых схем.Однако регулировка линии и нагрузки оставляет желать лучшего, поэтому этот метод не подходит для нагрузок, которые имеют быстрые (или большие) изменения тока. Следующая разработка — это простой последовательный транзистор, добавляемый к стабилитрону, и это описано в статье о малых источниках питания. Здесь это повторяться не будет. Когда ток нагрузки регулятора проходит через транзистор, схема называется «последовательным» регулятором, потому что активное выходное устройство подключено последовательно с током нагрузки.

Базовый дискретный регулятор показан ниже.Раньше это была очень распространенная схема до появления 3-контактных IC-регуляторов. Производительность может быть неплохой, но это ни в коем случае не точный регулятор. В основную форму схемы внесено несколько хитрых дополнений, которые описаны ниже. Трансформатор и мостовой выпрямитель точно такие же, как на рисунке 1. C4 часто требуется для предотвращения высокочастотных колебаний, и его значение обычно находится где-то между 47 пФ и 1 нФ. Более высокие значения замедлят схему, и она не сможет достаточно быстро отреагировать на быстрые изменения нагрузки (плохой переходный отклик).

Рисунок 2 — Простой дискретный регулятор серии

Хотя показанная схема имеет (почти) такое же выходное напряжение, что и шунтирующий стабилизатор, показанный выше, она потребляет меньше тока от выпрямителя. При той же подключенной нагрузке 20 мА (750 Ом) он потребляет 29,8 мА (а не постоянные 35,7 мА, независимо от того, подключена нагрузка или нет). Уменьшение тока означает, что входная пульсация уменьшается, а обратная связь, используемая в цепи, помогает еще больше.

В частности, обратите внимание, что есть два резистора (R1 и R2) для обеспечения тока базы для последовательного каскада Дарлингтона.Центральный отвод подключается к C2, и это снижает пульсации напряжения с ~ 78 мВ RMS на C1 до примерно 500 мкВ на C2 и менее 100 мкВ на базе Q1. Пульсации на выходе составляют всего 28 мкВ — на 70 дБ меньше пульсаций на C1. Сравните это с рисунком 1, который позволяет подавить пульсацию только около 25 дБ.

Следующая хитрая уловка использует R6. Если бы его не было, ток стабилитрона был бы максимум ~ 630 мкА, что слишком мало для обеспечения стабильной работы. R1 и R2 можно уменьшить, но тогда C2 нужно будет больше.Таким образом, регулируемое и сглаженное выходное напряжение используется для обеспечения достаточного тока, чтобы стабилитрон работал правильно. Он добавляет немного более 8,7 мА стабилитрона (в моделировании общее значение составляет 9,4 мА). Это превышает минимум 5%, необходимый для стабильности (стабилитрон 6,2 В 1 Вт может потреблять до 161 мА при 25 ° C).

Чтобы учесть допуск стабилитрона (до ± 10%), было принято делать R5 переменным. В показанном примере вы можете использовать банк в 20k (что было бы довольно грубо) или R5 можно уменьшить до 8.2к с банком 5к последовательно. Эта схема имеет обратную связь, а коэффициент усиления регулятора устанавливается R4 и R5. Стабилитрон является опорным напряжением. Этот регулятор представляет собой ту же самую базовую схему, которую я использовал для Project 96, источника фантомного питания 48 В для микрофонов.

Опорное напряжение (стабилитрон) должна быть близка к 1/2 выходного напряжения, если это возможно, но может быть всего лишь 1/4. Так что, если вам нужен выход 100 В, вы можете использовать стабилитрон на 24 В.

R4 и R5 образуют цепь обратной связи и определяют коэффициент усиления схемы.Если они равны, то схема имеет коэффициент усиления 2. Напряжение база-эмиттер из Q3 добавляется к опорному напряжению, так что это на самом деле не 6.2V, но 6.85V для схемы, показанной на рисунке 2. Это также добавляет ошибку из-за до температуры перехода Q3, обычно принимается равной -2 мВ / ° C. Если температура Q3 не меняется очень сильно, ошибка не имеет большого значения.

Выходное напряжение можно определить следующим образом …

Усиление = (R4 / R5) + 1
Усиление = (12/10) + 1 = 2.2
В ВЫХ = В REF × усиление
В ВЫХ = 6,85 × 2,2 = 15,07 В постоянного тока

Для разработки дискретного регулятора, такого как показанный на рисунке 2, есть несколько общих рекомендаций. R1 + R2 должны обеспечивать достаточный базовый ток для последовательной комбинации Q1 и Q2. Необходимый базовый ток определяется коэффициентом усиления пары (предположим, 1000 для типичной комбинации), и должен быть абсолютным минимумом удвоенных , который необходим при максимальном выходном токе.Если оно меньше этого, Q3 (усилитель ошибки) не будет иметь достаточного тока для работы, и вы потеряете регулирование. Согласно общепринятому практическому правилу, базовый ток последовательного транзистора (транзисторов) должен быть в 5-10 раз больше наихудшего. Однако это можно расслабить, если вам не нужна идеальная регулировка.

Итак, для приведенной выше схемы мы можем использовать следующие основные уравнения для R1 и R2 …

R1 + R2 = V IN — V OUT / I B × 10 — где I B определяется…
I B = I OUT / h FE (Q1 × Q2) … (предполагаем усиление 1000), поэтому …
I OUT = 20 мА
I B = 20 мкА × 10 = 200 мкА
В IN — V OUT = 19,4 — 15 = 4,4 В
R1 + R2 = 4,4 В / 200 мкА = 22 кОм, поэтому R1 = R2 = 11 кОм

Хотя это можно было бы заставить работать, это было бы довольно глупо, потому что регулятор может выдавать только 20 мА, если вы останетесь в рамках рекомендаций по проектированию. Уменьшив значения R1 и R2 до 2.2k, схема будет отлично работать с выходным током не менее 100 мА. При 100 мА выходное напряжение упадет до 14,99 В, а пульсации увеличатся до 115 мкВ. Учитывая относительную простоту схемы, производительность неплохая!

Обратите внимание, что устройство последовательного прохода показано как пара транзисторов, подключенных в конфигурации Дарлингтона, но транзистор Дарлингтона и N-канальный MOSFET также будут работать. Между затвором и истоком полевого МОП-транзистора должен быть подключен стабилитрон — a 4.Стабилитрон 7 В обеспечит более чем достаточный ток при использовании полевого МОП-транзистора IRF540 (или аналогичного), а также обеспечит базовое ограничение тока очень . Поскольку коэффициент усиления полевого МОП-транзистора не такой высокий, как у пары Дарлингтона, стабилизация и характеристики пульсации не так хороши. Однако затвор не потребляет ток, поэтому значения R1 и R2 могут быть выше, чем это требуется для биполярных транзисторов.

Добавив некоторую сложность, схему можно заставить работать еще лучше, но для 99% приложений в этом нет никакого смысла.Единственное, чего нет у , так это защиты от короткого замыкания. Если выход закорочен, последовательные транзисторы (Q1 и Q2) выйдут из строя. Если мы просто ограничим ток до заранее установленного максимума, мы можем обнаружить, что рассеивание Q2 выходит за пределы допустимой безопасной области. При 20 В на входе (достаточно близко) и (скажем) на выходе 100 мА и закороченном выходе рассеивание на Q2 будет 20 * 0,1 = 2 Вт. Очевидно, это не проблема при низком входном напряжении и малом токе стабилизатора, но становится серьезной проблемой при увеличении напряжения или тока.

Рисунок 3 — Простой дискретный серийный регулятор с ограничением тока

Добавляя Q4 и R7, мы можем применить базовую защиту от короткого замыкания посредством простого ограничения тока. Когда напряжение на R7 достигнет 0,6–0,7 В, Q4 будет проводить и «красть» ток из последовательно проходящих транзисторов. Это только самая простая форма защиты, и хотя она работает, это определенно не высокотехнологичное решение проблемы. Как показано, ток ограничен примерно 130 мА, а рассеивание в Q2 составляет примерно 2.4 Вт (радиатор будет обязательно). Показанная компоновка ни в коем случае не единственный метод, но он работает достаточно хорошо. Дополнительное сопротивление снижает характеристики регулирования, и при приближении к пределу тока наблюдается заметный провал напряжения.

Более продвинутое ограничение тока включает в себя так называемое «обратное ограничение», когда доступный ток постепенно уменьшается по мере падения выходного напряжения. Например, до тех пор, пока выходное напряжение близко к 15 В, предел может быть установлен на (скажем) 1 А, но если выход закорочен, максимальный доступный ток может быть уменьшен до 100 мА.Ограничение обратного тока является более сложным и в некоторых случаях может привести к отказу источника питания от запуска — например, если схема с питанием потребляет ток, превышающий нормальный, при низких входных напряжениях. Поскольку эта статья посвящена общим принципам, ограничение тока обратной связи не будет включено.


2.1 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

Дискретная схема по-прежнему имеет преимущества, когда вам нужен источник питания с более высокими требованиями к напряжению, чем могут удовлетворить стандартные 3-контактные ИС.Хотя доступны высоковольтные версии, их бывает трудно получить, и они все еще имеют ограниченный перепад входного-выходного напряжения. Вы можете представить, что LM317HV (например) подойдет, так как он имеет максимальное дифференциальное напряжение на входе и выходе 60 В.

Легко упустить из виду тот факт, что максимальное входное напряжение на самом деле составляет всего 60 В с LM317HV, потому что при первом включении выходной конденсатор разряжен и близок к короткому замыканию. Точно так же регуляторы серии 317/337 имеют защиту от короткого замыкания, но если входное напряжение превышает максимальное дифференциальное напряжение на входе-выходе, есть большая вероятность, что ИС выйдет из строя.

Дискретная схема может быть сделана с любым входным напряжением, которое вам нравится, ограниченное только выбором последовательно проходных транзисторов и других необходимых компонентов. Если вам нужен стабилизированный источник питания на 250 В, то вам просто не повезло, если вы попытаетесь использовать любой доступный стабилизатор IC. Если вы знаете, как построить дискретный регулятор, то (почти) нет ограничений на входное или выходное напряжение.

При разработке регуляторов высокого напряжения необходимо учитывать множество факторов, особенно защиту от короткого замыкания.Если у вас есть нерегулируемое напряжение (скажем) 500 В и вам необходимо регулируемое 400 В, представьте мгновенное рассеивание мощности в устройстве последовательного прохода, если выход закорочен! Без продуманных мер защиты короткое замыкание вызовет мгновенный отказ устройства последовательного прохода, и чрезвычайно сложно обеспечить какую-либо достаточно быструю схему защиты. Это можно сделать, но здесь мы не будем рассматривать, поскольку для этого потребуется обширное тестирование, чтобы убедиться, что схема защиты работает должным образом (это не конструкторская статья — она ​​предназначена только для объяснения принципов).

Рисунок 4 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

Схема слева на рис. 4 (A) выглядит безопасной, но в момент включения выходная крышка разряжена и представляет собой кратковременное короткое замыкание. Колпачок большего размера в течение некоторого времени может выглядеть как очень низкий импеданс, как показано справа (B). Таким образом, дифференциальное напряжение представляет собой полное входное напряжение (45 В), которое может значительно превышать номинальные значения для регулятора и вызвать отказ. Если выход закорочен (возможно, в оборудовании есть танталовые конденсаторы для развязки источника питания ¹), регулятор будет иметь полное входное напряжение на нем, пока не будет отключено питание или он не выйдет из строя!

Примечание 1: Танталовые конденсаторы (и всегда были) самые ненадежные конденсаторы из когда-либо созданных.Они совершенно не переносят сильные импульсные токи, и
уникальны тем, что их режим отказа — короткое замыкание (которое может быть прерывистым). Как известно постоянным читателям, я никогда не рекомендую танталовые крышки для чего-либо.

Очень важно, чтобы входное и выходное дифференциальное напряжение не превышалось, и для IC-регуляторов оно указано в спецификации (обычно как абсолютное максимальное значение). Для дискретного регулятора это максимальное напряжение на последовательном транзисторе и других транзисторах и ограничено напряжением пробоя коллектор-эмиттер или напряжением сток-исток для полевого МОП-транзистора.

Вы вполне можете спросить, а зачем на регуляторе диод. В некоторых случаях общая емкость на выходе регулятора может быть такой, что он сохраняет заряд дольше, чем основная крышка фильтра (C1). Это особенно верно, если перед регулятором берется дополнительная нерегулируемая нагрузка. Если регулятор должен быть смещен в обратном направлении, он почти наверняка выйдет из строя, поэтому вы не сможете подключить стационарный источник питания непосредственно к цепи, не повредив регулятор.Добавление диода означает, что любое напряжение на выходе передается на вход регулятора, что предотвращает возможное повреждение внутренней цепи. Диод следует добавить и к дискретным регуляторам, если есть вероятность, что на выходе может быть напряжение, но не на входе.


2.2 — Требования к дифференциальному напряжению ввода-вывода

Хотя важно гарантировать, что максимальный дифференциал ввода-вывода никогда не будет превышен, также важно убедиться, что имеется достаточно дифференциала для предотвращения проблем.Минимум обычно указывается в даташите, и это не относится к среднему значению! Мгновенное входное напряжение никогда не должно падать настолько (из-за пульсаций напряжения), чтобы регулятор больше не мог поддерживать выходное напряжение. Например, если регулятору требуется минимум 2 В дифференциала для поддержания регулирования, мгновенное входное напряжение всегда должно быть более чем на 2 В выше выходного напряжения.

Это включает в себя пульсации напряжения и любое снижение сетевого напряжения, которое находится в пределах обычно ожидаемого диапазона для входящего источника переменного тока.Некоторые люди спрашивали, почему я рекомендую трансформатор 15–0–15 В для источников постоянного тока ± 15 В, когда я знаю, что напряжение трансформатора обычно выше, чем указано при небольшой нагрузке. В общем, вы можете ожидать около 25 В постоянного тока на входе регулятора, что может показаться чрезмерным. Тем не менее, это включает в себя значительную поправку на низкое напряжение в сети, пульсации и дополнительное сглаживание.

Рисунок 5 — Пульсация входного напряжения относительно напряжения. Регулируемая мощность

На рисунке 5 вы можете увидеть, что произойдет, если входящий постоянный ток упадет ниже минимума, необходимого для поддержания регулирования.Поскольку крышка входного фильтра слишком мала, пульсации позволяют входному напряжению упасть ниже предела, при котором регулятор может поддерживать выходное напряжение на уровне 15 В. В результате пульсация передается со входа на выход.

В случае, показанном выше, очевидным ответом является увеличение емкости фильтрующего конденсатора, чтобы пульсации были уменьшены до разумного значения, и проблема была решена. Однако вам все же нужно рассмотреть случай, когда напряжение в сети падает — это может иметь точно такой же эффект.Если напряжение сети упадет на 20% (с 230 В до 184 В или с 120 до 96 В), то же самое произойдет и с выходом трансформатора. Это означает, что вместо номинальных 15 В переменного тока выходная мощность будет снижена до 12 В переменного тока, и этого недостаточно, чтобы позволить ИС поддерживать регулирование — даже при условии ноль пульсации напряжения!

Неважно, будет ли регулятор дискретной конструкции или на основе ИС — результаты будут одинаковыми. Единственным решением было бы либо использовать трансформатор с более высоким напряжением (например, 18 В RMS), либо использовать конструкцию стабилизатора с малым падением напряжения (LDO), либо в виде интегральной схемы, либо в виде дискретного.У регуляторов LDO могут быть проблемы со стабильностью из-за их конструкции, и, как правило, их следует избегать, если нет другого варианта. См. Регуляторы LDO, если вы хотите узнать о них больше.


3 — Регуляторы IC
Регуляторы

IC (3-контактные) в настоящее время являются наиболее распространенными из всех аналоговых / линейных типов. В течение многих лет у нас были регуляторы 78xx (положительный) и 79xx (отрицательный), а также множество подобных устройств с разными номерами деталей, и было доступно несколько стандартных напряжений.Были доступны версии на 5, 8, 12, 15, 18 и 24 В, но они (в основном) были рационализированы до 3–5 В, 12 В и 15 В. Некоторые из странных напряжений все еще могут быть доступны, если вы внимательно присмотритесь. Регулируемые регуляторы (LM317 / 337) позволяют людям создавать источники питания практически для любого напряжения, которое им нравится, от 1,25 В до 50 В, если вы используете версии с высоким напряжением.

Они удобны, фиксированные регуляторы также доступны в маломощных версиях в корпусе TO-92. 78L05 особенно распространен, поскольку он может обеспечивать регулируемое питание для небольших микроконтроллеров, проектов на основе PIC и других логических схем с низким энергопотреблением.Внутренняя схема этих микросхем сейчас довольно продвинута, и они обладают очень хорошими характеристиками. Все они имеют защиту от короткого замыкания и включают внутренние предохранители от перегрева, поэтому они практически неразрушимы … почти !

Обычные регуляторы серий 78xx / 79xx многие энтузиасты аудио часто считают «низшими», но это неоправданно. Да, они несколько шумные, но типичный выходной шум низкий и очень редко вызывает проблемы со схемами операционных усилителей, но это может быть проблема с простыми схемами с плохим отклонением источника питания.Стоит отметить, что выходной конденсатор нужен в первую очередь для стабильности, и без него регулятор наверняка будет колебаться. Неважно, 10 мкФ или 1000 мкФ, пульсации на выходе не изменятся.

Это явно странное поведение связано с выходным сопротивлением регулятора. Согласно техническому описанию 7815, он имеет выходное сопротивление 0,008 Ом (8 миллиом) на частотах до 1 кГц, после чего оно увеличивается до 6 дБ / октаву. На частоте 100 Гц конденсатор 1 мФ (1000 мкФ) имеет реактивное сопротивление 1.59 Ом, и это абсолютно не влияет на 8 миллиомов регулятора. Выходное сопротивление остается ниже 1 Ом на любой частоте до 1 МГц, а на крайних частотах конденсатор будет иметь некоторое влияние.

Подавление пульсации составляет минимум 54 дБ (7815) при типичном значении 70 дБ. Типичный выходной шум составляет 90 мкВ. Простой способ снизить уровень шума и пульсаций напряжения — это добавить на выходе регулятора простой резистивно-конденсаторный фильтр. Для выходных токов 100 мА или меньше резистор 10 Ом и конденсатор на 1000 мкФ уменьшат выходное напряжение на 1 В при 100 мА, но уменьшат пульсации 100 Гц еще на 16 дБ (минимум).Это также уменьшит широкополосный шум. На частоте 1 кГц любой шум регулятора уменьшается на 36 дБ, а на частоте 10 кГц — на 56 дБ. В сочетании с уже и без того низким уровнем шума и пульсации остаточная величина незначительна. Как и следовало ожидать, эту технику можно успешно использовать только при сравнительно небольших токах.

Также можно использовать фильтр, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, но необходимо очень внимательно следить за тем, чтобы частота -3 дБ была значительно ниже частоты пульсаций, иначе вы можете легко получить больше пульсаций вместо меньших! Например, LC-фильтр, состоящий из катушки индуктивности 1 мГн и конденсатора 1 мФ (1000 мкФ), имеет частоту 159 Гц и увеличит пульсации на 4 дБ.Увеличение индуктивности до 10 мГн приводит к уменьшению пульсаций на 10 дБ, а также к быстрому ослаблению всех частот выше 50 Гц. В идеале катушка индуктивности (или конденсатор) должна быть больше, а любой LC-фильтр чувствителен к импедансу нагрузки и может вызывать переходные колебания при изменении нагрузки — рекомендуется соблюдать особую осторожность!

Многие люди также думают, что добавление большого конденсатора к выходу снизит шум и пульсации. Как отмечалось выше, это не работает. Очевидно, что параллельное включение емкостного реактивного сопротивления более 1 Ом и менее 20 мОм не даст многого.На более высоких частотах выходное сопротивление регулятора будет расти, поэтому емкость от 10 мкФ до 100 мкФ имеет смысл для ограничения ВЧ-шума и обеспечения стабильности регулятора.

Обратите внимание, что LDO (регуляторы с низким падением напряжения) часто имеют строгие критерии стабильности, поэтому я предлагаю вам прочитать статью, в которой рассматриваются эти потенциально сварливые ИС. В основном они ведут себя прилично, но это не гарантируется, если вы не сделаете все правильно.


3.1 — Регулируемые регуляторы IC

LM317 / 337 рекомендуются для замены фиксированных регуляторов и обеспечивают гораздо большую гибкость.Они стабильны и хорошо работают. Самое главное, у них нет вредных привычек, и это важный фактор для любого дизайна. Project 05 является примером двойного регулятора, использующего эти универсальные ИС. При использовании, как показано в проекте, производительность примерно такая же, как у фиксированного регулятора. Это можно улучшить, но для этого потребуется несколько дополнительных деталей. Дополнительные конденсаторы включены в плату Project 05.

Выходное напряжение устанавливается с помощью пары резисторов. Нормальный ток от вывода «Adj» (регулировка) может варьироваться от ~ 50 до 100 мкА, и необходимо обеспечить больший постоянный ток, который, по крайней мере, на порядок больше, чем нормальный ток от этого вывода.Обычно это делается путем добавления резистора между выходом и регулировочным контактом, обычно 100 или 120 Ом. Опорное напряжение номинально 1.25V, но она может варьироваться от 1.2В и 1.3В от одного к другому IC. Предполагая, что 1,25 В, ток через внешний резистор на 100 Ом составляет 12,5 мА, что значительно превышает ток регулировочного контакта. Полная схема подключения показана ниже.

Рисунок 6 — Регулируемый регулятор, показан LM317

Как было отмечено выше, внутреннее опорное напряжение равно 1.25 В, поэтому через R1 проходит 12,5 мА. Мы не можем игнорировать регулировочный штырь ток, так как это будет не более 0,1 м, и, хотя это делает причину небольшой ошибки, это меньше, чем изменение опорного напряжения. Значение R1 довольно важно. Если оно слишком велико, внутренний рабочий ток ИС приведет к увеличению выходного напряжения без нагрузки. Максимальное значение зависит от устройства — отрицательная версия требует меньшего сопротивления. Большинство дизайнеров используют значения от 100 до 220 Ом.Минимальный выходной ток для LM317 составляет около 5 мА или 10 мА для LM337. Использование резисторов на 100 Ом гарантирует стабильный выходной сигнал как для положительных, так и для отрицательных регуляторов.

Значение R2 легко вычислить, потому что мы знаем, что он передает 12,5 мА и всегда будет на 1,25 В меньше выходного напряжения. Следовательно, на выходе 15В получаем …

I R2 = 12,5 мА
В R2 = V ВЫХ — 1,25 = 13,75
R2 = V / I = 13,75 / 12.5 = 1,1 тыс.

Это сильно отличается от формулы, представленной в таблице данных, и хотя процесс немного дольше, по крайней мере, вы можете вспомнить, как это делать, потому что он основан на простой математике (закон Ома), который гораздо легче запомнить, чем формула. Из-за допуск опорного напряжения (1.2 — 1.3V), выходное напряжение фактических может изменяться от 14,4 до 15.6V (± 1%), хотя большинство ИС будут ближе к расчетному значению. Разница напряжений не имеет значения для схем операционных усилителей.Формула, представленная в таблице (ах): …

V ВЫХ = 1,25 × (1 + R2 / R1) + I ADJ × R2

Это учитывает ток регулировочного штыря (обычно 50 мкА), который прибавит около 55 мВ при использовании резисторов 1,1 кОм. В общем, нет смысла стремиться к такому уровню точности, потому что IC представляет собой стабилизатор напряжения , а не прецизионный эталон. Если вам нужна точность, то вы бы использовать ссылку точности напряжения, такие как TL431, LM336, LT1009 или раствора, как описано в SLYT183 — Ссылки Точность напряжения от Texas Instruments.

Назначение D1 такое же, как описано выше — он предотвращает повреждение, подаваемое на выход регулятора. D2 должен разрядить C2. Если этот диод не установлен, регулировочный штифт может на мгновение стать больше, чем выходное значение (например, если выход закорочен), что приведет к повреждению ИС. D3 немного сложнее.

Если вы построите один регулятор, D3 можно не устанавливать. Однако, если вы собираете источник питания с двойной полярностью (например, ± 15 В), D3 должен быть включен (на оба источника).Это защитный диод, который не дает регулятору получить отрицательный выход на выходе, что может вызвать отключение микросхемы … , и она не восстановится! Но как это может случиться? Когда используются два источника питания, неизбежно, что один будет немного быстрее другого. Нагрузки (или другая операционные усилители схема), как правило, использует только соединение заземления (заземление) в качестве эталона, так что мощность обращаются между поставками, а не от каждого источника к земле. Тот, который появляется первым, может принудить выход более медленного регулятора к противоположной полярности, и это может вызвать фиксацию ИС в состоянии отказа, из которого она не может восстановиться.

Это реальная проблема, и диоды (D3 и его противоположный номер на отрицательном питании) должны быть включены. Это можно увидеть на принципиальной схеме Project 05. Еще хуже то, что проблема может быть периодической, и ее трудно отследить, если вы не знаете, что искать.


4 — Повышение тока от регуляторов IC

Совсем не редкость, что вам может потребоваться намного больший выходной ток, чем вы можете получить от микросхемы трехконтактного стабилизатора.Существуют версии TO-3, которые имеют более высокий ток, но этого может быть недостаточно, например, если вы запитываете большой микшерный пульт. Существует очень распространенный трюк, который используется для увеличения выходной мощности, а для положительного регулятора просто требуется добавить один резистор и силовой транзистор PNP. Если вы используете TIP36C (самый доступный и дешевый силовой транзистор, который вы можете получить), его легко получить до 10 А, хотя вам необходимо установить очень хороший радиатор и тщательно управлять входным напряжением, чтобы обеспечить безопасную рабочую зону. не превышено.

Рисунок 7 — Регулируемый регулятор с усилением, использующий LM317 и TIP36C

ИС регулятора будет обеспечивать ток до предела, определенного R3. Когда напряжение на R3 превысит 0,7 В, Q1 и Q2 включатся и подадут столько тока, сколько потребует нагрузка. Входное напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить правильное регулирование при более высоком токе, и крышка основного фильтра также должна иметь соответствующий размер, чтобы минимизировать входные пульсации. Вышеупомянутая схема обычно требует наличия обмотки 20 В RMS на трансформаторе, а диоды также должны выдерживать максимальный непрерывный ток.

Обратите внимание — здесь нет защиты от короткого замыкания, потому что регулятор не сможет отключить добавленные транзисторы в случае неисправности. Вы, , могли бы, , спасти транзисторы, включив предохранитель, как показано, но не рассчитывайте на это. Несмотря на очевидные ограничения, это очень полезная схема, и ее часто предлагают в технических описаниях и примечаниях к применению. В показанной конфигурации и при условии, что на входе 25 В постоянного тока, стабилизатор обеспечивает максимум около 320 мА плюс базовый ток транзисторов, а два TIP36C обеспечивают остальное.Рассеивание Q1 и Q2 составит почти 50 Вт при выходном токе 5 А, поэтому радиатор и монтаж должны быть отличными. Тепловое сопротивление между корпусом и радиатором всего 0,5 ° C / Вт вызовет повышение температуры каждого транзистора на 12,5 ° C, поэтому использование транзисторов с параллельным проходом абсолютно необходимо.

В некоторых примечаниях к применению предлагается использовать транзистор драйвера и транзисторы с параллельным проходом, но это необходимо только в том случае, если регулятор не может обеспечить достаточный ток для обеспечения необходимого тока базы.Если учесть в техническом описании TIP35C / 36C h FE 25, регулятор на 1 А может запитать достаточно транзисторов, чтобы получить выходной ток 25 А. У кого-нибудь есть схема, на которую нужно 10 000 операционных усилителей?


5 — Базовый регулятор тока

«Самый простой» регулятор тока — это просто высоковольтный источник питания и резистор. Например, если у вас есть источник питания постоянного тока 1 кВ и резистор 1 кОм, это даст вам 1 А при нагрузке от нуля до примерно 20 Ом (при регулировке 2%). Хотя концепция проста, реализация совсем не похожа — источник питания 1 кВ при 1 А — это действительно серьезная проблема, и для резистора потребуется номинальная мощность 1000 Вт (1 А при 1 кВ — это 1 кВт).Итак, хотя концепция проста, реализация трудна, дорога и опасна.

В отличие от регулирования напряжения не существует простого диода, который мог бы регулировать ток. «Диоды» регулятора тока существуют, но на самом деле это не диоды — это микросхемы (обычно содержащие полевой транзистор и резистор). Номинальная мощность обычно очень ограничена, и они подходят только для работы с довольно низким током. Любой полевой транзистор с режимом истощения (JFET) можно использовать в качестве простого регулятора тока, но доступный ток будет довольно низким, как и максимальное напряжение.В отличие от стабилитронов, стабильность невелика, и они действительно полезны только там, где точность не требуется. Большинство из них ограничены до ~ 20 мА или около того и при относительно низких напряжениях (<100 В). Рассеиваемая мощность обычно не превышает 500 мВт.

Однако пару транзисторов можно использовать для получения очень точного регулирования тока, а приложенное напряжение ограничивается только напряжением пробоя транзисторов. Максимальный доступный ток в основном определяется безопасной рабочей зоной проходного транзистора.Как и в случае с регулятором напряжения, вам необходимо знать требования перед тем, как начать. Как и в случае со всем электронным, необходимо идти на компромиссы, и вам нужно знать основные параметры, прежде чем переходить к кремнию.


6 — Более продвинутый регулятор тока

Не существует по-настоящему простого регулятора тока, который можно было бы использовать при токе, который может потребоваться для светодиодов — наиболее распространенной нагрузки, которую вы найдете на данный момент. Ток, необходимый для типичных мощных светодиодов, составляет от 350 мА до 700 мА с прямым напряжением ~ 3.5V для каждой серии белых светодиодов. Если у нас есть 5 светодиодов по 1 Вт последовательно, нам потребуется минимальное напряжение 17,5 В (мы будем использовать источник постоянного тока 22 В) при токе 300 мА.

Схема на дискретном транзисторе, использующая дешевый полевой МОП-транзистор, будет работать на удивление хорошо, и ее довольно просто реализовать. У него есть небольшая проблема с термической стабильностью, но мы можем использовать это в своих интересах. Схема показана ниже, и это просто версия очень распространенного источника тока высокой мощности. MOSFET рассеивает чуть больше 1.2 Вт, и эта мощность полностью тратится (радиатор для полевого МОП-транзистора необходим). Тем не менее, это не намного больше, чем мы ожидаем в потерях от импульсного регулятора тока, работающего при том же напряжении и токе, а в некоторых случаях могут быть даже меньше.

D5 (стабилитрон 12 В) не является обязательным и защищает затвор от перенапряжения. Схема регулирования достаточно быстрая, чтобы гарантировать, что напряжение на затворе никогда не будет превышать примерно 6 В, даже если повышение напряжения питания происходит мгновенно.Однако включение стабилитрона обеспечивает защиту затвора, если нагрузка отключена (или становится разомкнутой), или если цепь подключена неправильно (если вы ее построите).

Рисунок 8 — Дискретный источник тока на основе полевого МОП-транзистора

Почему я решил использовать MOSFET, а не биполярный транзистор для Q2? В этом случае все сводится к минимизации потерь тока в базе проходного транзистора, а MOSFET не требует тока затвора. Резистор 10 кОм подает ток коллектора ~ 2 мА на Q1, и это необходимо, чтобы транзистор мог работать и обеспечивать напряжение затвора.Ток контролируется Q1, который включается, когда напряжение на R2 достигает ~ 0,7 В. Когда Q1 включается, Q2 выключается (частично), потому что напряжение затвора уменьшается. Состояние равновесия наступает за считанные микросекунды, и система стабильна. Если изменяется сопротивление нагрузки или входное напряжение, схема будет компенсировать. Если бы компенсация была идеальной, не было бы пульсаций тока через нагрузку — это был бы чистый постоянный ток. Показанная схема генерирует пульсацию на нагрузке примерно 380 мкА (117 мкА, среднеквадратичное значение) при среднем токе 308 мА.

Q1 имеет нормальный отрицательный температурный коэффициент 2 мВ / ° C любого кремниевого транзистора, поэтому, если он нагревается, ток будет падать. Мы можем использовать это, чтобы определить, нагреваются ли светодиоды, и уменьшить ток для компенсации. Если Q1 имеет температуру 50 ° C, ток снижается до 290 мА. Хотя это нельзя считать полным уровнем компенсации, это все же лучше, чем совсем ничего. Эта общая форма линейного регулятора тока может использоваться везде, где вам нужно, чтобы ток оставался постоянным независимо от колебаний нагрузки.Однако вы должны знать о температурной зависимости Q1, потому что она есть, полезна она или нет.

Схема регулятора тока не будет иметь значительных отклонений между нагрузкой от нуля Ом и максимальной (16,7 В, что при 300 мА эквивалентно 55,5 Ом). Его можно использовать с любыми светодиодами мощностью от 1 до 5 по 1 Вт без изменения тока, хотя рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора, естественно, увеличится при использовании менее 5 светодиодов. На самом деле, он настолько хорош, что даже измерить текущее изменение в симуляторе сложно.Однако, если объединенное напряжение на полевом МОП-транзисторе и R2 будет меньше ~ 1,5 В, он больше не сможет обеспечивать номинальный ток.

Схема на Рисунке 8 имеет одну проблему в том, что выходной ток зависит от напряжения питания. Это связано с переменным током через Q1 (через R1). Однако это изменение невелико и становится довольно линейным, если напряжение превышает необходимое для регулирования. Ток варьируется от 308 мА (вход 19 В) до 312 мА (вход 30 В). Это более чем приемлемо, но это можно улучшить, запитав Q1 от источника тока.Это добавляет сложности, которую трудно оправдать, но для некоторых других приложений это может быть требованием.

В схеме, показанной, то «опорное напряжение» является 0.7V, и это просто база-эмиттер напряжение Q1. Чтобы сделать источник тока, который не меняется в зависимости от температуры, необходимо использовать прецизионный эталон с температурной компенсацией. Само собой разумеется, что это добавляет сложности с небольшой выгодой в реальном выражении.


6.1 — Дифференциальное напряжение ввода-вывода

Регулятор тока ничем не отличается от регулятора напряжения в том, что он должен иметь достаточно «запасного» напряжения, чтобы он мог нормально функционировать.В случае схемы, показанной выше, MOSFET почти ничего не требует (около 200 милливольт), а на R2 должно быть напряжение 650-700 мВ. Когда входное напряжение падает ниже этих комбинированных напряжений (около 1 В), либо из-за низкого напряжения в сети, либо из-за слишком высокого напряжения пульсаций, схема больше не может регулироваться. Ток через нагрузку никогда не может быть выше предполагаемого, но он может быть намного ниже при слабом питании или высокой пульсации.

Количество необходимого дополнительного напряжения зависит от схемы, но неразумно ожидать, что схема будет регулировать ток в тесных пределах, если запас по напряжению недостаточен.Если напряжение слишком велико, рассеивание в устройстве последовательного прохода увеличивается и энергия расходуется в виде тепла. Если предполагается, что нагрузка представляет собой резистор, потребляющий тот же ток, что и нормальная нагрузка, закон Ома гласит, что доступное напряжение должно быть на выше, чем необходимое для проталкивания желаемого тока через резистор.

Например, как указано выше, для 5 светодиодов мощностью 1 Вт при 300 мА потребуется напряжение ~ 16,7 В, что эквивалентно резистору на 55,5 Ом. Мгновенное напряжение питания всегда должно быть не менее 17.7 В, чтобы полевой МОП-транзистор мог снова регулировать ток до 300 мА. Стоит отметить, что со стандартным импульсным источником питания с регулируемым током ситуация не отличается — входное напряжение всегда должно быть больше, чем максимальное напряжение на нагрузке в худшем случае. Понижающие импульсные регуляторы могут изменять свой режим работы в зависимости от входного напряжения.

Импульсный стабилизатор выигрывает, когда входное напряжение намного больше, чем требуется для нагрузки, так как эффективность будет намного выше.При том же токе нагрузки ток от источника питания с импульсным стабилизатором фактически уменьшается с увеличением напряжения питания. С линейным регулятором ток остается прежним, а потери мощности (в виде тепла) увеличиваются. Однако переключение регуляторов выходит за рамки этой статьи.


7 — IC Регулятор тока

ИС общего регулируемого регулятора также могут использоваться в качестве регуляторов тока. В таблицах данных (и ниже) показаны примеры, и они работают достаточно хорошо.Эти схемы опираются на опорном 1.25V напряжения, так что ток чувствительный резистор должен упасть, что напряжение во время нормальной работы ограничителя тока. В отличие от версии, показанной выше, в которой используется чувствительный резистор 2,2 Ом на 300 мА (резистор рассеивает ~ 200 мВт), если вы, например, используете LM317, чувствительный резистор должен быть около 4,2 Ом, а рассеиваемый ток приближается к 400 мВт. Конечно, в этом нет ничего страшного, но это также означает, что на регуляторе требуется немного более высокий перепад напряжения.

Стандартный LM317, используемый в качестве регулятора тока, имеет отличные характеристики.Обратной стороной является то, что эталонное напряжение составляет 1,25 В, в то время как «эталонное» напряжение для дискретной версии, показанной выше, составляет всего 0,7 В. Это означает, что LM317 требует большего запаса по напряжению. Моделирование показывает, что схема, показанная ниже, не будет регулировать ток должным образом, пока входное напряжение не превысит 19,8 В, включая минимальный уровень пульсаций напряжения. C2 используется, чтобы гарантировать, что цепь не колеблется.

Рисунок 9 — LM317 как источник тока

Разницы в опорном напряжении легко видеть, глядя на текущем резисторе — R1 на рисунке 9, и R2 на рисунке 8.В то время как 2,2 Ом достаточно для схемы на Рисунке 8, LM317 требуется резистор 4,15 Ом, который должен быть рассчитан на 1 Вт. LM317 интересует только одно — напряжение на R1. При условии, это напряжение может поддерживаться на уровне внутреннего опорного напряжения (1.25V), выходной ток фиксируется на 300 мА. Ток равен …

I = V REF / R1
I = 1,25 / 4,15 = 301,2 мА

Если у вас есть запасное напряжение, R1 может быть 4,7 Ом, с резистором и подстроечным резистором, включенными параллельно, как показано на рисунке 10.Стеклоочиститель подключается к регулировочной клемме LM317, позволяя изменять ток. Показанная схема позволяет изменять ток от 267 мА до 340 мА с помощью VR1.

Рисунок 10 — LM317 как регулируемый источник тока

Вы можете использовать LM317 как регулируемый регулятор тока до максимально допустимого тока и рассеиваемой мощности. Он далеко не так эффективен, как импульсный стабилизатор тока, но легко собирается на макетной плате или даже на бирках.Его можно использовать для создания прототипов и проверки концепции или даже в качестве автономного тестового источника для управления мощными светодиодами при тестировании радиаторов и схем освещения (например). Как и в схеме на Рисунке 8, ток будет практически одинаковым независимо от количества используемых светодиодов мощностью 1 Вт. Это предполагает, что прямое напряжение светодиодов примерно на 4-5 В меньше, чем напряжение питания.


8 — Отрицательные регуляторы

В этой статье рассматриваются только положительные регуляторы, но отрицательные регуляторы легко сделать с использованием тех же основных схем, но с частями противоположной полярности (обратные стабилитроны, PNP вместо транзисторов NPN и наоборот и т. Д.)). Таким образом, негативные регуляторы не рассматриваются сами по себе. Отрицательный эквивалент регуляторов 78xx — серия 79xx,

Electronics 102 — Lesson 4

На предыдущем уроке мы улучшили усилитель, смоделировали его и продемонстрировали
производительность с использованием SPICE.

В этом уроке мы собираемся разработать регулятор напряжения — сердце любого источника питания.

Потребность в регуляторах напряжения

Назначение регуляторов напряжения — обеспечить стабильное напряжение питания в цепях.
вы проектируете.

Это самые распространенные схемы (каждая электронная система, независимо от ее функции,
есть хотя бы один), и все же ими часто пренебрегают из-за их утилитарности
природа.

Нам нужны регуляторы напряжения, потому что источники первичного питания (например, обычные батареи,
или напряжение переменного тока, которое мы получаем от сетевой розетки) обычно не очень стабильны или нестабильны
достаточно, чтобы гарантировать, что наши схемы работают в пределах своих спецификаций.

Например, напряжение, которое мы получаем от автомобильного аккумулятора, может варьироваться от 14,4 В.
когда двигатель работает и генератор заряжает аккумулятор, и при низком уровне
8 или 9 В при запуске двигателя холодным утром. Потому что может быть положительный
или отрицательные всплески, наложенные на напряжение батареи из-за другого оборудования, большинство
автомобильное оборудование рассчитано на работу с напряжением до 16 В.
Внутри некоторых цепей для правильной работы требуется стабильное напряжение, например
микропроцессор, используемый для управления радио.Большинство микропроцессоров работают от источника питания 3 В или 5 В, которое следует регулировать с точностью до
доли вольт. Например, многие микросхемы, рассчитанные на работу от номинального напряжения 5 В.
требуется, чтобы напряжение оставалось в пределах от 4,5 до 5,5 В.

опорного напряжения

Для работы регуляторам напряжения требуется ссылка. А Напряжение ссылка является частью или
цепь, обеспечивающая стабильное напряжение при выходе за пределы параметров, таких как напряжение питания или
температура варьируется.

Наиболее распространенное опорное напряжение диод Зенера ([1]).
Стабилитрон — это диод, в котором наблюдается лавинный обратный пробой.
оптимизированы и определены количественно, чтобы диод мог безопасно работать в этой области.

Мы можем использовать SwitcherCAD, чтобы проиллюстрировать поведение стабилитрона.

<Зинер-1.png>

Эта простая схема будет использоваться для демонстрации еще одной функции программного обеспечения SPICE.Мы попросим программу развернуть напряжение от источника V1 и построить график напряжения на
стабилитрон в результате.

Создайте схему сейчас, вам не нужно пока вводить какое-либо значение в Source V1.
Не беспокойтесь о заявлении .DC внизу схемы,
это просто строка текста, которую я поместил туда для справки.
Когда вы закончите создание схемы, нажмите Simulate-> Edit Simulation Cmd.
затем выберите «Развертка по постоянному току».

Введите следующие значения:

  • Название 1-го источника для проверки: V1
  • Тип развертки: линейный
  • Начальное значение: -4
  • Стоп-значение: 16
  • Приращение: 0.1

Нажмите «ОК», затем «Выполнить» и выберите «V (вывод)» в окне графика.

У вас должен получиться такой сюжет:

<Зинер-2.png>

Мы можем заметить, что в диапазоне от -0,5 до примерно 6 В выходной сигнал
напряжение следует за входным напряжением. Ниже этого стабилитрон становится вперед
смещен, а напряжение на нем составляет от -0,5 до -0,6 В, просто
вроде обычный диод.

При напряжениях источника выше примерно 6 В стабилитрон начинает проводить
ток и напряжение на нем около 6.2 В, что является номинальным
Напряжение стабилитрона для этой части.

Область отрицательного напряжения интересна тем, что показывает, что
Стабилитрон похож на настоящий диод, когда он смещен в прямом направлении.
Однако мы не собираемся использовать стабилитрон в этой области.

Самая интересная часть — это область обратного смещения (когда напряжения от V1 равны
положительный). Эффект Зенера обеспечивает напряжение около 6,2 В, что вполне
стабильно по сравнению с напряжением источника.

Чтобы выяснить, насколько стабильна, давайте повторно запустим симуляцию, но с поиском источника
между 8 и 18 В.

<Зинер-3.png>

Изменение выходного напряжения по сравнению с изменением входного напряжения, которое вызвало
он называется Line Rules .

Регулировка линии = треугольник (V на выходе ) / треугольник (V на )

В этом случае изменение выходного напряжения при вводе
изменение напряжения с 14 до 16 В (изменение на 2 В) составляет 20 мВ, поэтому
Стабилизация линии между 14 и 16 В составляет 1%.

Если бы мы заменили источник V1 автомобильным аккумулятором, мы бы
ожидайте, что регулируемое напряжение стабилитрона будет варьироваться от 6,24 до 6,38 В, а
напряжение батареи изменяется с 8 до 16 В, что является значительным улучшением.

Давайте посмотрим, как влияет температура, добавив оператор .STEP к
моделирование.

Щелкните значок текста и введите в текстовое поле следующее:
«.STEP TEMP LIST 0 25 50», затем нажмите «Директива», «ОК» и запустите
снова симуляция.

<Зинер-4.png>

Теперь общее изменение составляет от 6,24 до 6,39 Вольт, все еще отлично.

Шунтирующие регуляторы

Этот тип схемы называется шунтирующим регулятором , потому что регулирующий
элемент находится параллельно (а не последовательно) с нагрузкой. Пока наши
схема не показывает нагрузку (пока), нагрузка питается от любой цепи
от регулируемого напряжения, поэтому они будут подключены параллельно
с стабилитроном.

Особенность шунтирующего регулятора, которая может быть преимуществом или неудобством
в зависимости от того, где и как используется схема, шунтирующий регулятор тянет
постоянный ток от источника. Ток, взятый из источника, является
ток, протекающий через последовательный резистор. Поскольку текущий ток
через последовательный резистор зависит только от напряжения источника,
Напряжение стабилитрона и номинал резистора постоянны, пока
напряжение источника постоянно и не зависит от тока нагрузки.

Преимущество заключается в том, что ток источника не зависит от тока нагрузки.

Недостаток — очень низкий КПД схемы при
малые токи нагрузки, поэтому схема не оптимизирована для работы от батареи.

Трудно представить более простую схему, она состоит всего из двух основных компонентов.

С другой стороны, доступный ток ограничен.
Посмотрим, какой ток мы можем получить от этой схемы.

Расчет максимального тока нагрузки

В этой модифицированной схеме я добавил резистор R2, чтобы представить схему, которая будет
использовать опорное напряжение. Резистор пока не имеет значения, он нужен для пояснения сути.
Этот резистор составляет нагрузку и потребляет определенное количество тока.
Нам нужно убедиться, что регулятор может обеспечивать ток, необходимый для цепи.
представлен резистором R2.

<Зенера-5.png >>

Ток, проходящий через D1 и R2, должен исходить от резистора R1, поэтому ток
ток через R1 будет делиться между R2 и стабилитроном.

Я R1 = Я D1 + Я R2

В нашей примерной схеме, когда напряжение источника равно 12 В, напряжение на стабилитроне равно
6,34 В, поэтому напряжение на резисторе R1 составляет 5,66 В, значит, ток в резисторе
будет 5,66 / 1000, или 5,66 мА.

По мере уменьшения значения R2 ток через него будет увеличиваться, а ток
через D1 уменьшится на такую ​​же величину.

Если ток нагрузки (ток через R2) приближается к 5,66 мА, стабилитрон
будет голодать (ток через него будет очень низким или нулевым), и он не будет
работа по регулированию напряжения. Давайте узнаем, сколько тока мы можем пропустить
D1, посмотрев спецификацию.

Чтобы просмотреть весь документ, щелкните изображение.

Из раздела «Максимальные характеристики» спецификации видно, что максимальная мощность
рассеивание при использовании обычных материалов для печатной платы, например FR-4, и при температуре окружающей среды 25 ° C
составляет 225 мВт. Нам известно напряжение стабилитрона, поэтому легко рассчитать, какой ток мы можем приложить к детали.

I макс = P макс / V стабилитрон

В этом случае максимальный ток равен 0.225 / 6,2 = 0,036 А или 36 мА.

Если вы прочитаете примечания в листе технических данных, вы увидите, что 225 мВт — это
абсолютный максимальный рейтинг при температуре окружающей среды 25 ° C. В паспорте также приведены
вы можете определить тепловое сопротивление и номинальные характеристики для температур выше 25 градусов.

Не вдаваясь в детали этих расчетов прямо сейчас, хороший
практика проектирования заключается в ограничении максимального тока в нашей цепи до не более
более 50% от абсолютного максимума рейтинга.Это 18 мА.

Если наша схема такова, что ток нагрузки может изменяться от нуля до некоторого значения,
мы должны убедиться, что через R1 проходит не более 18 мА.

При выбранном нами (несколько произвольно) значении R1 мы достигнем 18 мА.
когда напряжение от V1 составляет 6,2 + (1000 * 0,018) = 24,2 В, где 6,2 — это
номинальное напряжение стабилитрона, а (1000 * 0,018) — это напряжение, которое нам нужно приложить
через R1, чтобы через него протекал ток 18 мА.Итак, похоже, у нас есть
довольно небольшой запас прочности относительно максимальной рассеиваемой мощности в стабилитроне.

Теперь нам нужно рассмотреть, что происходит при минимальном напряжении питания.
На примере автомагнитолы минимальное напряжение от аккумулятора может
быть всего 8 В. При напряжении питания 8 В ток через R1 будет
только:

I R1 = (V источник — V Zener ) / R1

Это равняется 1.8 мА.

Итак, если эта схема использовалась в автомобильном радиоприемнике для обеспечения регулируемого напряжения 6,2 В
некоторые чувствительные схемы, мы можем потреблять до 1,8 мА без потери регулирования,
и не рискуя взорвать стабилитрон при максимальном напряжении батареи.

На практике, точно так же, как мы снижали максимальный ток, мы не хотели бы
полностью заморозить стабилитрон и убедиться, что напряжение остается в норме,
мы должны поддерживать минимальный ток в стабилитроне.В таблице данных перечислены
напряжение стабилитрона для 3 значений тока 1, 5 и 20 мА, поэтому пока оно
допустимо интерполировать между данными значениями, менее рекомендуется
используйте часть за пределами указанного диапазона значений, поэтому мы должны сохранить минимум
1 мА хоть стабилитрон, чтобы он работал нормально.

Это означает, что у нас есть доступный ток нагрузки до 0,8 мА.

Получение большей силы тока с помощью регулятора прохода серии

Что делать, если 0.8 мА мало?

Что ж, мы могли либо:

  1. Уменьшите значение R1. Мы видели, что при текущем значении 1 кОм
    мы не сможем достичь безопасного максимального рассеивания мощности, пока напряжение питания
    составляет 24,2 В. Мы можем уменьшить значение R1, чтобы максимально безопасная мощность
    рассеяние достигается при 18 В, что является максимальным напряжением питания, которое мы
    нужно проектировать для.
  2. Измените схему с использованием стабилитрона более высокой мощности (и уменьшите
    значение резистора R1, чтобы через него протекал больший ток), или
  3. Добавьте усилитель тока, используя один или несколько транзисторов.

Решение 1 легко реализовать и недорого, но оно не дает многого.
улучшения. В этом случае максимальный ток стабилитрона 18 мА, это
также максимально возможный ток нагрузки.

В общем, решение 2 не имеет особого смысла, потому что стабилитрон большей мощности
получить сложнее, и цепь быстро потратит много энергии.
В связи с тенденцией к оборудованию с батарейным питанием важно знать
решения, которые не тратят впустую энергию или минимум, необходимый для выполнения функции.

Решение 3 немного сложнее, но предлагает большую гибкость и больше
эффективный.

Итак, попробуем решение 3.

Есть хорошо известная схема, выполняющая нужную нам функцию, поэтому
без лишних слов, вот оно:

<Регулятор-1.png>

Вы должны сразу заметить пару вещей. У нас появился новый символ SPICE I1,
который является текущим источником.Теперь вы знакомы с источником напряжения,
например, V1 в этой схеме. Источник напряжения запрограммирован на напряжение
и обеспечивает это напряжение независимо от того, какой ток нам нужен. Это
красота SPICE, не имеющая ограничений реального железа 🙂

Точно так же источник тока будет генерировать любое напряжение, необходимое для
количество тока, которое мы запросили.

Вы можете выбрать текущий источник из меню Component, просто найдите и
нажмите на «текущий».

Источники тока не так интуитивно понятны, как источники напряжения, поэтому не беспокойтесь
если концепция кажется странной. Просто следите за тем, что мы будем делать с этим и снова
раз он станет вам знакомым.

Еще одна вещь, которую вы могли заметить, если действительно наблюдательны, — это то, что мы
есть стабилитрон с каталожным номером BZX84C5V6L, которого не было в библиотеке.

Я сжульничал. Я хотел продемонстрировать хорошо известную схему, которая представляет собой стабилизатор на 5 В.Предыдущая схема представляла собой стабилизатор на 6,2 В, которого было достаточно для этой цели.
упражнения, используется редко. 5 В — гораздо более распространенное напряжение, а
Стабилитрон 5,6 В часто используется в схеме, подобной той, которую я только что описал.
Но в библиотеке SwitcherCAD не было стабилитрона на 5,6 В.

Если вы обратитесь к спецификации Motorola (полный документ в формате pdf, а не
отрывок выше), вы увидите, что некоторые номера деталей выделены жирным шрифтом. В примечании указано
что эти номера деталей предпочтительно , что означает, что они гораздо более вероятны
быть в наличии.Часть 5,6 В выделена жирным шрифтом, поэтому разумно предположить, что она должна
были в библиотеке. Учитывая, сколько мы заплатили за SwitcherCAD, мы
Простите Linear Technology за то, что она не включила все возможные номера деталей.

Так как же мне получить стабилитрон 5,6 В в SwitcherCAD?

Я открыл файл библиотеки диодов, C: \ Program Files \ LTC \ SwCADIII \ lib \ cmp \ standard.dio
в текстовом редакторе и добавил BZX84C5V6L следующим образом:

.модель BZX84C5V6L D (Is = 1,66n Rs = 0,5 Cjo = 205p nbv = 3 bv = 5,6 Ibv = 1 м Vpk = 5,6 mfg = Тип двигателя = стабилитрон)
 

Вы можете вырезать и вставить всю строку. Я поместил его прямо над частью BZX84C6V2L в файле.
Обратите внимание, что эта модель, вероятно, не так хороша, как другие. Это подходит для
приведенный ниже пример, но он может не подходить для более сложного моделирования.
Поэтому, когда вы закончите курс, вы можете удалить модель из библиотеки.

Мне пришлось закрыть и снова открыть SwitcherCAD, потому что программа явно читает библиотеки
при запуске программы и после того, как я изменил файл, она не перезагружала его автоматически.

Хорошо, хватит библиотеки SwitcherCAD, транзистор, который мы добавили к шунтирующему стабилизатору,
в конфигурации, известной как Emitter-Follower . Это означает, что напряжение на
эмиттер следует за напряжением на базе (с небольшим смещением обычно от 0,6 до 0,7 В).
Коэффициент усиления по напряжению такой схемы чуть меньше 1.

Таким образом, если напряжение базы поддерживается на уровне 5,6 В, напряжение на эмиттере будет
быть примерно от 4,9 до 5.0 Вольт.

Прежде чем двигаться дальше, убедитесь, что вы запрограммировали V1 как источник напряжения 12 В.

Чтобы сделать симуляцию более интересной, мы проведем развертку постоянного тока по току.

Нажмите Simulate-> Edit Simulation Cmd и выберите DC sweep .
Введите значения следующим образом:

  • Название 1-го источника для анализа: I1
  • Тип развертки: линейный
  • Начальное значение: 0
  • Стоп-значение 0.1
  • Приращение: 0,001

Нажмите OK, затем нажмите кнопку «Выполнить», чтобы начать моделирование. Выберите V (выход).
У вас должно получиться что-то вроде этого:

<Регулятор-2.png >>

Изменение выходного напряжения по сравнению с изменением выходного тока, которое вызвало
он называется Нормы нагрузки . Обычно его измеряют, когда выходной ток
изменяется в определенном указанном диапазоне, например от 50% до 100%.

Регулировка нагрузки выражается в процентах от выходного напряжения или в абсолютном значении.

Если мы выразим это как изменение напряжения по сравнению с изменением тока, которое вызвало
он будет называться Выходное сопротивление , поскольку значение сопротивления равно
равным отношению напряжения на нем к току через него.

Регулировка нагрузки = дельта (В на выходе ) / Среднее В на выходе

Выходное сопротивление = Дельта (В из ) / Дельта (I из )

В этом случае изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки
от 50 до 100 мА составляет 40 мВ, поэтому выходное сопротивление равно.04 / 0,05 = 0,8 Ом
для изменения тока нагрузки на 50%.

Регулировка нагрузки составляет 0,04 / 4,92 = 0,81%.

Обратите внимание, как напряжение быстро нарастает при малых токах (ниже нескольких мА).
Это связано с тем, что при очень малом токе нагрузки базовый ток,
который равен = ток нагрузки / Hfe, настолько мал, что базовое напряжение
необходимое для его создания становится очень маленьким, намного ниже типичного
От 0,6 до 0,7 В.

Я добавил резистор R2 (100 кОм), чтобы обеспечить минимальный ток нагрузки.
и без этого резистора напряжение на свету
текущие значения I1.Например, вы можете попробовать изменить R2 на 1000k
(1 МОм).

На практике, если бы схема действительно работала до такой низкой
токи, неплохо было бы немного уменьшить значение R2
для уменьшения роста напряжения при малых нагрузках.

С другой стороны, обратите внимание, что эта схема теперь выдает 100 мА, пока
поддержание регулирования между 4,85 и 5,05 В для токов примерно между
5 мА и 100 мА.

Это было бы идеально для работы с большинством микропроцессоров с питанием 5 В.

Подавление пульсации

Подавление пульсаций — еще одна мера способности регулятора отклонять
Колебания напряжения в сети. Тем не менее, линейное регулирование, определенное выше, измеряется
при статических (медленно меняющихся) изменениях входного напряжения, где подавление пульсаций
измеряется при быстро меняющемся входном напряжении, обычно при частоте сети (60 Гц)
или это вторая гармоника (120 Гц).

Если бы мы использовали настоящие инструменты, мы бы измерили отклонение пульсации
наложение небольшого переменного напряжения на входное постоянное напряжение, затем измерение
амплитуда того же сигнала на выходе регулятора и вычислителя
Соотношение.
Например, мы можем подать пиковое напряжение 1 В переменного тока (2 В размах), потому что это хорошо
в пределах диапазона регулирования регулятора и производит расчеты
Полегче.

Мы можем использовать ту же технику со Spice, хотя Spice предлагает другой
метод, который мы изучим на следующем уроке.Для удобства замерим
подавление пульсаций на частоте 1 кГц.

Установите источник тока I1 на фиксированное значение 50 мА, установите источник напряжения V1 на
быть источником SINE со смещением 12 В постоянного тока, амплитудой 1 В и частотой 1 кГц, тогда
отредактируйте команду моделирования следующим образом:

  • Анализ переходных процессов
  • Время остановки: 5 мс
  • Время начала сохранения данных: 0

Затем вернитесь к схеме, щелкните директиву «; DC» и оставьте комментарий (это
должен стать синим), запустите моделирование и отобразите выходное напряжение.

Вот график пульсаций на выходе (обратите внимание на шкалу напряжения):

<Регулятор-3.png

Это график, показывающий входное напряжение и выходное напряжение в одном масштабе,
Так легче оценить уменьшение пульсации:

<Регулятор-4.png

График показывает, что при питании цепи от источника пульсации 2 В (размах)
(мы устанавливаем источник на 12 В постоянного тока с наложенным на него пиковым сигналом 1 В, вы можете
используйте курсор для проверки), он обеспечивает регулируемый выход с пульсацией около 30 мВ размах.

Упражнения

  1. Какой ток мы можем потребить от регулятора, прежде чем регулирование станет действительно плохим?
    (вы можете использовать SwitcherCAD для экспериментов).

    Какие факторы ограничивают увеличение тока?
  2. Постройте напряжение на базе транзистора на том же графике, что и
    выходное напряжение, чтобы увидеть разницу. Объясните разницу.
  3. Вычислите коэффициент подавления пульсаций в дБ. Поскольку пульсация измеряется в
    Вольты, а не ватты, уравнение составляет 20 * log (V2 / V1).
  4. Постройте график температурных изменений выходного напряжения при 25, 50 и 75 градусов C.

Щелкните здесь, чтобы увидеть ответы.

Выводы этого урока

  • Мы установили, что регуляторы напряжения являются необходимой частью большинства
    современные электронные схемы.
  • регуляторов напряжения нужен источник опорного напряжения, как правило, диод Зенера.
  • Регуляторы напряжения характеризуются их линейным регулированием и регулированием нагрузки,
    характеристики подавления пульсаций и температурной стабильности.
  • Мы узнали, как использовать SPICE для получения этих значений.

В следующих уроках мы усовершенствуем стабилизатор напряжения с каскадом усиления.
отдельно от силового каскада.

Ссылки

  1. Стабилитрон
  2. .

% PDF-1.6
%
1492 0 объект
>
endobj

xref
1492 90
0000000016 00000 н.
0000008142 00000 п.
0000008262 00000 н.
0000008300 00000 н.
0000008833 00000 н.
0000009042 00000 н.
0000009181 00000 п.
0000009320 00000 н.
0000009459 00000 н.
0000009598 00000 н.
0000009737 00000 н.
0000009875 00000 н.
0000010014 00000 п.
0000010153 00000 п.
0000010292 00000 п.
0000010431 00000 п.
0000010569 00000 п.
0000010708 00000 п.
0000010847 00000 п.
0000010986 00000 п.
0000011125 00000 п.
0000011264 00000 п.
0000011403 00000 п.
0000011542 00000 п.
0000011681 00000 п.
0000011819 00000 п.
0000011958 00000 п.
0000012232 00000 п.
0000012413 00000 п.
0000012528 00000 п.
0000012641 00000 п.
0000012979 00000 п.
0000013346 00000 п.
0000014123 00000 п.
0000014701 00000 п.
0000015348 00000 п.
0000015769 00000 п.
0000016024 00000 п.
0000016699 00000 п.
0000017265 00000 п.
0000017842 00000 п.
0000018204 00000 п.
0000018339 00000 п.
0000019039 00000 п.
0000019816 00000 п.
0000020441 00000 п.
0000020531 00000 п.
0000020807 00000 п.
0000021121 00000 п.
0000022014 00000 н.
0000022167 00000 п.
0000023195 00000 п.
0000023582 00000 п.
0000024029 00000 п.
0000024409 00000 п.
0000026221 00000 п.
0000026618 00000 п.
0000027865 00000 н.
0000028122 00000 п.
0000028448 00000 п.
0000056232 00000 п.
0000061589 00000 п.
0000061960 00000 п.
0000062341 00000 п.
0000065033 00000 п.
0000065366 00000 п.
0000065682 00000 п.
0000072096 00000 п.
0000072545 00000 п.
0000072616 00000 п.
0000072676 00000 п.
0000072735 00000 п.
0000072802 00000 п.
0000072867 00000 п.
0000072931 00000 п.
0000072984 00000 п.
0000073037 00000 п.
0000073102 00000 п.
0000073165 00000 п.
0000073227 00000 н.
0000073308 00000 п.
0000073397 00000 п.
0000073474 00000 п.
0000073534 00000 п.
0000073595 00000 п.
0000073659 00000 п.
0000073720 00000 п.
0000073786 00000 п.
0000073846 00000 п.
0000002096 00000 н.
трейлер
] >>
startxref
0
%% EOF

1581 0 объект
> поток
xZkXSW ;; ̍ $ HBDP $ գ) jbE «t) Zh; D (* ړ Rl; L: ‘T: R3I9yϳ {g ~ ڈ ~ A {2vqG 𣄣 Flh a2-%` ЩM8npLŨ | Qq [22Q
4S8 ~ UEPZ

Регулируемые источники питания

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Разберитесь в принципах работы шунтирующих регуляторов.
  • • Регулирующее действие стабилитрона.
  • • Работа основной цепи шунтирующего регулятора.
  • • Рассчитайте значения компонентов для основной цепи шунтирующего регулятора.
  • Признайте ограничения базового регулятора шунта.
  • Узнайте о методах увеличения номинального тока.
  • Распознать каскадные методы для улучшения регулирования линии.

Базовые схемы шунтирующего регулятора

Фиг.2.1.1 Регулятор Basic Shunt

Шунтирующие регуляторы

широко используются, потому что они дешевы, эффективны и просты. Однако необычно найти шунтирующий стабилизатор, используемый в качестве основной регулирующей цепи в большом источнике питания. Шунтирующее регулирование действительно подходит, по разумной цене, только для относительно небольших токов и диапазона фиксированных, обычно довольно низких напряжений. Это происходит из-за недостатка шунтирующего регулирования, заключающегося в том, что в дополнение к току нагрузки всегда должен протекать регулирующий ток (протекающий через стабилитрон).При больших токах это расточительное использование энергии.

Базовая схема шунтирующего регулятора показана на рис. 2.1.1 и состоит всего из двух компонентов; последовательный резистор R S , подающий ток на стабилитрон, который подключен с обратной полярностью) через нагрузку.

Стабилитрон.

Рис. 2.1.2 Характеристическая кривая стабилитрона

Основным свойством стабилитрона является то, что напряжение на диоде (V Z ) будет оставаться практически постоянным в широком диапазоне тока (I Z ), когда диод работает в режиме обратного смещения, как показано на Рис.2.0.1.

Рис. 2.1.2 иллюстрирует характеристическую кривую стабилитрона, где рабочая область (показанная зеленым цветом) стабилитрона представляет собой диапазон тока на почти вертикальной области пробоя кривой.

При условии, что обратный ток поддерживается на уровне выше примерно 1–2 мА (избегая «излома» обратной характеристики) и не превышает безопасный рабочий ток для этого конкретного типа диода, обратное напряжение изменяется очень мало. Именно этот эффект используется для получения необходимого регулирующего эффекта.

Во время работы источника питания могут возникнуть два условия для изменения выходного напряжения;

а. Ток нагрузки может отличаться.

г. Напряжение питания может отличаться.

Схема устроена так, что полный ток питания I S складывается из выходного тока нагрузки I OUT плюс тока стабилитрона I Z :

I S = I Z + I ВЫХ

При условии, что стабилитрон работает в допустимом диапазоне тока, напряжение V Z будет оставаться практически постоянным, отклоняясь лишь на очень небольшую величину (δV).

Регуляторы точки нагрузки

Рис. 2.1.3 Регуляторы точки нагрузки

Самый распространенный метод использования этих базовых стабилитронов — это система регулирования «точки нагрузки». В этом методе используется ряд стабилизаторов с фиксированным напряжением и относительно низким током в различных точках питаемой цепи. В этом случае в блоке питания можно использовать относительно неэффективный главный регулятор, поскольку каждая секция схемы имеет свой собственный регулятор. Например, для многих сложных схем требуются разные уровни напряжения для различных электрических и электромеханических частей.Каждый может иметь собственное регулируемое снабжение, например 9 В, 5 В или 3,3 В, используя шунтирующие регуляторы «точка нагрузки», питаемые от единого общего источника питания, как показано на рис. 2.1.3. Каждый из стабилизаторов напряжения обычно размещается как можно ближе к питающей цепи, насколько это физически возможно, и имеет дополнительные разделительные конденсаторы для уменьшения любого шума или перекрестных помех между отдельными линиями питания.

Изменения тока нагрузки

Если ток в нагрузке Iout имеет тенденцию к падению, напряжение на нагрузке будет иметь тенденцию к увеличению, но поскольку он подключен параллельно диоду, напряжение останется постоянным.Что изменится, так это ток (I Z ) через диод. Это повысится на величину, равную падению тока в нагрузке. Полный ток питания I S всегда равен I Z + I OUT . Увеличение тока нагрузки I OUT также вызовет падение тока стабилитрона I Z , снова сохраняя V Z и выходное напряжение постоянными.

Колебания входного напряжения

Если входное напряжение возрастает, в цепь будет протекать больший ток питания I S .Без стабилитронного шунтирующего регулятора это привело бы к увеличению выходного напряжения Vout, но любая тенденция к повышению V OUT просто приведет к тому, что диод будет проводить более сильную проводимость, поглощая дополнительный ток питания без какого-либо увеличения V . Z , таким образом, поддерживает постоянное выходное напряжение. Падение входного напряжения также приведет к уменьшению тока стабилитрона, снова поддерживая постоянное напряжение V OUT .

Ограничения

Этот простой шунтирующий регулятор подходит только для относительно небольших токов и фиксированного диапазона напряжений.Есть ряд ограничений на использование этой схемы:

Выходное напряжение:

Выходное напряжение равно напряжению стабилитрона диода и поэтому фиксируется на одном из доступных уровней напряжения.

Выходной ток:

Если выходной ток по какой-либо причине упадет до нуля (нагрузка может стать разомкнутой из-за неисправности или отключиться от источника питания), весь ток нагрузки должен пройти через стабилитрон. Поэтому максимальный ток, доступный для нагрузки, не должен быть больше, чем максимальный безопасный ток для одного стабилитрона.

Входное напряжение:

Входное напряжение должно быть выше (обычно примерно на 30%), чем выходное напряжение, чтобы можно было регулировать. Однако он не должен быть слишком высоким, так как это приведет к увеличению мощности, рассеиваемой диодом.

Рассеиваемая мощность:

Мощность, рассеиваемая диодом, должна находиться в безопасных рабочих пределах для выбранного устройства. Максимальная мощность будет рассеиваться, если позволить нагрузке разомкнуться, когда входное напряжение находится на максимальном значении.Этот «наихудший случай» не должен превышать максимальную номинальную мощность диода.

Вышеупомянутые ограничения управляются подходящим выбором стабилитрона и последовательного резистора R S . Конструкция простых схем регулятора довольно проста, если выполнить несколько простых шагов:

1. Определитесь с стабилитроном необходимого напряжения.

2. Выберите диод, максимальный ток которого по крайней мере соответствует, а предпочтительно превышает максимальный ток, необходимый для нагрузки.

Примечание. Номинальные значения стабилитронов обычно указывают максимальную рассеиваемую мощность, а не ток, поэтому вам нужно будет рассчитать номинальный ток на основе мощности и напряжения, указанных для устройства.

3. Определите наивысшее возможное напряжение на входе питания. (V IN макс )

4. Рассчитайте номинал подходящего последовательного резистора R S по формуле:

Где:

В IN max = наиболее вероятное входное напряжение.

В Z = напряжение стабилитрона

I OUT max = максимальный выходной ток.

I Z min = минимальный ток, при котором стабилитрон будет работать (скажем, от 1 до 2 мА).

5. Рассчитайте мощность, рассеиваемую в последовательном резисторе (R S ) по формуле:

Мощность, рассеиваемая R S = V R x I IN

Примечание. При расчете номинальной мощности и сопротивления ваши ответы, вероятно, не будут точно соответствовать коммерчески доступным предпочтительным значениям.Поэтому выберите ближайшее предпочтительное значение, а затем введите это значение в свои расчеты, чтобы убедиться, что схема будет правильно работать с предпочтительным значением. Тогда вы сможете процитировать:

Подходящее номинал резистора и его номинальная мощность, а также подходящий номер типа стабилитрона.

Пример:

Рис. 2.1.4 Пример

Разработайте простой стабилитрон (см. Рис. 2.1.4) шунтирующего стабилизатора со следующими характеристиками:

Требуемый максимальный ток нагрузки.100 мА

Выходное напряжение. 12 В

Входное напряжение. 15 В номинальное, 16 В макс.

При минимальном токе стабилитрона 1 мА

Проблема решается за 4 шага.

1. Найдите значение для R S

R S должен обеспечивать достаточный ток, чтобы поддерживать I Z на уровне или чуть выше 1 мА, когда стабилитрон пропускает свой минимальный ток.

Как общий ток цепи I IN = I OUT + I Z

Минимальный ток стабилитрона будет иметь место, когда входное напряжение (V IN ) имеет минимальное значение, а ток нагрузки (I OUT ) — максимальное значение.

В этих условиях ток (I IN ), протекающий через R S , будет I OUT max + I Z min

Что составляет 100 мА + 1 мА = 101 мА

As R = V / I и напряжение на R S = V IN мин — V Z

Тогда R S = (V IN мин — V Z ) / I IN = (15-12) / 101exp -3 = 29,7 Ом

Следовательно, практическое значение для R S будет следующим наименьшим предпочтительным значением 27 Ом)

2.Вычислите максимальный ток (I IN max ), который пройдет через R S .

Максимальный ток (I IN max ) будет иметь место, когда V IN находится на максимальном значении нитей, то есть 16V

I IN макс = (V IN макс — V Z ) / R S = (16-12) / 27 = 4/27 = 148 мА

3. Рассчитайте максимальную требуемую мощность для R S

Это произойдет, когда V IN имеет максимальное значение).

(V IN max — V Z ) x I IN max = (16 — 12) x 148exp -3 = 0,592 Вт

Практическая номинальная мощность для R S , следовательно, будет следующей по величине доступной номинальной мощностью = 1 Вт)

4. Рассчитайте максимальную мощность (P Z max ), которая должна рассеиваться стабилитроном.

Это будет мощность, которую стабилитрон должен рассеять, если нагрузка была отключена при максимальном входном напряжении, в результате чего через диод Венера протекает максимальный ток (I IN max ) в 148 мА.

As Power P = I x V, тогда P Z max = I IN max x V Z = 148exp -3 x 12 = 1,776 = прибл. 1,8 Вт

Следовательно, подходящий шунтирующий стабилизатор будет состоять из резистора 27 Ом 1 Вт и стабилитрона 12 В с номинальной мощностью не менее 2 Вт.

Однако интересно сравнить мощность, подаваемую на нагрузку, (12 В x 100 мА) = 1,2 Вт с мощностью, рассеиваемой в шунтирующем стабилизаторе (0,592 Вт в резисторе + 1.776Вт в диоде = 2.368Вт.

Только около 33% общей мощности приходится на нагрузку, причем около 66% рассеивается шунтирующим регулятором!

Поэтому простой шунтирующий стабилизатор на стабилитронах не очень эффективен при работе даже с такими значениями тока. Лучшим вариантом может быть добавление в схему транзистора для обработки больших токов.

Рис. 2.1.5 Транзисторный шунтирующий стабилизатор

Шунтирующие регуляторы большого тока

Ток, который может обрабатывать простой стабилитрон / резисторный шунтирующий стабилизатор, ограничен максимальным номинальным током стабилитрона, но есть способы увеличения максимальной токовой нагрузки шунтирующих стабилизаторов.Один типичный метод показан на рис. 2.1.5, где используется силовой транзистор, способный пропускать эмиттерный ток, намного больший, чем стабилитрон.

Стабилитрон теперь обрабатывает только ток базы транзистора, а основной ток стабилизации I E приблизительно равен току базы транзистора, умноженному на hfe транзистора:

I E = I B (1 + hfe)

Таким образом, регулятор может работать с током I Z (1 + hfe), что позволяет регулятору обеспечивать гораздо большие токи нагрузки.

Обратите внимание, что выходное напряжение больше не равно V Z , а V Z + V BE . Транзистор будет иметь напряжение V BE , как правило, 0,7 В, поэтому для создания стабилизатора 5 В будет выбран стабилитрон на 4,3 В.

Операция

Если ток в нагрузке, подключенной к выходу регулятора, уменьшается, напряжение на правом конце последовательного резистора (R) будет увеличиваться. Когда это происходит, напряжение база-эмиттер транзистора увеличивается на аналогичную величину, поскольку напряжение на стабилитроне постоянно.

Это увеличение напряжения база-эмиттер приведет к тому, что транзистор (Tr1) будет проводить более интенсивно, пока дополнительный ток, потребляемый транзистором, не уравновесит уменьшение тока, потребляемого нагрузкой, поэтому выходное напряжение регулятора возвращается к своему прежнему значению. нормальное значение.

Если ток нагрузки увеличивается, происходит аналогичное действие, но на этот раз происходит снижение базового напряжения Tr1. Это снизит ток через транзистор, тем самым уравновешивая увеличение тока нагрузки.Опять же, выходное напряжение регулятора остается относительно постоянным.

Улучшение линейного регулирования

Рис. 2.1.6 Каскадные шунтирующие регуляторы

Эффективная схема регулятора должна компенсировать колебания входного напряжения, а также изменения выходного напряжения (выходная стабилизация). Эти изменения входного сигнала могут быть вызваны изменениями в питающей сети переменного тока (отсюда и название линейное регулирование) или изменениями на входе выпрямленного постоянного тока в схему регулятора, вызванными изменениями тока, потребляемого другими частями электронной системы, совместно использующими те же поставка.Насколько хорошо работает линейное регулирование, можно определить, сравнив любое изменение выходного напряжения регулятора с изменением входного напряжения регулятора (при условии постоянного тока нагрузки). Это можно выразить как коэффициент регулирования линии и указать в процентах. Например, если входное напряжение регулятора изменяется на ± 2 В, а выходное напряжение изменяется только на ± 0,2 В, коэффициент регулирования линии составляет ± 10%.

На рис. 2.1.6 показано, как можно улучшить линейное регулирование, используя серию стабилитронов, соединенных каскадом, каждый из которых будет иметь более низкое напряжение, чем предыдущий, но при каскадном подключении стабилизаторов общий коэффициент регулирования составляет произведение факторов отдельных цепей.Следовательно, два регулятора, каждый из которых имеет коэффициент регулирования 10% или 0,1, дадут общий коэффициент 0,1 x 0,1 = 0,01 или 1%.

Основы управления солнечным зарядом

| Северная Аризона Wind & Sun

Купите наш выбор контроллеров заряда от солнечных батарей здесь .

Что такое контроллер заряда от солнечных батарей?

Контроллер заряда или регулятор заряда — это в основном регулятор напряжения и / или тока, предназначенный для предотвращения перезарядки аккумуляторов.Он регулирует напряжение и ток, идущие от солнечных панелей к батарее. Большинство панелей «12 вольт» вырабатывают от 16 до 20 вольт, поэтому при отсутствии регулирования батареи будут повреждены из-за перезарядки. Большинству аккумуляторов для полной зарядки требуется от 14 до 14,5 В.

Всегда ли нужен контроллер заряда?

Не всегда, но обычно. Как правило, нет необходимости в контроллере заряда с небольшими частями обслуживания или панелями постоянного заряда, такими как панели от 1 до 5 Вт.Приблизительное правило состоит в том, что если панель выдает около 2 Вт или меньше на каждые 50 ампер-часов батареи, то она вам не нужна.

Например, стандартный залитый аккумулятор для гольф-кара составляет около 210 ампер-часов. Таким образом, чтобы поддерживать серию из них (12 В) только для обслуживания или хранения, вам понадобится панель мощностью около 4,2 Вт. Популярные 5-ваттные панели достаточно близки, и для них не потребуется контроллер. Если вы обслуживаете батареи AGM глубокого разряда, такие как Concorde Sun Xtender, вы можете использовать панель меньшего размера на 2–2 Вт.

Почему панели на 12 вольт — это 17 вольт?

Тогда возникает очевидный вопрос — «почему панели не созданы только для вывода 12 вольт». Причина в том, что если вы это сделаете, панели будут обеспечивать питание только в прохладном, идеальном состоянии и на открытом солнце. В большинстве случаев это не то, на что можно рассчитывать. Панели должны обеспечивать дополнительное напряжение, чтобы, когда солнце низко в небе, или у вас сильная дымка, облачность или высокие температуры *, вы по-прежнему получали некоторую мощность от панели.Полностью заряженная «12-вольтовая» батарея составляет около 12,7 вольт в состоянии покоя (примерно от 13,6 до 14,4 в режиме зарядки), поэтому панель должна выдержать как минимум столько же в худших условиях.

* Вопреки интуиции, солнечные батареи лучше всего работают при более низких температурах. Грубо говоря, панель мощностью 100 Вт при комнатной температуре будет панелью на 83 Вт при температуре 110 градусов.

Подробная информация о контроллерах заряда MPPT.

Контроллер заряда регулирует напряжение на выходе панели от 16 до 20 вольт до уровня, необходимого для батареи в данный момент.Это напряжение будет варьироваться от 10,5 до 14,6, в зависимости от состояния заряда аккумулятора, типа аккумулятора, режима работы контроллера и температуры. (см. полную информацию о напряжениях аккумуляторов в нашем разделе о аккумуляторах).

Использование панелей высокого напряжения (стяжки) с батареями

Почти все фотоэлектрические панели мощностью более 140 Вт НЕ являются стандартными 12-вольтовыми панелями и не могут (или, по крайней мере, не должны) использоваться со стандартными контроллерами заряда. Напряжения на решетчатых панелях довольно сильно различаются, обычно от 21 до 60 вольт или около того.Некоторые из них представляют собой стандартные панели на 24 В, но большинство — нет.

Что происходит при использовании стандартного контроллера

Standard (то есть все, кроме типов MPPT), часто будет работать с панелями высокого напряжения, если не превышено максимальное входное напряжение контроллера заряда. Однако вы потеряете много энергии — от 20 до 60% от того, на что рассчитана ваша панель. Элементы управления зарядкой принимают выходной сигнал панелей и подают ток на батарею до тех пор, пока она не будет полностью заряжена, обычно около 13.От 6 до 14,4 вольт. Панель может выдавать только определенное количество ампер, поэтому, хотя напряжение снижается с, скажем, 33 вольт до 13,6 вольт, амперы с панели не могут превышать номинальный ток — так что с панелью 175 Вт, рассчитанной на 23 в / 7,6 вольт. ампер, вы получите только 7,6 ампер при напряжении 12 вольт или около того. Закон Ома гласит, что ватт — это вольт x ампер, поэтому ваша 175-ваттная панель потребляет только около 90 Вт в батарею.

Использование контроллера MPPT с панелями высокого напряжения

Единственный способ получить полную мощность от солнечных панелей с высоковольтной сеткой — это использовать контроллер MPPT.См. Ссылку выше для получения подробной информации о контроле заряда MPPT. Поскольку большинство элементов управления MPPT могут потреблять до 150 В постоянного тока (некоторые могут быть выше, до 600 В постоянного тока) на стороне входа солнечной панели, вы часто можете последовательно соединить две или более панели высокого напряжения, чтобы уменьшить потери в проводе или использовать провод меньшего размера. . Например, с упомянутой выше 175-ваттной панелью 2 из них последовательно дадут вам 46 вольт при 7,6 ампер на контроллер MPPT, но контроллер преобразует это примерно до 29 ампер при 12 вольт.

Типы контроллеров зарядного устройства

Элементы управления зарядкой бывают всех форм, размеров, функций и цен. Они варьируются от небольшого блока управления на 4,5 А (Sunguard) до программируемых контроллеров MPPT от 60 до 80 А с компьютерным интерфейсом. Часто, если требуются токи более 60 ампер, два или более блока от 40 до 80 ампер подключаются параллельно. Наиболее распространенные элементы управления, используемые для всех систем на батарейках, находятся в диапазоне от 4 до 60 ампер, но некоторые из новых элементов управления MPPT, такие как Outback Power FlexMax, достигают 80 ампер.

Элементы управления зарядкой бывают 3 основных типов (с некоторым перекрытием):

Простые одно- или двухступенчатые блоки управления , которые используют реле или шунтирующие транзисторы для управления напряжением в один или два этапа. По сути, они просто замыкают или отключают солнечную панель при достижении определенного напряжения. Для всех практических целей это динозавры, но некоторые из них все еще встречаются в старых системах, а некоторые из супердешевых продаются в Интернете. Их единственная реальная претензия на славу — это надежность — у них так мало компонентов, что ломаться нечего.

3-ступенчатый и / или ШИМ , например Morningstar, Xantrex, Blue Sky, Steca и многие другие. Сейчас это в значительной степени отраслевой стандарт, но иногда вы все еще будете видеть некоторые из старых типов шунтов / реле, например, в очень дешевых системах, предлагаемых дискаунтерами и массовыми торговцами.

Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT), например, производства Midnite Solar, Xantrex, Outback Power, Morningstar и других. Это лучшие контроллеры с соответствующими ценами, но с эффективностью в диапазоне от 94% до 98% они могут сэкономить значительные деньги на более крупных системах, поскольку они обеспечивают на 10–30% больше энергии для батареи.Для получения дополнительной информации см. Нашу статью о MPPT.

Большинство контроллеров поставляются с каким-либо индикатором: простым светодиодом, серией светодиодов или цифровыми индикаторами. Многие новые модели, такие как Outback Power, Midnite Classic, Morningstar MPPT и другие, теперь имеют встроенные компьютерные интерфейсы для мониторинга и управления. В самых простых обычно есть всего пара маленьких светодиодных ламп, которые показывают, что у вас есть питание и что вы получаете какой-то заряд. Большинство тех, у кого есть счетчики, будут показывать как напряжение, так и ток, исходящий от панелей, и напряжение батареи.Некоторые также показывают, какой ток снимается с клемм НАГРУЗКИ.

Все контроллеры заряда, которые мы имеем в наличии, относятся к трехступенчатому типу PWM и модулям MPPT. (на самом деле «4 ступени» — это своего рода рекламный ажиотаж — раньше это называлось эквалайзером, но кто-то решил, что 4 ступени лучше 3). А сейчас мы даже видим такую, которая разрекламирована как «5-ступенчатая» ….

Что такое выравнивание?

Equalization делает то, что следует из названия, — пытается уравновесить — или делает все элементы в батарее или блоке батарей точно равным зарядом.По сути, это период перезаряда, обычно в диапазоне от 15 до 15,5 вольт. Если у вас некоторые ячейки в цепочке ниже, чем другие, они все будут загружены на полную мощность. В залитых батареях он также выполняет важную функцию перемешивания жидкости в батареях, вызывая пузырьки газа. Конечно, в фургоне или лодке это обычно не имеет для вас большого значения, если вы не стояли на стоянке в течение нескольких месяцев, поскольку обычное движение приведет к тому же. Кроме того, в системах с небольшими панелями или крупногабаритными аккумуляторными системами вам может не хватить тока, чтобы действительно сильно пузыриться.Во многих автономных системах аккумуляторы также можно уравнять с помощью генератора + зарядного устройства.

Что такое ШИМ?

Довольно много регуляторов заряда имеют режим «ШИМ». ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция. ШИМ часто используется как один из методов подзарядки. Вместо постоянного выходного сигнала контроллера он посылает на батарею серию коротких зарядных импульсов — очень быстрое переключение «вкл-выкл». Контроллер постоянно проверяет состояние батареи, чтобы определить, насколько быстро посылать импульсы и какой длины (ширины) они будут.В полностью заряженном аккумуляторе без нагрузки он может просто «тикать» каждые несколько секунд и посылать на аккумулятор короткий импульс. В разряженной батарее импульсы будут очень длинными и почти непрерывными, или контроллер может перейти в режим «полного включения». Контроллер проверяет состояние заряда аккумулятора между импульсами и каждый раз настраивается сам.

Обратной стороной ШИМ является то, что он также может создавать помехи в радиоприемниках и телевизорах из-за генерируемых им резких импульсов. Если у вас проблемы с шумом от вашего контроллера, см. Эту страницу.

Что такое выход «нагрузка» или «отключение при низком напряжении»?

Некоторые контроллеры также имеют выход «LOAD» или LVD, который можно использовать для небольших нагрузок, таких как небольшие приборы и освещение. Преимущество состоит в том, что клеммы нагрузки имеют низковольтный разъединитель, поэтому он отключит все, что подключено к клеммам нагрузки, и не даст батарее разрядиться слишком сильно. Выход НАГРУЗКА часто используется для небольших некритических нагрузок, таких как освещение. Некоторые из них, такие как Schneider Electric C12, также можно использовать в качестве контроллера освещения, чтобы включать свет в темноте, но контроллер освещения Morningstar SLC обычно является лучшим выбором для этого. Не используйте выход LOAD для работы любых инверторов, кроме очень маленьких. Инверторы могут иметь очень высокие импульсные токи и могут привести к выходу контроллера из строя.

Большинство систем не нуждаются в функции LVD — они могут управлять только небольшими нагрузками. В зависимости от номинала контроллера это может быть от 6 до 60 ампер. Вы не можете запустить любой инвертор, кроме самого маленького, с выхода НАГРУЗКА. На некоторых контроллерах, таких как серия Morningstar SS, выход нагрузки может использоваться для управления сверхмощным реле для управления нагрузкой, запуска генератора и т. Д.Выход LOAD или LVD чаще всего используется в RV и удаленных системах, таких как камеры, мониторы и сайты сотовой связи, где нагрузка невелика и сайт не обслуживается.

Какие терминалы «Sense» на моем контроллере?

Некоторые контроллеры заряда имеют пару «сенсорных» клемм. Сенсорные клеммы пропускают очень низкий ток, самое большее около 1/10 миллиампера, поэтому нет падения напряжения. Что он делает, так это «смотрит» на напряжение батареи и сравнивает его с тем, что выдает контроллер.Если есть падение напряжения между контроллером заряда и аккумулятором, это немного повысит выходной сигнал контроллера для компенсации.

Они используются только тогда, когда у вас есть длинный провод между контроллером и аккумулятором. Эти провода не пропускают ток и могут быть довольно маленькими — от 20 до 16 AWG. Мы предпочитаем использовать №16, потому что его нелегко разрезать или случайно раздавить. Они подключаются к клеммам SENSE на контроллере и к тем же клеммам, что и два провода зарядки на конце батареи.

Что такое «Монитор системы батареи»?

Системные мониторы аккумуляторных батарей, такие как Bogart Engineering TriMetric 2025A, не являются контроллерами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *