Стабилизатор напряжения простой: Схема стабилизатора напряжения — простой расчёт

Схема стабилизатора напряжения — простой расчёт

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации.

Параметрический стабилизатор

Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.

Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой. Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением. При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.

На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Компенсационный стабилизатор

Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность подключать питание прибора с током, который не превышает наибольшего тока стабилитрона. Вследствие этого используют приборы, стабилизирующие напряжение, и получившие название компенсационных. Они состоят из двух видов: параллельные и последовательные.

Называется прибор по методу подключения элементу регулировки. Обычно используются компенсационные стабилизаторы, относящиеся к последовательному виду. Его схема:

Элементом регулировки выступает транзистор, соединенный последовательно с нагрузкой. Напряжение выхода равняется разности значения стабилитрона и эмиттера, которое составляет несколько долей вольта, поэтому считается, что выходное напряжение равно стабилизирующему напряжению.

Рассмотренные приборы обоих типов имеют недостатки: невозможно получить точную величину напряжения выхода и производить регулировку во время работы. Если нужно создать возможность регулирования, то стабилизатор компенсационного вида изготавливают по схеме:

В этом приборе регулировка осуществляется транзистором. Основное напряжение выдает стабилитрон. Если напряжение выхода повышается, база транзистора получается отрицательной в отличие от эмиттера, транзистор откроется на большую величину и ток возрастет. Вследствие этого, напряжение отрицательного значения на коллекторе станет ниже, так же как и на транзисторе. Второй транзистор закроется, его сопротивление повысится, напряжение выводов повысится. Это приводит к снижению напряжения выхода и возвращению к бывшему значению.

При снижении напряжения выхода проходят подобные процессы. Отрегулировать точное напряжение выхода можно резистором настройки.

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.

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

U вх – необработанное напряжение входа;
U вых –напряжение выхода.

Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора. Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2. Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Стабилизаторы на транзисторах

На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.

На выходе прибора получают 12 вольт, на напряжение выхода зависит прямо от напряжения стабилитрона. Наибольший допустимый ток 1 ампер.

При применении транзистора 2N 3055 наибольший допускаемый ток выхода можно повысить до 2 ампер. На 2-м рисунке схема стабилизатора на транзисторе 2N 3055, напряжение выхода, как и на рисунке 1 зависит от напряжения стабилитрона.

6 В — напряжение выхода, R1=330, VD=6,6 вольт
7,5 В — напряжение выхода, R1=270, VD = 8,2 вольт
9 В — напряжение выхода, R1=180, Vd=10

На 3-м рисунке – адаптер для автомобиля – аккумуляторное напряжение в автомобиле равно 12 В. Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

стабилизатор напряжения своими руками, простой стабилизатор

Стабилизатор на одном стабилитроне

Для сглаживания пульсаций напряжения и постоянства тока на выходе блока питания применяют стабилизаторы. Как правило в основе стабилизатора лежит стабилитрон. Стабилитрон – полупроводниковый прибор обладающий свойством стабилизации напряжения. В отличии от обычного диода работает в обратной полярности (на катод подается плюс), в режиме лавинного пробоя. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке практический не меняется. На рисунке ниже представлена схема простейшего стабилизатора.

Такой стабилизатор подойдет для питания маломощных устройств.

Принцип работы стабилизатора на стабилитроне

Конденсатор нужен для сглаживания пульсаций по напряжению, называется он фильтрующим. Резистор нужен для сглаживания пульсаций по току и называется он гасящим. Стабилитрон стабилизирует напряжение на нагрузке. Для нормальной работы данной схемы напряжение питания должно быть больше 40…50 %. Стабилитрон следует подобрать под нужное нам напряжение и ток.

Стабилизатор на одном транзисторе

Для питания нагрузки большей мощности в схему добавляют транзистор. Пример схемы показан ниже.

Принцип работы стабилизатора на одном транзисторе

Цепочка из R1 и VT1 нам уже знакома из предыдущей схемы, это простейший стабилизатор, он задает стабилизированное напряжение на базе транзистора VT2. Транзистор в свою очередь выполняет функцию усилителя тока и является управляющим элементом в этой схеме. Например, при повышении входного напряжения, выходное напряжение будет стремится к возрастанию. Это приводит к понижению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, что приводит к его закрытию. При этом падение напряжения на участке эмиттер – коллектор возрастает на столько, что напряжение на стабилитроне уменьшается до исходного уровня. При понижении напряжения стабилизатор реагирует в обратном порядке.

Стабилизатор на транзисторах с защитой от КЗ

В практике радиолюбителя бывают ошибки и происходит короткое замыкание. Для уменьшения последствий в результате КЗ рассмотрим схему стабилизатора на два фиксированных напряжения и с защитой от короткого замыкания.

Как видим в данную схему добавлен транзистор V4, диоды V6 и V7, и параметрический стабилизатор состоящий из резистора R1, диодов V2, V3 оснащен переключателем S2.

Принцип работы защиты стабилизатора

Данная схема рассчитана на ток срабатывания от КЗ 250…300 мА, пока он не превышен, ток будет проходить через делитель напряжения состоящий из диода V7 и резистора R3. Путем подбора данного резистора можно регулировать порог срабатывания защиты. Диод V6 при этом будет закрыт и никакого влияния на работы оказывать не будет. При срабатывании защиты диод V7 закроется, а диод V6 откроется и зашунтирует подключений стабилитрон, при этом транзисторы V4 и V5 закроются. Ток на нагрузке упадет до 20…30 мА. Транзистор V5 следует устанавливать на теплоотвод.

Стабилизатор с регулируемым выходным напряжением

В ремонте или наладке электронных устройств необходимо иметь блок питания с регулируемым выходным напряжением. Принципиальная схема стабилизаторы с регулировкой по напряжению представлена ниже.

Принцип работы стабилизатора с регулировкой напряжения

Параметрический стабилизатор состоящий из R2 и V2 стабилизируют напряжение на переменном резисторе R3. Напряжение с этого резистора поступает на управляющий транзистор. Этот транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, нагрузкой которого является резистор R4. Напряжение с резистора R4 подается на регулирующий транзистор V4, нагрузкой которого уже выступает наше питаемое устройство. Регулировка напряжения осуществляется переменным резистором R3, если движок резистора находится в минимальном положении по схеме, то напряжения для открытия транзисторов V3 и V4 недостаточно и на выходе будет минимальное напряжение. При вращении движка, транзисторы начинают открываться, что увеличивает напряжение на нагрузке. При увеличении тока нагрузки, падение напряжения на резисторе R1 и лампа Н1 начинает загораться, при токе в 250 мА наблюдается тусклое свечение, а при токе в 500мА и выше яркое. Транзистор V4 следует устанавливать на теплоотвод. При повышенной нагрузке более 500 мА, следует как можно быстрее выключить блок питания, так как при длительной максимальной нагрузке выходят из строя диоды в выпрямительном мостике и транзистор V4.

Данные схемы при правильной сборке не нуждаются в наладке. Также их можно модернизировать на более большой ток и напряжения. Путем подбора радиоэлементов с нужными нам параметрами.

На этом все. Если у Вас есть замечания или предложения по данной статье, прошу написать администратору сайта.

Успехов!

Пять схем простых стабилизаторов напряжения. Схема стабилизатора напряжения. Простой расчет

Содержание:

В электрических цепях постоянно возникает необходимость в стабилизации тех или иных параметров. С этой целью применяются специальные схемы управления и слежения за ними. Точность стабилизирующих действий зависит от так называемого эталона, с которым и сравнивается конкретный параметр, например, напряжение. То есть, когда значение параметра будет ниже эталона, схема стабилизатора напряжения включит управление и отдаст команду на его увеличение. В случае необходимости выполняется обратное действие — на уменьшение.

Данный принцип работы лежит в основе автоматического управления всеми известными устройствами и системами. Точно так же действуют и стабилизаторы напряжения, несмотря на разнообразие схем и элементов, используемых для их создания.

Схема стабилизатора напряжения 220в своими руками

При идеальной работе электрических сетей, значение напряжения должно изменяться не более чем на 10% от номинала в сторону увеличения или уменьшения. Однако на практике перепады напряжения достигают гораздо больших значений, что крайне отрицательно сказывается на электрооборудовании, вплоть до его выхода из строя.

Защититься от подобных неприятностей поможет специальное стабилизирующее оборудование. Однако из-за высокой стоимости, его применение в бытовых условиях во многих случаях экономически невыгодно. Наилучшим выходом из положения становится самодельный стабилизатор напряжения 220в, схема которого достаточно простая и недорогая.

За основу можно взять промышленную конструкцию, чтобы выяснить, из каких деталей она состоит. В состав каждого стабилизатора входят трансформатор, резисторы, конденсаторы, соединительные и подключающие кабели. Самым простым считается стабилизатор переменного напряжения, схема которого действует по принципу реостата, повышая или понижая сопротивление в соответствии с силой тока. В современных моделях дополнительно присутствует множество других функций, обеспечивающих защиту бытовой техники от скачков напряжения.

Среди самодельных конструкций наиболее эффективными считаются симисторные устройства, поэтому в качестве примера будет рассматриваться именно эта модель. Выравнивание тока этим прибором будет возможно при входном напряжении в диапазоне 130-270 вольт. Перед началом сборки необходимо приобрести определенный набор элементов и комплектующих. Он состоит из блока питания, выпрямителя, контроллера, компаратора, усилителей, светодиодов, автотрансформатора, узла задержки включения нагрузки, оптронных ключей, выключателя-предохранителя. Основными рабочими инструментами служат пинцет и паяльник.

Для сборки стабилизатора на 220 вольт в первую очередь потребуется печатная плата размером 11,5х9,0 см, которую нужно заранее подготовить. В качестве материала рекомендуется использовать фольгированный стеклотекстолит. Схема размещения деталей распечатывается на принтере и переносится на плату с помощью утюга.

Трансформаторы для схемы можно взять уже готовые или собрать самостоятельно. Готовые трансформаторы должны иметь марку ТПК-2-2 12В и соединяться последовательно между собой. Для создания первого трансформатора своими руками потребуется магнитопровод сечением 1,87 см2 и 3 кабеля ПЭВ-2. Первый кабель применяется в одной обмотке. Его диаметр составит 0,064 мм, а количество витков — 8669. Оставшиеся провода используются в других обмотках. Их диаметр будет уже 0,185 мм, а число витков составит 522.

Второй трансформатор изготавливается на основе тороидального магнитопровода. Его обмотка выполняется из такого же провода, как и в первом случае, но количество витков будет другим и составит 455. Во втором устройстве делаются отводы в количестве семи. Первые три изготавливаются из провода диаметром 3 мм, а остальные из шин, сечением 18 мм2. За счет этого предотвращается нагрев трансформатора во время работы.

Все остальные комплектующие рекомендуется приобретать в готовом виде, в специализированных магазинах. Основой сборки являет

Схемы стабилизаторов напряжения и тока

Стабилизированные источники питания необходимы для обеспечения независимости параметров электронного устройства от изменений питающего напряжения. Практически в любой современной аппаратуре имеется стабилизатор напряжения, а то и несколько. В таких устройствах часто применяются операционные усилители ( ОУ ), с помощью которых решить эту задачу просто и эффективно с точностью регулировки и стабильности в диапазоне 0,01…0,5 %, причём ОУ легко встраивать в традиционные стабилизаторы напряжения и тока.
Простейший стабилизатор напряжения представляет собой усилитель постоянного тока, на вход которого подано постоянное напряжение стабилитрона или часть его. Нагрузочная способность такого стабилизатора определяется силой максимального выходного тока ОУ.
Следящие стабилизаторы, как правило, работают на принципе сравнения опорного и выходного напряжений, усиления их разности и управления электропроводностью регулирующего транзистора.

Стабилизатор по схеме Рис.1 выдаёт напряжение Uвых большее, чем опорное напряжение стабилитрона VD1, а стабилизатор Рис.2 – меньшее. Стабилизаторы питаются от одного источника. С помощью эмиттерного повторителя VT2 увеличивают ток нагрузки, в нашем примере – до 100 мА, но можно и более с составным повторителем на мощном транзисторе. Транзистор VT1 защищает выходной транзистор VT2 от перегрузок по току, причём датчиком тока служит резистор R8 небольшого сопротивления, включённый в цепь эмиттера транзистора VT2. Когда падение напряжения на нём превысит Uб-э=0,6 В, откроется транзистор VT1 и зашунтирует эмиттерный переход транзистора VT2. При токах нагрузки до 10…15 мА резисторы R7, R8 и транзисторы VT1, VT2 можно не ставить. Отметим, что в стабилитронах по схемам на Рис.1, 2 входное напряжение не должно превышать максимально допустимой суммы напряжений питания.

На Рис.3а приведена схема подобного стабилизатора в котором ОУ включён таким образом, что он сам питается стабилизированным напряжением. Здесь дополнительно включены несколько элементов, улучшающих работу стабилизатора напряжения. Потенциал выхода ОУ DA1 смещён в сторону положительного напряжения с помощью стабилитрона VD3 и транзистора VT1. Выходной эмиттерный повторитель – составной ( VT2, VT3 ), а к базе защитного транзистора VT4 подключён делитель R4R5, что позволяет создать “падающую” характеристику ограничения тока перегрузки. Ток короткого замыкания не превышает 0,3 А. Термокомпенсированный источник опорного напряжения выполнен на микросхеме К101КТ1А (DA2). Выходное напряжение стабилизатора, равное +15В, изменяется всего на 0,0002 % при изменении входного напряжения в пределах 19…30 В; при изменении тока нагрузки от нуля до номинального выходное напряжение падает лишь на 0,001%. В этом стабилизаторе подавление пульсаций входного напряжения частотой 100 Гц составляет 120 дБ. К достоинствам стабилизатора следует отнести также и то, что в отсутствии нагрузки потребляемый ток составляет около 10 мА. При скачкообразном изменении тока нагрузки выходное напряжение устанавливается с погрешностью 0,1% за время не более 5 мкс.

Практически нулевые пульсации напряжения на выходе может обеспечить стабилизатор по схеме Рис.4. Если движок переменного резистора R1 находится в верхнем (по схеме) положении, амплитуда пульсаций максимальна. По мере перемещения движка вниз амплитуда будет уменьшаться, так как напряжение пульсаций, поданное на инвертирующий вход ОУ через конденсатор С2, в противофазе складывается с выходным напряжением пульсаций. Примерно в среднем положении движка резистора R1 пульсации будут компенсированы.
В случае необходимости получения отрицательного выходного напряжения необходимо в качестве повторителя применить p-n-p транзистор, а также заземлить положительную шину питания ОУ. Но можно поступить по-другому, если в аппаратуре требуются стабилизированные напряжения разной полярности.

На Рис.5 приведены две упрощённые схемы соединения стабилизаторов для получения выходных напряжения разного знака. В первом случае входная и выходная цепи имеют общую шину. Пусть, например, имеются только положительные стабилизаторы. Тогда в стабилизаторе по второй схеме можно применить, если оба канала по входным цепям гальванически развязаны, чтобы можно было заземлять положительный полюс нижнего (по схеме) стабилизатора. Источником опорного напряжения для одного из каналов служит стабилитрон, а для второго – выходное напряжение первого стабилизатора. Для этого необходимо включить делитель из двух резисторов между выводами +Uст и -Uст стабилизаторов и подвести напряжение средней точки делителя к неинвертирующему входу ОУ второго стабилизатора, заземлив инвертирующий вход ОУ. Тогда выходные напряжения двух стабилизаторов ( несимметричные в общем случае ) связаны и регулирование напряжений осуществляется одним переменным резистором.

В случае если необходимо иметь два питающих напряжения с заземлённой средней точкой, то можно применить активный делитель на ОУ с повторителями для увеличения нагрузочной способности (Рис. 6). Если R1=R2, то равны и выходные напряжения относительно заземлённой средней точки. Через выходные транзисторы VT1 и VT2 протекают полные токи нагрузки, а падение напряжения на участках коллектор – эмиттер равны половине входного напряжения. Это надо иметь в виду при выборе радиаторов охлаждения.
Ключевые стабилизаторы напряжения зарекомендовали себя наилучшим образом с точки зрения экономичности, так как КПД таких устройств всегда высокий. Несмотря на их сложность по сравнению с линейными стабилизаторами, только за счёт уменьшения размеров теплоотводящего радиатора проходного транзистора ключевой стабилизатор позволяет уменьшить габариты регулируемого мощного источника питания в два – три раза. Недостаток ключевых стабилизаторов заключается в повышении уровня помех. Однако рациональное конструирование, и когда весь блок выполнен в виде экранированного модуля с расположенной непосредственно на теплоотводе мощного транзистора платой управления, позволяет свести помехи к минимуму. Устранить “пролезание” высокочастотных помех в нестабилизированный источник первичного питания и нагрузку можно путём включения последовательно радиочастотных дросселей, рассчитанный на постоянный ток 1…3 А. В ключевых стабилизаторах напряжения с успехом применяются интегральные компараторы.

На Рис. 7 приведена схема релейного стабилизатора на базе микросхемы К554СА2. Здесь компаратор DA1 работает от источников напряжения +12 и -6 В. Эта комбинация образована подключением вывода 11 положительного питания DA1 к эмиттеру транзистора VT1 (+18 В), вывода 2 – к стабилитрону VD6 (примерно +6 В), вывода 6 отрицательного питания – к нулевому потенциалу общей шины. Опорное напряжение стабилизатора формируется диодами VD3 – VD5, оно равно +4,5 В. Это напряжение подаётся на инвертирующий вход компаратора DA1, включённого по схеме детектора уровня с гистерезисной характеристикой из-за положительной обратной связи по цепи R5, R3. Цепь отрицательной обратной связи замыкается через усилительный транзистор VT2, ключевой элемент на транзисторах VT3, VT4 и фильтр L1C7. Глубину отрицательной обратной связи по выходному напряжению регулируют переменным резистором R4, в результате оно изменяется в пределах 4…20 В при минимальном входном нестабилизированном напряжении +23 В и максимальном – до +60 В с применением элементов, рассчитанных на такое напряжение. В то же время переменная составляющая выходного напряжения ( пульсации ) проходят без ослабления через конденсатор С4, поэтому регулирование выходного напряжения не приводит к пропорциональному изменению пульсаций.
Данный стабилизатор напряжения относится к числу автогенерирующих, когда в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки, разряжающего накопительный конденсатор C7, автоматически меняется как период автоколебаний, так и время включённого состояния транзисторов VT3, VT4. Усилитель управления на компараторе DA1 и транзисторе VT2 открывает ключевой элемент в тот момент, когда потенциал инвертирующего входа станет меньше, чем потенциал неинвертирующего (опорного) входа. В этот момент напряжение на нагрузке падает несколько ниже заданного уровня стабилизации, т.е пульсирует. После включения транзисторов VT3, VT4 ток через дроссель L1 нарастает, его индуктивность и конденсатор С7 запасает энергию, так что потенциал инвертирующего входа повышается. Благодаря действию усилителя управления ключевой элемент закрывается. Затем фильтр L1C7 отдаёт некоторую часть запасённой энергии в нагрузку, причём полярность напряжения на дросселе L1 меняется и цепь питания замыкается через диод VD7. Как только напряжение на конденсаторе С7 станет ниже опорного на величину гистерезиса, вновь включаются транзисторы VT3, VT4. Далее циклы повторяются.
В качестве дросселя L1 можно применить дроссели фильтров промышленного изготовления, например из серий Д8, Д5 – плоские и др., среди которых выбирают типономинал с требуемой индуктивностью, рассчитанный на ток подмагничивания не менее ожидаемого тока нагрузки и пригодный к использованию на частотах до 50 кГц.
Диод VD7 должен быть обязательно быстродействующим с большим допустимым импульсным током, не менее удвоенного значения тока нагрузки. В стабилизаторе по схеме на Рис. 7, где ток нагрузки 2 А, возможна замена его на диоды КД212Б, КД217А и некоторые другие. Конденсатор С7 из ряда К53 или танталовый типов К52-7А, К52-9, К52-10, С9 – ёмкостью не менее 15,…2,2 мкФ.
Большая потребность в стабилизаторах для питания аппаратуры привела к необходимости разработки и производства специальных линейных микросхем – стабилизаторах напряжения. В интегральном исполнении преобладают последовательные регуляторы с непрерывным или импульсным режимом управления. Стабилизаторы строятся как для положительных так и для отрицательных напряжений питания. Выходное напряжение может быть регулируемым или фиксированным, например +5 В для питания блоков с цифровыми микросхемами или ±15 В для питания аналоговых микросхем. К данной группе из выпускаемых стабилизаторов относятся категория регулируемых стабилизаторов КР142ЕН1 и К142ЕН2.

На базе микросхем КР142ЕН1,2 можно создавать стабилизаторы отрицательных напряжений Рис. 8. При этом стабилитрон VD1 смещает уровень напряжения на выводе 8 относительно входного напряжения. Базовый ток транзистора VT1 не должен превышать максимально допустимого тока стабилизатора, иначе следует применить составной транзистор.

Широкие возможности микросхем КР142ЕН1,2 позволяют создавать на их основе релейные стабилизаторы напряжения (Рис. 9). В таком стабилизаторе опорное напряжение установлено делителем R4R5, а амплитуда пульсаций выходного напряжения на нагрузке задаётся делителем R2R3. Следует также иметь в виду, что ток нагрузки не может изменяться в широких пределах, обычно не более чем в два раза от номинального значения. Преимуществом релейных стабилизаторов является высокий КПД.

Также следует рассмотреть ещё один класс стабилизаторов – стабилизаторов тока, преобразующих напряжение в ток независимо от изменения напряжения нагрузки. Мощные источники тока предусматривают подключение к ОУ усилительных транзисторов.

На Рис.10 дана схема источника тока, а на Рис. 11 – схема приёмника тока. В обоих устройствах сила тока зависит от напряжения Uвх и номинала резистора R1, чем меньше входной ток ОУ и тем меньше ток управления первого (после ОУ) транзистора, который выбран поэтому полевым. Ток нагрузки может достигать 100 мА.

Схема простого мощного источника тока для зарядки устройства показана на Рис. 12. Здесь R4 – токоизмерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки Iн =ΔU/R4=5 A устанавливается примерно при среднем положении движка резистора R1. При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение Uвх ≥ 18 В без учёта пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18.
Более подробно по данной тематике можно найти в источнике:

“В ПОМОЩЬ РАДИОЛЮБИТЕЛЮ” выпуск 91, МОСКВА издательство ДОСААФ СССР, 1985 стр. 39-53

Похожее

Стабилизаторы напряжения на транзисторах: схема на стабилитроне

Радиоэлектронные устройства для нормальной работы требуют питания стабилизированным напряжением. Подходы к стабилизации различаются в зависимости от предъявляемых требований, потребляемой мощности нагрузки.

Стабилизатор переменного напряжения

Принцип работы стабилизатора

Принцип работы заключается в поддержании выходного напряжения в заданных узких пределах, независимо от тока нагрузки и величины входа.

По принципам построения стабилизирующие устройства делятся на следующие группы:

Параметрические;
Компенсационные;
Импульсные.

Параметрические стабилизаторы основаны на использовании вольт-амперной характеристики стабилизирующего элемента, где выбирается участок с малым дифференциальным сопротивлением (при изменении тока на значительную величину напряжение на элементе остается постоянным).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Более сложные компенсационные конструкции используют обратную связь, величина которой пропорциональна разнице выходного напряжения и эталонного.

К сведению. Импульсные устройства основаны на принципе накопления энергии в реактивном элементе – емкости или индуктивности.
Простой параметрический стабилизатор напряжения
Простейшая конструкция содержит всего два элемента:
Стабилизирующий диод – стабилитрон;
Токоограничительный резистор.
Такая схема стабилизатора имеет ограниченное применение, поскольку работает в ограниченном диапазоне сопротивления нагрузки – ток через стабилитрон должен быть больше нагрузки как минимум в 3-10 раз.

Параметрическая схема
Стабилизатор напряжения с применением транзистора
Если дополнить конструкцию со стабилитроном эмиттерным повторителем, получится параметрический стабилизатор на транзисторе и стабилитроне с лучшими параметрами в отношении тока нагрузки.
В данной схеме напряжение на нагрузке определяется разностью между падением на стабилитроне и переходе база-эмиттер. Стабилизация происходит потому, что разность потенциалов перехода база-эмиттер слабо зависит от тока эмиттера.
Включение усилительного элемента позволяет увеличить ток нагрузки в Вst раз, где Вst – статический коэффициент передачи. Используя составной элемент (схема Дарлингтона), можно еще больше увеличить допустимый ток нагрузки до нескольких ампер.

Схема Дарлингтона
Схема параметрического стабилизатора напряжения на транзисторе обладает недостатками. Некоторая нестабильность напряжения на переходе база-эмиттер ухудшает коэффициент стабилизации конструкции в целом. Снижение мощности нагрузки ниже определенного минимума вызывает повышение выходного напряжения (для кремниевых компонентов на 0.6 Вольт, поскольку ток базы становится равным нулю).
Принципы расчета характеристик
Для простейшего расчета характеристик требуются следующие данные:
Напряжение питания;
Ток нагрузки;
Выходное напряжение.
Порядок расчета:
Исходя из выходных параметров, определяется тип стабилизирующего элемента;
Выбирается ключевой элемент по критериям:
Коэффициент стабилизации Вst≥Iн/Iст;
Допустимое напряжение коллектор-эмиттер больше максимального входного;
Максимальный ток коллектора должен быть больше нагрузки.
Компенсационные стабилизаторы
В компенсационных стабилизаторах производится сравнение эталонного (опорного) потенциала с выходным. Разница через контур отрицательной обратной связи поступает на базу ключевого транзистора, управляя величиной его открытия.
Точность стабилизации зависит от точности формирования опорного напряжения. Так как устройство сравнения потребляет малый ток, то опорный потенциал можно сформировать при помощи параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Компенсационная схема
Еще больше повысить эксплуатационные характеристики можно, используя источник тока вместо токоограничительного резистора. В качестве такого источника наиболее удобно применять полевой транзистор. Компенсационные устройства обладают хорошими характеристиками, поэтому большинство производителей элементной базы выпускает готовые модули, позволяющие создавать конструкции с минимумом элементов.
Импульсные стабилизаторы
Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.
Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.
Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.

Микросхема импульсных устройств
Схема на составном транзисторе
Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе ограничивает ток нагрузки не только за счет допустимого тока ключевого элемента. Задолго до наступления момента предельного режима стабилизация ухудшается, поскольку ограничивается статическим коэффициентом передачи ключевого транзистора.
Увеличить ток нагрузки можно, применяя составные элементы, включенные по схеме Дарлингтона. В таком включении общий коэффициент передачи равняется произведениям коэффициентов обоих транзисторов. Мощные усилительные транзисторы Дарлингтона часто выпускаются в едином корпусе, не требуя дополнительных соединений.
Схема на двух транзисторах
Используя два транзистора, можно собрать схему компенсационного стабилизатора, в котором один из триодов является ключевым, а второй служит для управления обратной связью. Такая конструкция легко позволяет регулировать величину выхода. Правильный стабилизатор также должен предусматривать защиту от перегрузки.
Схема на транзисторе и стабилитроне
Подключение ключевого элемента к простейшему устройству на стабилитроне позволяет с минимальными затруднениями увеличить ток нагрузки. Применение полевого транзистора вместо биполярного позволяет уменьшить рассеиваемую мощность, снизить падение на полупроводниковых переходах, увеличивая таким образом КПД конструкции.
Важно! При использовании полевых транзисторов рука и инструмент должны быть заземлены.
Какой выбрать стабилизатор напряжения, зависит от предъявляемых требований по значению тока нагрузки, коэффициенту стабилизации, габаритам конструкции.
Во многом это зависит от личных предпочтений. Компенсационные и параметрические устройства просты для понимания, легко собираются и настраиваются. Импульсные устройства более сложные технически. Хотя существует множество готовых интегральных микросхем импульсных стабилизаторов, отсутствие четкого понимания их работы может затруднить поиск неисправностей. Выбранная с некоторым запасом по току конструкция может простоять под нагрузкой неограниченное время.
Видео
их схемы, принцип работы, плюсы и минусы
Содержание
Какие бывают виды стабилизаторов напряжения?
Возрастающий спрос на стабилизаторы напряжения связан как с активным использованием этих электроприборов во всех сферах человеческой деятельности, так и с периодически возникающими в сетях проблемами с качеством электроэнергии.
Специализированные магазины и интернет-сайты предлагают большой выбор стабилизаторов отечественного и зарубежного производства, удовлетворяющих практически любые запросы покупателей.
Каждый стабилизатор, несмотря на его мощность и стоимость, построен по типовой схеме (топологии), в основе которой заложен определённый физический принцип стабилизации электрической энергии. Всего таких топологий пять:

феррорезонансная;

электромеханическая;

релейная;

полупроводниковая;

инверторная.

Практически все виды стабилизаторов напряжения имеют свои преимущества и недостатки, которые в основном обусловлены схемой их построения. Основные параметры устройств каждого типа требуют пристального изучения, так как именно от их значений зависит эффективность работы выбранной модели стабилизатора с различной современной аппаратурой.
Феррорезонансные стабилизаторы
Это первые стабилизаторы, получившие широкое распространение в нашей стране. Начало их массового использования в 50-60-х годах ХХ века связано с появлением ламповых телевизоров и прочей бытовой техники, требующей защиты от сетевых колебаний.
Стабилизаторы такого типа отличаются от большинства более современных моделей простотой электронной схемой и отсутствием автотрансформатора. Они понижают или повышают значение напряжения за счёт эффекта феррорезонанса – электромагнитного взаимодействия между двумя дросселями один из которых имеет ненасыщенный сердечник (входной), а второй насыщенный (выходной).

Преимущества
Феррорезонансные стабилизаторы не имеют склонных к поломкам подвижных компонентов, что обеспечивает их надёжность и большой ресурс безотказной работы. Некоторые изделия советского производства до сих пор находятся в обиходе и исправно выполняют свою работу. Другие преимущества данной топологии:

надёжность и большой ресурс безотказной работы благодаря отсутствию склонных к поломкам подвижных компонентов;

высокая точность выходного напряжения за счёт плавного, безразрывного регулирования сетевого сигнала;

устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды;

быстродействие.

Недостатки
Отвечающее современному уровню комфорта бытовое использование феррорезонансных стабилизаторов осложняется рядом свойственных им недостатков:

шумность работы – гул от встроенных трансформаторов ощущается даже через стену;

повышенное тепловыделение;

большой вес и крупные габариты;

малый диапазон регулируемого входного напряжения – более узкий, чем предельные значения отклонений, встречающихся в отечественных сетях;

невысокий КПД вследствие значительных потерь энергии на нагрев;

неспособность работать при перегрузках и на холостом ходу;

искажения синусоиды.

Стоить отметить, что все указанные недостатки характерны в первую очередь для классических феррорезонансных стабилизаторов первых поколений, в устройствах нового образца они максимально снижены или полностью исключены. Существенный минус современных моделей этой топологии – это их высокая цена, превышающая не только стоимость изделий других типов, но и on-line ИБП соответствующей мощности.
Применение
Несмотря на серьезные сдвиги в разработке более производительных, мощных и надежных преобразователей напряжения, устаревшие феррорезонансные стабилизаторы все еще пользуются спросом при работе с неприхотливой техникой такого же старого поколения. Приборы этой группы являются не самым удачным вариантом для бытового пользования по причине высокого уровня шумов и громоздкости конструкции, однако вполне могут быть использованы в подсобных помещениях или на загородных домах при плюсовых температурах.
Электромеханические стабилизаторы
Стабилизаторы данного типа появились практически одновременно с феррорезонансными, но имеют отличные от них конструкцию и принцип работы. Главные элементы любого устройства данной топологии – автотрансформатор и подвижный токосъёмный контакт, выполненный в виде ролика, ползунка или щетки.
Указанный контакт перемещается по обмотке трансформатора, вследствие чего происходит плавное увеличение или уменьшение коэффициента трансформации и соответствующее изменение (коррекция) поступающего из сети напряжения.
Первые электромеханические стабилизаторы имели ручную регулировки: специальный бегунок передвигался по катушке и отключал или подключал витки до количества, необходимого для достижения номинального значения выходного напряжения.

В современных устройствах этот процесс автоматизирован: плата управления анализирует входной ток и в случае отклонения его параметров сигнализирует сервоприводу, перекатывающему коммутационный контакт на сегмент тороидальной обмотки автотрансформатора с напряжением, максимально приближенным к номинальному.

Преимущества
Основное достоинство электромеханического принципа стабилизации напряжения – непрерывное регулирование с высокой точностью и без искажения синусоидальной формы сигнала. Также ключевым преимуществом является самая низкая стоимость электромеханических стабилизаторов на отечественном рынке.
Недостатки
Эти устройства имеют и ряд существенных недостатков, делающих их не самым оптимальным решением для защиты многих видов нагрузки, а именно:

низкое (за исключением некоторых моделей) быстродействие – скорость реакции на изменение входного сигнала ограничивается временем, требуемым сервоприводу для срабатывания;

возникновение кратковременных скачков выходного напряжения при резких перепадах входного, что пагубно влияет на чувствительные электронные компоненты защищаемого оборудования и осложняет применение в сетях с сильными перепадами напряжения;

низкое качество фильтрации входных электромагнитных помех и трансляция возмущающего воздействия на выход устройства;

низкая надежность из-за механически движущихся деталей, что значительно сокращает срок эксплуатации устройства, из-за чего именно этот тип стабилизаторов чаще всего выходит из строя.

Дополнительные неудобства при эксплуатации электромеханических стабилизаторов в домашних условиях создают:

повышенный уровень шума и возможное искрение при работе – следствие движения сервопривода по виткам катушки;

громоздкая конструкция, большое количество механических узлов и деталей, и, соответственно, большой вес;

необходимость периодического обслуживания подверженного износу узла механического контакта, надёжность которого снижается пропорционально числу срабатываний.

Кроме того, приборы этой группы могут давать сбои при длительном использовании в условиях отрицательной температуры – такому оборудованию комфортнее в отапливаемых помещениях.
Применение
Перечисленные недостатки обуславливают ограниченную сферу применения электромеханических стабилизаторов – они все еще востребованы в сетях без молниеносных скачков напряжения. Разумеется, такие устройства не подходят для бытового использования в домашних условиях, но вполне удачно используются в качестве временной стабилизации напряжения в подсобном хозяйстве, гаражах, небольших мастерских – там, где снижение температуры незначительно. Хотя рассматриваемый тип преобразователей постепенно уходит в прошлое и уступает место более современным конструкциям на релейной и тиристорной основе.
Релейные стабилизаторы
Приборы этой топологии относятся к электронным устройствам, действие которых построено на базе дискретного (ступенчатого) принципа стабилизации электроэнергии. Он заключается в автоматическом переключении обмоток автотрансформатора и выбора той, напряжение на которой максимально близко к номинальному.
Коммутация необходимых для повышения или снижения входного напряжения контуров происходит благодаря срабатыванию силовых электронных реле (отсюда и название данной разновидности стабилизаторов).
Управление процессом осуществляет специальный блок. Он контролирует характеристики сетевого напряжения и при их отклонении от установленного значения включает в работу ту или иную ступень стабилизации (количество ступеней соответствует числу установленных реле).

Преимущества
Основное преимущество этих устройств перед электромеханическими аппаратами устаревших конструкций – повышенная скорость срабатывания (не более 10-20 мс). Кроме того, релейные стабилизаторы обладают простейшей структурой, в которой исключены сложные узлы и дорогостоящие компоненты, что упрощает их техническое обслуживание и ремонт.
Ремонтные работы, как и сами приборы, отличаются низкой стоимостью. Релейные стабилизаторы не боятся перегрузок, чем и обусловлен их длительный срок эксплуатации. Также этот тип устройств выделяется сравнительно небольшими габаритами и малым весом. Они не требуют дополнительного охлаждения и отлично справляются со своими функциями в условиях отрицательных температур.
Недостатки
Главный недостаток релейных стабилизаторов напряжения – дискретное (неплавное) регулирование. Он обусловлен принципом работы и проявляется в виде мигания электрических ламп при переключении ступеней стабилизации.
Ступенчатая корректировка напряжения также:

снижает точность стабилизации (может достигать 10%), при этом рост быстродействия релейных устройств неминуемо повышает погрешность в их работе;

способствует трансляции искажений сетевой синусоиды на выход устройства.

Релейная топология сохраняет и ряд минусов присущих электромеханическим изделиям:

работа стабилизатора не бесшумна – срабатывание сопровождается звуковым эффектом, подобным щелчку;

реле в меньшей степени подвержены механическому износу, чем элементы сервопривода, но тенденция к ухудшению качества работы с увеличением срока эксплуатации сохраняется.

Применение
Релейные стабилизаторы подходят для защиты маломощных приборов в сетях, характеризующихся небольшими колебаниями напряжения. Вышеперечисленные недостатки говорят о недостаточном соответствии приборов этой группы требованиям по защите современной электроники, чувствительной к малейшим отклонениям питающего напряжения.
Тиристорные стабилизаторы
Данные устройства можно рассматривать как результат развития и усовершенствования дискретного принципа стабилизации. Их конструкция и принцип работы схожи с аппаратами релейной топологии.
Главное различие состоит в том, что переключение обмоток автотрансформатора выполняют не реле, а полупроводниковые силовые ключи – тиристоры, увеличивающие точность стабилизации и делающие работу устройства практически бесшумной.
Преимущества
Исполнительные блоки на базе полупроводниковых элементов не имеют механических деталей и обеспечивают минимальное
Схемы и онлайн расчёт элементов регулируемых стабилизаторов напряжения

Онлайн расчёт элементов схем линейных стабилизаторов с фиксированным и
регулируемым выходным напряжением.

Для поддержания стабильной работы и сохранения заявленных параметров электрооборудования его питание в большинстве случаев должно осуществляться постоянным и неподконтрольным никаким внешним воздействиям напряжением. Как правило, эта функция возлагается на устройства, называемые стабилизатором напряжения.
Стабилизатор напряжения — это преобразователь электрической энергии, предназначенный для поддержания уровня выходного напряжения в заданных пределах при изменениях следующих величин: входного напряжения, сопротивления нагрузки, а также в идеале — температуры и иных внешних воздействий.
Ещё не так давно подобные узлы строились на стабилитронах и транзисторах, однако с появлением специализированных микросхем, необходимость в самостоятельном конструировании подобных схем скоротечно отпочковалась, ввиду очевидной простоты реализации стабилизаторов, выполненных на интегральных микросхемах. А зря!
Там, где значения коэффициента стабилизации Кст допустимо исчислять десятками, а не сотнями-тысячами, простейший параметрический стабилизатор не только имеет право на существование, но и выигрывает у своих интегральных собратьев по такому важному параметру, как чистота выходного напряжения и отсутствие импульсных помех в момент резкого изменения тока нагрузки.
Давайте рассмотрим такие простейшие устройства стабилизаторов напряжения.

Рис.1 а) Простейшая схема     б) С эмиттерным повторителем     в) С регулируемым вых. напряжением
Схема стабилизатора напряжения, приведённая на Рис.1 а), используется в основном с устройствами, через которые не протекает существенных токов. От номинала резистора Rст зависит величина тока Iвх, протекающего как через стабилитрон, так и через нагрузку. Величина этого тока рассчитывается по формуле: R_ст = (U_вх — U_ст)/ I_вх,
а I_вх должен удовлетворять условию I_вх ≥ I_{н. макс} + I_{ст. мин}, где I_{н. макс} — максимальный ток в нагрузке при заданном выходном напряжении, а I_{ст. мин} — минимальный ток стабилизации стабилитрона, указанный в характеристиках полупроводника. В стабилитронах отечественных производителей параметр I_{ст. мин}, как правило, задан в явном виде, у зарубежных может быть не указан вообще. Куда податься бедному еврею? Я бы рекомендовал в этом случае ориентироваться на значение тока из datasheet-ов «Izk» (значение при котором стабилитрон обладает максимальным импедансом) и увеличить эту величину в 2…3 раза. Хотя, по большому счёту, оптимальным (с точки зрения достижения максимальных параметров) током для стабилитрона является тестовый ток, при котором измеряются основные характеристики полупроводника.
Для наиболее эффективного выполнения своих задач стабилитрону довольно важно, чтобы мощность нагрузки не превышала мощности, рассеиваемой на полупроводнике. Поэтому если возникает потребность стабилизации напряжения в нагрузках, потребляющих значительную мощность, используется дополнительный усилитель тока — эмиттерный повторитель (Рис.1 б)). В этом случае нагрузкой для стабилитрона является входное сопротивление повторителя R_вх ≈ R_н x (1 + β), т.е. ток нагрузки можно увеличить в β раз. Тут важно учитывать падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора, в связи с чем напряжение на выходе стабилизатора будет на 0,6…0,7 В (на 1,2…1,4 В для составного транзистора) меньше напряжения стабилизации стабилитрона .
Установив параллельно стабилитрону переменный резистор (Рис.1 в)), возникает возможность изменять напряжение стабилизации в нагрузке от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона (за вычетом падения напряжения Uбэ на переходе транзистора). Естественно, что ток, протекающий через переменник, также необходимо учитывать, задаваясь его значением — не меньшим, чем входной ток эмиттерного повторителя.
Сдобрим пройденный материал калькулятором.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ ЛИНЕЙНОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Схемы компенсационных линейных стабилизаторов являются основой большинства интегральных микросхем, выполняющих функцию стабилизации напряжений и токов, и в простейшем виде могут быть выполнены на стабилитроне и паре транзисторов (Рис.2).

Рис.2 Схемы компенсационных линейных стабилизаторов напряжения
Здесь стабилитрон является источником опорного напряжения, а транзистор Т2 — устройством сравнения выходного напряжения, поступающего через резистивный делитель на его базу, с опорным значением напряжения на его эмиттере. Повысилось выходное напряжение, а вместе с ним напряжение на базе Т2, транзистор приоткрывается и притягивает напряжение на базе регулирующего транзистора Т1 к минусовой (земляной) шине, тем самым, уменьшая напряжение на его эмиттере, а соответственно и на выходе схемы. Снизилось выходное напряжение — всё то же самое, только наоборот. Компенсационные стабилизаторы на транзисторах имеют более высокий коэффициент стабилизации по сравнению с устройствами, представленными на Рис.1, но в связи наличием обратной связи имеют и свои недостатки.
В связи с этим подробно останавливаться на них мы не будем, а перейдём сразу к интегральным стабилизаторам, имеющим похожий принцип действия, но значительно более сложным по структуре, обладающих более высокими характеристиками и при этом — очень простых и удобных в реализации.
Существует два типа подобных интегральных микросхем: регулируемые стабилизаторы напряжения и стабилизаторы с фиксированным значением выходного напряжения. Во втором случае схема стабилизатора приобретает неприлично примитивный вид, незаслуживающий какого-то серьёзного обсуждения.
В случае же стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, схема всё ещё остаётся достаточно простой, но требует некоторых умственных манипуляций, связанных с расчётом резистивного делителя для получения требуемого выходного напряжения.
Типовая схема включения большинства регулируемых микросхем приведена на Рис.3.

Рис.3
Формула для расчёта выходного напряжения имеет вид V_out = V_ref x (1+R2/R1) + I_adj x R2,
причём номинал сопротивления R1, как правило, задаётся производителем микросхемы для достижения наилучших параметров выходных характеристик.
Отдельные бойцы для снижения пульсаций ставят дополнительные электролиты значительных величин параллельно резистору R2. Оно, конечно, бойцы эти герои, но зачем же стулья ломать?
Любое резкое увеличение тока нагрузки, приводящее к снижению выходного напряжения, не сможет моментально отработаться схемой автоматической регулировки из-за задержки в цепи обратной связи, обусловленной данным конденсатором, а это в значительной степени снизит быстродействие устройства.
И если для статических нагрузок параметр быстродействия стабилизатора по барабану, то для динамических (к примеру, таких как УНЧ) — очень даже немаловажен. Поэтому — либо эти электролиты вообще не нужны, либо (если их настоятельно рекомендует Datasheet) ставить конденсаторы небольших номиналов в строгом соответствии с рекомендациями производителя.
Для начала — справочная таблица с основными техническими характеристиками наиболее часто используемых интегральных стабилизаторов с регулировкой выходного напряжения.
Приведённая ниже таблица позволяет рассчитать номиналы резисторов делителя некоторых популярных типов микросхем регулируемых стабилизаторов, представленных разными производителями.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСХЕМ — СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Если не хотите, чтобы вдруг «раздался мощный пук» — послеживайте за полярностью включения конденсатора С2. Она должна совпадать с полярностью входного (выходного) напряжения.
Отдельно хочу остановиться на МИКРОМОЩНЫХ СТАБИЛИЗАТОРАХ С МАЛЫМ СОБСТВЕННЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ.
Такого рода стабилизаторы окажутся совсем не лишними в хозяйстве, так как смогут обеспечить такой важнейший показатель радиоэлектронной аппаратуры с автономным питанием, как экономичность входящих в её состав узлов.
Здесь выбор интегральных микросхем заметно беднее, а цены, как правило, заметно ощутимей, чем на аналоги со стандартным потреблением, поэтому начну я с простой, но проверенной временем схемы на дискретных элементах.

Рис.2
Чем хорош КТ315 в данном включении?
На обратно смещённом переходе КТ315 при напряжении 6 — 7,5В, в зависимости от экземпляра транзистора, возникает электрический (не побоюсь этого слова) пробой, что позволяет использовать его в качестве стабилитрона на эту-же самую величину напряжения пробоя. При этом транзистор в таком включении, в отличие от многих промышленных стабилитронов, хорошо работает и при малых токах стабилизации, порядка 100 мкА.
Из относительно гуманных по цене интегральных стабилизаторов с малым собственным потреблением, могу порекомендовать LP2950, LP2951, LM2931, LM2936 и им подобные.

Тип U вх макс
   В І вых макс
   А І вых мин
мА U вых мин
   В U вых макс
   В

КР142ЕН11 -40 1,5 10 -1,2 -37

КР142ЕН12 40 1,5 10 1,2 37

КР142ЕН18 -40 1,5 10 -1,2 -37

КР142ЕН22 35 5 10 1,25 34

КР142ЕН22А 35 7,5 10 1,25 34

КР142ЕН22Б 35 10 10 1,25 34

LT1083 35 7,5 10 1,2 34

LT1084 35 5 10 1,2 34

LT1085 35 3 10 1,2 34

LM117 40 1,5 5 1,2 37

LM137 -40 1,5 10 -1,2 -37

LM138 35 5 10 1,2 32

LM150 35 5 10 1,2 33

LM217 40 1,5 5 1,2 37

LM317 40 1,5 5 1,2 37

LM317LZ 40 0,1 5 1,2 37

LM337 -40 1,5 10 -1,2 -37

LM337LZ -40 0,1 10 -1,2 -37

LM338 35 5 10 1,2 32

LM350 35 3 10 1,2 33

TL783 126 0,7 0,1 1,25 125

Различные типы регуляторов напряжения и принцип работы
Регулятор напряжения используется для регулирования уровней напряжения. Когда требуется стабильное и надежное напряжение, предпочтительным устройством является регулятор напряжения. Он генерирует фиксированное выходное напряжение, которое остается постоянным при любых изменениях входного напряжения или условий нагрузки. Он действует как буфер для защиты компонентов от повреждений. Стабилизатор напряжения — это устройство с простой конструкцией с прямой связью, в котором используются контуры управления с отрицательной обратной связью.В основном есть два типа регуляторов напряжения: линейные регуляторы напряжения и импульсные регуляторы напряжения; они используются в более широких приложениях. Линейный регулятор напряжения — самый простой тип регулятора напряжения. Он доступен в двух типах, которые компактны и используются в системах с низким энергопотреблением и низким напряжением. Обсудим различные типы регуляторов напряжения.
Регулятор напряжения
Типы регуляторов напряжения и их принцип работы
В основном существует два типа регуляторов напряжения: линейный регулятор напряжения и импульсный регулятор напряжения.

Существует два типа линейных регуляторов напряжения: последовательные и шунтовые.
Существует три типа импульсных регуляторов напряжения: повышающие, понижающие и инверторные регуляторы напряжения.
Линейный регулятор
Линейный регулятор действует как делитель напряжения. В омической области используется полевой транзистор. Сопротивление регулятора напряжения меняется в зависимости от нагрузки, что приводит к постоянному выходному напряжению.
Преимущества линейного регулятора напряжения
Обеспечивает низкую пульсацию выходного напряжения
Быстрое время отклика при изменении нагрузки или линии
Низкие электромагнитные помехи и меньший шум
Недостатки линейного регулятора напряжения
Очень низкий КПД
Требуется большое пространство — необходим радиатор
Напряжение выше входа не может быть увеличено
Регулятор напряжения серии
В последовательном регуляторе напряжения используется регулируемый элемент, последовательно включенный с нагрузкой.Изменяя сопротивление этого последовательного элемента, можно изменить падение напряжения на нем. И напряжение на нагрузке остается постоянным.

Регулятор напряжения серии
Количество потребляемого тока эффективно используется нагрузкой; это главное преимущество последовательного регулятора напряжения. Даже когда нагрузка не требует тока, последовательный регулятор не потребляет полный ток. Таким образом, последовательный стабилизатор значительно эффективнее шунтирующего регулятора напряжения.
Цепь регулятора напряжения серии Цепь регулятора напряжения серии
Шунтирующий регулятор напряжения
Шунтирующий регулятор напряжения работает, обеспечивая путь от напряжения питания к земле через переменное сопротивление. Ток через шунтирующий регулятор отклонился от нагрузки и бесполезно течет на землю, что делает эту форму обычно менее эффективной, чем последовательный регулятор. Это, однако, более простое, иногда состоящее только из напряжения опорного диода, и используется в очень маломощных схемах, в котором впустую ток слишком мал, чтобы быть озабоченность.Эта форма очень часто для эталонного напряжения цепей. Шунтирующий регулятор обычно может только поглощать (поглощать) ток.
Шунтирующий регулятор напряжения
Применение шунтирующих регуляторов
Шунтирующие регуляторы используются в:
Импульсные источники питания с низким выходным напряжением
Цепи источника и приемника тока
Усилители ошибки
Регулируемое линейное и коммутируемое напряжение или ток Источники питания
Мониторинг напряжения
Аналоговые и цифровые схемы, требующие точных эталонов
Прецизионные ограничители тока
Импульсный регулятор напряжения
Импульсный регулятор быстро включает и выключает последовательные устройства.Рабочий цикл переключателя устанавливает количество заряда, передаваемого нагрузке. Это контролируется механизмом обратной связи, аналогичным линейному регулятору. Импульсные регуляторы эффективны, потому что последовательный элемент либо полностью проводит ток, либо выключен, потому что он почти не рассеивает мощность. Импульсные регуляторы способны генерировать выходное напряжение, превышающее входное напряжение, или противоположную полярность, в отличие от линейных регуляторов.
Импульсный регулятор напряжения
Импульсный регулятор напряжения быстро включается и выключается для изменения выходного сигнала.Он требует управляющего генератора, а также заряжает компоненты накопителя.
В импульсном регуляторе с частотно-импульсной модуляцией, изменяющейся частотой, постоянным рабочим циклом и спектром шума, налагаемым PRM, изменяются; отфильтровать этот шум труднее.
Импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией, постоянной частотой, изменяющимся рабочим циклом, эффективен и легко отфильтровывает шум.
В импульсном стабилизаторе ток в непрерывном режиме через катушку индуктивности никогда не падает до нуля.Это обеспечивает максимальную выходную мощность. Это дает лучшую производительность.
В импульсном регуляторе ток в прерывистом режиме через катушку индуктивности падает до нуля. Это дает лучшую производительность при низком выходном токе.
Топологии коммутации
Имеются два типа топологий: диэлектрическая изоляция и неизолированная.
Без изоляции: Он основан на небольших изменениях Vout / Vin. Примеры: повышающий регулятор напряжения (Boost) — повышает входное напряжение; Step Down (Бак) — снижает входное напряжение; Повышение / Понижение (повышение / понижение) Регулятор напряжения — понижает, повышает или инвертирует входное напряжение в зависимости от контроллера; Зарядный насос — обеспечивает многократный ввод без использования индуктора.
Диэлектрик — Изоляция: Основано на радиации и интенсивных средах.
Преимущества коммутационных топологий
Основными преимуществами импульсного источника питания являются эффективность, размер и вес. Это также более сложная конструкция, способная обеспечить более высокую энергоэффективность. Импульсный регулятор напряжения может обеспечивать выходной сигнал, который больше или меньше или инвертирует входное напряжение.
Недостатки топологий коммутации
Повышенное пульсирующее напряжение на выходе
Более медленное время восстановления переходного процесса
EMI производит очень шумный выходной сигнал
Очень дорогой
Повышающий регулятор напряжения
Повышающие переключающие преобразователи также так называемые повышающие импульсные регуляторы, обеспечивают более высокое выходное напряжение за счет увеличения входного напряжения.Выходное напряжение регулируется до тех пор, пока потребляемая мощность находится в пределах выходной мощности схемы. Для управления гирляндой светодиодов используется повышающий импульсный регулятор напряжения.

Повышающий регулятор напряжения
Предположим, что цепь без потерь Pin = Pout (входная и выходная мощности одинаковы)
Тогда V _{на входе} I _{на входе} = V _{на выходе} I _out,
I _out / I _in = (1-D)
Из этого следует, что в этой цепи
мощности остаются прежними
Напряжение увеличивается
Ток уменьшается
Эквивалентно трансформатору постоянного тока
Step Down ( Бак) Регулятор напряжения
Понижает входное напряжение.
Понижающий регулятор напряжения
Если входная мощность равна выходной мощности, то
P _вход = P _выход; V _вход I _вход = V _выход I _выход,
I _выход / I _вход = V _вход / V _выход = 1 / D
Понижающий преобразователь эквивалентен к трансформатору постоянного тока, в котором коэффициент трансформации находится в диапазоне 0-1.
Повышение / Понижение (Повышение / Понижение)
Его также называют инвертором напряжения.Используя эту конфигурацию, можно повышать, понижать или инвертировать напряжение в соответствии с требованиями.
Выходное напряжение имеет полярность, противоположную входной.
Это достигается за счет прямого смещения диода с обратным смещением VL во время выключения, выработки тока и зарядки конденсатора для выработки напряжения во время выключения.
Используя этот тип импульсного стабилизатора, можно достичь эффективности 90%.
Повышающий / понижающий регулятор напряжения
Регулятор напряжения генератора переменного тока
Генераторы переменного тока вырабатывают ток, необходимый для удовлетворения электрических требований транспортного средства при работе двигателя.Он также восполняет энергию, которая используется для запуска автомобиля. Генератор имеет способность производить больше тока на более низких скоростях, чем генераторы постоянного тока, которые когда-то использовались в большинстве транспортных средств. Генератор состоит из двух частей.
Регулятор напряжения генератора
Статор — это неподвижный компонент, который не перемещается. Он содержит набор электрических проводников, намотанных катушками на железный сердечник.
Ротор / Якорь — Это движущийся компонент, который создает вращающееся магнитное поле одним из следующих трех способов: (i) индукцией (ii) постоянными магнитами (iii) с помощью возбудителя.
Электронный регулятор напряжения
Простой регулятор напряжения может быть изготовлен из резистора, соединенного последовательно с диодом (или рядами диодов). Из-за логарифмической формы кривых V-I на диоде напряжение на диоде изменяется незначительно из-за изменений потребляемого тока или изменений на входе. Когда точный контроль напряжения и эффективность не важны, эта конструкция может работать нормально.
Электронный регулятор напряжения
Транзисторный регулятор напряжения
Электронные регуляторы напряжения имеют нестабильный источник опорного напряжения, который обеспечивается диодом Зенера, который также известен как обратный пробой рабочего напряжения диода.Он поддерживает постоянное выходное напряжение постоянного тока. Пульсации переменного напряжения блокируются, но фильтр не блокируется. Регулятор напряжения также имеет дополнительную схему для защиты от короткого замыкания и схему ограничения тока, защиту от перенапряжения и тепловое отключение.
Транзисторный регулятор напряжения
Речь идет о различных типах регуляторов напряжения и принципах их работы. Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять эту концепцию.Кроме того, по любым вопросам, касающимся этой статьи или любой помощи в реализации проектов в области электротехники и электроники, вы можете обратиться к нам, оставив комментарий в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос — где мы будем использовать регулятор напряжения генератора?
Фото:
.
Регулируемые блоки питания
Изучив этот раздел, вы сможете:
Разберитесь в работе регуляторов напряжения серии.
• Регулятор простой серии.
• Обратная связь и усиление ошибок.
• Защита от сверхтока (ограничение тока).
• Защита от перенапряжения.
Регуляторы напряжения серии Simple
Рис.2.2.1 Регулятор простой серии
На рис. 2.2.1 R _S и D _Z образуют простой регулятор SHUNT, как описано в модуле источника питания 2.1. В этой схеме однако, они используются для обеспечения стабильного опорного напряжения V _Z в основе TR1. Напряжение эмиттера Tr1 обычно будет примерно на 0,7 В ниже, чем напряжение базы, и поэтому V _OUT будет при более низком напряжении, чем напряжение базы.
V _OUT = V _Z — V _BE
Если выходное напряжение V _OUT падает из-за увеличения потребления тока нагрузкой, это приведет к увеличению V _BE и, как следствие, ток через транзистор (от коллектора к эмиттеру) увеличится.Это обеспечит дополнительный ток, необходимый для нагрузки, и, таким образом, регулирует выходное напряжение V _OUT.
Если V _OUT имеет тенденцию повышаться из-за уменьшения потребности в токе со стороны нагрузки, то это уменьшит V _BE, поскольку напряжение эмиттера растет, а базовое напряжение остается стабильным благодаря D _Z. Это уменьшение V _BE приведет к выключению транзистора, уменьшению протекания тока и повторному регулированию выходного напряжения V _OUT.
Этот регулирующий эффект происходит из-за того, что базовый потенциал Tr1 поддерживается стабильным с помощью D _Z, так что любое изменение напряжения эмиттера, вызванное изменением тока, вызывает изменение V _BE, изменяя проводимость транзистора Tr1, что обычно будет силовым транзистором.Это действие противодействует изменению тока нагрузки. Однако с помощью этой простой схемы регулирование не является идеальным, и изменения в выходной мощности действительно происходят по следующим причинам.
Рис. 2.2.2 Рабочая область стабилитрона
1. Любое увеличение тока нагрузки (I _L) вызывает небольшое увеличение базового тока на соотношение I _L / hfe. Это, в свою очередь, вызывает увеличение V _BE, и поскольку выходное напряжение V _OUT = V _Z — V _BE, любое увеличение V _BE имеет тенденцию к снижению выходного напряжения.Величина этого падения составляет около 0,25 В для изменения выходного тока с 10 мА до 1 А.
2. Поскольку ток базы увеличивается с нагрузкой, ток через стабилитрон D _Z будет уменьшаться по мере увеличения тока, потребляемого базой Tr1. Поскольку характеристика диода имеет наклон во всем рабочем диапазоне, как показано на рисунке 2.2.2, большое изменение тока стабилитрона (ΔI) вызовет очень небольшое изменение напряжения стабилитрона (δV). Это, в свою очередь, немного повлияет на V _BE и выходное напряжение.
3. По причинам 1 и 2, указанным выше, любое изменение нагрузки приведет к неидеальному регулированию, поэтому любое изменение на выходе немного изменит нагрузку на входной цепи. По мере того как вход обычно берут из источника ун-регулируемых, входное напряжение будет легко влиять небольшие изменения в токе нагрузки, в качестве входного напряжения также питания для опорного напряжения V _Z любое изменение в выходном токе, с помощью влияя на входное напряжение, может оказывать заметное влияние на выходное напряжение, немного снижая эффективность регулирования.
Каждый из вышеперечисленных эффектов невелик, но в сумме они дают общий эффект, заметный, когда предложение работает в сложных условиях. Тем не менее, эта недорогая схема достаточно эффективна для многих приложений и более эффективна, чем шунтирующий регулятор. Кроме того, при использовании подходящего силового транзистора последовательный стабилизатор можно использовать для более высоких токов нагрузки, чем шунтирующая конструкция.
Рис. 2.2.3 Регулятор серии с усилителем обратной связи и ошибки
Обратная связь и усиление ошибок.
Для улучшения простого последовательного регулятора в базовую последовательную схему можно добавить цепь обратной связи и усилитель ошибки.
На рис. 2.2.3 представлена структурная схема последовательного регулятора с усилением погрешности. В этой системе опорного напряжения V _Z сравнивается с напряжением обратной связи V _F, который представляет собой часть фактического выходного напряжения. Разница между двумя входами создает напряжение ошибки, которое используется для изменения проводимости элемента управления, исправляя любую ошибку в выходном напряжении.
Принципиальная схема
.
Принципиальная схема этой системы показана на рис. 2.2.4. Tr1 — это последовательный элемент управления. Обычно это силовой транзистор, установленный на массивном радиаторе, чтобы обеспечить необходимое рассеивание мощности.
Стабильная опорное напряжение обеспечивается R4 и D1 от ООН регулируемого входного напряжения. Tr2 — это усилитель ошибки, и его коэффициент усиления устанавливается величиной резистора нагрузки R3. Tr2 сравнивает долю выходного напряжения V _F, подаваемого обратно от делителя выходного потенциала R1 / R2, со стабильным опорным напряжением V _Z на стабилитроне D _Z.
Рис. 2.2.4 Принципиальная схема для рис. 2.2.3
Выходное напряжение V _OUT на рис. 2.2.4 можно выразить как:
V _OUT = (V _Z + V _BE2) + (V _OUT — V _F)
Где:
V _Z — напряжение на D _Z
В _BE2 — напряжение база / эмиттер Tr2
В _F — напряжение обратной связи, полученное от ползунка VR1
Следовательно:
(V _Z + V _BE2) — напряжение на R2 и нижней части VRI
и
(V _OUT — V _F) — напряжение на R1 и верхней части VRI
Если напряжение обратной связи V _F изменить регулировкой потенциометра VR1, разница между V _F и V _Z изменится.Это вызовет изменение ошибки управления напряжением Tr1 и изменение выходного напряжения V _OUT. Таким образом, VR1 обеспечивает переменное выходное напряжение, которое после установки остается стабильным при этой настройке.
Регулирующее действие схемы определяется напряжением на переходе база / эмиттер Tr2, то есть разницей между V _F и V _Z.
Если V _OUT имеет тенденцию к увеличению, то V _F — V _Z также увеличивается.Это увеличивает ток коллектора Tr2 и, следовательно, увеличивает п.о. через R3, уменьшая базовое напряжение и, следовательно, напряжение база / эмиттер Tr1, уменьшая проводимость Tr1, тем самым уменьшая ток, протекающий к нагрузке.
Выходное напряжение V _OUT уменьшается таким образом до тех пор, пока не будет достигнут баланс, поскольку часть обратной связи (V _F) V _OUT также уменьшается. Общий эффект заключается в том, что выходной сигнал поддерживается на уровне, который зависит от пропорции обратной связи, установленной переменным резистором (частью R1 / R2).
Если выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, то V _F тоже. Напряжение база / эмиттер Tr2 уменьшается из-за стабильного V _Z на эмиттере. Tr2 проводит меньше, и ток через R3 падает, уменьшая p.d. через это. Напряжение базы Tr1 повышается, и увеличивается проводимость управляющего транзистора. Это увеличивает выходной ток и V _OUT до тех пор, пока V _F снова не будет на правильном уровне.
Цепи защиты
Защита от перегрузки по току (ограничение тока)
Рис.2.2.5 Регулятор серии
с защитой от сверхтока
На рис. 2.2.5 показано, как можно защитить последовательный стабилизатор от чрезмерного тока, потребляемого нагрузкой. Это предотвратит повреждение источника питания в случае слишком большого тока, потребляемого на выходе, или даже полного короткого замыкания на выходных клеммах.
Добавлены два компонента: Tr3 и R5. Резистор R5 имеет очень низкое значение (обычно менее 1 Ом).
Когда ток нагрузки поднимается выше заданного значения, небольшое напряжение, развиваемое на R5, станет достаточным (около 0.7v), чтобы включить Tr3. Поскольку Tr3 подключен к переходу база / эмиттер основного управляющего транзистора Tr1, включение Tr3 приведет к уменьшению напряжения база / эмиттер Tr1 на величину, зависящую от величины избыточного тока. Выходному току не позволено превысить заданное значение, даже если на выходных клеммах произойдет полное короткое замыкание. В этом случае напряжение базы / эмиттера Tr1 будет снижено практически до нуля вольт, предотвращая ток Tr1. В этих условиях выходное напряжение будет падать до нуля, пока сохраняется состояние перегрузки по току, но источник питания не будет поврежден.
Рис. 2.2.6 Регулятор серии с защитой от перегрузки по току и перенапряжения
Защита от перенапряжения.
Когда используются стабилизированные источники питания, входное напряжение постоянного тока регулятора часто значительно превышает требуемое выходное напряжение. Поэтому в случае отказа блока питания стабилизированное выходное напряжение может внезапно подняться до уровня, который может повредить другие компоненты. По этой причине в стабилизированные источники питания часто входит защита от перенапряжения.Цепь, показанная на рис. 2.2.6, иногда называют «ломовой» цепью, потому что, когда она работает, она вызывает полное короткое замыкание на выходе, аналогичный эффекту падения металлического лома на положительный вывод и вывод заземления!
Работа цепи лома.
На рис. 2.2.6 стабилитрон D _Z 2 имеет напряжение пробоя немного меньше максимально допустимого значения для V _OUT. Остальная часть V _OUT разработана для R6, VR2 и R7.
VR2 — это потенциометр, поэтому напряжение может сниматься с цепи резистора для правильного смещения диода D1. У этого диода катод удерживается на 0 В с помощью R8, а VR2 настроен так, чтобы D1 просто не проводил, т.е. его анодное напряжение примерно на 0,5 В выше, чем его катодное напряжение.
Теперь, если V _OUT увеличивается, напряжение на R6, VR2 и R7 вырастет на ту же величину, поскольку напряжение на D _Z 2 останется прежним. Следовательно, будет существенное повышение напряжения на ползунке R7, что заставит D1 проводить ток, подавая импульс тока на затвор тиристора Th2, заставляя его «загораться» и сильно проводить, пока V _OUT не упадет практически до 0v.R9 включен для ограничения результирующего тока, протекающего через тиристор, до безопасного уровня.
Большой ток, протекающий при возгорании Th2, теперь приведет к включению схемы ограничителя тока, как описано ранее. Это безопасно отключит питание до тех пор, пока сверхток, вызванный Th2, не исчезнет, что, конечно же, произойдет, как только V _OUT достигнет 0 В, но если перенапряжение все еще будет присутствовать, когда Th2 выключится и V _OUT повысится опять же, схема повторно запустится, в результате чего напряжение на нагрузке будет неоднократно меняться от нормального значения до нуля; безобидный, но явный симптом проблемы перенапряжения.
.
Как успешно применять регуляторы с малым падением напряжения
Стабилизатор с малым падением напряжения (LDO) способен поддерживать заданное выходное напряжение в широком диапазоне тока нагрузки и входного напряжения, вплоть до очень небольшой разницы между входным и выходным напряжениями. Эта разница, известная как требование о падении напряжения или запасе мощности, может составлять всего 80 мВ при 2 А. Стабилизатор с регулируемым выходом и малым падением напряжения ¹ впервые привлек внимание общественности в 1977 году. В настоящее время портативным устройствам часто требуется до 20 линейных регуляторов с малым падением напряжения.Многие из LDO в современных портативных устройствах интегрированы в многофункциональные ИС управления питанием ² (PMIC) — высокоинтегрированные системы с 20 или более областями питания для аудио, зарядки аккумуляторов, домашнего хозяйства, освещения, связи и других функций.
Однако по мере быстрого развития портативных систем интегрированный PMIC не может удовлетворить потребности периферийного питания. Выделенные LDO должны быть добавлены на более поздних этапах разработки системы для питания таких дополнительных элементов, как модули камеры, Bluetooth, WiFi и другие модули с болтовым креплением.LDO также использовались в качестве пластырей для снижения шума, для решения проблем регулирования напряжения, вызванных электромагнитными помехами (EMI) и маршрутизацией печатных плат (PCB), а также для повышения эффективности системы за счет отключения ненужных функций.
В этой статье рассматривается базовая топология LDO, объясняются ключевые характеристики и показано применение стабилизаторов напряжения с малым падением напряжения в системах. Будут даны примеры с использованием проектных характеристик семейств LDO Analog Devices ³.
Рисунок 1. LDO регулирует выходное напряжение с низким падением напряжения (разница между Vout и наименьшим заданным значением Vin при номинальном токе нагрузки).
Базовая архитектура LDO ⁴. LDO состоит из опорного напряжения, усилитель ошибки, делитель напряжения обратной связи, и проход транзистора, как показано на рисунке 1. Выходной ток подается через устройство прохода. Его напряжение затвора управляется усилитель-который ошибка сравнивает опорное напряжение с напряжением обратной связи, усиливая разницу таким образом, чтобы уменьшить напряжение ошибки.Если напряжение обратной связи ниже, чем опорное напряжение, затвор транзистора прохода вытягивается ниже, позволяя больше тока, чтобы пройти и увеличение выходного напряжения. Если напряжение обратной связи выше, чем опорное напряжение, затвор транзистора прохода вытягивается выше, ограничение тока и уменьшение выходного напряжения.
Динамика этой замкнутой системы основана на двух основных полюсах — внутреннем полюсе, образованном усилителем ошибки / проходным транзистором, и внешнем полюсе, образованном выходным сопротивлением усилителя и эквивалентным последовательным сопротивлением выходного конденсатора (ESR).Выходная емкость и ее ESR влияют на стабильность контура и реакцию на переходные изменения тока нагрузки. Для обеспечения стабильности рекомендуется значение ESR не более 1 Ом. Кроме того, LDO требует входных и выходных конденсаторов для фильтрации шума и управления переходными процессами нагрузки. Большие значения улучшают переходную характеристику LDO, но увеличивают время запуска. LDO-стабилизаторы Analog Devices спроектированы так, чтобы быть стабильными в указанных условиях эксплуатации при использовании указанных конденсаторов.
Эффективность LDO. Повышенная эффективность — постоянное требование инженера-конструктора. Это приводит к уменьшению тока покоя (Iq) и прямого падения напряжения.
Если в знаменателе стоит Iq, очевидно, что чем выше Iq, тем ниже эффективность. Сегодняшние LDO имеют достаточно низкий Iq, и для простоты Iq можно не учитывать при расчетах эффективности, если Iq очень мало по сравнению с ILOAD. Тогда эффективность LDO просто (Vo / Vin) * 100%. Поскольку LDO не может хранить значительное количество неиспользованной энергии, мощность, не передаваемая нагрузке, рассеивается в виде тепла внутри LDO.
Обеспечивая стабильное напряжение источника питания независимо от колебаний нагрузки и линии, изменений температуры окружающей среды и с течением времени, LDO наиболее эффективны при небольшой разнице между напряжением питания и напряжением нагрузки. Например, когда литий-ионный аккумулятор падает с 4,2 В (полностью заряженный) до 3,0 В (разряженный), LDO 2,8 В, подключенный к аккумулятору, будет поддерживать постоянное напряжение 2,8 В на нагрузке (падение напряжения ниже 200 мВ ), но его эффективность увеличится с 67% при полностью заряженной батарее до 93% при разряженной батарее.
Для повышения эффективности LDO могут быть подключены к шине промежуточного напряжения, генерируемой высокоэффективным импульсным стабилизатором. Например, с импульсным стабилизатором на 3,3 В КПД LDO будет постоянным на уровне 85%, а общий КПД системы составит 81%, при условии 95% КПД импульсного стабилизатора.
Особенности схемы повышают производительность LDO: Разрешающий вход позволяет внешнее управление включением и выключением LDO, что позволяет упорядочивать источники питания в многорельсовых системах.Плавный пуск ограничивает пусковой ток и контролирует время нарастания выходного напряжения при включении питания. Состояние сна минимизирует потребление энергии, особенно полезно в системах на батарейках, позволяя при этом быстрое включение. Тепловое отключение отключает LDO, если его температура превышает указанное значение. Защита от сверхтоков ограничивает выходной ток LDO и рассеиваемую мощность. Блокировка при пониженном напряжении отключает выход, когда напряжение питания ниже указанного минимального значения. На рисунке 2 показана упрощенная типовая система питания для портативных устройств.
Рисунок 2. Типичные домены мощности в портативной системе.
Общие сведения о требованиях к линейному регулятору
LDO для цифровых нагрузок: Цифровые линейные регуляторы, такие как ADP170 и ADP1706, предназначены для поддержки основных цифровых требований системы, как правило, ядра микропроцессора и схемы ввода / вывода (I / O) системы. LDO для DSP и микроконтроллеров должны работать с хорошей эффективностью и обрабатывать высокие и быстро меняющиеся токи. Новые требования к приложениям создают огромную нагрузку на цифровой LDO, поскольку ядра процессора часто меняют тактовую частоту для экономии энергии.Изменение тактовой частоты в ответ на загрузку, вызванную программным обеспечением, приводит к повышенной потребности в возможности регулирования нагрузки LDO.
Важными характеристиками цифровых нагрузок являются линейное регулирование и регулирование нагрузки, а также снижение и выбросы переходных процессов. При питании низковольтных ядер микропроцессоров всегда очень важно точное управление выходом; неадекватное регулирование может привести к защелкиванию сердечника. Вышеуказанные параметры не всегда представлены в таблицах данных, а графики переходной характеристики могут показывать оптимистичные скорости подъема и спада в ответ на переходные сигналы.Регулировка линии и нагрузки определяется двумя способами: процентное отклонение выходного напряжения при изменении нагрузки, фактические значения V / I или и то, и другое при определенном токе нагрузки.
Для экономии энергии цифровые LDO разработаны с низким Iq для увеличения срока службы батарей, а портативные системы имеют длительные периоды работы с низким энергопотреблением, когда программное обеспечение находится в режиме ожидания. В периоды бездействия системы переходят в спящий режим, при этом LDO должен отключиться и потреблять менее 1 мкА. Пока LDO находится в спящем режиме, все цепи, включая эталон ширины запрещенной зоны, выключены.Когда система возвращается в активный режим, требуется быстрое время включения, в течение которого цифровое напряжение питания не должно чрезмерно повышаться. Чрезмерное перерегулирование может привести к блокировке системы, иногда требующей извлечения аккумулятора или активации кнопки общего сброса для устранения проблемы и перезапуска системы.
LDO для аналоговых и высокочастотных нагрузок: Низкий уровень шума и высокое отклонение от источника питания (PSR), как в ADP121 и ADP130, важны для LDO, используемых в аналоговой среде, поскольку аналоговые устройства более чувствительны к шуму, чем цифровые устройства.Требования к аналоговому LDO в основном определяются требованиями к беспроводному интерфейсу: «Не причиняйте вреда приемнику или передатчику и не создавайте хлопка или гула в аудиосистеме». Беспроводное соединение очень чувствительно к шуму, и эффективность приемника может быть снижена, если шум мешает сигналу. При рассмотрении аналогового линейного регулятора важно, чтобы устройство подавляло шум от восходящих источников и выходных нагрузок, не добавляя при этом дополнительных шумов.
Шум аналогового регулятора измеряется в среднеквадратических вольтах и PSR, его способности подавлять восходящий шум.Добавление внешнего фильтра или байпасного конденсатора может уменьшить шум, но это увеличивает стоимость и размер. Снижение шума и подавление шума питания также может быть достигнуто осторожностью и изобретательностью во внутренней конструкции LDO. При выборе LDO важно изучить детали продукта в отношении общей производительности, необходимой для каждой системы.
Основные характеристики и определения LDO
Примечание. Технические характеристики на первой странице технических описаний производителей представляют собой краткие сводки, часто представленные таким образом, чтобы подчеркнуть привлекательные особенности устройства.Ключевые параметры часто подчеркивают типичные характеристики производительности, которые можно более полно понять только при просмотре полных спецификаций и других данных в основной части документа. Кроме того, поскольку производители мало стандартизированы в способах представления спецификаций, проектировщикам энергоснабжения необходимо понимать определение и методологию, используемую для получения ключевых параметров, перечисленных в таблице электрических характеристик. Разработчик системы должен уделять пристальное внимание ключевым параметрам, таким как диапазон температуры окружающей среды и температуры перехода, шкалы X-Y графической информации, нагрузки, время нарастания и спада переходных сигналов и ширина полосы.Мы перечисляем здесь обсуждение важных параметров, относящихся к характеристике и применению LDO Analog Devices.
Диапазон входного напряжения: Диапазон входного напряжения LDO определяет минимальное используемое входное напряжение питания. В технических характеристиках может быть указан широкий диапазон входного напряжения, но самое низкое входное напряжение должно быть больше, чем напряжение падения плюс желаемое выходное напряжение. Например, падение напряжения 150 мВ означает, что входное напряжение должно быть выше 2,95 В для стабилизированного 2.Выход 8 В. Если входное напряжение упадет ниже 2,95 В, выходное напряжение упадет ниже 2,8 В.
Ток заземления (покоя): Ток покоя, Iq, представляет собой разность между входным током IIN и током нагрузки IOUT, измеренными при заданном токе нагрузки. Для стабилизаторов постоянного напряжения Iq совпадает с током заземления Ig. Для регулируемых регуляторов напряжения, таких как ADP171 ⁵, ток покоя — это ток заземления за вычетом тока из внешней цепи резистивного делителя.
Ток выключения: Входной ток, потребляемый при отключении устройства. Обычно ниже 1,0 мкА для портативных LDO, эта спецификация важна для срока службы батареи в течение длительного времени ожидания, когда портативное устройство выключено.
Точность выходного напряжения: LDO Analog Devices разработаны для обеспечения высокой точности выходного напряжения; они имеют заводскую подгонку с точностью до ± 1% при 25 ° C. Точность выходного напряжения указывается в диапазонах рабочей температуры, входного напряжения и тока нагрузки; погрешность определяется как худший случай ± x%.
Линейное регулирование: Линейное регулирование — это изменение выходного напряжения при изменении входного напряжения. Чтобы избежать неточности из-за изменений температуры кристалла, измерения производятся в условиях низкого рассеяния мощности или с использованием импульсных методов.
Регулировка динамической нагрузки: Большинство LDO могут легко поддерживать почти постоянное выходное напряжение, пока ток нагрузки изменяется медленно. Однако при быстром изменении тока нагрузки выходное напряжение изменится.Насколько изменяется выходное напряжение при изменении тока нагрузки, определяет переходные характеристики нагрузки.
Падение напряжения: Падение напряжения относится к наименьшей разнице между входным и выходным напряжениями, необходимой для поддержания регулирования. Таким образом, LDO может поддерживать постоянное выходное напряжение нагрузки при уменьшении входного напряжения до тех пор, пока входное напряжение не достигнет выходного напряжения плюс напряжение падения, после чего выход «выпадает» из регулирования. Падение напряжения должно быть как можно меньшим, чтобы свести к минимуму рассеивание мощности и максимизировать эффективность.Как правило, падение напряжения считается достигнутым, когда выходное напряжение упало до 100 мВ ниже номинального значения. Ток нагрузки и температура перехода могут влиять на падение напряжения. Максимальное падение напряжения следует указывать во всем диапазоне рабочих температур и тока нагрузки.
Время запуска: Время запуска определяется как время между нарастающим фронтом разрешающего сигнала и достижением VOUT 90% своего номинального значения. Этот тест обычно выполняется с примененным VIN и включенным контактом включения.Примечание: в некоторых случаях, когда разрешение подключено к VIN, время запуска может существенно увеличиться, поскольку эталон запрещенной зоны требует времени для стабилизации. Время запуска регулятора является важным фактором для приложений, где регулятор часто выключается и включается для экономии энергии в портативных системах.
Порог ограничения тока: Порог ограничения тока определяется как ток нагрузки, при котором выходное напряжение падает до 90% от указанного типичного значения.Например, предел тока для выходного напряжения 3,0 В определяется как ток, при котором выходное напряжение падает до 90% от 3,0 В или 2,7 В.
Диапазон рабочих температур: Диапазон рабочих температур может определяться окружающей температурой и температурой перехода. Поскольку LDO рассеивает тепло, IC всегда будет работать при температуре выше окружающей среды. Насколько выше температуры окружающей среды, зависит от условий эксплуатации и тепловой конструкции печатной платы. Указана максимальная температура перехода (TJ), поскольку работа при температуре выше максимальной температуры перехода в течение продолжительных периодов времени может повлиять на надежность устройства — статистически указывается как среднее время наработки на отказ (MTTF).
Thermal Shutdown (TSD): Большинство LDO имеют силиконовые термостаты для защиты ИС от теплового разгона. Они используются для отключения LDO, если температура перехода превышает указанный порог теплового отключения. Гистерезис необходим для охлаждения LDO перед перезапуском. TSD важен, потому что он защищает больше, чем один LDO; чрезмерное нагревание влияет не только на регулятор. Тепло, передаваемое от LDO к печатной плате (или к LDO от более горячих элементов на плате), со временем может повредить материал печатной платы и паяные соединения, а также повредить близлежащие компоненты, сокращая срок службы портативного устройства.Кроме того, тепловое отключение влияет на надежность системы. Таким образом, важным аспектом системы является тепловой дизайн для контроля температуры платы (теплоотвод, охлаждение и т. Д.).
Вход включения: LDO разрешает включение и выключение устройства с помощью положительной и отрицательной логики. Логика Active-High включает устройство, когда напряжение включения превышает верхний логический порог. Логика активного низкого уровня включает устройство, когда напряжение включения ниже порога низкого логического уровня. Разрешающий вход позволяет осуществлять внешнее управление включением и выключением LDO, что является важной функцией в последовательности подачи в многорельсовых системах.Некоторые LDO имеют значительно меньшее время запуска, потому что их эталонная ширина запрещенной зоны включена, а LDO отключен, что позволяет LDO включаться быстрее.
Блокировка при пониженном напряжении: Блокировка при пониженном напряжении (UVLO) обеспечит подачу напряжения на нагрузку только тогда, когда входное напряжение системы выше указанного порогового значения. UVLO важен, потому что он позволяет устройству включаться только тогда, когда входное напряжение равно или выше того, что требуется устройству для стабильной работы.
Выходного шум: внутренний источник опорного напряжения запрещенной зоны The LDO является источником шума, как правило, указан в микровольте среднеквадратичных по полосе конкретной.Например, ADP121 имеет выходной шум 40 мкВ (среднеквадратичное значение) в диапазоне от 10 кГц до 100 кГц при VOUT 1,2 В. При сравнении технических характеристик указанная полоса пропускания и рабочие условия являются важными факторами.
Подавление источника питания: PSR, выраженное в децибелах, является мерой того, насколько хорошо LDO подавляет пульсации от входного источника питания в широком диапазоне частот (от 1 кГц до 100 кГц). В LDO PSR можно охарактеризовать в двух частотных диапазонах. Диапазон 1 — от постоянного тока до частоты с единичным усилением контура управления; PSR устанавливается коэффициентом усиления без обратной связи регулятора.Полоса 2 находится выше частоты единичного усиления; Цикл обратной связи не влияет на PSR. Здесь PSR задается выходом и любыми путями утечки от входа к выходным контактам. Выбор подходящей высокой выходной емкости обычно улучшает PSR в этом последнем диапазоне. В диапазоне 1 запатентованная схема компании Analog Devices снижает изменения PSR из-за колебаний входного напряжения и нагрузки. Для оптимального отключения питания необходимо учитывать компоновку печатной платы, чтобы уменьшить утечку от входа к выходу, а заземление должно быть надежным.
Минимальная входная и выходная емкость: Минимальная входная и выходная емкость должна быть больше указанной во всем диапазоне рабочих условий, особенно рабочего напряжения и температуры. При выборе устройства необходимо учитывать весь диапазон рабочих условий в приложении, чтобы обеспечить соблюдение требований к минимальной емкости. Рекомендуются конденсаторы типа X7R и X5R; Конденсаторы Y5V и Z5U не рекомендуется использовать с какими-либо LDO.
Функция защиты от обратного тока: Типичный LDO с устройством пропускания PMOS имеет внутренний диод между VIN и VOUT. Когда VIN больше VOUT, этот диод имеет обратное смещение. Если VOUT больше, чем VIN, собственный диод становится смещенным в прямом направлении и проводит ток от VOUT к VIN, потенциально вызывая деструктивное рассеяние мощности. Некоторые LDO, такие как ADP1740 / ADP1741, имеют дополнительную схему для защиты от обратного тока, протекающего от VOUT к VIN. Схема защиты от обратного тока определяет, когда VOUT больше, чем VIN, и меняет направление внутреннего подключения диода, смещая диод в обратном направлении.
Плавный пуск: Программируемый плавный пуск полезен для снижения пускового тока при запуске и обеспечения последовательности напряжения. Для приложений, которым требуется контролируемый пусковой ток при запуске, LDO, такие как ADP1740 / ADP1741, предоставляют функцию программируемого плавного пуска (SS). Для реализации плавного пуска небольшой керамический конденсатор подключается от SS к GND.
Заключение
LDO выполняют жизненно важную функцию. Несмотря на простоту концепции, при их применении необходимо учитывать множество факторов.В этой статье рассмотрена базовая топология LDO и описаны основные характеристики и применение стабилизаторов напряжения с малым падением напряжения в системах. Таблицы данных содержат много полезной информации. Дополнительная информация (руководство по выбору, спецификации, примечания по применению, а также способы получения помощи человека) доступна на веб-сайте управления питанием ⁶. Также доступен ADIsimPower ^™, самый быстрый и точный преобразователь постоянного тока в Инструмент проектирования управления питанием постоянного тока ⁷.
Ссылки
¹ Добкин, Р., «Освободитесь от фиксированных регуляторов ИС», Electronic Design , 12 апреля 1977 г.
² http://www.analog.com/en/power-management/multifunction-power-ics/products/index.html
³ http://www.analog.com/en/power-management/linear-regulators/products/index.html
⁴ Пату, Дж., Регуляторы с малым падением напряжения (спросите у специалиста по приложениям, — 37), Analog Dialogue 41-2 (2007), стр. 8-10.
⁵ Информацию обо всех компонентах ADI можно найти на сайте www.analog.com.
⁶ http://www.analog.com/en/power-management/products/index.html
⁷ http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dtPowerMain.aspx
.
LM317 Принципиальная схема регулятора переменного напряжения
Когда нам требуется постоянное и определенное значение напряжения без колебаний, мы используем регулятор напряжения IC. Они обеспечивают фиксированное регулируемое питание. У нас есть регуляторы напряжения серии 78XX (7805, 7806, 7812 и т. Д.) Для положительного источника питания и 79XX для отрицательного источника питания. Но что, если необходимо изменить напряжение источника питания, так что здесь у нас есть микросхема регулятора переменного напряжения LM317. В этом руководстве мы покажем вам, как получить регулируемое напряжение от микросхемы LM317.С помощью небольшой схемы, присоединенной к LM317, мы можем получить переменное напряжение до 37 В с максимальным током 1,5 А. Выходное напряжение изменяется путем изменения резистора, подключенного к регулируемому выводу LM317.
Необходимые компоненты
LM317 регулятор напряжения IC
Резистор (240 Ом)
Конденсатор (1 мкФ и 0,1 мкФ)
Потенциометр (10к)
Аккумулятор (9 В)
Принципиальная схема

LM317 Регулятор напряжения IC
Это регулируемый трехконтактный стабилизатор напряжения IC с высоким значением выходного тока, равным 1.5А. LM317 IC помогает в ограничении тока, защите от тепловой перегрузки и безопасной рабочей зоне. Он также может обеспечивать плавающий режим для приложений высокого напряжения. Если мы отключим регулируемую клемму, LM317 все равно будет полезен в защите от перегрузки. У него типичная линия и регулировка нагрузки 0,1%. Это также бессвинцовый прибор.
Его рабочая температура и температура хранения находится в диапазоне от -55 до 150 ° C, а максимальный выходной ток составляет 2,2 А. Мы можем обеспечить входное напряжение в диапазоне от 3 до 40 В постоянного тока, а i т может дать выходное напряжение 1.От 25 В до 37 В , которые мы можем варьировать в зависимости от потребности, используя два внешних резистора на регулируемом контакте LM317. Эти два резистора работают как схема делителя напряжения, используемая для увеличения или уменьшения выходного напряжения. Проверьте здесь схему зарядного устройства 12 В, используя LM317
.
Схема контактов LM317

Конфигурация контактов
ПИН.
PIN Имя
PIN Описание
1
Настроить
Мы можем отрегулировать Vout через этот вывод, подключившись к цепи резисторного делителя.
2
Выход
Вывод выходного напряжения (Vout)
3
Вход
Вывод входного напряжения (Vin)
Расчет напряжения для LM317
Во-первых, вы должны решить, какой результат вы хотите. Как LM317, имеющий выходное напряжение , диапазон 1.От 25 В до 37 В постоянного тока. Мы можем регулировать выходное напряжение с помощью двух внешних резисторов, подключенных через регулируемый вывод IC. Если мы говорим о входном напряжении , оно может находиться в диапазоне от 3 до 40 В постоянного тока.
«Выходное напряжение будет зависеть только от внешнего резистора, но входное напряжение всегда должно быть больше (минимум 3 В) необходимого выходного напряжения». Обычно рекомендуемое значение резистора R1 составляет 240 Ом (но не фиксировано, вы также можете изменить его в соответствии с вашими требованиями), мы можем изменить резистор R2.
Вы можете напрямую найти значение выходного напряжения или резистора R2, используя формулу ниже:
Vout = 1,25 {1 + (R ₂ / R ₁)} R ₂ = R ₁ {(Vout / 1,25) - 1}
Вы можете напрямую использовать калькулятор LM317 для быстрого расчета резистора R2 и выходного напряжения.
Давайте возьмем пример, значение R1 будет рекомендуемым значением 240 Ом, а R2, которое мы принимаем, равным 300 Ом, поэтому какое будет выходное напряжение:
Vout = 1.25 * {1+ (300/240)} = 2,8125v
Вы можете посмотреть живое демонстрационное видео ниже.
Работа цепи регулятора напряжения LM317

Схема регулятора напряжения очень проста. Конденсатор C1 используется для фильтрации входного постоянного напряжения и далее подается на вывод Vin микросхемы стабилизатора напряжения LM317. Регулируемый вывод соединен с двумя внешними резисторами и соединен с выводом Vout микросхемы. Конденсатор C2 используется для фильтрации выходного напряжения, полученного с вывода Vout.А затем выходное напряжение поступает на конденсатор C2. Посмотрите полное рабочее видео ниже.
.