Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Функциональные схемы по типу цепи управления

Импульсный стабилизатор напряжения представляет собой систему автоматического регулирования. Задающим параметром для контура регулирования служит опорное напряжение, которое сравнивается с выходным напряжением стабилизатора. В зависимости от сигнала рассогласования устройство управления изменяет соотношение длительностей открытого и закрытого состояния ключа.

В представленных ниже структурных схемах можно выделить три функциональных узла: ключ (1), накопитель энергии (2) (который иногда называют фильтром) и цепь управления. При этом ключ (1) и накопитель энергии (2) вместе образуют силовую часть стабилизатора напряжения, которая вместе с цепью управления образуют контур регулирования. По типу цепи управления различают три схемы.

С триггером Шмитта

Структурная схема стабилизатора напряжения с триггером Шмитта

Дополнительные сведения: Триггер Шмитта

Стабилизатор напряжения с триггером Шмитта называется также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием. В нём выходное напряжение сравнивается с нижним и верхним порогами срабатывания триггера Шмитта (4 и 3) посредством компаратора (4), который обычно является входной частью триггера Шмитта. При замкнутом ключе (1) входное напряжение поступает на накопитель энергии (2), выходное напряжение нарастает, и после достижения верхнего порога срабатывания U_max триггер Шмитта переключается в состояние, размыкающее ключ (1). Накопленная энергия расходуется в нагрузке, при этом напряжение на выходе стабилизатора спадает, и после достижения нижнего порога срабатывания U_min триггер Шмитта переключается в состояние, замыкающее ключ. Далее описанный процесс периодически повторяется. В результате на выходе образуется пульсирующее напряжение, размах пульсаций которого зависит от разности порогов срабатывания триггера Шмитта.

Такой стабилизатор характеризуются сравнительно большой, принципиально неустранимой пульсацией напряжения на нагрузке и переменной частотой преобразования, зависящей как от входного напряжения, так и от тока нагрузки.

С широтно-импульсной модуляцией

Структурная схема стабилизатора напряжения с ШИМ

Дополнительные сведения: Широтно-импульсная модуляция

Как и в предыдущей схеме, в процессе работы накопитель энергии (2) или подключён к входному напряжению, или передаёт накопленную энергию в нагрузку

В результате на выходе имеется некоторое среднее значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности импульсов управления ключом (1). на операционном усилителе (4) сравнивает выходное напряжение с опорным напряжением (6) и усиливает разность, которая поступает на модулятор (3)

Если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор увеличивает отношение времени открытого состояния ключа к периоду тактового генератора (5). При изменении входного напряжения или тока нагрузки скважность импульсов управления ключом изменяется таким образом, чтобы обеспечить минимальную разность между выходным и опорным напряжением.

В таком стабилизаторе частота преобразования не зависит от входного напряжения и тока нагрузки и определяется частотой тактового генератора.

С частотно-импульсной модуляцией

Дополнительные сведения: Частотно-импульсная модуляция

При этом способе управления импульс, открывающий ключ, имеет постоянную длительность, а частота следования импульсов зависит от сигнала рассогласования между опорным и выходным напряжениями. При увеличении тока нагрузки или снижении входного напряжения частота увеличивается. Управление ключом может осуществляться, например, с помощью моностабильного мультивибратора (одновибратора) с управляемой частотой запуска.

Базовая конфигурация

Главная задача стабилизатора — обеспечить постоянство выходного напряжения и подавление пульсаций.
Конструкция стабилизатора основана на простейшей схеме, но каждый её элемент я выбирал так, чтобы он идеально выполнял свою функцию:Для максимального подавления входных шумов сопротивление резистора R должно быть максимально, а в внутреннее сопротивление источника опорного напряжения Vref как можно ниже. Да и работать формирователь опорного напряжения будет лучше, если его питать от высокоомного источника. Таким требованиям отвечает источник стабильного тока (ГСТ).

Для высоковольтного стабилизатора я использовал ГСТ на двух транзисторах, что обеспечивает большую стабильность тока при колебаниях питающего напряжения.

Для низковольтных стабилизаторов можно использовать аналогичную схему или просто одиночный диод.

Для высоковольтных стабилизаторов я выбрал значение тока ГСТ около 5мА. Для низковольтных стабилизаторов можно выбрать значение поменьше.

Микросхеме TL431 для нормальной работы требуется минимум 2 мА.

Важное замечание: ГСТ на двух транзисторах может иногда возбуждаться, если использовать высокочастотные транзисторы. Поэтому я выбрал транзисторы MJ340/350 которые, как показывает мой опыт, работают стабильно

Стабилитроны довольно шумные и кроме того имеют плохой температурный коэффициент. Выходное напряжение при их использовании будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды, а если в вашем усилителе активная вентиляция, то тем более. Кроме того, стабильность их внутреннего сопротивления тоже оставляет желать лучшего.

Вместо них я использовал TL431 в качестве источника опорного напряжения, так как их шумовые характеристики весьма достойны, они имеют низкое выходное сопротивление и довольно широкий диапазон выходных напряжений, которое устанавливается с помощью простого делителя.

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

1 – источник напряжения;
2 – Элемент регулировки;
3 – усилитель;
4 – источник основного напряжения;
5 – определитель напряжения выхода;
6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

1 – источник напряжения;
2 –элемент регулирующий;
3 – усилитель;
4 – источник основного напряжения;
5 – измерительный элемент;
6 – сопротивление нагрузки.

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Основные схемы силовой части

По схеме силовой части импульсные стабилизаторы делят обычно на три основных типа: понижающие, повышающие и инвертирующие. Такое разделение сложилось, в частности, в отечественной технической литературе.

Некоторые авторы, рассматривая схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения во всём их многообразии, показывают, что число элементарных базовых схем преобразователя можно свести к двум — понижающего типа и повышающего типа. Также отмечается, что другие схемы импульсного преобразователя напряжения (в том числе инвертирующего преобразователя) могут быть получены каскадным соединением этих двух базовых схем[неавторитетный источник?].

В нижеприведённых схемах в качестве ключа S могут использоваться полевой транзистор, биполярный транзистор или тиристор, цепь управления ключом для простоты не показана. Отношение времени замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого состояний называют коэффициентом заполнения (или рабочим циклом — англ. duty cycle).

Преобразователь с понижением напряжения

Названия в англоязычной литературе — buck converter (step-down converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D, при этом величина тока уменьшается. При достаточной индуктивности ток дросселя не успевает уменьшиться до нуля к началу следующего цикла (режим неразрывных токов) и имеет пульсирующий характер. Поэтому даже при отсутствии конденсатора C напряжение на нагрузке R будет иметь такой же характер с пульсациями, размах которых тем меньше, чем больше индуктивность дросселя. Однако, на практике увеличение индуктивности связано с увеличением габаритов, массы и стоимости дросселя и потерь мощности в нём, поэтому использование конденсатора для уменьшения пульсаций более эффективно. Сочетание элементов L и C в этой схеме часто называют фильтром.

Преобразователь с повышением напряжения

Названия в англоязычной литературе — boost converter (step-up converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D и конденсатор C (заряжая его). К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора. В отличие от предыдущей схемы, здесь дроссель не является элементом фильтра. Напряжение на нагрузке всегда больше напряжения источника.

Инвертирующий преобразователь

Название в англоязычной литературе — buck-boost converter (то есть «понижающе-повышающий преобразователь»). Основное отличие от предыдущей схемы состоит в том, что цепь D, R, C подключена параллельно дросселю, а не параллельно ключу. Принцип работы схемы похожий. Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через конденсатор C (заряжая его) и диод D. К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора (дроссель не является элементом фильтра). Напряжение на нагрузке может быть как больше, так и меньше напряжения источника.

Влияние диода на КПД

Прямое падение напряжения для обычных кремниевых диодов составляет около 0,7 В, для диодов Шоттки — около 0,4 В. Мощность, рассеиваемая в диоде при больших токах, существенно снижает КПД, особенно в стабилизаторах с низким выходным напряжением. Поэтому в таких стабилизаторах диод часто заменяют дополнительным полупроводниковым ключом с низким падением напряжения в открытом состоянии, например, силовым полевым транзистором.

Во всех трёх описанных схемах диод D может быть заменён на дополнительный ключ, замыкаемый и размыкаемый в противофазе к основному ключу.

Выбор схемы включения

Стабилизатор тока на транзисторе

На практике применяют разные инженерные решения. В частности, для подключения светодиодных светильников производители предлагают импульсные источники питания. Эти устройства выполняют свои функции с помощью частотного преобразования и модуляции сигнала. Для управления ключом устанавливают микросхемы. Для дозированного накопления энергии используют дроссель.

Импульсный стабилизатор тока

Для упрощения в данной статье рассмотрена линейная стабилизация. Устройства, созданные по этой схеме, не создают сильные электромагнитные помехи. В этом – главное отличие от импульсных аналогов.

Проектирование инвертирующего преобразователя

Рассмотрим типичные схемы повышающего преобразователя и подробно разберем процесс проектирования и расчета. В конце статьи будет форма, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов. Эта форма считает номиналы сразу для всех трех схем. Если в выбранной Вами схеме этих элементов нет, то их номиналы нужно игнорировать.

Схема 1

Схема 2

Схема 3

Повышающая топология — самая простая в реализации, так как эмиттер (исток) силового транзистора в не соединен с общим проводом. Нет необходимости в специальных ухищрениях при подаче управляющего напряжения на базу (затвор). Достаточно подать это напряжение напрямую. С формированием сигнала обратной связи тоже нет никаких проблем. Если ток нагрузки относительно небольшой, то и сигнал ограничения тока снять совсем просто. В эмиттерной (истоковой) цепи устанавливается резистор. Если ток через этот резистор превышает максимально допустимый, то напряжение на этом резисторе превышает напряжение срабатывания защиты контроллера, и ключ принудительно закрывается.

Если ток нагрузки большой, то потери энергии на резисторе R7 становятся недопустимой роскошью. Тогда применяется трансформатор тока.

Если применяется маломощный контроллер, не способный раскачать мощный биполярный транзистор, то нужно поставить дополнительный транзистор, как это показано на схеме. Применение составного транзистора нежелательно, так как потери энергии на транзисторе тем больше, чем больше напряжение насыщения коллектор — эмиттер, а у составного транзистора напряжение насыщения больше в разы, чем у обычного.

На схеме 3 показано применение трансформатора тока и дополнительного маломощного транзистора. Но это не означает, что их можно применять только вместе. Трансформатор тока можно применять в схемах с полевым транзистором и в схемах с мощным контроллером. А маломощный транзистор можно применять в схемах с резистором R7. Эти два решения показаны на одной схеме просто для примера

Обратите внимание! Если в схеме 3 для управления транзисторами используется ШИМ — контроллер с открытым эмиттером на выходе, то между базой и эмиттером транзистра VT7 нужно включить резистор сопротивлением 300 — 400 Ом для надежного запирания транзистора VT7. Если же на выходе контроллера стоит двухтактный каскад, как в той микросхеме, которую применяем мы, то в таком резисторе потребности нет

Как быть в случае, если входное напряжение больше, чем допустимое напряжение на затворе полевого транзистора или допустимое напряжение питания контроллера, описано в статье про понижающий преобразователь. Для повышающего решение совершенно аналогично.

Для примера в качестве ШИМ — контроллера мы используем микросхему 1156EU3.

В схемах в качестве силового ключа используются мощный биполярный транзистор или мощный полевой транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора и полевого транзистора в качестве силового ключа.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Инвертирующий импульсный преобразователь напряжения, источник питания….
Как работает инвертирующий стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание…

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму…
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи….

Импульсный источник питания. Своими руками. Самодельный. Сделать. Лабо…
Схема импульсного блока питания. Расчет на разные напряжения и токи….

Мостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, исто…
Как работает мостовой стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание прин…

Силовой мощный импульсный трансформатор, дроссель. Намотка. Изготовить…
Приемы намотки импульсного дросселя / трансформатора….

Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко…
Как сконструировать понижающий импульсный преобразователь. Шаг 1. Как выбрать ча…

Питание светодиода. Драйвер. Светодиодный фонарь, фонарик. Своими рука…
Включение светодиодов в светодиодном фонаре….

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида…
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при…

Разновидности импульсных стабилизаторов

Все стабилизирующие устройства импульсного типа по типу управления можно поделить на такие группы:

Ключевой с триггером Шмитта;
Ключевой с широтно-импульсной модуляцией;
С частотно-импульсной модуляцией.

С триггером Шмитта

Импульсный стабилизатор напряжения, схема которого приведена ниже, содержит в себе инвертирующий триггер Шмитта, и еще известен как релейный, или стабилизатор с двухпозиционным регулированием.

Триггер содержит в себе компаратор, который сравнивает значение напряжения в емкости с максимально и минимально допустимыми значениями. Если показатель находится в допустимых пределах – положение ключа неизменно, как только достигается критическое значение – ключ изменяет положение. Этот процесс протекает циклично.

С ШИМ-модуляцией

Все работает так же, как и в предыдущей схеме, однако есть еще усилитель, генератор и модулятор. Модулятор сравнивает данные накопителя с опорным вольтажом, и при необходимости усиливает разность, поступающую на модулятор. Таким образом, регулируется время открытия или закрытия ключа (продолжительность импульса).

В подобной схеме частота преобразования не зависит от тока и напряжения на входе, а определяется лишь частотами на тактовом генераторе.

С частотно-импульсной модуляцией

В таком варианте исполнения прибора, импульс открытия ключа имеет постоянную длительность, а вот частота следования самих импульсов уже зависит от разности между опорным выходным напряжением. Допустим, вырос ток на потребителе, или наоборот – упало входное напряжение – в таком случае вырастет и частота импульсов стабилизации.

В таких приборах ключ зачастую управляется мультивибратором с управляемой частотой.

По разновидностям силовой части стабилизатора выделяют такие схемы импульсных стабилизаторов:

Понижающий;
Повышающий;
Инвертирующий.

Понижающий

Это довольно надежные устройства, постоянно имеющие на выходе вольтаж меньше, чем на входе. Простейшая схема импульсного стабилизатора напряжения на на 12 В показана ниже:

При подаче управляющего напряжения, транзистор переходит в режим насыщения, ток движется по цепи от плюса по дросселю к нагрузке. При отключении управляющего сигнала – транзистор закрывается, и переходит в режим отсечки. И снова при подаче отпирающего напряжения открывается ключ – весь цикл повторяется.

Повышающий

Данная схема используется там, где разность потенциалов нагрузки значительно выше, чем вольтаж на входе. Когда транзистор включен в режим насыщения, так идет от плюса по дросселю к транзистору. При отключении управляющего напряжения на транзисторе, и на дросселе возникает ЭДС самоиндукции.

Получится, что она подключена последовательно с входящим током, и через диод коммутирована с нагрузкой. Таким образом, получается, что магнитное поле дросселя продуцирует энергию, а емкость накапливает заряд для выдачи тока на потребителя, когда транзистор перейдет в режим насыщения. Выходит, что в данной схеме дроссель служит резервной емкостью для сглаживания скачков и просадок.

Инвертирующий

Как понятно из названия, этот тип стабилизатора может, как понижать, так и повышать показатели сети относительно входящих значений. Схема, по сути, повторяет предыдущую, за тем отличием, что диод с сопротивлением и емкостью подключаются параллельно дросселю, а не ключу. Амплитуда пульсаций в таком варианте устройства зависит от емкости конденсатора, а дроссель в данной схеме уже не является частью фильтра.

Есть еще один вид устройств – регулируемый импульсный стабилизатор напряжения. В таком приборе выходящий ток обычно регулируется при помощи изменяемого сопротивления, или реостата. Благодаря возможности настройки, такой тип стабилизаторов можно использовать для питания потребителей с разным напряжением – достаточно лишь правильно подобрать номинал резистора.

Важно знать, что все перечисленные выше устройства призваны стабилизировать показатели сети только при работе с постоянным током, к примеру, такой импульсный стабилизатор напряжения на 12 Вольт отлично подойдет для бортовой сети автомобиля. Но если прибор планируется применять в бытовой сети с переменным током, то в схему обязательно нужно вносить изменения – ставить выпрямитель, а также фильтр сглаживания

Еще один нюанс – возникновение высокочастотных помех при стабилизации. Чтобы минимизировать этот эффект, необходимо использовать фильтры, причем как на входе, так и на выходе стабилизирующего прибора.

Усовершенствованный вариант импульсного преобразователя

Усовершенствованный вариант схемы предыдущего стабилизатора (рис. имеет повышенный КПД за счет использования нового схемотехнического решения, которое позволяет значительно уменьшить падение напряжения на коммутирующем диоде.

Рис. 8. Схема усовершенствованного варианта импульсного стабилизатора.

Суть этого решения состоит в том, что коммутирующий диод заменяется на биполярный или полевой транзистор. Его включают, когда диод должен быть открыт, а выключают — когда закрыт. Падение напряжения на открытом транзисторе может быть в 5… 10 раз меньше, чем даже на диоде Шотки.

Так, за счет использования в качестве коммутирующего диода п-канального полевого транзистора IRF3205 (ѴТЗ) с сопротивлением открытого канала 8 мОм, падение напряжения на нем не превышает 100 мВ при максимальном токе нагрузки. Для сравнения — соответствующее падение напряжения в тех же условиях для диодов Шотки достигает 500 мВ.

При примерно тех же основных параметрах потери в новом варианте стабилизатора снижены до минимума, его КПД приближается к 95%.

Схема двуполярного импульсного преобразователя

Для питания многих электронных устройств требуется источник двухполярного напряжения, обеспечивающий положительное и отрицательное напряжения питания. Схема, приведенная на рис. 11, содержит гораздо меньшее число компонентов, чем аналогичные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктивного преобразователя.

Рис. 11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом.

Схема преобразователя (рис. 11) использует новое сочетание основных компонентов и включает в себя генератор четырехфазных импульсов, катушку индуктивности и два транзисторных ключа.

Управляющие импульсы формирует D-триггер (DD1.1). В течение первой фазы импульсов катушка индуктивности L1 запасается энергией через транзисторные ключи VT1 и VT2. В течение второй фазы ключ VT2 размыкается, и энергия передается на шину положительного выходного напряжения.

Во время третьей фазы замыкаются оба ключа, в результате чего катушка индуктивности вновь накапливает энергию. При размыкании ключа VT1 во время заключительной фазы импульсов эта энергия передается на отрицательную шину питания. При поступлении на вход импульсов с частотой 8 кГц схема обеспечивает выходные напряжения ±12 В. На временной диаграмме (рис. 11, справа) показано формирование управляющих импульсов.

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.