Стабилизатор напряжения с минимальным падением напряжения – LDO-преобразователи с низким током собственного потребления и малым падением напряжения

Стабилизатор с малым падением — подавление пульсаций напряжения

Одним из важнейших свойств стабилизаторов питания является наименьшее допускаемое напряжение между выходом и входом стабилизатора при наибольшем нагрузочном токе. Он выдает информацию, при какой наименьшей разности напряжений параметры прибора находятся в нормальном состоянии.

Стабилизатор с малым падением

Одним способом повышения КПД линейной настройки является снижение до наименьшего значения падения напряжения регулировочного элемента. Это особенно важно для миниатюрных регуляторов, на которых каждые вспомогательные 50 милливольт падения преобразуются в несколько сотен милливатт теплоты со сложным рассеиванием в небольшом корпусе устройства.

Поэтому для подключения подобных схем многие фирмы предлагают проектировщикам микросхемы с малым падением до 100 милливольт. Хорошие параметры имеет микросхема ST 1L 08 при токовой нагрузке до 0,8 А наименьшее падение на транзисторе имеется около 70 милливольт.

Из заводских стабилизаторов можно отметить те, у которых при снижении нагрузочного тока до наименьшего значения падение снижается до 0,4 милливольта. Для уменьшения шума такие микросхемы снабжены вспомогательным буферным усилителем с клеммой для подключения наружного фильтра емкостью до 0,01 мкФ. К такому фильтру предъявляются наименьшие требования: величина емкости должна быть от 2,2 до 22 мкФ.

Особое внимание необходимо обратить на микросхему LD CL 015. При хороших свойствах и низком падении напряжения это один из стабилизаторов, работающих без конденсаторного фильтра. Это достигается схемой операционного усилителя с запасом по фазе. Однако для улучшения параметров и уменьшения шума на выходе целесообразно установить на выходе и входе прибора емкости около 0,1 мкФ.

Прибор с падением до 0,05 вольт

При подключении разной аппаратуры от аккумуляторов, чаще всего есть необходимость выравнивать напряжение и расходуемый ток. Например, для образования лазера видеопроигрывателя или фонарика на светодиодах. Для решения такой задачи на производстве уже спроектировано несколько микросхем в виде драйверов. Они представляют собой низковольтный преобразователь напряжения с внутренним стабилизатором. Новой разработкой является микросхема LТ 130 8А.

Не снижая преимущества таких драйверов, нужно заметить, что в большом областном городе нет таких микросхем. Можно заказать по высокой стоимости, около 10 евро. Поэтому есть дешевая простая и эффективная схема прибора из одного радио журнала.

Коэффициент стабилизации такого устройства равен 10000. Напряжение на выходе настраиваем сопротивлением 2,4 килома от 2 до 8 вольт. При величине питания на входе ниже выхода, настроечный транзистор открыт, и снижение питания равно нескольким мВ. Если входное напряжение выше выходного, то на стабилитроне оно равно 0,05 вольт. Это становится возможным для питания лазерных и светодиодов от пальчиковых батареек. Даже, меняя нагрузочный ток в интервале от 0 до 0,5 ампера, выходное напряжение изменится только на 1 мВ.

Для такого простого стабилизатора плату не обязательно травить, а можно вырезать специальным ножом. Оно изготавливается из сломанных полотен по железу, затачивается на шлифовальном круге. Затем ручку обматывают для удобства пользования.

Таким резаком можно процарапать дорожки на медной плате.

Плату чистим шлифшкуркой, лудим, припаиваем детали и все готово.

На фотографиях видно, что нет необходимости в травлении платы и ее сверлении.

Такой способ всегда применяется для производства маленьких простых схем. Нет необходимости оснащать радиатором охлаждения мощный транзистор. Он из-за небольшого падения напряжения не нагревается. При настройке обязательно необходимо подключить слабую нагрузку на выход.

Устройство выравнивания питания с малым падением

Наиболее важным свойством обладает стабилизатор с малым падением питания, так же как и на микросхемах, наименее допустимая разность потенциалов выхода и входа при наибольшей токовой нагрузке. Он определяет, при какой наименьшей разности напряжений между выходом и входом все свойства прибора находятся в норме.

• У наиболее распространенных стабилизаторов, выполненных на микросхемах серии М78 наименьшее допускаемое напряжение равно 2 вольта при силе тока 1 ампер.
• Прибор на микросхеме с минимальным напряжением на входе должен выдавать напряжение 7 вольт на выходе. При амплитуде импульсов на выходе прибора доходит до 1 вольта, то величина входного наименьшего напряжения увеличивается до 8 вольт.
• С учетом нестабильности напряжения сети в интервале 10% увеличивается до 8,8 вольт.

В итоге КПД прибора не превзойдет 57%, при значительном токе на выходе микросхема сильно нагреется.

Применение микросхем с низким падением

Хорошим выходом из ситуации является использование таких сборок, как КР 1158 ЕН, или LМ 10 84.

Работа прибора на микросхеме заключается в следующем:

• Малых значений напряжения можно достичь, применяя для регулировки мощный полевик.
• Транзистор работает в положительной линии.
• Использование стабилизатора с n-каналом предполагается по испытаниям: такие полупроводники не склонны к самовозбуждению.
• Сопротивление открытой цепи ниже, по сравнению с p-канальным.
• Транзистором управляет параллельный стабилизатор.
• Для открытия полевого транзистора, напряжение на затворе доводят на 2,5 вольта выше истока.

Такой вспомогательный источник необходим, если у него напряжение на выходе выше напряжения стока полевого транзистора на это значение.

ostabilizatore.ru

LDO линейный стабилизатор напряжения с низким падением

Аббревиатура LDO применительно к стабилизаторам или регуляторам напряжения расшифровывается как: “low drop out” или по-русски низкое падение на выходе. И это означает что чтобы получить требуемое напряжение на выходе стабилизатора входное напряжение должно не превышать выходное. Например в широко распространенном LDO стабилизаторе LM1117 для нормального функционирования стабилизатора достаточно падения в 1,2В.

Что позволяет сделать применение стабилизаторов с низким падением напряжения?
Например:

• максимально снизить нижнюю границу диапазона работы устройства при питании от аккумуляторных батарей,
• увеличить КПД блока питания в составе которого он трудиться,
• обойтись без громоздких индуктивностей при фильтрации пульсаций напряжения (активный фильтр).

Как я уже писал, LM1117 считается стабилизатором с низким падением напряжения, с величиной этого самого падения в 1,2В. Я подумал, зачем такое относительно большое напряжение терять, ведь это удвоенное напряжение на p-n переходе транзистора из кремния? Почему бы не использовать полевой транзистор: в открытом состоянии канал полевого транзистора представляем собой лишь небольшое активное сопротивление.

Погуглив я нашел схемы где регулирование осуществляется полевым транзистором с n-каналом включенным в положительный провод питания. Вот только эти схемы требовали дополнительного источника питания, для управления затвором. Чтобы открыть полевой транзистор, на его затвор нужно было приложить напряжение на несколько Вольт выше напряжения на истоке, а значит и на выходе.
А вот почему бы не использовать p-канальный транзистор, он открывается отрицательным напряжением, которое у нас уже есть. И я нарисовал схему LDO использующую регулируемый стабилитрон TL431:

Эту схему я пока не собирал, возможно потребуются дополнительные RC-цепочки для предотвращения самовозбуждения схемы. Все таки TL431 склонна к самовозбуждению.

До применения полевого транзистора у меня были мысли использования биполярного p-n-p транзистора в качестве регулятора, в таком случае минимальное падение на стабилизаторе составило бы 0,6 В, что конечно поменьше чем 1,2 В.

Вот пара схем с биполярным транзистором.

Ещё я нагуглил на англоязычном форуме схему p-n-p транзистором, ту схему даже смоделировали и анализ частотной характеристики показал устойчивость схемы.

Если силовой биполярный транзистор заменить на полевой, то получим такую схему:

• R1 — 68 кОм;
• R2 — 10 кОм;
• R3 — 1 кОм;
• R4,R5 — 4,7 кОм;
• R6 — 10 кОм;
• VD1 — BZX84C6V2L;
• VT1 — AO3401;
• VT2,VT3 — 2N5550;

При указанных в перечне значениях VD1, R5, R6 напряжение на выходе стабилизатора составит 6 В.

hardelectronics.ru

Фиксированный стабилизатор напряжения с малым падением напряжения

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

Что такое стабилизатор напряжения с малым падением напряжения?

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

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

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

• активном;
• ключевом.

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

Где применяют фиксированный стабилизатор?

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

Современные СН применяются в следующих системах:

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

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

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

Какими бывают СН фиксированного типа?

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы линейного стабилизатора с малым падением напряжения

Типовая структура стабилизатора состоит из:

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

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

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

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

Схемы включения стабилизатора с малым падением напряжения

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

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

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

Преимущества и недостатки линейных и импульсных стабилизаторов

Интегральные микросхемы непрерывного действия (СН) имеют следующие преимущества:

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

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

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

К недостаткам схемы импульсного СН можно отнести:

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

Некоторые схемы с использованием линейного стабилизатора напряжения

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

Включение стабилизаторов в параллельном режиме

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

Стабилизатор тока на базе СН

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

Схема регулирования оборотов вентилятора в компьютере

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

Заключение

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

fb.ru

Стабилизатор с малым минимальным падением напряжения

Электропитание

Главная  Радиолюбителю  Электропитание

---

Один из важных параметров последовательных стабилизаторов напряжения (в том числе и микросхемных) — минимально допустимое напряжение между входом и выходом стабилизатора (ΔUмин) при максимальном токе нагрузки. Он показывает, при какой минимальной разности входного (Uвх) и выходного (Uвых) напряжений все параметры стабилизатора находятся в пределах нормы. К сожалению, не все радиолюбители обращают на него внимание, обычно их интересуют только выходное напряжение и максимальный выходной ток. Между тем этот параметр оказывает существенное влияние как на качество выходного напряжения, так и на КПД стабилизатора.
Например, у широко распространенных микросхемных стабилизаторов серии 1_М78хх (хх — число, равное напряжению стабилизации в вольтах) минимально допустимое напряжение дUмин= 2 В при токе 1 А. На практике это означает, что для стабилизатора на микросхеме LM7805 (Uвых = 5 В) напряжение Uвхмин должно быть не менее 7 В. Если амплитуда пульсаций на выходе выпрямителя достигает 1 В, то значение Uвхмин повышается до 8 В, а с учетом нестабильности сетевого напряжения в пределах ±10 % возрастает до 8,8 В. В результате КПД стабилизатора не превысит 57 %, а при большом выходном токе микросхема будет сильно нагреваться.
Возможный выход из положения — применение так называемых Low Dropout (с низким падением напряжения) микросхемных стабилизаторов, например, серии КР1158ЕНхх (ΔUмин = 0,6 В при токе 0,5 А) или LM1084 (Uмин= 1,3 В при токе 5 А). Но еще меньших значений Uмин можно добиться, если в качестве регулирующего элемента использовать мощный полевой транзистор. Именно о таком устройстве и пойдет речь далее.

Рис. 1

Схема предлагаемого стабилизатора показана на рис. 1. Полевой транзистор VT1 включен в плюсовую линию питания. Применение прибора с п-каналом обусловлено результатами проведенных автором испытаний: оказалось, что такие транзисторы менее склонны к самовозбуждению и к тому же, как правило, сопротивление открытого канала у них меньше, чем у р-канальных. Управляет транзистором VT1 параллельный стабилизатор напряжения DA1. Для того чтобы полевой транзистор открылся, напряжение на его затворе должно быть как минимум на 2,5 В больше, чем на истоке. Поэтому необходим дополнительный источник с выходным напряжением, превышающим напряжение на стоке полевого транзистора именно на эту величину.
Такой источник — повышающий преобразователь напряжения — собран на микросхеме DD1. Логические элементы DD1.1, DD1.2 использованы в генераторе импульсов с частотой следования около 30 кГц, DD1.3, DD1.4 — буферные; диоды VD1, VD2 и конденсаторы СЗ, С4 образуют выпрямитель с удвоением напряжения, резистор R2 и конденсатор С5 — сглаживающий фильтр.

Конденсаторы С6, С7 обеспечивают устойчивую работу устройства. Выходное напряжение (его минимальное значение 2,5 В) устанавливают подстроеч-ным резистором R4.
Лабораторные испытания макета устройства показали, что при токе нагрузки 3 А и снижении входного напряжения с 7 до 5,05 В выходное уменьшается с 5 до 4,95 В. Иными словами, при указанном токе минимальное падение напряжения ΔUмин не превышает 0,1 В. Это позволяет более полно использовать возможности первичного источника питания (выпрямителя) и повысить КПД стабилизатора напряжения.

Рис. 2

Детали устройства монтируют на печатной плате (рис. 2) из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм. Постоянные резисторы — Р1-4, МЛТ, подстроечный — СПЗ-19а, конденсаторы С2, С6, С7 — керамические К10-17, остальные — оксидные импортные, например, серии ТК фирмы Jamicon. В стабилизаторе с выходным напряжением 3…6 В следует применять полевой транзистор с напряжением открывания не более 2,5 В. У таких транзисторов фирмы International Rectifier в маркировке, как правило, присутствует буква L (см. справочный листок «Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier» в «Радио», 2001, № 5, с. 45). При токе нагрузки более 1,5…2 А необходимо использовать транзистор с сопротивлением открытого канала не более 0,02… 0,03 Ом.
Во избежание перегрева полевой транзистор закрепляют на тепло-отводе, к нему же через изолирующую прокладку можно приклеить плату. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 3.

Рис. 3

Выходное напряжение стабилизатора можно повысить, однако не следует забывать, что максимальное напряжение питания микросхемы К561ЛА7- 15 В, а предельное значение напряжения затвор-исток полевого транзистора в большинстве случаев не превышает 20 В.

Рис. 4

Поэтому в подобном случае следует применить повышающий преобразователь, собранный по иной схеме (на элементной базе, допускающей более высокое напряжение питания), и ограничить напряжение на затворе полевого транзистора, подключив параллельно конденсатору С5 стабилитрон с соответствующим напряжением стабилизации. Если стабилизатор предполагается встроить в источник питания с понижающим трансформатором, то преобразователь напряжения (микросхему DD1, диоды VD1, VD2, резистор R1 и конденсаторы С2, СЗ) можно исключить, а «основной» выпрямитель на диодном мосте VD5 (рис. 4) дополнить удвоителем напряжения на диодах VD3, VD4 и конденсаторе С9 (нумерация элементов продолжает начатую на рис. 1).

Автор: И. Нечаев, г. Москва

Дата публикации: 29.09.2009

Мнения читателей

• Серегй / 06.10.2011 — 08:34
  Какие номиналы нужно изменить, чтоб Uвых стало 9в?
• Николай / 30.07.2011 — 22:30
  Удачная схема, спасибо. Использовал ее для стабилизации напряжения при токах до 0,5А от источника с сильно просаживающимся напряжением при увеличении тока нагрузки. Стал вопрос о собственном потреблении управляющей части — много жрет :), от 18,6 мА (U вх макс) до 8,7 мА. Поставил R3 = 8,2 кОм (TL431 в номинальном режиме, I > 1мА, хотя типичный минимальный ток 450 мкА) и регулирующий R4 = 50 кОм. потребляемый ток снизился до 2,3 мА — 1,1 мА. При такой модификации можно использовать конденсаторы С3-С5 меньшей емкости, я использовал 10мкФ.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:

www.radioradar.net

СТАБИЛИЗАТОР С МАЛЫМ ПАДЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

   Регулируемый стабилизатор с низким падением напряжения — зачем он нужен? Конечно запитывая усилитель от мостового выпрямителя и трансформатора, или зарядное устройство для авто, можно смело «пожертвовать» несколькими вольт, или даже десятком. Но в радиосхемах с батареечным питанием, либо тех, что берут питание от USB — будет на счету каждый милливольт. И вот тут очень пригодится новая разработка — микросхема MIC2941.

Область применения

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

Электрическая схема стабилизатора low dropout

Второй вариант схемы

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

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

Таблица напряжений MIC294х

Возможности схемы на MIC2941

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

el-shema.ru

MOSFET + TL431 = компенсационный стабилизатор напряжения

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

Идеальный стабилизатор напряжения 🙂

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Схема — скелетик

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

TL/LM431 — эквивалентная блок-схема

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

Низковольтный линейный стабилизатор напряжения с минимальными потерями

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Здесь я не претендую на уникальность. Хоть и додумался я когда-то сам до этой полезной схемки, после мне уже доводилось встречать подобные решения ещё у нескольких серьёзных разработчиков. Просто хочу поделиться с вами, друзья, своими наработками, мыслями…

• Вам было интересно? Напишите мне!

Друзья мои, собратья по интересам! Пишу и буду развивать этот блог — идей море и опыта уже накоплено предостаточно — есть чем поделиться. Времени как всегда мало. Что было бы интересно лично Вам?

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

Всего Вам доброго!
— Сергей Патрушин.

P.S.: Продолжение темы ЗДЕСЬ: LDO прототип в бочке

myelectrons.ru

Линейный стабилизатор напряжения с необычно низким падением напряжения

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

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

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

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

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

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

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

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

nauchebe.net