Занимательные эксперименты: некоторые возможности полевого транзистора

Журнал "Радио", номер 11, 1998г.

Известно, что входное сопротивление биполярного транзистора зависит от сопротивления нагрузки каскада, сопротивления резистора в цепи эмиттера и коэффициента передачи тока базы. Порою оно бывает сравнительно небольшим, усложняя согласование каскада с источником входного сигнала. Эта проблема полностью отпадает, если использовать полевой транзистор, - его входное сопротивление достигает десятков и даже сотен мегаом. Чтобы поближе познакомиться с полевым транзистором, проделайте предлагаемые эксперименты.

Немного о характеристиках полевого транзистора. Как и у биполярного, у полевого три электрода, но называют их иначе: затвор (аналогичен базе), сток (коллектор), исток (эмиттер). По аналогии с биполярными полевые транзисторы бывают разной "структуры": с р-каналом и n-каналом. В отличие от биполярных они могут быть с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором. Наши эксперименты коснутся первых из них.

Основой полевого транзистора служит пластина кремния (затвор), в которой имеется тонкая область, называемая каналом (рис. 1,а). По одну сторону канала расположен сток, по другую - исток. При подключении к истоку транзистора плюсового, а к стоку минусового выводов батареи питания GB2 (рис. 1,б) в канале возникает электрический ток. Канал в этом случае обладает максимальной проводимостью.

Стоит подключить еще один источник питания - GB1 - к выводам истока и затвора (плюсом к затвору), как канал "сужается", вызывая увеличение сопротивления в цепи сток-исток. Сразу же уменьшается ток в этой цепи. Изменением напряжения между затвором и истоком регулируют ток стока. Причем в цепи затвора тока нет, управление током стока осуществляется электрическим полем (вот почему транзистор называют полевым), создаваемым приложенным к истоку и затвору напряжением.

Сказанное относится к транзистору с р-каналом, если же транзистор с n-каналом, полярность питающего и управляющего напряжений изменяется на обратную (рис. 1,в).

Чаще всего можно встретить полевой транзистор в металлическом корпусе - тогда, кроме трех основных выводов, у него может быть и вывод корпуса, который при монтаже соединяют с общим проводом конструкции.

Один из параметров полевого транзистора - начальный ток стока (I с нач), т. е. ток в цепи стока при нулевом напряжении на затворе транзистора (на рис. 2,а движок переменного резистора в нижнем по схеме положении) и при заданном напряжении питания.

Если плавно перемещать движок резистора вверх по схеме, то по мере роста напряжения на затворе транзистора ток стока уменьшается (рис. 2,б) и при определенном для данного транзистора напряжении снизится практически до нуля. Напряжение, соответствующее этому моменту, называют напряжением отсечки (U ЗИотс).

Зависимость тока стока от напряжения на затворе достаточно близка к прямой линии. Если на ней взять произвольное приращение тока стока и поделить его на соответствующее приращение напряжения между затвором и истоком, получим третий параметр - крутизну характеристики (S). Этот параметр нетрудно определить и без снятия характеристики или поиска его в справочнике. Достаточно измерить начальный ток стока, а затем подключить между затвором и истоком, скажем, гальванический элемент напряжением 1,5 В. Вычитаете получившийся ток стока из начального и делите остаток на напряжение элемента - получите значение крутизны характеристики в миллиамперах на вольт.

Знание особенностей полевого транзистора дополнит знакомство с его стоковыми выходными характеристиками (рис. 2,в). Снимают их при изменении напряжения между стоком и истоком для нескольких фиксированных напряжений на затворе. Нетрудно заметить, что до определенного напряжения между стоком и истоком выходная характеристика нелинейна, а затем в значительных пределах напряжения практически горизонтальна.

Конечно, для подачи напряжения смещения на затвор отдельный источник питания в реальных конструкциях не применяют. Смещение образуется автоматически при включении в цепь истока постоянного резистора нужного сопротивления.

А теперь подберите несколько полевых транзисторов серий КП103 (с р-каналом), КП303 (с n-каналом) с разными буквенными индексами и потренируйтесь в определении их параметров, пользуясь приведенными схемами.

Полевой транзистор - сенсорный датчик. Слово "сенсор" означает чувство, ощущение, восприятие. Поэтому можем считать, что в нашем эксперименте полевой транзистор будет выступать в роли чувствительного элемента, реагирующего на прикосновение к одному из его выводов.

Помимо транзистора (рис. 3), например, любого из серии КП103, понадобится омметр с любым диапазоном измерений. Подключите щупы омметра в любой полярности к выводам стока и истока - стрелка омметра покажет небольшое сопротивление этой цепи транзистора.

Затем коснитесь пальцем вывода затвора. Стрелка омметра резко отклонится в сторону увеличения сопротивления. Произошло это потому, что наводки электрического тока изменили напряжение между затвором и истоком. Увеличилось сопротивление канала, которое и зафиксировал омметр.

Не отнимая пальца от затвора, попробуйте коснуться другим пальцем вывода истока. Стрелка омметра вернется в первоначальное положение - ведь затвор оказался соединенным через сопротивление участка руки с истоком, а значит, управляющее поле между этими электродами практически исчезло и канал стал токопроводящим.

Эти свойства полевых транзисторов нередко используют в сенсорных выключателях, кнопках и переключателях.

Полевой транзистор - индикатор поля. Немного измените предыдущий эксперимент - приблизьте транзистор выводом затвора (либо корпусом) возможно ближе к сетевой розетке или включенному в нее проводу работающего электроприбора. Эффект будет тот же, что и в предыдущем случае - стрелка омметра отклонится в сторону увеличения сопротивления. Оно и понятно - вблизи розетки или вокруг провода образуется электрическое поле, на которое и среагировал транзистор.

В подобном качестве полевой транзистор используется как датчик устройств для обнаружения скрытой электропроводки или места обрыва провода в новогодней гирлянде - в этой точке напряженность поля возрастает.

Удерживая транзистор-индикатор вблизи сетевого провода, попробуйте включить и выключить электроприбор. Изменение электрического поля зафиксирует стрелка омметра.

Полевой транзистор - переменный резистор. Подключив между затвором и истоком цепь регулировки напряжения смещения (рис. 4), установите движок резистора в нижнее по схеме положение. Стрелка омметра, как и в предыдущих экспериментах, зафиксирует минимальное сопротивление цепи сток-исток.

Перемещая движок резистора вверх по схеме, вы можете наблюдать плавное изменение показаний омметра (увеличение сопротивления). Полевой транзистор превратился в переменный резистор с очень широким диапазоном изменения сопротивления независимо от номинала резистора в цепи затвора. Полярность подключения омметра значения не имеет, а вот полярность включения гальванического элемента придется изменить, если будет использоваться транзистор с n-каналом, например, любой из серии КП303. Полевой транзистор - стабилизатор тока. Для проведения этого эксперимента (рис. 5) понадобится источник постоянного тока напряжением 15...18 В (четыре последовательно соединенные батареи 3336 или сетевой блок питания), переменный резистор сопротивлением 10 или 15 кОм, два постоянных резистора, миллиамперметр с пределом измерения 3-5 мА, да полевой транзистор. Вначале установите движок резистора в нижнее по схеме положение, соответствующее подаче на транзистор минимального питающего напряжения - около 5 В при указанных на схеме номиналах резисторов R2 и R3. Подбором резистора R1 (если это понадобится) установите ток в цепи стока транзистора 1,8...2,2 мА. Перемещая движок резистора вверх по схеме, наблюдайте за изменением тока стока. Может случиться, что он вообще останется прежним либо незначительно увеличится. Иначе говоря, при изменении питающего напряжения от 5 до 15...18 В ток через транзистор будет автоматически поддерживаться на заданном (резистором R1) уровне. Причем точность поддержания тока зависит от первоначально установленного значения - чем оно меньше, тем выше точность. Утвердиться в этом выводе поможет анализ стоковых выходных характеристик, приведенных на рис. 2,в.

Подобный каскад называют источником тока или генератором тока. Его можно встретить в самых разнообразных конструкциях.

Импульсные понижающие стабилизаторы

Ю. СЕМЕНОВ, г. Ростов-на-Дону

В предлагаемой вниманию читателей статье описаны два импульсных понижающих стабилизатора: на дискретных элементах и на специализированной микросхеме. Первое устройство разработано для питания автомобильной аппаратуры напряжением 12 Вот 24-вольтной бортовой сети грузовых автомобилей и автобусов. Второе устройство - основа для лабораторного источника питания.

Импульсные стабилизаторы напряжения (понижающие, повышающие и инвертирующие) занимают особое место в истории развития силовой электроники. Еще не так давно каждый источник питания с выходной мощностью более 50 Вт имел в своем составе понижающий импульсный стабилизатор. Сегодня область применения подобных устройств сократилась в связи с удешевлением источников питания с бестрансформаторным входом. Тем не менее применение импульсных понижающих стабилизаторов в ряде случаев оказывается экономически более выгодным, чем каких-либо других преобразователей постоянного напряжения.

Функциональная схема понижающего импульсного стабилизатора показана на рис. 1 , а временные диаграммы, поясняющие его работу в режиме непрерывного тока дросселя L, ≈ на рис. 2 . Во время t вкл электронный коммутатор S замкнут и ток протекает по контуру: плюсовой вывод конденсатора С вх, резистивный датчик тока R дт, накопительный дроссель L, конденсатор С вых, нагрузка, минусовый вывод конденсатора С вх. На этом этапе ток дросселя l L равен току электронного коммутатора S и практически линейно увеличивается от l Lmin до l Lmax .

По сигналу рассогласования от узла сравнения либо по сигналу перегрузки от датчика тока или по их сочетанию генератор переводит электронный коммутатор S в разомкнутое состояние. Поскольку ток через дроссель L мгновенно измениться не может, то под действием ЭДС самоиндукции откроется диод VD и ток l L потечет по контуру: катод диода VD, дроссель L, конденсатор С ВыХ, нагрузка, анод диода VD. Во время t lKл, когда электронный коммутатор S разомкнут, ток дросселя l L совпадает с током диода VD и линейно уменьшается от

l Lmax до l L min . За Период Т конденсатор С вых получает и отдает приращение заряда ΔQ свых. соответствующее заштрихованной области на временной диаграмме тока l L . Это приращение и определяет размах напряжения пульсаций ΔU Свых на конденсаторе С вых и на нагрузке.

При замыкании электронного коммутатора диод закрывается. Этот процесс сопровождается резким увеличением тока коммутатора до значения I smax из-за того, что сопротивление цепи ≈ датчик тока, замкнутый коммутатор, восстанавливающийся диод ≈ очень мало. Для уменьшения динамических потерь следует применять диоды с малым временем обратного восстановления. Кроме того, диоды понижающих стабилизаторов должны выдерживать большой обратный ток. С восстановлением закрывающих свойств диода начинается следующий период преобразования.

Если импульсный понижающий стабилизатор работает при малом токе нагрузки, возможен его переход в режим прерывистого тока дросселя. В этом случае ток дросселя к моменту замыкания коммутатора прекращается и его увеличение начинается от нуля. Режим прерывистого тока нежелателен при токе нагрузки, близком к номинальному, поскольку в этом случае возникают повышенные пульсации выходного напряжения. Наиболее оптимальна ситуация, когда стабилизатор работает в режиме непрерывного тока дросселя при максимальной нагрузке и в режиме прерывистого тока, когда нагрузка уменьшается до 10...20% от номинальной.

Выходное напряжение регулируют изменением отношения времени замкнутого состояния коммутатора к периоду следования импульсов. При этом, в зависимости от схемотехники, возможны различные варианты реализации способа управления. В устройствах с релейным регулированием переход от включенного состояния коммутатора к выключенному определяет узел сравнения. Когда выходное напряжение больше заданного, коммутатор выключен, и наоборот. Если зафиксировать период следования импульсов, то выходное напряжение можно регулировать изменением длительности включенного состояния коммутатора. Иногда используют методы, при которых фиксируют либо время замкнутого, либо время разомкнутого состояния коммутатора. В любом из способов регулирования необходимо ограничивать ток дросселя на этапе замкнутого состояния коммутатора для защиты от перегрузки по выходу. Для этих целей применяют резистивный датчик или импульсный трансформатор тока.

Выбор основных элементов импульсного понижающего стабилизатора и расчет их режимов проведем на конкретном примере. Все соотношения, которые при этом используются, получены на основе анализа функциональной схемы и временных диаграмм, а за основу взята методика .

1. На основе сравнения исходных параметров и предельных допустимых значений тока и напряжения ряда мощных транзисторов и диодов предварительно выбираем биполярный составной транзистор КТ853Г (электронный коммутатор S) и диод КД2997В (VD) .

2. Рассчитаем минимальный и максимальный коэффициенты заполнения:

γ min =t и min /T min =(U BыX +U пр)/(U BX max +U sвкл ≈ U RдТ +U пр)=(12+0,8)/(32-2-0,3+0,8)=0,42;

γ mах = t и max /T max = (U Bыx +U пp)/(U Bx min - U sbкл -U Rдт +U пp)=(12+0,8)/(18-2-0,3+0,8)=0,78, где U пp =0,8 В ≈ прямое падение напряжения на диоде VD, полученное из прямой ветви ВАХ для тока, равного I ВыХ в наихудшем случае; U sbкл = 2 В ≈ напряжение насыщения транзистора КТ853Г, выполняющего функцию коммутатора S, при коэффициенте передачи тока в режиме насыщения h 21э = 250; U RдТ = 0,3 В ≈ падение напряжения на датчике тока при номинальном токе нагрузки.

3. Выбираем максимальную и минимальную частоту преобразования.

Этот пункт выполняется, если период следования импульсов не постоянен. Выбираем способ управления с фиксированной длительностью разомкнутого состояния электронного коммутатора. При этом выполняется условие: t=(1 - γ max)/f min = (1 -γ min)/f max =const.

Поскольку коммутатор выполнен на транзисторе КТ853Г, который имеет плохие динамические характеристики, то максимальную частоту преобразования выберем сравнительно низкой: f max =25 кГц. Тогда минимальную частоту преобразования можно определить как

f min =f max (1 - γ max)/(1 - γ min) =25╥10 3 ](1 - 0,78)/(1-0,42)=9,48 кГц.

4. Вычислим мощность потерь на коммутаторе.

Статические потери определяются действующим значением тока, протекающим через коммутатор. Поскольку форма тока ≈ трапеция, то I s = I вых где α=l Lmax /l lx =1,25 ≈ отношение максимального тока дросселя к выходному току. Коэффициент а выбирают в пределах 1,2... 1,6. Статические потери коммутатора P Scтaт =l s U SBKn =3,27-2=6,54 Вт.

Динамические потери на коммутаторе Р sдин =0,5f max *U BX max (l smax *t ф +α*l lx *t cn),

где I smax ≈ амплитуда тока коммутатора, обусловленная обратным восстановлением диода VD. Приняв l Smax =2l BыX , получаем

Р sдин =0, 5f max* U BX max * I вых (2t ф + α∙ t cn)=0,5*25*10 3 *32*5(2*0,78-10 -6 +1,25-2-10 -6)=8,12 Вт, где t ф =0,78*10 -6 с ≈ длительность фронта импульса тока через коммутатор, t cn =2*10 -6 с ≈ длительность спада.

Общие потери на коммутаторе составляют: Р s =Р scтат +Р sдин =6,54+8,12=14,66 Вт.

Если бы преобладающими на коммутаторе были статические потери, расчет следовало проводить для минимального входного напряжения, когда ток дросселя максимален. В случае, когда трудно прогнозировать преобладающий вид потерь, их определяют как при минимальном, так и при максимальном входном напряжении.

5. Рассчитываем мощность потерь на диоде.

Поскольку форма тока через диод ≈ также трапеция, его действующее значение определим как Статические потери на диоде P vDcTaT =l vD ╥U пр =3,84-0,8=3,07 Вт.

Динамические потери диода обусловлены в основном потерями при обратном восстановлении: Р VDдин =0,5f max *l smax *U Bx max *t oB *f max *l Bыx *U вх max *t oв =25-10 3 -5-32*0,2*10 -6 =0,8 Вт, где t OB =0,2-1C -6 с ≈ время обратного восстановления диода.

Суммарные потери на диоде составят: P VD =P МDcтaт +P VDдин =3,07+0,8=3,87 Вт.

6. Выбираем теплоотвод.

Основная характеристика теплоотвода ≈ его тепловое сопротивление, которое определяется как отношение между разностью температур окружающей среды и поверхности теплоотвода к рассеиваемой им мощности: R г =ΔТ/Р расс. В нашем случае следует закрепить коммутирующий транзистор и диод на одном теплоотводе через изолирующие прокладки. Чтобы не учитывать тепловое сопротивление прокладок и не усложнять расчет, температуру поверхности выбираем низкой, примерно 70╟С. Тогда при температуре окружающей среды 40╟СΔТ=70-40=30╟С. Тепловое сопротивление теплоотвода для нашего случая R t =ΔT/(P s +P vd)=30/(14,66+3,87)=1,62╟С/Вт.

Тепловое сопротивление при естественном охлаждении приводят, как правило, в справочных данных на теплоотвод. Для уменьшения габаритов и массы устройства можно применить принудительное охлаждение с помощью вентилятора.

7. Рассчитаем параметры дросселя.

Вычислим индуктивность дросселя:

L= (U BX max - U sbkл -U Rдт - U Bых)γ min /=(32-2-0,3-12)*0,42/=118,94 мкГн.

В качестве материала магнитопровода выбираем прессованный Мо-пермаллой МП 140 . Переменная составляющая магнитного поля в магнитопроводе в нашем случае такова, что потери на гистерезис не являются ограничивающим фактором. Поэтому максимальную индукцию можно выбрать на линейном участке кривой намагничивания вблизи точки перегиба. Работа на криволинейном участке нежелательна, поскольку при этом магнитная проницаемость материала будет меньше по сравнению с начальной. Это, в свою очередь, повлечет за собой уменьшение индуктивности по мере увеличения тока дросселя. Выбираем максимальную индукцию В m равной 0,5 Тл и вычисляем объем магнитопровода:

Vp=μμ 0 *L(αI выx) 2 /B m 2 =140*4π*10 -7 *118,94* 10 -6 (1,25-5) 2 0,5 2 =3,27 см 3 , где μ=140 ≈

начальная магнитная проницаемость материала МП140; μ 0 =4π*10 -7 Гн/м ≈ магнитная постоянная.

По вычисленному объему выбираем магнитопровод. Из-за конструктивных особенностей магнитопровод из пермаллоя МП140 выполняют, как правило, на двух сложенных кольцах. В нашем случае подходят кольца КП24х13х7. Площадь поперечного сечения магнитопровода Sc=20,352 =0,7 см 2 , а средняя длина магнитной линии λс=5,48 см. Объем выбранного магнитопровода составляет:

VC=SC* λс=0,7*5,48=3,86 cm 3 >Vp.

Рассчитываем число витков: Принимаем число витков равным 23.

Диаметр провода с изоляцией определим исходя из того, что обмотка должна уложиться в один слой, виток к витку по внутренней окружности магнитопровода: d из =πd K k 3 /w=π*13-0,8/23= 1,42 мм, где d K =13 мм ≈ внутренний диаметр магнитопровода; к 3 =0,8 ≈ коэффициент заполнения окна магнитопровода обмоткой.

Выбираем провод ПЭТВ-2 диаметром 1,32 мм.

Перед тем как наматывать провод, магнитопровод следует изолировать пленкой ПЭТ-Э толщиной 20 мкм и шириной 6...7 мм в один слой.

8. Вычислим емкость выходного конденсатора: C Bыx =(U BX max -U sBкл - U Rдт) *γ min /=(32-2-0,3)*0,42/ =1250 мкФ, где ΔU Свыx =0,01 В ≈ размах пульсаций на выходном конденсаторе.

Приведенная формула не учитывает влияния внутреннего, последовательного сопротивления конденсатора на пульсации. С учетом этого, а также допуска 20% на емкость оксидных конденсаторов выбираем два конденсатора К50-35 на номинальное напряжение 40 В емкостью 1000 мкФ каждый. Выбор конденсаторов с завышенным номинальным напряжением связан с тем, что с увеличением этого параметра у конденсаторов уменьшается последовательное сопротивление.

Схема, разработанная в соответствии с полученными в ходе расчета результатами, показана на рис. 3 . Рассмотрим работу стабилизатора подробнее. Во время открытого состояния электронного коммутатора ≈ транзистора VT5 ≈ на резисторе R14 (датчик тока) формируется пилообразное напряжение. Когда оно достигнет определенного значения, откроется транзистор VT3, который, в свою очередь, откроет транзистор VT2 и разрядит конденсатор СЗ. При этом закроются транзисторы VT1 и VT5, а также откроется коммутирующий диод VD3. Ранее открытые транзисторы VT3 и VT2 закроются, но транзистор VT1 не откроется, пока напряжение на конденсаторе СЗ не достигнет порогового уровня, соответствующего напряжению его открывания. Таким образом, будет сформирован временной интервал, в течение которого коммутирующий транзистор VT5 будет закрыт (приблизительно 30 мкс). По окончании этого интервала откроются транзисторы VT1 и VT5 и процесс повторится снова.

Резистор Р. 10 и конденсатор С4 образуют фильтр, подавляющий всплеск напряжения на базе транзистора VT3 из-за обратного восстановления диода VD3.

Для кремниевого транзистора VT3 напряжение база≈эмиттер, при котором он переходит в активный режим, составляет около 0,6 В. В этом случае на датчике тока R14 рассеивается относительно большая мощность. Чтобы уменьшить напряжение на датчике тока, при котором открывается транзистор VT3, на его базу поступает постоянное смещение около 0,2 В по цепи VD2R7R8R10.

На базу транзистора VT4 подается напряжение, пропорциональное напряжению выхода, с делителя, верхнее плечо которого образуют резисторы R15, R12, а нижнее ≈ резистор R13. Цепь HL1R9 формирует образцовое напряжение, равное сумме прямого падения напряжения на светодиоде и эмиттерном переходе транзистора VT4. В нашем случае образцовое напряжение составляет 2,2 В. Сигнал рассогласования равен разности между напряжением на базе транзистора VT4 и образцовым.

Выходное напряжение стабилизируется благодаря суммированию усиленного транзистором VT4 сигнала рассогласования с напряжением на базе транзистора VT3. Предположим, что напряжение на выходе увеличилось. Тогда напряжение на базе транзистора VT4 станет больше образцового. Транзистор VT4 приоткроется и сместит напряжение на базе транзистора VT3 так, что он тоже начнет открываться. Следовательно, транзистор VT3 откроется при меньшем уровне пилообразного напряжения на резисторе R14, что приведет к сокращению интервала времени, при котором коммутирующий транзистор будет открыт. Выходное напряжение при этом будет снижаться.

Если выходное напряжение уменьшится, процесс регулирования будет аналогичен, но происходит в обратном порядке и приводит к увеличению времени открытого состояния коммутатора. Поскольку ток резистора R14 непосредственно участвует в формировании времени открытого состояния транзистора VT5, то здесь, кроме обычной обратной связи по выходному напряжению, имеется обратная связь по току. Это позволяет стабилизировать выходное напряжение без нагрузки и обеспечить быструю реакцию на скачкообразное изменение тока на выходе устройства.

В случае замыкания в нагрузке или перегрузки стабилизатор переходит в режим ограничения тока. Напряжение на выходе начинает уменьшаться при токе 5,5...6 А, а ток замыкания примерно равен 8 А. В этих режимах время открытого состояния коммутирующего транзистора сокращается до минимума, что уменьшает рассеиваемую на нем мощность.

При неправильной работе стабилизатора, вызванной отказом одного из элементов (например, пробоем транзистора VT5), на выходе возрастает напряжение. В этом случае нагрузка может выйти из строя. Для предотвращения аварийных ситуаций преобразователь снабжен узлом защиты, который состоит из тринистора VS1, стабилитрона VD1, резистора R1 и конденсатора С1. Когда выходное напряжение превысит напряжение стабилизации стабилитрона VD1, через него начинает протекать ток, который включает тринистор VS1. Его включение приводит к уменьшению практически до нуля выходного напряжения и перегоранию предохранителя FU1.

Устройство предназначено для питания 12-вольтной аудиоаппаратуры, рассчитанной в основном на легковой автотранспорт, от бортовой сети грузовых автомобилей и автобусов напряжением 24 В. Из-за того, что входное напряжение в этом случае имеет низкий уровень пульсаций, у конденсатора С2 сравнительно небольшая емкость. Она недостаточна при питании стабилизатора непосредственно от сетевого трансформатора с выпрямителем. В этом случае выпрямитель следует снабдить конденсатором емкостью не менее 2200 мкФ на соответствующее напряжение. Трансформатор должен иметь габаритную мощность 80... 100 Вт.

В стабилизаторе применены оксидные конденсаторы К50-35 (С2, С5, С6). Конденсатор СЗ ≈ пленочный К73-9, К73-17 и т. д. подходящих размеров, С4 ≈ керамический с малой собственной индуктивностью, например, К10-176. Все резисторы, кроме R14, ≈ С2-23 соответствующей мощности. Резистор R14 выполнен из отрезка длиной 60 мм константановой проволоки ПЭК 0,8 с погонным сопротивлением примерно 1 Ом/м.

Чертеж печатной платы, выполненной из односторонне фольгированного стеклотекстолита, показан на рис. 4 .

Диод VD3, транзистор VD5 и тринистор VS1 прикреплены к теплоотводу через изолирующую теплопроводя-щую прокладку с помощью пластиковых втулок. На этом же теплоотводе закреплена и плата. Внешний вид собранного устройства показан на рис. 5 .

ЛИТЕРАТУРА 1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. ≈ М.: Мир, 1982. 2. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/ А. А. Зайцев, А. И. Миркин, В. В. Мо-кряков и др. Под ред. А. В. Голомедова. ≈ М.: Радио и связь, 1989. 3. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник/ А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков и др. Под ред. А. В. Голомедова. ≈ М.: Радио и связь, 1988. 4 http:/ /www. ferrite.ru

Стабилизированный однотактный преобразователь напряжения

Журнал "Радио", номер 3, 1999г.

В статье описаны принципы построения и практический вариант простого импульсного стабилизированного преобразователя напряжения, обеспечивающего работу в широком интервале изменения входного напряжения.

Среди различных источников вторичного электропитания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом предельной простотой отличается однотактный автогенераторный преобразователь с "обратным" включением выпрямительного диода (рис. 1).

Рассмотрим вначале кратко принцип работы нестабилизированного преобразователя напряжения, а затем - способ его стабилизации.

Трансформатор Т1 - линейный дроссель; интервалы накопления энергии в нем и передачи накопленной энергии в нагрузку разнесены во времени. На рис. 2 показаны: I I - ток первичной обмотки трансформатора, I II - ток вторичной обмотки, t н - интервал накопления энергии в дросселе, t п - интервал передачи энергии в нагрузку.

При подключении питающего напряжения U пит через резистор R1 начинает проходить ток базы транзистора VT1 (диод VD1 препятствует прохождению тока по цепи базовой обмотки, а шунтирующий его конденсатор С2 увеличивает положительную обратную связь (ПОС) на этапе формирования фронтов напряжения). Транзистор приоткрывается, замыкается цепь ПОС через трансформатор Т1, в котором происходит регенеративный процесс накопления энергии. Транзистор VT1 входит в насыщение. К первичной обмотке трансформатора приложено напряжение питания, и ток I I (ток коллектора I к транзистора VT1) линейно нарастает. Ток базы I Б насыщенного транзистора определяется напряжением на обмотке I II и сопротивлением резистора R2. На этапе накопления энергии диод VD2 закрыт (отсюда и название преобразователя - с "обратным" включением диода), и потребление мощности от трансформатора происходит только входной цепью транзистора через базовую обмотку.

Когда ток коллектора I к достигнет значения:

I К max = h 21Э I Б, (1)

где h 21Э - статический коэффициент передачи тока транзистора VT1, транзистор выходит из режима насыщения и развивается обратный регенеративный процесс: транзистор закрывается, открывается диод VD2 и энергия, накопленная трансформатором, передается в нагрузку. После уменьшения тока вторичной обмотки вновь начинается этап накопления энергии. Интервал времени t п максимален при включении преобразователя, когда конденсатор СЗ разряжен, и напряжение на нагрузке равно нулю.

В показано, что блок питания, собранный по схеме на рис. 1, - функциональный преобразователь источника напряжения питания U пит в источник тока нагрузки I н.

Важно отметить: поскольку этапы накопления энергии и ее передачи разнесены во времени, максимальный ток коллектора транзистора не зависит от тока нагрузки, т. е. преобразователь полностью защищен от замыканий на выходе. Однако при включении преобразователя без нагрузки (режим холостого хода) всплеск напряжения на обмотке трансформатора в момент закрывания транзистора может превысить максимально допустимое значение напряжения коллектор-эмиттер и вывести его из строя.

Недостаток простейшего преобразователя - зависимость тока коллектора I К max , а следовательно, и выходного напряжения от статического коэффициента передачи тока транзистора VT1. Поэтому параметры источника питания будут значительно отличаться при использовании различных экземпляров.

Гораздо более стабильными характеристиками обладает преобразователь, использующий "самозащищенный" переключательный транзистор (рис. З).

Пилообразное напряжение с резистора R3, пропорциональное току первичной обмотки трансформатора, подано на базу вспомогательного транзистора VT2. Как только напряжение на резисторе R3 достигнет порога открывания транзистора VT2 (около 0,6 В), он откроется и ограничит ток базы транзистора VT1, что прервет процесс накопления энергии в трансформаторе. Максимальный ток первичной обмотки трансформатора

I I max = I К max = 0,6/R3 (2)

оказывается мало зависящим от параметров конкретного экземпляра транзистора. Естественно, рассчитанное по формуле (2) значение ограничения тока должно быть меньше тока, определенного по формуле (1) для наихудшего значения статического коэффициента передачи тока.

Теперь рассмотрим вопрос возможности регулирования (стабилизации) выходного напряжения источника питания.

В показано, что единственный параметр преобразователя, который можно изменять для регулирования выходного напряжения - ток I К max , или, что то же самое, время накопления энергии t н в трансформаторе, причем узел управления (стабилизации) может только уменьшить ток по сравнению со значением, рассчитанным по формуле (2).

Формулируя принцип работы узла стабилизации преобразователя, можно определить следующие требования к нему: - постоянное выходное напряжение преобразователя необходимо сравнивать с образцовым напряжением и, в зависимости от их соотношения, вырабатывать напряжение рассогласования, используемое для управления током I К max ; - процесс нарастания тока в первичной обмотке трансформатора следует контролировать и при достижении им некоторого порога, определяемого напряжением рассогласования, прекращать; - узел управления должен обеспечивать гальваническую развязку между выходом преобразователя и переключательным транзистором.

Приведенные в схемы узлов управления, реализующих этот алгоритм, содержат компаратор К521САЗ, семь резисторов, транзистор, диод, два стабилитрона и трансформатор. Другие известные устройства, в том числе и телевизионные блоки питания, также достаточно сложны. Между тем, используя самозащищенный переключательный транзистор, можно построить гораздо более простой стабилизированный преобразователь (см. схему на рис. 4).

Обмотка обратной связи (ОС) III и цепь VD3C4 формируют напряжение обратной связи, пропорциональное выходному напряжению преобразователя.

Из напряжения обратной связи вычитается образцовое напряжение стабилизации стабилитрона VD4, и полученный сигнал рассогласования подают на резистор R5.

С движка подстроечного резистора R5 на базу транзистора VT2 поступает сумма двух напряжений: постоянное напряжение управления (часть напряжения рассогласования) и пилообразное напряжение с резистора R3, пропорциональное току первичной обмотки трансформатора. Поскольку порог открывания транзистора VT2 постоянен, увеличение напряжения управления (например, при увеличении напряжения питания U пит и соответственно увеличении выходного напряжения преобразователя) приводит к уменьшению тока I I , при котором открывается транзистор VT2, и к уменьшению выходного напряжения. Таким образом, преобразователь становится стабилизированным, и его выходное напряжение в небольших пределах регулируют резистором R5.

Коэффициент стабилизации преобразователя зависит от отношения изменения выходного напряжения преобразователя к соответствующему ему изменению постоянной составляющей напряжения на базе транзистора VT2. Для повышения коэффициента стабилизации необходимо увеличить напряжение обратной связи (число витков обмотки III) и подобрать стабилитрон VD4 по напряжению стабилизации, меньшему напряжения ОС примерно на 0,5 В. Практически вполне подходят широко распространенные стабилитроны серии Д814 при напряжении ОС около 10 В.

Следует отметить, что для достижения лучшей температурной стабильности преобразователя необходимо использовать стабилитрон VD4 с положительным ТКН, компенсирующим уменьшение падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2 при нагревании. Поэтому стабилитроны серии Д814 оказываются более подходящими, чем прецизионные стабилитроны Д818.

Число выходных обмоток трансформатора (аналогичных обмотке II) может быть увеличено, т. е. преобразователь можно сделать многоканальным.

Построенные по схеме на рис. 4 преобразователи обеспечивают хорошую стабилизацию выходных напряжений при изменении входного в очень широких пределах (150...250 В). Однако при работе на переменную нагрузку, особенно в многоканальных преобразователях, результаты получаются несколько хуже, поскольку при изменении тока нагрузки в одной из обмоток происходит перераспределение энергии между всеми обмотками. В этом случае изменение напряжения ОС с меньшей точностью отражает изменение выходного напряжения преобразователя.

Улучшить стабилизацию при работе на переменную нагрузку можно, если напряжение ОС формировать непосредственно из выходного напряжения. Проще всего это сделать, используя дополнительный маломощный трансформаторный преобразователь напряжения, собранный по любой из известных схем .

Применение дополнительного преобразователя напряжения оправдано и в случае многоканального ИВЭП. Высоковольтный преобразователь обеспечивает получение одного из стабилизированных напряжений (наибольшего из них - при высоком напряжении конденсаторный фильтр на выходе преобразователя более эффективен ), а остальные напряжения, в том числе и напряжение ОС, вырабатывает дополнительный преобразователь.

Для изготовления трансформатора лучше всего применять броневой ферритовый магнитопровод с зазором в центральном стержне, обеспечивающим линейное намагничивание. Если такого магнитопровода нет, для создания зазора можно воспользоваться прокладкой толщиной 0,1...0,3 мм из текстолита или даже бумаги. Возможно также применение и кольцевых магнитопроводов.

Хотя в литературе и указано, что для рассматриваемых в этой статье преобразователей с "обратным" включением диода выходной фильтр может быть чисто емкостным, применение LC-фильтров позволяет еще более снизить пульсации выходного напряжения.

Для безопасной эксплуатации ИВЭП следует применять подстроечный резистор (R5 на рис. 4) с хорошей изоляцией движка. Обмотки трансформатора, гальванически связанные с сетевым напряжением, необходимо надежно заизолировать от выходных. Это же касается и других радиоэлементов.

Как и любой ИВЭП с преобразованием частоты, описываемый источник питания должен быть снабжен электромагнитным экраном и входным фильтром.

Безопасность налаживания преобразователя обеспечит сетевой трансформатор с коэффициентом трансформации, равным единице. Однако лучше всего использовать последовательно включенные ЛАТР и разделительный трансформатор.

Включение преобразователя без нагрузки скорее всего приведет к пробою мощного переключательного транзистора. Поэтому прежде, чем приступить к налаживанию, подключите эквивалент нагрузки. После включения следует прежде всего проконтролировать осциллографом напряжение на резисторе R3 - оно должно линейно нарастать на этапе t н. Если линейность нарушена, это означает, что магнитопровод входит в насыщение и трансформатор необходимо пересчитать. Высоковольтным щупом проконтролируйте сигнал на коллекторе переключательного транзистора - спады импульсов должны быть достаточно крутыми, а напряжение на открытом транзисторе малым. При необходимости следует скорректировать число витков базовой обмотки и сопротивление резистора R2 в цепи базы транзистора.

Далее можно попробовать изменить выходное напряжение преобразователя резистором R5; если необходимо - скорректировать число витков обмотки ОС и подобрать стабилитрон VD4. Проверить работу преобразователя при изменении входного напряжения и нагрузки.

На рис. 5 представлена схема ИВЭП для программатора ПЗУ, как пример использования преобразователя, построенного на основе предлагаемого принципа.

Параметры источника приведены в табл. 1.

При изменении сетевого напряжения от 140 до 240 В напряжение на выходе источника 28 В находится в пределах 27,6...28,2 В; источника +5 В - 4,88...5 В.

Конденсаторы С1-СЗ и дроссель L1 образуют входной сетевой фильтр, уменьшающий излучение преобразователем высокочастотных помех. Резистор R1 ограничивает импульс тока зарядки конденсатора С4 при включении преобразователя.

Цепь R3C5 сглаживает всплески напряжения на транзисторе VT1 (на предыдущих рисунках аналогичная цепь не показана).

На транзисторах VT3, VT4 собран обычный преобразователь, вырабатывающий из выходного напряжения +28 В еще два: +5 В и -5 В, а также напряжение ОС. В целом ИВЭП обеспечивает получение стабилизированного напряжения +28 В. Стабильность двух других выходных напряжений обеспечена питанием дополнительного преобразователя от источника +28 В и достаточно постоянной нагрузкой этих каналов.

В ИВЭП предусмотрена защита от превышения выходного напряжения +28 В до 29 В. При превышении открывается симистор VS1 и замыкает источник +28 В. Блок питания издает громкий писк. Ток через симистор равен 0,75 А.

Транзистор VT1 установлен на небольшом теплоотводе из алюминиевой пластины размерами 40(30 мм. Вместо транзистора КТ828А можно применить и другие высоковольтные приборы на напряжение не менее 600 В и ток более 1 А, например, КТ826Б, КТ828Б, КТ838А.

Вместо транзистора КТ3102А можно применить любой серии КТ3102; транзисторы КТ815Г можно заменить на КТ815В, КТ817В, КТ817Г. Выпрямительные диоды (кроме VD1) необходимо использовать высокочастотные, например, серии КД213 и т. п. Оксидные конденсаторы фильтров желательно применять серий К52, ЭТО. Конденсатор С5 должен быть на напряжение не ниже 600 В.

Симистор ТС106-10 (VS1) применен исключительно из-за его малых размеров. Годится практически любой тип тринистора, выдерживающий ток около 1 А, в том числе и серии КУ201. Однако тринистор придется подобрать по минимальному току управления.

Следует заметить, что без второго преобразователя в конкретном случае (при относительно небольших токах потребления от источника) можно было бы и обойтись, построив преобразователь по схеме рис. 4 с дополнительными обмотками для каналов +5 В и -5 В и линейными стабилизаторами серии КР142. Применение дополнительного преобразователя вызвано желанием провести сравнительные исследования различных ИВЭП и убедиться, что предлагаемый вариант обеспечивает лучшую стабилизацию выходного напряжения.

Параметры трансформаторов и дросселей приведены в табл. 2.

Таблица 2
Обозначение	Магнитопровод		Число витков
	Б26 М1000 с зазором в центральном стержне			ПЭВ-2 0,18 ПЭВ-2 0,35 ПЭВ-2 0,18
	К16x10x4,5 М2000НМ1		2x65 2x7 2x13 23	ПЭВ-2 0,18 ПЭВ-2 0,18 ПЭВ-2 0,35 МГТФ 0,07
	К16x10x4,5 М2000НМ1	МГТФ 0,07 в два провода до заполнения
	К17,5x8x5 М2000НМ1
	К16x10x4,5 М2000НМ1
	К12x5x5,5 М2000НМ1

Магнитопровод для трансформатора Т1 использован от дросселя фильтра источника питания накопителя на сменных магнитных дисках серии ЕС ЭВМ.

Типы магнитопроводов дросселей L1-L4 не критичны.

Налаживают источник по приведенной выше методике, но сначала защиту от превышения напряжения следует отключить, передвинув движок резистора R10 в нижнее по схеме положение. После налаживания ИВЭП следует резистором R5 установить выходное напряжение +29 В и, медленно вращая движок резистора R10, достичь порога открывания симистора VS1. Затем выключить источник, повернуть движок резистора R5 в сторону уменьшения выходного напряжения, включить источник и резистором R5 выставить выходное напряжение 28 В.

Следует отметить: поскольку напряжения на выходах +5 В и -5 В зависят от напряжения +28 В и отдельно от него не регулируются, в зависимости от параметров примененных элементов и тока конкретной нагрузки может потребоваться подборка числа витков обмоток трансформатора Т2.

Литература

1. Бас А. А., Миловзоров В. П., Мусолин А. К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. - М.: Радио и связь, 1987.

Для нормального функционирования бытовой техники требуется стабильное напряжение. Как правило, в сети могут происходить различные сбои. Напряжение от 220 В может отклоняться, и в устройстве происходят сбои. В первую очередь под удар попадают лампы. Если рассматривать бытовую технику в доме, то могут пострадать телевизоры, аудиоаппаратура и прочие приборы, которые работают от электросети.

В данной ситуации на помощь людям приходит импульсный стабилизатор напряжения. Он в полной мере способен справиться со скачками, которые возникают ежедневно. Многих при этом волнует вопрос о том, как появляются перепады напряжения, и с чем они связаны. Зависят они главным образом от загруженности трансформатора. На сегодняшний день количество электроприборов в жилых домах все время увеличивается. Как результат, потребности в электричестве непременно растут.

Также следует учитывать, что к жилому дому могут быть проложены кабели, которые уже давно устарели. В свою очередь, квартирная проводка в большинстве случаев не рассчитана на большие нагрузки. Чтобы обезопасить свою технику в доме, следует более подробно ознакомиться с устройством стабилизаторов напряжения, а также принципом их работы.

Какие функции выполняет стабилизатор?

Главным образом импульсный стабилизатор напряжения служит контролером сети. Все скачки при этом отслеживаются им и устраняются. В результате техника получает стабильное напряжение. Электромагнитные помехи стабилизатором также учитываются, и на работу устройств не способны повлиять. Таким образом, сеть избавляется от перегрузок, и случаи практически исключаются.

Устройство простого стабилизатора

Если рассматривать стандартный импульсный напряжения, то в нем устанавливается только один транзистор. Как правило, их используют исключительно коммутирующего типа, поскольку на сегодняшний день они считаются более эффективными. В результате коэффициент полезного действия устройства можно сильно поднять.

Вторым важным элементом импульсного стабилизатора напряжения следует назвать диоды. В обычной схеме их можно встретить не больше трех единиц. Соединяются они друг с другом с помощью дросселя. Для нормальной работы транзисторов важными являются фильтры. Устанавливаются они в начале, а также конце цепочки. При этом блок регулирования отвечает за работу конденсатора. Его неотъемлемой частью принято считать резисторный делитель.

Как это работает?

В зависимости от типа устройства, принцип действия импульсного стабилизатора напряжения может отличаться. Рассматривая стандартную модель, можно сказать, что сначала ток подается на транзистор. На данном этапе происходит его преобразование. Далее в работу включаются диоды, в обязанности которых входит передача сигнала на конденсатор. При помощи фильтров, электромагнитные помехи отсеиваются. Конденсатор в этот момент сглаживает колебания напряжения и по дросселю ток через резистивный делитель вновь возвращается к транзисторам для преобразования.

Самодельные устройства

Сделать импульсный стабилизатор напряжения своими руками можно, но они будут иметь малую мощность. При этом резисторы устанавливаются самые обычные. Если использовать в приборе более одного транзистора, можно добиться высокого коэффициента полезного действия. Важным заданием в этом плане является установка фильтров. Именно они влияют на чувствительность прибора. В свою очередь, габариты устройства совсем не важны.

Стабилизаторы с одним транзистором

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения данного типа способен похвастаться коэффициентом полезного действия на уровне 80 %. Как правило, он функционируют только в одном режиме и может справляться только с малыми помехами в сети.

Обратная связь в данном случае полностью отсутствует. Транзистор в стандартной схеме импульсного стабилизатора напряжения функционирует без коллектора. В результате на конденсатор сразу подается большое напряжение. Еще одной отличительной чертой приборов данного типа можно назвать слабый сигнал. Решить эту проблему смогут различные усилители.

В результате можно добиться лучшей работоспособности транзисторов. Резистор устройства в цепи в обязательном порядке должен находиться за В данном случае можно будет добиться более качественной работы устройства. В качестве регулировщика в цепи импульсный стабилизатор постоянного напряжения имеет блок контроля. Данный элемент способен ослаблять, а также повышать мощность транзистора. Происходит это явление при помощи дросселей, которые соединены с диодами в системе. Нагрузка на регулятор контролируется через фильтры.

Стабилизаторы напряжения ключевого типа

Зачем устанавливать компенсаторы?

Компенсаторы в большинстве случаев играют в стабилизаторе второстепенную роль. Связана она с регулировкой импульсов. Главным образом с этим справляются транзисторы. Однако свои преимущества у компенсаторов все же имеются. В данном случае многое зависит от того, какие приборы подключены к источнику питания.

Если говорить о радиооборудовании, то тут необходим особый подход. Связан он с различными колебаниями, которые воспринимаются таким прибором иначе. В этом случае компенсаторы способны помочь транзисторам в стабилизации напряжения. Установка дополнительных фильтров в цепи, как правило, ситуацию не улучшает. При этом они сильно влияют на коэффициент полезного действия.

Недостатки гальванических развязок

Гальванические развязки устанавливаются для передачи сигнала между важными элементами системы. Основной их проблемой можно назвать неверную оценку входного напряжения. Происходит это чаще всего с устаревшими моделями стабилизаторов. Контроллеры в них не способны быстро обрабатывать информацию и подключать в работу конденсаторы. В результаты диоды страдают в первую очередь. Если система фильтрации устанавливается за резисторами в электрической цепи, то они просто сгорают.

Здравствуйте. Предлагаю вниманию обзор интегрального линейного регулируемого стабилизатора напряжения (или тока) LM317 по цене 18 центов за штуку. В местном магазине такой стабилизатор стоит на порядок больше, поэтому меня и заинтересовал этот лот. Решил проверить, что продаётся по такой цене и оказалось, что стабилизатор вполне качественный, но об этом ниже.
В обзоре тестирование в режиме стабилизатора напряжения и тока, а также проверка защиты от перегрева.
Заинтересовавшихся прошу…

Немного теории:

Стабилизаторы бывают линейные и импульсные .
Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin - Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади.
Преимущество линейного стабилизатора - простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.
Недостаток - низкий КПД, большое тепловыделение.
Импульсный стабилизатор напряжения - это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть бо́льшую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения - с минимальным сопротивлением, а значит, может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.
Преимущество импульсного стабилизатора - высокий КПД, низкое тепловыделение.
Недостаток - бОльшее количество элементов, наличие помех.

Герой обзора:

Лот состоит из 10 микросхем в корпусе ТО-220. Стабилизаторы пришли в полиэтиленовом пакете, обмотанным вспененным полиэтиленом.






Сравнение с наверно самым известным линейным стабилизатором 7805 на 5 вольт в таком же корпусе.

Тестирование:
Подобные стабилизаторы выпускаются многими производителями, вот .
Расположение ножек следующее:
1 - регулировка;
2 - выход;
3 - вход.
Собираем простейший стабилизатор напряжения по схеме из руководства:


Вот что удалось получить при 3 положениях переменного резистора:
Результаты, прямо скажем так, не очень. Стабилизатором это назвать язык не поворачивается.
Далее я нагрузил стабилизатор 25 Омным резистором и картина полностью преобразилась:

Далее я решил проверить зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, для чего задал входное напряжения 15В, подстроечным резистором выставил выходное напряжение около 5В, и выход нагрузил переменным 100 Омным проволочным резистором. Вот что получилось:
Ток более 0,8А получить не удалось, т.к. начало падать входное напряжение (БП слабый). В результате этого тестирования, стабилизатор с радиатором нагрелся до 65 градусов:

Для проверки работы стабилизатора тока, была собрана следующая схема:


Вместо переменного резистора я использовал постоянный, вот результаты тестирования:
Стабилизация по току тоже хорошая.
Ну и как обзор может быть без сжигания героя? Для этого я собрал снова стабилизатор напряжения, на вход подал 15В, выход настроил на 5В, т.е. на стабилизаторе упало 10В, и нагрузил на 0,8А, т.е. на стабилизаторе выделялось 8Вт мощности. Радиатор убрал.
Результат продемонстрировал на следующем видео:

Да, защита от перегрева тоже работает, сжечь стабилизатор не удалось.

Итог:

Стабилизатор вполне работоспособен и может быть использован как стабилизатор напряжения (при условии наличия нагрузки), так и стабилизатор тока. Также есть множество различных схем применения для увеличения выходной мощности, использования в качестве зарядного устройства для аккумуляторов и др. Стоимость сабжа вполне приемлемая, учитывая, что в оффлайне я могу купить такой минимум за 30 рублей, а в за 19 рублей, что существенно дороже обозреваемого.

На сём разрешите откланяться, удачи!

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Планирую купить +37 Добавить в избранное Обзор понравился +59 +88

Из этой статьи вы узнаете о:

Каждый из нас в своей жизни использует большое количество различных электроприборов. Очень большое их число нуждается в низковольтном питании. Другими словами они потребляют электроэнергию, которая не характеризуется напряжением в 220 вольт, а должна иметь от одного до 25-ти вольт.

Конечно, для подачи электроэнергии с таким количеством вольт используются специальные приборы. Однако, проблема возникает не в понижении напряжения, а в соблюдении ее стабильного уровня.

Для этого можно воспользоваться линейными стабилизационными устройствами. Однако такое решение будет очень громоздким удовольствием. Данную задачу идеально выполнит любой импульсный стабилизатор напряжения.

Разобранный импульсный стабилизатор

Если сравнивать импульсные и линейные стабилизационные приборы, то главное их отличие заключается в работе регулирующего элемента. В первом типе приборов этот элемент работает как ключ. Другими словами он находится или в замкнутом, или в разомкнутом состоянии.

Главными элементами импульсных стабилизационных устройств являются регулирующий и интегрирующий элементы. Первый обеспечивает подачу и прерывания подачи электрического тока. Задачей второго является накопление электроэнергии и постепенная ее отдача в нагрузку.

Принцип работы импульсных преобразователей

Принцип работы импульсного стабилизатора

Главный принцип работы заключается в том, что при замыкании регулирующего элемента электроэнергия накапливается в интегрирующем элементе. Это накопление наблюдается повышением напряжения. После того, когда регулирующий элемент отключается, т.е. размыкает линию подачи электричества, интегрирующий компонент отдает электричество, постепенно снижая величину напряжения. Благодаря такому способу работы импульсное стабилизационное устройство не тратит большого количества энергии и может иметь небольшие габариты.

Регулирующий элемент может представлять собой тиристор, биполярный транзитор или полевой транзистор. В качестве интегрирующих элементов могут использоваться дроссели, аккумуляторы или конденсаторы.

Заметим, что импульсные стабилизационные устройства могут работать двумя различными способами. Первый предполагает использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Второй - триггера Шмитта. Как ШИМ, так и триггер Шмитта используются для управления ключами стабилизационного устройства.

Стабилизатор с использованием ШИМ

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, который работает на основе ШИМ, кроме ключа и интегратора в своем составе имеет:

1. генератор;
2. операционный усилитель;
3. модулятор

Работа ключа напрямую зависит от уровня напряжения на входе и скважности импульсов. Влияние на последнюю характеристику осуществляют частота генератора и емкость интегратора. Когда ключ размыкается, начинается процесс отдачи электричества из интегратора в нагрузку.

Принципиальная схема стабилизатора ШИМ

При этом операционный усилитель сравнивает уровни выходного напряжения и напряжения сравнения, определяет разницу и передает необходимую величину усиления на модулятор. Этот модулятор осуществляет преобразование импульсов, которые выдает генератор, на прямоугольные импульсы.

Конечные импульсы характеризуются таким же отклонением скважности, которое пропорционально разности выходного напряжения и напряжения сравнения. Именно эти импульсы и определяют поведение ключа.

То есть при определенной скважности ключ может замыкаться, или размыкаться. Получается, что главную роль в этих стабилизаторах играют импульсы. Собственно от этого и пошло название этих устройств.

Преобразователь с триггером Шмитта

В тех импульсных стабилизационных приборах, которые используют триггер Шмитта, уже нет такого большого количества компонентов, как в предыдущем типе устройства. Здесь главным элементом является триггер Шмитта, в состав которого входит компаратор. Задачей компаратора является сравнение уровня напряжения на выходе и максимально допустимого ее уровня.

Стабилизатор с триггером Шмитта

Когда напряжение на выходе превысило свой максимальный уровень, триггер переключается в нулевую позицию и приводит к размыканию ключа. В это время дроссель или конденсатор разряжаются. Конечно, за характеристиками электрического тока постоянно следит вышеупомянутый компаратор.

И тогда, когда напряжение падает ниже требуемого уровня, фаза «0» меняется на фазу «1». Далее ключ замыкается, и электрический ток поступает в интегратор.

Преимуществом такого импульсного стабилизатора напряжения является то, что его схема и конструкция являются достаточно простыми. Однако он не может применяться во всех случаях.

Стоит отметить, что импульсные стабилизационные устройства могут работать только в отдельных направлениях. Здесь имеется в виду, что они могут быть как сугубо понижающими, так и сугубо повышающими. Также выделяют еще два типа таких приборов, а именно инвертирующий и устройство, которые могут произвольно изменять напряжение.

Схема снижающего импульсного стабилизационного прибора

В дальнейшем рассмотрим схему снижающего импульсного стабилизационного прибора. Он состоит из:

1. Регулирующего транзистора или любого другого типа ключа.
2. Катушки индуктивности.
3. Конденсатора.
4. Диода.
5. Нагрузки.
6. Устройства управления.

Узел, в котором будет накапливаться запас электроэнергии, состоит из самой катушки (дросселя) и конденсатора.

В то время, когда ключ (в нашем случае транзистор) подключен, ток движется к катушке и конденсатору. Диод находится в закрытом состоянии. То есть он не может пропускать ток.

За исходной энергией следит устройство управления, которое в нужный момент отключает ключ, то есть переводит его в состояние отсечки. Когда ключ находится в этом состоянии, происходит уменьшение тока, который проходит через дроссель.

Снижающий импульсный стабилизатор

При этом в дросселе меняется направление напряжения и результате ток получает напряжение, величина которого является разницей между электродвижущей силой самоиндукции катушки и количеством вольт на входе. В это время открывается диод и дроссель через него подает ток в нагрузку.

Когда запас электроэнергии исчерпывается, то происходит подключение ключа, закрытия диода и зарядка дросселя. То есть все повторяется.
Повышающий импульсный стабилизатор напряжения работает подобным образом, как и понижающий. Аналогичным алгоритмом работы характеризуется и инвертирующий стабилизационный прибор. Конечно, его работа имеет свои отличия.

Главное отличие импульсного повышающего устройства заключается в том, то в нем входное напряжение и напряжение катушки имеют одно и тот же направление. В результате они суммируются. В импульсном стабилизаторе сначала размещается дроссель, затем транзистор и диод.

В инвертирующем стабилизационном устройстве направление ЭДС самоиндукции катушки является таковым, как и в понижающем. В то время, когда подключается ключ и закрывается диод, питание обеспечивает конденсатор. Любой из таких приборов можно собрать собственноручно.

Полезный совет: вместо диодов можно использовать и ключи (тиристорные или транзисторные). Однако они должны выполнять операции, которые являются противоположными основном ключу. Другими словами, когда основной ключ закрывается, то ключ вместо диода должен открываться. И наоборот.

Выходя из вышеопределенного строения стабилизаторов напряжения с импульсным регулированием, можно определить те особенности, которые относятся к преимуществам, а которые к недостаткам.

Преимущества

Преимуществами этих устройств являются:

1. Достаточно легкое достижение такой стабилизации, которая характеризуется очень высоким коэффициентом.
2. КПД высокого уровня. Благодаря тому, что транзистор работает в алгоритме ключа, происходит малое рассеивание мощности. Это рассеяние значительно меньше, чем в линейных стабилизационных устройствах.
3. Возможность выравнивания напряжения, которое на входе может колебаться в очень большом диапазоне. Если ток является постоянным, то этот диапазон может составлять от одного до 75-ти вольт. Если же ток является переменный, то этот диапазон может колебаться в пределах 90-260 вольт.
4. Отсутствие чувствительности к частоте напряжения на входе и к качеству электропитания.
5. Конечные параметры на выходе являются достаточно устойчивыми даже при условии, если происходят очень большие изменения в токе.
6. Пульсация напряжения, которое выходит из импульсного устройства, всегда находится в пределах миливольтового диапазона и не зависит от того, какую мощность имеют подключенные электроприборы или их элементы.
7. Стабилизатор включается всегда мягко. Это означает, что на выходе ток не характеризуется прыжками. Хотя надо отметить, при первом включении выброс тока является высоким. Однако для нивелирования этого явления применяются термисторы, которые имеют отрицательный ТКС.
8. Малые величины массы и размеров.

Недостатки

1. Если же говорить о недостатках этих стабилизационных приборов, то они кроются в сложности устройства. Из-за большого количества различных компонентов, которые могут выйти из строя довольно быстро, и специфического способа работы прибор не может похвастаться высоким уровнем надежности.
2. Он постоянно сталкивается с высоким напряжением. Во время работы часто происходят переключения и наблюдаются сложные температурные условия для кристалла диода. Это однозначно влияет на пригодность к выпрямлению тока.
3. Частое переключение коммутирующих ключей создает частотные помехи. Их число очень велико и это является негативным фактором.

Полезный совет: для устранения этого недостатка нужно воспользоваться специальными фильтрами.

1. Их устанавливают как на входе, так и на выходе.В том случае, когда нужно сделать ремонт, то он также сопровождается сложностями. Здесь стоит отметить, что неспециалист поломку устранить не сможет.
2. Ремонтные работы может осуществить тот, кто хорошо разбирается в таких преобразователях тока и имеет необходимое количество навыков. Иными словами, если такой прибор сгорел и его пользователь не имеет никаких знаний об особенностях прибора, то лучше отнести на ремонт в специализированные компании.
3. Также для неспециалистов сложно настраивать импульсные стабилизаторы напряжения, в которые может входить 12 вольт или иное количество вольт.
4. В том случае, если выйдет из строя тиристор или любой другой ключ, могут возникнуть очень сложные последствия на выходе.
5. К минусам относится и потребность в использовании приборов, которые будут компенсировать коэффициент мощности. Также некоторые специалисты отмечают, что такие стабилизационные устройства стоят дорого и не могут похвастаться большим количеством моделей.

Сферы применения

Но, несмотря на это, такие стабилизаторы могут применяться в очень многих сферах. Однако наиболее употребляются они в радионавигационном оборудовании и электронике.

Кроме этого, их часто применяют для телевизоров с жидкокристаллическим дисплеем и жидкокристаллических мониторов, источников питания цифровых систем, а также для промышленного оборудования, которое нуждается в токе с низким количеством вольт.

Полезный совет: часто импульсные стабилизационные устройства используют в сетях с переменным током. Сами устройства превращают такой ток в постоянный и в том случае, если нужно подключить пользователей, нуждающихся в переменном токе, то на входе нужно подключить фильтр сглаживания и выпрямитель.

Стоит отметить, что любой низковольтный прибор требует использования таких стабилизаторов. Также их можно использовать для непосредственной подзарядки различных аккумуляторов и питания мощных светодиодов.

Внешний вид

Как уже отмечалось выше, преобразователи тока импульсного типа характеризуются небольшими размерами. В зависимости от того, на какой диапазон входных вольт они рассчитаны, зависит их размер и внешний вид.

Если они предназначены для работы с очень малой величиной входного напряжения, то они могут представлять собой малую пластмассовую коробку, от которой отходит определенное количество проводов.

Стабилизаторы, рассчитанные на большое количество входных вольт, представляют собой микросхему, в которой находятся все провода и к которой подключаются все компоненты. О них вы уже узнали.

Внешний вид этих стабилизационных устройств также зависит и от функционального назначения. Если они обеспечивают выход регулируемого (переменного) напряжения, то резиторный делитель размещают вне интегральной схемы. В том случае, если из прибора будет выходить фиксированное количество вольт, то этот делитель уже находится в самой микросхеме.

Важные характеристики

При подборе импульсного стабилизатора напряжения, который может выдавать постоянные 5в или иное количество вольт, обращают внимание на ряд характеристик.

Первой и самой важной характеристикой являются величины минимального и максимального напряжения, которое будет входить в сам стабилизатор. О верхних и нижних границах этой характеристики уже отмечалось.

Вторым важным параметром является наиболее высокий уровень тока на выходе.

Третьей важной характеристикой является номинальный уровень выходного напряжения. Иными словами спектр величин, в рамках которого оно может находиться. Стоит отметить, что многие эксперты утверждают, что максимальное входное и выходное напряжения равны.

Однако в реальности это не так. Причиной этого является то, что входные вольты уменьшаются на ключевом транзисторе. В результате на выходе получается несколько меньшее количество вольт. Равенство может быть только тогда, когда ток нагрузки являются очень малым. То же самое касается и минимальных значений.

Важной характеристикой любого импульсного преобразователя является точность напряжения на выходе.

Полезный совет: на этот показатель следует обращать внимание тогда, когда стабилизационное устройство обеспечивает выход фиксированного количества вольт.

Причиной этого является то, что резистор находится в середине преобразователя и точные его работы определяются в производства. Когда число выходных вольт регулируется пользователем, то регулируется и точность.

На микросхеме LM2596 можно собрать стабилизированный источник напряжения, на основе которого легко сделать простой и надёжный импульсный лабораторный блок питания с защитой от короткого замыкания.

Давайте сначала рассмотрим подробнее LM2596:

Цоколевка LM2596T

Цоколевка LM2596S

Характеристики микросхемы

• Входное напряжение - от 2.4 до 40 вольт (до 60 вольт в версии HV)
• Выходное напряжение - фиксированное либо регулируемое (от 1.2 до 37 вольт)
• Выходной ток - до 3 ампер (при хорошем охлаждении - до 4.5А)
• Частота преобразования - 150кГц
• Корпус - TO220-5 (монтаж в отверстия) либо D2PAK-5 (поверхностный монтаж)
• КПД - 70-75% на низких напряжениях, до 95% на высоких.

подробнее:

Характеристики LM2596-3.3

Характеристики LM2596-5.0

Характеристики LM2596-12

Характеристики LM2596-ADJ

Структурная схема LM2596

Схема включения LM2596

Схема стабилизатора напряжения 5В с инвертором полярности на LM2596-5.0

Регулируемый стабилизатор напряжения построен на основе микросхемы LM2596T.

Эта микросхема работает в импульсном режиме, благодаря чему имеет высокий КПД, что позволяет пропускать ток до 2 А не нуждаясь в теплоотводе. Для нагрузки с потреблением тока более 2 А необходимо применить теплоотвод (радиатор) с площадью поверхности не менее 100 см2. Теплоотвод крепится к микросхеме, с использованием теплопроводной пасты типа КПТ-8.

Устройство можно настроить на любое другое фиксированное выходное напряжение. Для этого нужно заменить R2 на резистор, рассчитываемый по следующей формуле: R2 = R1*(Vвых / Vref-1) или R2 = 1210*(Vвых /1.23 — 1)

LM2596 имеет тепловую защиту по перегреву, а так же ограничение по выходному току до 3 А. В случае, если запитывать данное устройство от понижающего сетевого трансформатора с диодным мостом, то емкость конденсатора С1 необходимо повысить до 2200 мкФ. В качестве защитного диода D1 можно применить диод шоттки типа 1N5822.

Также нужно внимательно следить за тем, чтобы схема на ОУ не возбудилась и не перешла в режим генерации. Для этого старайтесь уменьшить длину всех проводников, а особенно дорожки, подключенной к выв. 2 LM2596. Не располагайте ОУ вблизи этой дорожки, а диод и конденсатор фильтра расположите ближе к корпусу LM2596, и обеспечьте минимальную площадь петли земли, подключенной к этим элементам.

Готовый стабилизатор напряжения на основе микросхемы LM2596S и LM317 с цифровым индикатором входного или выходного напряжения.

П О П У Л Я Р Н О Е:

Рассмотрев структурную схему блока питания типа AT , её можно разделить на несколько основных частей.