Стабилизаторы напряжения на полевых транзисторах: схема включения и регулировки

Для корректной функциональности многих электротехнических устройств необходимо поддержание определенных рабочих параметров сети питания. Выход напряжения за границы нормированного диапазона сопровождается ухудшением КПД. Импульсные помехи провоцируют сбои. Исправить ситуацию поможет стабилизатор тока на полевом транзисторе схема которого представлена в этой публикации.

Мощный блок питания на полевом транзисторе

Принцип стабилизации тока

Целевое назначение специальной схемы – регулирование источника питания в автоматическом режиме для поддержания стабильных параметров цепей нагрузки. Основной компонент – достаточно мощный полупроводниковый прибор, ограничитель силы тока на выходе блока питания.

Требования к управляющему элементу

Критерии выбора можно сформулировать, если известны параметры силы тока (ампер). Однако даже без конкретного технического задания несложно перечислить базовые требования:

ток в контрольной цепи поддерживается с определенной точностью;
следует компенсировать перепады потребляемой мощности;
корректирующие изменения должны выполняться достаточно быстро;
для автоматической настройки оптимального режима и улучшения защиты от помех нужна организация обратной связи.

Суть стабилизации

Для уточнения функциональности управляющего элемента необходимо отметить особенности типичной нагрузки. Интенсивность излучения светодиода, например, существенно зависит от температуры в процессе эксплуатации. Соответствующим образом изменяется мощность потребления. При увеличении тока уменьшается напряжение.

Важно! Если установить обратную связь (отрицательную), отмеченное изменение будет регулировать рабочий режим управляющего устройства. В частности, при увеличении напряжения между затвором и стоком полевого транзистора ток через исток уменьшается. Тем самым без иных дополнительных действий обеспечивается стабилизация выходных параметров источника.

Список компонентов

Обозначение	Описание	Купить на Aliexpress
VT1	Мощный полевой транзистор	10pcs 2SK3919 TO-252 K3919 TO252Цена: 0.98$ + 0.32$ = 1.3$
VT2	Маломощный транзистор	100pcs/lot BC847B SOT-23 BC847 SOT SMD 847B SOT-23Цена: 0.79$
R1, R2	Резисторы 1205 0.25 Вт (пачка 660 шт.)	1206 SMD Resistor Kit Assorted Kit 1ohm-1M ohm 1% 33valuesX 20pcs=660pcsЦена: 3.20$
Теплопроводящий клей Stars 922	Star-922 Thermal Paste Thermal Grease Silicone Цена: 1.54$

Выбор схемы включения

Стабилизатор тока на транзисторе

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

Импульсный стабилизатор тока

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

Регулируемый стабилизатор напряжения схема

Нередко возникают ситуации, когда напряжение, выдаваемое стабилизатором, необходимо отрегулировать. На рисунке представлена простая схема регулируемого стабилизатора напряжения и тока, позволяющая не только стабилизировать, но и регулировать напряжение. Ее можно легко собрать даже при наличии лишь первоначальных познаний в электронике. Например, входное напряжение составляет 50В, а на выходе получается любое значение, в пределах 27 вольт.

В качестве основной детали стабилизатора используется полевой транзистор IRLZ24/32/44 и другие аналогичные модели. Данные транзисторы оборудуются тремя выводами – стоком, истоком и затвором. Структура каждого из них состоит из металла-диэлектрика (диоксида кремния) – полупроводника. В корпусе расположена микросхема-стабилизатор TL431, с помощью которой и настраивается выходное электрическое напряжение. Сам транзистор может оставаться на радиаторе и соединяться с платой проводниками.

Данная схема может работать с входным напряжением в диапазоне от 6 до 50В. Выходное напряжение получается в пределах от 3 до 27В и может быть отрегулировано с помощью подстрочного резистора. В зависимости от конструкции радиатора, выходной ток достигает 10А. Емкость сглаживающих конденсаторов С1 и С2 составляет 10-22 мкФ, а С3 – 4,7 мкФ. Схема сможет работать и без них, однако качество стабилизации будет снижено. Электролитические конденсаторы на входе и выходе рассчитываются примерно на 50В. Мощность, рассеиваемая таким стабилизатором, не превышает 50 Вт.

Работа стабилизаторов тока

Стабилизатор напряжения на транзисторе

Минимальное количество функциональных элементов в схемах этой категории подразумевает разумную стоимость. При выборе такого варианта нетрудно изучить рабочие режимы, особенности настройки.

Особенности полевых структур

В радиотехнических приборах этого типа p-n переходы расположены особым образом. Для регулировки прохождения тока через центральный канал изменяются напряжение и соответствующее электромагнитное поле. Разницу потенциалов создают на стоке и затворе.

Принцип действия полевого и биполярного транзисторов

На рисунке показаны принципиальные отличия, по сравнению с биполярным транзистором. При использовании полевой структуры управляющий ток отсутствует, а входное сопротивление становится значительно больше. При такой схеме прибор потребляет минимум энергии, но не способен обеспечить усиление сигнала. Впрочем, для решения обозначенной задачи (стабилизации) увеличивать напряжение не нужно.

Принцип управления переходом

В области между зонами р типа формируется канал. Для прохождения тока создается разница потенциалов «сток-исток». Управляют переходом изменением напряжения «затвор-исток» – Uзи.

Увеличение стабильности

При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( UБЭ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.

ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры UБЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным ТКН – стабилитрон (с Uст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).

Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы VT2 почти не будет изменяться.

Устройство и работа полевого транзистора

Схема стабилизатора напряжения 220в своими руками

Для изучения функциональности полевого транзистора можно рассмотреть две схемы подключения. В первом варианте соединяют исток и затвор проводником, выравнивая соответствующий потенциал: Uзи= 0. Повышением напряжения Uси (сток-исток) обеспечивают прохождение тока в рабочей зоне.

Напряжение равно нулю

В показанном на рисунке состоянии прибор функционирует как типичный проводник. Специфическое название на графике «Омическая область» определяет зону пропорционального увеличения силы тока по мере увеличения разницы потенциалов. При переходе в режим насыщения количества свободных зарядов недостаточно для поддержания отмеченного изменения.

Уменьшение потенциала на затворе

На этом рисунке канал прохождения зарядов сужают дополнительным источником питания, который уменьшает Uзи<0. На определенном уровне (напряжение отсечки) ток не проходит.

Устройство полевого транзистора

На рисунке показаны зоны p и n типа. Регулировкой напряжения Uси изменяют сопротивления канала (силу тока). Как показано выше, при необходимости можно закрыть эту цепь.

Печатные платы

Только шелкография: pcb_current_source_silk.pdf Только дорожки: pcb_current_source_solder.pdf Дорожки и шелкография: pcb_current_source_solder_silk.pdf Только шелкография: pcb_current_source_silk.pdfТолько дорожки: pcb_current_source_improved_solder.pdfДорожки и шелкография: pcb_current_source_improved_solder_silk.pdf

Всё уместилось на маленьком кусочке (3 на 2 см) фольгированного текстолита, тепло отводится путём крепления всей платы на кусок алюминия винтами, спроектирована она с расчётом на крепёж M2, чтобы легко и надёжно закрепить её или попросту приклеить к теплоотводу теплопроводящим клеем (Stars 922). При необходимости её можно легко уменьшить почти в два раза раза два.

Пример стабилизатора на полевом транзисторе

При создании радиотехнических устройств с применением ламп типовой анодный блок питания не обеспечивает необходимую стабильность выходных параметров. Добавление резистора в цепь увеличивает потери, не позволяет точно корректировать изменение мощности в нагрузке.

Электрическая схема простого стабилизатора

Своими руками несложно собрать этот стабилизатор тока на полевом транзисторе. С его помощью обеспечивается точность заданных параметров в диапазоне не более 6% от номинала.

Испытание

Дорожки были начерчены маркером, поэтому плата немного отличается от разработанной, крепления под винтики сделаны не были. Подключаем устройство к источнику питания (у меня был трансформатор 12В с диодным мостом и конденсатором), теперь зная, что ток относительно невелик я тупо замкнул выход амперметром, рассчитанным на измерение постоянного тока до 20А, показания ниже:
Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло Uвых = 2.72 В при токе Iвых = 0.31 А, при этом на входе Uпит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

P1 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (10.88-2.72)*0.31 = 8.16*0.31 = 2.53 Вт

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно Uвых = 10.32 В, Iвых = 0.29 А при Uпит = 11.22 В, получаем:

P2 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Когда входное напряжение как можно меньше отличается от нужного напряжения питания для обеспечения требуемого тока, тогда и достигается высокий КПД (со вторым СИД η = 92%) при простоте исполнения.

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

Iвых = UБЭ/R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Проверка амперметром:

Таким образом при питании 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток ~1.3 мА, через два/три светодиода ток будет такой же, ведь напряжения питания хватает для этого.

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для Iст), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

Добавить ссылку на обсуждение статьи на форуме

РадиоКот >Схемы >Питание >Блоки питания >

Теги статьи:

Добавить тег

Мощный лабораторный блок питания (ЛБП) 2.5…15В / 0…10А

Автор: KomSoft, Опубликовано 08.09.2015 Создано при помощи КотоРед. Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2015!»

Кота с Днюхой!!! Желаю не стареть и получать содержательные статьи, которые будет с удовольствием читать и стар и млад!

Лирическое отступление.

Пришло как-то время переделать свой старый лабораторный блок питания, верой и правдой прослуживший более 20 лет. Что и было успешно сделано по схеме от Eddy71. Мои комментарии и доработки расположены на страницах соответствующего форума (для конкурса опустим). Но по причине слабенького трансформатора выходной ток получился не более 2А — в большинстве случаев хватает, но иногда нужно и побольше.

Так уж исторически сложилось, что с импульсными блоками у меня нет взаимности. Т.е. иногда и собрать могу, и починить, и переделать из АТ/АТХ, но 100% результат не гарантирован. А тут как раз подвернулся под руку трансформатор «430-2004.5 LEI-4″ от UPS мощностью 400Вт. На просторах интернета нашел, что у «430-2004.3 LEI-4″ сечение сердечника 17,15 см2, 174 Вт, на вторичных обоих обмотках 2х7В, в итоге 14В. Даже если не 400Вт, то все-равно много. Решил собрать блок на линейном стабилизаторе.

Начали чесаться лапы и другие думательные органы. Полез в интернет, покопал, отобрал самые приглянувшиеся схемы. Подумал, поискал детали, к одной даже попробовал нарисовать плату.

Тут возникли нюансы — там детали отсутствуют, там плата не понравилась. Наш человек не может взять готовое — ему нужно после сборки что-нибудь обработать напильником. Расскажу, что не подошло мне, а заодно напомню, что есть в интернете.

Отступим от классики и перенесем эту часть в начало, так будет понятнее.

Источники вдохновения Литература:

«12V дома или UPS «наоборот» (РадиоКот > Лаборатория > Аналоговые устройства, https://radiokot.ru/lab/analog/42/) — немного не то.
«Мощный лабораторный блок питания на основе трансформатора от бесперебойника» — ни фига не лабораторный.
«Блок питания из бесперебойника» (https://radio-house.ucoz.ru/load/istochniki_pitanija/9) — интересно, но будет сильно греться силовой транзистор, а добавить импульсный step-down как в [6] не получится. Была перерисована схема и начата разводка платы, но как-то не пошло. Да и место в корпусе UPS маловато для радиаторов с такой рассеиваемой мощностью. Хотя в принципе, я отталкивался от него.
«Лабораторный блок питания 1,3-30v 0-5A» — не хочу работать со связкой LM317+транзистор (https://vrtp.ru/index.php?act=categories&CODE=article&article=81)
«Лабораторный блок питания с быстродействующей защитой» (https://www.irls.narod.ru/bp/lbp08.htm) — круто, но старо (защита на реле)
«Мощный лабораторный блок питания» (1…15 В, 0…5А) — РадиоКот > Конкурс: Поздравь Кота по-человечески 2013 — https://radiokot.ru/circuit/power/supply/42/. Блок очень интересный, но на удивление детали типа OP-7 (аналог 140УД17), AP432 в дефиците, а КП303 дома нашелся только один. Аналоги непонятно как повлияют на параметры, например если вместо AP432 поставить TL431, то минимальное выходное напряжение увеличится до 2,5-3В.
«Простой стабилизированный БП на супердоступных деталях» (https://vrtp.ru/index.php?act=categories&CODE=article&article=2349), который я собирал и досконально изучил, даже кой-чего доработал, но ток маловат, а увеличивать — хлопотно.
«Оригинальный Step-Down» — https://arv.radioliga.com/content/view/212/44/
«Импульсные стабилизаторы напряжения на микросхемах и транзисторах» — https://radiostorage.net/?area=news/2783
«Мощный преобразователь напряжения 24 В — 12 В с высоким КПД» — https://www.diagram.com.ua/list/power/power311.shtml

Пришлось комбинировать что-то свое (дорабатывать напильником). Как говориться: одна диссертация — плагиат, две — компиляция, три — уже диссертация.

Сформулируем требования:

Стабилизатор напряжения от 2,5 до 15В (при изменении схемы — от 0).
Регулируемая защита по току 0-10А (со стабилизацией или отключением при перегрузке).
Простота и доступность деталей (по максимуму), при наличии готового трансформатора. Мощный полевик придется покупать, но при добавлении импульсного step-down как в [6], можно будет заменить его на что-то подручное от доноров.
Возможность использования на входе импульсного step-down как в [6] для уменьшения тепловыделения.

Что возьмем от схем:

Транзистор — N-канальный полевой с током более 20А (ибо нам нужно 10А) и корпусом TO-247 для улучшения отвода тепла (макс. 180Вт). У корпуса TO-220 — макс. 110Вт. (При самом тяжелом режиме — на входе 16В, на выходе 2,5В, ток 10А на регулирующем транзисторе будет выделяться (16-2,5)*10=135Вт. При хорошем радиаторе и обдуве может и так сойдет, хотя тяжело будет).
Дополнительное (повышенное) питание как в [6] и [3] — для улучшения стабилизации, управления N-канальным полевиком.
Стабилизатор напряжения попроще — как в [1], [3] или [6]. Пока поставим TL431 (нижний предел будет 2,5В). Если удастся достать AP432/TL432 — уменьшим нижний предел до 1,25В. Или потом можно будет сделать как в [7] — тогда будет от 0В, хотя для таких токов непонятно зачем это нужно.
Опять же, для упрощения, шунт поставим в «минус», чтобы не возиться со стабилизатором тока для получения опорного напряжения срабатывания токовой защиты, как в [6].
Регулирующий полевик в поставим в «плюс» — чтобы иметь возможность добавить импульсный понижающий стабилизатор для повышения КПД и уменьшения нагрева.

Для выходных напряжений свыше 15В этот блок использовать нежелательно, т.к более широкий диапазон напряжений усложнит схему, да и простому радиолюбителю не нужны такие токи. А продвинутый сможет собрать или приобрести что-то более серьезное.

Принципиальная схема линейного стабилизатора:

Чтобы не запутывать, приводится итоговая схема, получившаяся в результате экспериментов, поэтому в нумерации элементов есть пропуски. Для экспериментов до токов 5А использовался имевшийся под рукой полевик IRF634 (который впоследствии заменен на более массивный покупной в корпусе TO-247 IRFP250). Хотя, как видим в [6], при наличии дополнительного импульсного понижающего стабилизатора можно использовать и что-то из ряда IRFZ30-44, выдраных из того же UPS, откуда и трансформатор.

Почему IRFP250? А потому, что у него постоянный ток при 100°С — 20А (при 25°С — 33А), рассеиваемая мощность — 180Вт, и разумная цена — около $1.

Подопытный выглядит так (крокодилы висят для подбора резисторов токовой защиты — это удобнее и быстрее, чем подпаивать поштучно):

Пример подключения трансформатора:

Трансформатор подключается через автомобильный предохранитель на 15А к диодному мосту D50. Мост должен быть расчитан не менее чем на 15А и установлен на радиатор. Соединения от трансформатора к мосту, конденсатору С50 и далее через Jmp1, Jmp2 к основной плате выполняются толстым проводом покороче. Для уменьшения тепловыделения можно попробовать составить диодный мост из диодов Шоттки, которые имеют меньшее падение напряжения.

Конденсатор С50 берут из расчета 1000мкФ на 1А выходного тока, т.е. для 10А — 10000мкФ. Лучше составить из нескольких (например по 4700мкФ) — так дешевле (при покупке выяснилось, что 6800мкф*25В стоит 25 грн., а 4700*25В — 7 грн).

Мощность трансформатора позволяет сделать еще несколько стабилизаторов с фиксированым напряжением (а можно и с регулируемым). Для примера они показаны на схеме. Морда моего корпуса (от того же UPS, от которого и трансформатор) не позволяет нормально (гламурно, с сохранением удобного доступа) разместить еще несколько выходных разъемов, поэтому я дополнительные стабилизаторы не делал, за исключением «служебного» на U21 для питания вентилятора охлаждения.

Разместить это можно на плате (или отдельных), а можно D50, C50 соединить навесным монтажом — зависит от конструктива и личных предпочтений каждого кота. Например — вот так:

Описание работы схемы.

Рассмотрим работу блока без дополнительного импульсного стабилизатора. При этом Jmp1 основной платы подключается к плюсу выходного конденсатора фильтра (С50), Jmp3 подключается туда же, Jmp2 соединяется с минусом выходного конденсатора фильтра (С50). Jmp4 и Jmp5 подключаются ко входу моста D50.

Верхняя часть схемы (D10, C20, C21, U6, …) служит для подачи дополнительного напряжения на затвор регулирующего транзистора Q1. В [3] от нее также питается вольтметр выходного напряжения. Но у меня вольтметр другой, поэтому от КРЕНки я отказался (тем более, что на плюсе С22 относительно земли — до 42В, что даже с учетом стабилитрона D11 приближается к максимально допустимому для микросхем 78хх). Заменил на обычный параметрический стабилизатор.

Цепочка Q4-R11 служит для задания стабильного тока 5мА через U3 (как в [6]). При такой схеме достаточно поставить гасящий резистор R18=1К3 мощностью 0,5Вт.

Если нужно упростить еще, то можно вместо цепочки Q4-R11 оставить только резистор R11 (смотрим таблицу, расчет для тока стабилитрона D11 5mA).

Ток через U3, mA		R11	R18
мин.	макс.	R11	R18
5	5	цепочка Q4-R11	1,8К / 0,25Вт
2	8	2,4К	1,3К / 0,5Вт
3	12	1,6К	1,1К / 0,5Вт

Диодный мост D10 у меня smd (маленький), если кто будет собирать на диодах типа 1N4004, то также можно упростить, удалив конденсатор С20 (или С21), а вместо моста D10 поставить один диод, подключив анод к плюсу С21, а катод — к плюсу С22.

Стабилизатор U4 обеспечивает питание амперметра и вольтметра. Такая схема обеспечивает измерение практически «чистого» тока (без тока потребления остальных элементов схемы) и следовательно, правильную работу защиты, но выходное напряжение измеряется с учетом падения на шунте (погрешность до максимум 0.5В при токе 10А и шунте 0.05Ом). У меня самодельные вольт и амперметр на ICL7107, потребляют около 100-120мА. КРЕНка греется неслабо, пришлось прикрутить радиатор ((20-5)В*0,2А=3Вт). Если вольтметр имеет разный общий провод для подачи питания и измерения — еще лучше, выход подключаем к точкам Jmp7, Jmp6 и измеряем «чистое» выходное напряжение.

На верхнем фото — 7805 с радиатором. При оптимизации 7805 заменил импульсным стабилизатором step-down (чоппером).

Также стабилизатор U4 используется как дополнительная ступень стабилизации для получения опорного напряжения для токовой защиты. (Примечание: U1 и U3 у меня используються smd в корпусе SOP — поэтому такая нумерация ног).

На разъеме XP1 питательная и измерительные земли разнесены, т.к. один общий провод вносил сильную погрешность из-за тока потребления самого амперметра (неслабо скакал последний разряд из-за смены показаний и количества включенных сегментов).

Естественно, вольтметр и амперметр можно использовать стрелочные, а можно и готовые китайские или любые другие — тут тоже все на ваш выбор, вкус, карман и наличие.

Стабилизация напряжения выполнена по стандартной схеме на U3. Если под рукой переменный резистор R13 другого номинала (желательно не менее 10К), то расчитать номинал резистора R14 можно по формуле:

R14 = R13 / (Uвых.макс. / Utl431 — 1), где Utl431=2,495В — опорное напряжение TL431

У меня стоит R13=50K, R14=10K. Переменный резистор R13 — с линейной характеристикой.

Уже в процессе работы над блоком узнал, что существует TLV431 с опорным напряжением 1,25В. Но у нее, к сожалению, максимальное входное (на катоде) — 18В, поэтому в качестве U3 она неприменима.

Резистор R17 играет роль нагрузки при отключенном выходе блока, разряжая выходной конденсатор. Подключен так, чтобы не влиял на измерение выходного тока.

Защита по току.

Защита по току выполнена на ОУ U2, транзисторе Q2 и дополнительном блоке. ОУ U2 сравнивает падение напряжения на шунте с опорным напряжением, снимаемым с резистора R3. Если падение напряжения на шунте превышает опорное, напряжение на выходе U2 подскакивает почти до напряжения его питания, что вызывает открывание транзистора Q2 и уменьшение напряжения на затворе Q1, что в свою очередь приводит к снижению выходного напряжения и, как следствие, — уменьшению тока.

В качестве U2 нельзя использовать компараторы с ОК (открытым коллектором), т.к. для открывания транзистора и включения светодиода HL1 используется вытекающий ток.

Были замечены «тормоза», а именно плавное, в течение 2-5 сек., срабатывание защиты в случае, когда ток находится около порогового значения, и снижение стабилизируемого тока относительно порога после срабатывания при относительно большой (более 10 нФ) емкости конденсатора С9. Эти «тормоза» устранены уменьшением емкости конденсатора С9 в цепи обратной связи U2 до 470пФ (но можно ставить и 330 и 560).

Дополнительный блок в простейшем варианте для стабилизаци тока представляет собой резистор R15 со светодиодом HL1, который индицирует режим стабилизации тока.

В процессе создания ЛБП я шел поэтапно, поэтому этот блок сделан в виде отдельной платы, что также уменьшает количество соединительных проводов от основной платы к передней панели. В принципе, его можно развести и на основной плате, задействовав вторую половинку U2. Или при необходимости можно вторую половинку U2 использовать для усиления сигнала с шунта для амперметра.

Схема дополнительного блока (триггерной защиты):

Этот блок позволяет переключать режимы стабилизации тока (мягкое ограничение) и полного отключения (жесткое ограничение).

При показаном на схеме положении SA1 блок работает в режиме стабилизации тока, как описано выше, передавая уровень с выхода ОУ U2 на транзистор Q2 через контакты 2-3 разъема XP3.

При переключении SA1 (кнопка с фиксацией) в нижнее по схеме положение на базу Q2 подается напряжение с выхода ОУ U31, включеного в режиме компаратора. Его пороги срабатывания и гистерезис заданы резисторами R31-R34 таким образом, чтобы он оставался в единичном состоянии даже после уменьшения тока ниже порога (снятия напряжения со входа). Для сохранения порогов переключения предназначен стабилизатор U30. Сброс защиты производится кнопкой SB1 (без фиксации). При срабатывании триггерной защиты выходное напряжение блока падает до нуля.

Лично мне в процессе сборки предыдущего ЛБП [7] показалось более удобным использвать для установки значений тока срабатывания вместо переменного резистора (R3) галетный переключатель, который позволяет выставить заранее заданные токи срабатывания защиты.

Схема замены следующая:

Расчет ключевых элементов токовой защиты (номиналов ограничения тока) крутится вокруг формулы

(1) Uref * R3 / (R2+R3) = R4 * I, где

Uref — опорное напряжение на 1 ноге U1, R4 — шунт (общий т.е. параллельно R4 и R41), I — ток через шунт (ток блока).

Отсюда находим R2 = R3 * ( Uref/(R4*Imax) — 1 )

Если вместо переменного резистора R3 установить постоянный R3, а для уменьшения тока срабатывания защиты к нему параллельно подключать резисторы R10х, то их можно вычислить по формуле, которая получается путем несложных преобразований из (1):

(2) R10х = R2 / ( Uref/(I*R4) — R2/R3 — 1 )

а отсюда, если обозначить R3p — параллельное соединение резисторов R3 и R10х, то получим значение тока для реальных значений R10х:

(3) I = Uref * R3p / ( ( R2 + R3p) * R4 )

Расчетка (файл в формате Excel), облегчающий жизнь и сберегающий бумагу и карандаш, прилагается (01.xls). Практика достаточно точно согласуется с теорией даже при использовании обычных резисторов МЛТ 10%, но при желании можно подобрать или составить из нескольких (для этого и подпаяны крокодилы). Я крокодилы использовал для проверки теории практикой, а в результирующий блок резисторы не подбирал, ставил что было. Поэтому на фото в конце статьи, например вместо 4А стабилизируется 3.9А.

Резистор R101 номиналом 390К, который на порядок больше R3, можно не устанавливать, видимых отличий не будет. При переключении диапазона SA2 (когда его контакты разомкнуты) максимальный ток блока определяется соотношением R2/R3 и при таких номиналах не превысит 10А.

Пример таблички из расчетки:

Понижающий импульсный стабилизатор (замена U4).

Из-за сильного нагрева на замену 7805 собрал по стандартной схеме на ток 200-300мА и пульсации 1мА из того, что было под рукой — работает прекрасно, не греется, не свистит, вольт-амперметрам не гадит..

Управление вентилятором.

Для управления вентилятором взята готовая платка от какого-то блока питания АТХ. Схему привожу для примера (интересный ход) — в целях унификации используемых деталей разработчики почти все элементы ставили парами для увеличения мощности. На моей схеме нумерация сдвинута на 50 относительно оригинала.

Чтобы вентилятор не вращался при комнатной температуре (пока блок не нагружен), отпаян резистор R5 (R55), а резистор R3 (R53) путем подбора уменьшен до 5K1.

При повторении транзисторы Q51-Q52 можно заменить одним более мощным (с током коллектора 0.5А), резисторы R51-R52 — одним 110 Ом мощностью 0.5Вт. Или использовать любую другую схему управления вентилятором.

Детали.

Особых требований к деталям не выдвигалось, кроме силового транзистора и диодного моста. Для начинающих скажу, что транзистор BC817 можно заменить на любой из серии КТ503, C945 или аналогичный. Операционник LM358 взят как самый распостраненный на «донорах», особых требований к нему не предъявлял. Нельзя вместо него использовать компараторы с открытым коллектором типа LM393. Регулирующий транзистор — с N-каналом, напряжением сток-исток более 40В, 2-х кратным запасом по току (желательно не менее 15-20А) и корпусом «чем больше, тем лучше». То же самое касается выпрямительных диодов D50.

В качестве радиаторов использованы радиаторы от процессоров (для диодной сборки от P3, для регулирующего транзистора — от P4 или более старшего). Они как раз расчитаны на рассеиваемую мощность до 100 Вт при обдуве.

Рисунок итоговой печатной платы приводится уже с учетом исправлений. Силовые дорожки (и так широкие) лучше дополнительно пропаять медным проводом 1мм.

Настройка.

Как показал форум по [7] название статьи «Простой стабилизированный БП на супердоступных деталях» привлекло массу начинающих радиолюбителей, которые при сборке не смогли решить простейшие проблемы, которые им разжевывали по несколько раз. Даже поиск неисправной или непропаяной детали у них может вызвать сложности и ступор…

У меня все настроилось в в процессе разработки. Но тем не менее, постараюсь как можно подробнее расписать (как пример) порядок проверки (настройки) подобного блока:

Проверить правильность монтажа, отсутствие обрывов, замыканий и пр…
(этот шаг скорее для начинающих, уверенные в себе могут его пропустить) Подключить силовую часть через интегральный стабилизатор типа 7818 (установленый на радиатор), подключив его вход к плюсу выходного конденсатора фильтра (С50), выход — к точке Jmp1 основной платы, общий провод — к «земле» (минусу выходного конденсатора фильтра С50). Это позволит провести тестирование блока на токах до 1А, снизив риск токового пробоя силового транзистора при ошибках (сработает внутренняя защита 7818).
Проверить наличие питающих напряжений на основной плате (все значения даны для переменного напряжения на вторичной обмотке 14В), а именно: +20-21В в точке Jmp1 (при установке дополнительной 7818 — +18В), +20-21В в точке Jmp3, +40-42В на «плюсе» конденсатора C22, +22В — на «плюсе» конденсатора C24, +5В — на «плюсе» конденсатора C4, +2,5В — в точке соединения резисторов R1 и R2.
Подключаем штатные вольтметр и амперметр. (Примечание. В принципе, можно обойтись и без осциллографа. Если показания тока и напряжения не скачут — то выход «чистый», без генерации. Если скачут показания вольтметра — скорее всего есть высокочастотная генерация или низкочастотные пульсации напряжения — желательно проверить осциллографом. Если скачут показания амперметра — скорее всего неправильно подключена измерительная земля, не отделена от силовой, даже изменения показаний индикатора, а следовательно и потребляемоно тока, приводят к изменению показаний).
Отключаем токовую защиту, отсоединив дополнительную плату с разъема XP3.
Вращая резистор R13, проверяем плавное изменение выходного напряжения на выходе блока от 2.5 до 15В. Верхнюю границу можно подкорректировать, подобрав резистор R14 (уменьшить для увеличения верхней границы). При этом на затворе транзистора Q1 напряжение будет изменяться от 2.5 до (примерно) 18В. Напряжение на «плюсе» C24 должно оставаться в пределах +21-22В, «проседать» не должно. Если напряжение на «плюсе» C24 «проседает» больше, чем на 2В, можно уменьшить сопротивление R18. Но сильно усердствовать не стоит, потому что увеличится ток, а следовательно и нагрев, элементов R18, D11, Q4, R11, U3.
Нагружаем блок током 0.5-1А. Проверяем то же самое, что в п.6 — «проседаний» быть не должно во всем диапазоне выходных напряжений. Дополнительно проверяем напряжения как в п.3 — сильных отклонений быть не должно. (Примечание. При правильной работе блока и таком подключении вольтметра (а не напрямую к выходу) при увеличении тока показания вольтметра должны увеличиваться на величину Rш*I. Т.е. при шунте как на схеме 0,05 Ом и подключении нагрузки на ток 1А показания увеличаться на 0,05В, при нагрузке 3А — на 0,15В, 5А — на 0,25В и т.д.) Если вольтметр (например стрелочный) подключен непосредственно к выходу (к Jmp6 и Jmp7) — показания должны быть стабильные при изменении тока нагрузки.
Подключаем токовую защиту, присоединив дополнительную плату к разъему XP3. Проверяем наличие напряжения +12В на «плюсе» C31 и 4.4В на 2-й ноге U31A. Начиная с этого пункта желательно иметь регулируемую нагрузку или магазин (набор) сопротивлений соответствующей мощности.
Переключатель SA1 дополнительного блока ставим в нижнее (по схеме) положение, включая триггерный режим (жесткого ограничения). Выставляем какое-либо напряжение, наприер 10-12В. Поочередно, начиная с малого, выставляем ток ограничения и, увеличивая ток нагрузки, убеждаемся, что блок входит в режим защиты. При этом напряжение на 7-й ноге U2B подскакивает почти до Uпит (ок.12-20В), должен загораться светодиод HL31 и выходнок напряжение уменьшается до 0. Напряжение на 1-й ноге U31B подскакивает почти до+12В. Кратковременно нажимаем на SB1 — светодиод HL31 погаснет, напряжение вернется к исходному, а вольтметр покажет текущее значение тока. Отпускаем SB1 — блок вернется в режим защиты. Уменьшаем или отключаем нагрузку — блок должен остаться в режиме защиты. Нажимаем SB1 — светодиод HL31 погаснет, напряжение вернется к исходному, а вольтметр покажет текущее значение тока (ноль, если нагрузка отключена).
Переключатель SA1 дополнительного блока ставим в верхнее (по схеме) положение, включая режим стабилизации тока (мягкого ограничения). Выставляем какое-либо напряжение, например 10-12В. Поочередно, начиная с малого, выставляем ток ограничения и, увеличивая ток нагрузки, убеждаемся, что блок входит в режим стабилизации тока. При этом должен загораться светодиод HL31 и начнет уменьшаться выходное напряжение при стабильном токе. Если после вхождения в режим стабилизации тока ток скачком уменьшается (на небольшое значение ок.50-200 мА), можно попробовать уменьшить емкость C9. При отключении нагрузки должен погаснуть HL31 и напряжение вернуться к первоначальному.
При выполнении пунктов 9-10 можно более точно подобрать значения резисторов R101-R111, если ток срабатывания защиты задается галетником, а не переменным резистором.
Теперь можно погонять блок во всем диапазоне напряжений до 15В и токов до 1А, еще раз проверив все режимы. Желательно подключить осциллограф и убедиться в отсутствии высокочастотной генерации или низкочастотных пульсаций на выходе, особенно при максимальном токе или напряжении, или в режиме стабилизации тока.
Если выполнялся пункт 2 (силовая часть подключалась через интегральный стабилизатор типа 7818), то отключаем его, подключив Jmp1 основной платы к плюсу выходного конденсатора фильтра (С50). Токовая защита, естесственно должна быть подключена и уже проверена.
Повторяем проверку по пунктам 6-7, 9-10, 12 для всего диапазона напряжений и токов.

Фотографии устройства.

Основной стабилизатор с модулем step-down вместо 78хх для питания вольт-амперметров и мощным силовым транзистором (IRFP250):

Компоновка блока в корпусе от UPS:

Морда блока и он сам в работе на электронную нагрузку 12В/4А (ток ограничения — 6А). На заднем плане виден виновник [7], который дает 0-30В и только 2А…:

И в защите (выставлено ограничение 4А):

Второй этап — прикошачиваем дополнительный импульсный стабилизатор Step-down.

Для уменьшения тепловыделения и повышения КПД блока можно применить импульсный step-down, аналогичный [6], который обеспечивает на входе регулирующего транзистора напряжение всего на несколько вольт выше, чем выходное.

М-даа! Сказать проще, чем сделать! Эта часть у меня затянулась больше, чем на полгода, в основном из-за нехватки времени. Но по принципу «любая бумага схема должна вылежаться» успешно побеждена.

Вначале я возился (для других целей) с Оригинальным Step-Down [8]. Очень мне понравился синхронным выпрямлением и слабым нагревом транзисторов. Правда, выжать из него более 5-6А с использованием рекомендованого желто-белого колечка от блока АТХ мне так и не удалось.

Поборол ограничение тока, взяв сердечник от основного трансформатора блока питания ATX. Типоразмер оказался ER35/20/11, материал предположительно N87 Epcos. Расчет дросселя чоппера произведен программой Booster 5100 для таких параметров:

входное напряжение: 18-21В
выходное напряжение: 4-15В
ток нагрузки: 12А
частота преобразования — 52КГц
величина немагнитного зазора — 1мм

Столкнулся с писком дросселя и срывом работы микросхемы при изменении выходного напряжения. Поискал еще, нашел другие схемы [9]-[10] и убедился, что принципиально у все правильно, но на всякий случай домотал дроссель до заполнения — получилось 135 мкГн. Когда все заработало — возвращаться не стал, ибо лучшее — враг хорошего. Пересчет для разных значений приведен ниже.

Iвых,А	0,5			11
Uвых, В	5	10	17	5	10	17
Треб. зазор, мм	0,001	0,001	0,001	0,573	0,732	0,364
Lмин, мкГн	527	676	374	24	31	17
L, мкГн	540	685	381	25	34	17
Витков	56	63	47	12	14	10

Дроссель намотан на сердечнике ER35/20/11 плоским шлейфом из 5 проводом 0.6мм в 5 слоев, в каждом слое поместилось по 5-6 витков, всего — 25-30 витков. При зазоре 2мм индуктивность 90мкГн, затем зазор уменьшен до 1мм (2 по 0.5мм), индуктивность увеличилась до 135 мкГн.

Также довольно часто при включении (или изменении выходного напряжения) через 1-2 сек. резко нагревался и уходил в защиту стабилизатор 7812. Поскольку выходной ток ключей IR2104 составляет до 270мА и перегружать стабилизатор не должен, предположил что 7812 неправильно отрабатывает импульсные токи при переключении ключей. Добавил фильтр — резистор R14 — 2 Ом. Стало запускаться стабильно. Можно вместо резистора R14 поставить дроссель на гантельке от канала -5В (-12В) блока питания ATX.

Кроме этого фильтра в базовую схему добавлен (для универсальности и других применений) узел защиты от пониженного входного напряжения (например при работе от аккумулятора) и узел слежения за выходным напряжением как в [6]. Также добавлен на выход нагрузочный резистор R15 и насыпаны блокировочные конденсаторы по 0,1мкФ. Конденсатор C6 заменен на керамический 2.2мкФ.

В итоге получился улучшеный «Оригинальный Step-Down» [8] с узлами отключения при снижении входного напряжения и привязки к выходному напряжению линейного блока как в [6]. Схема обеспечивает изменение выходного напряжения от 5 до 18В (при слежении за напряжением 2,5-15В) при токе до 10А. Входное напряжение — 21В от трансформатора 430-2004.5 LEI-4.

Схема дополнительного импульсного стабилизатора Step-down:

Несколько слов по элементам.

Применена регулируемая LM2576-ADJ, для расчётов дросселя напоминаю, она работает на фиксированной частоте 52 кГц.
Резистор R1 является нагрузкой U1, т.к. IR2104 имеет высокое входное сопротивление, без него схема работает неправильно.
Конденсаторы С6, C7 и С13 необходимо распаивать поближе к ножкам драйвера.
Диод D1 обязательно должен быть ультрафаст: вместо HER108 подойдёт что-нибудь типа UF4007 и т. п.
Отдельного упоминания заслуживают входные и выходные C1, C2, C4, C5 — лучше применить два по 1000мкФ, чем один на 2200мкФ, и если у вас есть возможность, то ставьте сюда компьютерные 105град. Low ESR.
Не экономьте на блокировочных по 0,1мкФ.
Силовые дорожки усилены напаиванием медного провода 1мм.
Стабилизатор 7812 немного греется, желателен небольшой радиатор.

Узел R6-R8, D2, Q3 взят из даташита на LM2576 — он обеспечивает отключение микросхемы при снижении напряжения ниже определенного уровня, например при работе от аккумулятора, чтобы его не убить. Схема будет работать при напряжении на верхней (по схеме) ноге R6 выше Vth, а при снижении ниже этого уровня — транзистор Q3 закроется, напряжение на входе 5 (ON/OFF) подтянентся к высокому уровню и микросхема отключится. Напряжение Vth приблизительно определяется так:

Vth = Vd2 + 2 * Vbe(Q3)

Если эта функция не нужна, то элементы R6-R8, D2, Q3 не устанавливаются, а вместо Q3 запаивается перемычка на землю. Можно поступить по-другому — вместо R6-R7, D2 поставить делитель из резистора и терморезистора чтобы отслеживать, например, температуру радиатора транзисторов и отключать схему при перегреве.

Узел R9-R13, RA1, Q4, C10 предназначен для использования импульсного понижающего стабилизатора совместно с линейным, включенным после него. Вход линейного стабилизатора подключается к XP2, а на JMP1 подается напряжение с выхода линейного стабилизатора. Этот узел обеспечивает разницу напряжений на входе и выходе в 2-3В, снижая таким образом мощность, рассеиваемую на линейном стабилизаторе.

Работает следующим образом. Если разница напряжений между «+» XP2 и JMP1 небольшая, транзистор Q4 закрыт и выходное напряжение стабилизатора определяется делителем R9-R10. При указаных номиналах оно будет стремиться к 18В.

Как только разница напряжений (регулируется в небольших пределах подстроечником RA1) между «+» XP2 и JMP1 достигнет порога открывания транзистора Q4, он откроется и подключит параллельно верхнему плечу делителя (R9) резистор R13, что приведет в свою очередь к стремлению снизить выходное напряжение стабилизатора до 5В.

Если Jmp1 не подключать, то выходное напряжение стабилизатора при таких номиналах составит 18В. Если функция слежения не нужна, то элементы R11-R13, RA1, Q4, C10 не устанавливаются. Номинал резистора R9 для необходимого выходного напряжения вычисляется по известной формуле для LM2576 (есть на схеме).

Окончательная плата:

Проверка работоспособности.

Впаиваем все элементы, кроме R6-R8, D2, Q3, R11-R13, RA1, Q4, C10. Вместо Q3 ставим перемычку, вместо R9 — последовательно постоянный резистор 13-15К и переменный 47-50К. Включаем, проверяем плавную регулировку выходного напряжения от 5 до 18В (приблизительно). Ничего не должно пищать и греться. Впаиваем элементы R9, R11-R13, RA1, Q4, C10. Включаем — выходное напряжение должно быть 18В. Замыкаем транзистор Q4 — выходное напряжение упадет до 5В. Желательно погонять под нагрузкой от 0 до 10А и убедиться в нормальной работе без сильного нагрева и писка (у меня появлялся слабый писк при токах 8-10А и напряжениях 14-18в).

В данном применении элементы R6-R8, D2, Q3 не нужны, они внесены для универсальности схемы для последующих применений.

Теперь можно подключить этот стабилизатор между фильтрующим конденсатором C50 и линейним стабилизатором. Для этого вход дополнительного импульсного стабилизатора (Jmp2) соединяется с Jmp3 на плюсе выходного конденсатора фильтра (С50), выход подключается к Jmp1 основной платы, обратная связь (Jmp1 импульсного стабилизатора) — к Jmp8, земля соединяется с Jmp2 на минусе выходного конденсатора фильтра (С50).

Проверить работу узла слежения за выходным напряжением можно при помощи следующей схемы:

Фото блока с установленым импульсным понижающим стабилизатором (навесом допаяны C3, C13, R16 и дроссель вместо R14):

Блок в режиме стабилизации тока 4А (напряжение ограничилось с 15 до 5 В):

Блок в режиме стабилизации тока 10А:

Блок в режиме 14В/9А, перед переходом в режим стабилизации тока. Верить нужно блоку, а не нагрузке, т.к. в ней более простой авометр на PIC-контроллере и плюс падение напряжения на проводах:

Выводы.

Получился мощный лабораторный блок питания 2,5…15В / 0…10А с режимами стаблизации тока или отключения при перегрузке. Простая схема и компактная плата управления на доступных деталях, которые есть практически в любых «донорах» (компьютерные блоки питания, UPS). Размеры самого блока определяются трансформатором, радиаторами охлаждения и обвязкой (вольтметры, ручки и пр.). Паразитная генерация (с которой столкнулись многие при сборке блоков [7]) при срабатывании токовой защиты отсутствовала.

Не нужно обвинять меня в гигантомании и погоней за десятью амперами. Хотелось попробовать свои силы и выжать по максимуму из имеющегося под рукой трансформатора. Но ведь всегда легче использовать мощный блок «вполсилы», чем выжимать из маломощной конструкции 200% при помощи бубна. Просто этот блок обеспечивает хороший запас по току. Если в наличии имеется трансформатор на меньший ток, достаточно пересчитать резисторы токовой защиты про прилагаемой расчетке, не изменяя остальных элементов. А плата достаточно компактная.
При использовании дополнительного импульсного стабилизатора имеем маленький суммарный нагрев блока, при 8-10А радиаторы теплые, но не обжигают. Рассеиваемая мощность линейного стабилизатора в таком режиме не превысит 20-30Вт при 10А выходного тока (падение напряжение на линейном стабилизаторе регулируется от 2 до 3В). А без применения дополнительного импульсного стабилизатора могла достигать 150-170Вт!!
Выход блока «чистый» до значений 14В/8А (112Вт). Выше начинаются пульсации с частотой 100Гц из-за пульсаций на выходе диодного моста — не хватает напряжения трансформатора или емкости фильтрующего конденсатора. При меньшем токе выход чистый во всем диапазоне напряжений, а при меньшем напряжении — во всем диапазоне токов.
Специальный подбор деталей не применялся — мне точности достаточно. Для более точных значений нужно брать калиброваные шунты и подбирать значения резисторов в делителях, используя прецезионники.
Блоки линейного и особенно импульсного стабилизатора сделаны с некоторой избыточностью, за счет чего могут применяться как самостоятельно, так и в составе других конструкций. Вообще, люблю я модульность — отработал схему и применяй эти кирпичики где угодно.

Дополнительно прилагается расчетка ключевых элементов схемы и платы для печати (.pdf)

P.S. Уже потом, изменив параметры поиска в гугле, нашел несколько схем нормальных лабораторных блоков с токами до 10А, но это было уже потом… И свое — оно всегда приятнее…

Файлы:

Файл расчетки Платы для печати

Все вопросы в Форум.

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?
88	25	2