Стабилизатор с низким падением напряжения своими руками

Обновлено: 05.07.2024

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Область применения

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

Электрическая схема стабилизатора low dropout

Второй вариант схемы

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

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

Таблица напряжений MIC294х

Возможности схемы на MIC2941

Originally posted 2019-06-11 12:52:09. Republished by Blog Post Promoter

Для регулировки выходного напряжения в предыдущей схеме в качестве стабилитрона можно применять интегральный элемент с регулируемым напряжением стабилизации (управляемый стабилитрон). Есть и другой вариант.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Схема работает так. Если напряжение на движке подстроечного резистора повышается выше напряжения стабилизации стабилитрона плюс напряжение насыщения перехода база-эмиттер VT2, то транзистор начинает открываться, отводит часть тока от базы транзистора VT1. В результате VT1 закрывается и напряжение на выходе снижается.

[Напряжение стабилизации стабилитрона, В] = [Минимальное выходное напряжение, В] - [Напряжение насыщения база-эмиттер VT2, В]

[Сопротивление резистора R1, Ом] = ([Минимально возможное входное напряжение, В] - [Максимальное выходное напряжение, В] - [Напряжение насыщения база-эмиттер VT1, В]) * ([Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора VT1] - 1) / [Максимально возможный выходной ток, А]

[Сопротивление резистора R2, Ом] = [Минимальное выходное напряжение, В] * [Сопротивление резистора R1, Ом] * [Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора VT2] / ([Максимально возможное входное напряжение, В] - [Напряжение стабилизации стабилитрона, В]) / 3

Выбираем резистор R2 так, чтобы ток через него был по крайней мере в три раза больше необходимого тока управления.

[Мощность транзистора VT1, Вт] = ([Максимально возможное входное напряжение, В] - [Минимальное выходное напряжение, В]) * [Максимально возможный выходной ток, А]

[Мощность стабилитрона, Вт] = ([Максимально возможное входное напряжение, В] - [Напряжение стабилизации стабилитрона, В]) * [Напряжение стабилизации стабилитрона, В] / [Сопротивление резистора R1, Ом]

На транзисторе VT2 мощность практически не рассеивается.

[Максимально возможный ток через транзистор VT1, А] = ([Максимально возможное входное напряжение, В] - [Минимальное выходное напряжение, В] - [Напряжение насыщения база-эмиттер VT1, В]) * [Максимальный коэффициент передачи тока транзистора VT1] / [Сопротивление резистора R1, Ом]

Онлайн расчет

Стабилизатор с низким падением напряжения

Обе предыдущие схемы хорошо работают, если разница между входным и выходным напряжением позволяет сформировать нужное смещение на базе транзистора VT1. Для этого надо минимум несколько вольт. Иногда такое напряжение поддерживать нецелесообразно, например потому, что потери и нагрев силового транзистора пропорциональны этому напряжению. Тогда применяется следующая схема.

Она может работать, даже если разница входного и выходного напряжений составляет всего насколько десятых долей вольта, так как в ней это напряжение не участвует в формировании смещения. Смещение подается через транзистор VT2 с общего провода. Если напряжение на движке подстроечного резистора меньше напряжения стабилизации стабилитрона плюс напряжение насыщения перехода база-эмиттер VT3, то транзистор VT3 закрыт, транзистор VT2 открыт, транзистор VT1 открыт. Когда напряжение на движке резистора превышает сумму напряжения стабилизации стабилитрона и насыщения перехода база-эмиттер VT3, транзистор VT3 открывается и отводит ток от базы VT2. VT2 и VT3 закрываются.

[Напряжение стабилизации стабилитрона, В] = [Минимальное выходное напряжение, В] - [Напряжение насыщения база-эмиттер VT3, В]

[Сопротивление резистора R1, Ом] = ([Минимально возможное входное напряжение, В] - [Напряжение насыщения база-эмиттер VT2, В]) * [Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора VT1] * [Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора VT2] / [Максимально возможный выходной ток, А]

[Сопротивление резистора R2, Ом] = [Минимальное выходное напряжение, В] * [Сопротивление резистора R1, Ом] * [Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора VT3] / [Максимально возможное входное напряжение, В] / 3

[Мощность транзистора VT2, Вт] = [Максимально возможное входное напряжение, В] * [Максимально возможный выходной ток, А] / [Минимально возможный коэффициент передачи тока транзистора VT1]

Предложенная схема (Рисунок 1) стабилизирует ток одного или нескольких светодиодов, делая его почти независящим от напряжения питания. Главным ее преимуществом является очень небольшое падение напряжения, которое может быть меньше 100 мВ. Схема может найти применение для питания светодиодных полос, падение напряжения на активном сопротивлении которых зависит от их длины, а небольшие изменения напряжения приводят к большим изменениям тока.

Рисунок 1.

Стабилизатор тока светодиодов
с низким падением напряжения.

Падение напряжения на токоизмерительном резисторе r составляет менее 40 мВ. Остальное падение зависит от параметров транзистора Q3.

Номинальный ток светодиодов в этой схеме равен 7.2 мА при напряжении питания 9 В. При увеличении напряжения до 20 В ток увеличивается на +15%, что дает динамическое сопротивление 10 кОм.

Выбранное сопротивление резистора R1 подходит для белых и синих светодиодов с падением напряжения от 2.9 В до 3.4 В. Чтобы обеспечить такой же уровень тока при других напряжениях, измените сопротивление R1 пропорционально изменению падения напряжения.

Ток через светодиоды обратно пропорционален величине сопротивления r. С помощью этого резистора можно грубо управлять током светодиодов, а точная установка тока выполняется подбором сопротивления R1.

Для получения хорошей температурной стабильности тока транзисторы Q1 и Q2 должны находиться в хорошем тепловом контакте. Идеальным был бы вариант, когда два транзистора находятся на одном кристалле, однако хороший результат можно получить и на дискретных приборах, если разместить их близко друг к другу.

Характеристики схемы остаются прекрасными даже при одном светодиоде. Максимальное количество светодиодов в цепочке ограничено только параметрами компонентов схемы.

Трехвыводной регулируемый стабилизатор

Стабилизатор подводит напряжение 1,25 В к резистору R1, поэтому через него течет ток 5 мА. Регулировочный вывод потребляет очень небольшой ток (50 100 мкА), поэтому выходное напряжение равно

U_вых = 1,25(1 + R₂ /R₁) В.

Но в таком случае выходное напряжение можно регулировать от 1,25 до 25 В. Для тех применений, которые требуют фиксированного выходного напряжения, R2 обычно подстраивается в очень узком диапазоне (для увеличения точности подстройки применяется последовательное соединение фиксированного резистора и подстроечного). Выбирайте сопротивления резистивного делителя достаточно небольшими, чтобы ток через него можно было изменить на 50 мкА, корректируя его с изменением температуры. Поскольку петля коррекции данного стабилизатора – это выходной конденсатор, то здесь должны использоваться большие емкости, чем в других схемах. Требуется по меньшей мере танталовый конденсатор 1 мкФ, или алюминиевый электролит емкостью 25 мкФ.

Схема 317 выпускается в разных корпусах: пластмассовых на большую мощность (ТО 220), металлических большой мощности (ТО 3) и в корпусах для маломощных транзисторов. Схема в корпусе на большую мощность, оснащенная соответствующим радиатором, может отдавать ток до 1,5 А.

Схему можно использовать в стабилизаторах высокого напряжения, пока разность входного и выходного напряжения не превосходит максимум 40 В (у высоковольтного варианта LM317HV 60 В).

Существуют трехвыводные регулируемые стабилизаторы, рассчитанные на более сильные токи, например LM350 (3 А), LM338 (5 А) и LM396 (10 А), а также на более высокие напряжения, например LM317H (60 В) и TL783 (125 В).
Как и в случае с трехвыводными стабилизаторами с фиксированным напряжением, имеются варианты схем с малым перепадом напряжений (например, у LT1085 перепад напряжений между входом и выходом составляет 1,3 В при токе 3,5 А). Также можно найти микромощные варианты (например, LP2951 – регулируемый вариант 5 вольтового стабилизатора LP2950 с фиксированным напряжением — у обоих Iпокоя = 75 мкА).

Четырехвыводные стабилизаторы

Если условия применения не слишком жесткие, то лучше всего использовать трехвыводные регулируемые стабилизаторы. Исторически они предшествовали четырехвыводным, подключение которых показано на рисунке

Таблица 2 Регулируемые стабилизаторы напряжения

Дополнительные замечания относительно трехвыводных стабилизаторов

Общие характеристики трех- и четырехвыводных стабилизаторов

Технические данные, приведенные ниже, типичны для большинства трех и четырехвыводных стабилизаторов, как регулируемых, так и нерегулируемых. Они могут быть полезны при грубой оценке ожидаемых технических характеристик.

_{Допуск выходного напряжения… 1–2%}

_{Падение напряжения… 0,5–2 В}

_{Подавление пульсаций… 0,01‑0,1 %}

_{Подавление всплесков… 0,1–0,3 %}

_{Стабилизация по нагрузке… 0,1–0,5 % во всем диапазоне нагрузки}

_{Подавление нестабильности входного напряжения постоянного тока… 0,2 %}

_{Температурная нестабильность… 0,5 % по всему диапазону температур}

Увеличение коэффициента подавления пульсаций

Схема включения стандартного трехвыводного стабилизатора, показанная выше, работает превосходно. Тем не менее добавление шунтирующего конденсатора 10 мкФ между выводом для регулировки и землей увеличивает подавление пульсаций (всплесков) почти на 15 дБ (в 5 раз по напряжению).

Стабилизаторы с малым падением напряжения

Это уже два падения U_БЭ.

Далее, следует допустить еще одно падение U_БЭ на резисторе‑датчике тока для защиты схемы от короткого замыкания. Упрощенная схем 78Lxx приведена на рисунке

Упрощенная схема 78Lxx

Три падения U_БЭ добавляются к 2 В, ниже этого напряжения стабилизатор перестает работать на полном токе.

Упрощенная схема LM330 (с низким перепадом)

С помощью проходного р‑n‑р ‑транзистора выход схемы можно установить в пределах напряжения насыщения нестабилизированного входного напряжения. Исключив падение U_БЭ на паре Дарлингтона в n‑р‑n ‑стабилизаторе, разработчики не собираются тратить падение на диоде в обычной (последовательный резистор) схеме защиты от короткого замыкания. Они пользуются хитроумным приемом: выводят часть выходного тока через второй коллектор. Этот ток составляет фиксированную долю выходного тока и используется, как показано на рисунке, для отключения управления базой. Такая схема ограничения тока не отличается точностью (I_огр составляет 150 мА мин. и 700 мА макс), но она достаточно эффективна для защиты стабилизаторов, которые имеют, помимо того, внутреннюю тепловую защиту.

Стабилизаторы, ориентированные на процессоры

Дроссель может быть изготовлен самостоятельно на ферритовом кольце диаметром 20-30 мм или взят из разобранной платы источника питания.

Микромощные стабилизаторы

Большинство стабилизаторов потребляют несколько миллиампер тока покоя для питания источников эталонного напряжения и усилителей ошибки. Если устройство работает от сети переменного тока, то это не страшно. Для батарейных устройств, работающих от 9‑вольтовых щелочных аккумуляторов емкостью 400 мА·ч, это нежелательно. И это совсем недопустимо для микромощных приборов, которые должны работать тысячи часов, допустим, от одной батареи.

Выход из положения – это микромощные стабилизаторы. Самыми энергосберегающими из них являются ICL7663/4, положительный и отрицательный регулируемые стабилизаторы с токами покоя 4 мкА. При таком токе 9‑вольтовая батарея может существовать 100 000 часов (более 10 лет), что превышает срок сохранности (время саморазряда) любой батареи, за исключением некоторых литиевых батарей.

Двухполярные стабилизированные источники питания

В аналоговой схемотехнике, где приходится работать с сигналами, как правило, вблизи уровня земли, самым простым способом формирования симметричного расщепленного питания является использование пары трехвыводных стабилизаторов. Для того чтобы сформировать, например, стабилизированные напряжения ±15 В, вы можете использовать ИС 7815 и 7915

Предпочтительней использовать регулируемые трехвыводные стабилизаторы потому, что:

а) на каждую полярность и диапазон токов необходимо иметь только один тип

б) в случае необходимости можно точно подстроить напряжение.

Сдвоенные стабилизаторы

Двухканальный стабилизатор

Читайте также: