Меню

Плата стабилизатора напряжения импульсного

Импульсный стабилизатор напряжения на микросхеме МС34063

Импульсный стабилизатор напряжения на микросхеме МС34063

Многие люди, далёкие от электроники, считают, что все приборы питаются от обычного сетевого напряжения 220В — это логично, ведь чтобы включить устройство, мы втыкаем штекер в розетку, а не куда-либо ещё. Но на самом деле, электронные схемы, как правило, питаются от низкого напряжения, обычно в диапазоне 3,3 — 12В, а вот исполнительные устройства, какие-либо лампочки, насосы, ТЭНы, любая силовая электроника уже питается напрямую от 220В, а низковольтная логическая электроника при этом выступает в роли «мозгов» устройства. Создание источников питания — довольно интересная и обширная область в радиоэлектронике, ведь для преобразования высокого сетевого напряжения в низкое требуются либо специальные устройства — трансформаторы, либо целые отдельные электронные устройства — импульсные блоки питания. Кроме того, помимо задачи понижения сетевого напряжения часто встаёт вопрос о преобразовании одного низкого напряжения в другое, например, часто требуется получить из 12В, например, 3В, 5В, либо какое-то другое значение. Есть и обратная задача — как из 3 или 5В получить более высокое напряжение. Например, повышающие преобразователи используются в каждом power-bankе, там напряжение с литий-ионных аккумуляторов (оно равно 3,3-4,2В) нужно повысить до стабильных 5В, от которых уже можно зарядить телефон либо питать другие гаджеты. В случае, если постоянное напряжение нужно понизить на ум сразу приходят стабилизаторы серии 78lХХ, они могут иметь разный индекс (обозначен ХХ), соответственно и разное напряжение на выходе, например, 7805 понижает ровно до 5В, 7809 до 9 вольт, аналогично и с другими значениями. Эти микросхемы — линейные стабилизаторы, их особенностью является то, что они рассеивают на себе всю разницу напряжений между входом и выходом, а потому ощутимо нагреваются и при работе с приличными токами требуют массивных радиаторов.

Ниже представлен вариант схемы, позволяющий регулировать напряжение на выходе переменным резистором:

Как можно заметить, схема почти не отличается от предыдущей, за исключением того, что вместо делителя R1 R2 подключен переменный резистор на 10 кОм между выходом и землёй, а его средний вывод также подключается к пятому выводу микросхемы, обеспечивая работу обратной связи. Здесь можно использовать любой переменный резистор с сопротивлением 10-47 кОм, его можно вывести с платы на проводах, либо впаять прямо на плату. Также на этой схеме можно увидеть низкоомный резистор R1 на входе схемы, он имеет сопротивление всего 0,3 Ома, что очень мало. Он необходим для ограничения бросков тока при включении схемы, чтобы ток заряда конденсаторов, подключенных к выходу стабилизатора, не вывел микросхему из строя. Данный резистор не является обязательным, но его наличие желательно в обоих вариантах схем.

На картинке выше приведены графики, взятые из документации на микросхему МС34063, самые любопытные могут ознакомиться с её режимы работы и параметрами.

Схема собирается на миниатюрной печатной плате, элементы используются в планарных корпусах. Вход и выход поступают на плату через три контакта, из которых «+» — входное напряжение, «-» — общая земля схемы, «5в» — выходное напряжение. Как можно заметить, такая распиновка совпадает с расположением выводов микросхем серии 78lХХ, а потому, припаяв на такую платку штырьковые выводы, ей можно заменять микросхемы 78lХХ, располагая плату вертикально. Вместо переменного резистора автор использует подстроечный многооборотный, он позволяет задавать напряжение на выходе с точностью чуть ли не до сотых вольта. Ниже представлены фотографии готовой платы.

Таким образом, получился отличный вариант импульсного стабилизатора, который с успехом может заменить линейные стабилизаторы в тех случаях, когда ток не превышает 500-700 мА. Для повышения рабочего тока схемы её нужно модифицировать путём добавления дополнительного транзистора. Удачной сборки! Все вопросы и дополнения пишите в комментарии.

Источник



Импульсные стабилизаторы напряжения на микросхемах LM2576 и LM2596
(1,5-50 В) для блоков питания с регулируемым выходным напряжением и высоким КПД.

Регуляторы серии LM2576 это монолитные интегральные схемы, которые обеспечивают все активные функции понижающего импульсного стабилизатора, поддерживающие максимальный ток 3А в линии нагрузки. Эти устройства доступны в версиях как с фиксированными, так и с изменяемыми выходными напряжениями, требуют минимальное количество внешних компонентов, просты в использовании, работают на частоте встроенного генератора 52 кГц.
Полезным бонусом является введённая в LM2576 схема защиты, срабатывающая при превышении тока нагрузки сверх положенных 3А.

Для наших регулируемых целей подойдут микросхемы с маркировкой LM2576ADJ (с максимальным входным напряжением 40 Вольт), либо LM2576HV-ADJ (с максимальным входным напряжением 55 Вольт).

Принципиальная схема регулируемого блока питания взята прямиком из datasheet-а на микросхему.

Рис. 1

В сети эта же схема повсеместно гуляет и для устройств, построенных на микросхеме LM2596, работающей с большей частотой встроенного генератора, и, соответственно, с уменьшенными значениями индуктивностей.
Это не совсем правильно! У LM2596 схема включения согласно технической документации построена несколько иначе, чем у LM2576. Поэтому будьте бдительны — есть нюансы.

На схеме я умышленно не стал рисовать трансформатор и диодный мост, чтобы не ограничивать выбор радиолюбителя только силовыми низкочастотными трансформаторами. Данный регулируемый стабилизатор с не меньшим успехом можно совокупить и с импульсным источником напряжения, к примеру, таким, как приведён на странице по ссылке ссылка на страницу.

В качестве L1 производитель рекомендует промышленный дроссель на жёлтом кольце PE-92108 (Рис.2 слева), но не кто не мешает вооружиться и дроссельком отечественного производителя (КИГ), намотанном на цилиндрическом магнитопроводе (Рис.2 справа).


Рис. 2

На мой непредвзятый взгляд купить готовый дроссель проще, чем искать подходящий сердечник для самостоятельной намотки. Однако для желающих самолично вырастить дубраву из жёлудя, вполне подойдут кольца, выдернутые из блока питания ПК, либо AMIDON-овские из карбонильного железа жёлто-белого цвета (материал 26), либо сине-зелёные (материал 52).
Главное, чтобы полученное моточное изделие обладало индуктивностью 150мкГн и пропускало токи — не менее 3А. Намоточный провод должен иметь диаметр 1мм.

В качестве иллюстрации к нашей повести приведу пример радиолюбительской реализации регулируемого блока питания на LM2576, позаимствованный с сайта www.komitart.ru (Рис. 3).


Рис. 3

И для кучи пример преобразователя напряжения с сайта http://320volt.com (Рис. 4).


Рис. 4

Что тут скажешь?
Отечественный радиолюбитель явно сэкономил на размере кольца, да и количество витков — немного из другой оперы.
В буржуйском варианте всё отлично! Особенно порадовала обширная «земля», которая является хорошим подспорьем, как для овощеводов Якутии, так и для всех тех, кто ведёт суровую борьбу против высокочастотных наводок и помех в устройствах со значительными величинами протекающих импульсных токов.

К сожалению, оба ваятеля проигнорировали выходной фильтр L2-C1 (Рис.1), который производитель микросхемы обозначил как необязательный (опционный) причиндал. А зря!

Если стабилизированный источник планируется использовать для запитывания не только моторов, лампочек и светодиодов, то значение уровня пульсаций выходного напряжения является не менее важным, чем параметр стабильности выходного напряжения. Тут-то и должна вступить в действие опционная LC-цепочка, позволяя снизить величину этих пульсаций в десяток-другой раз.

Теперь, что касается импульсных регулируемых стабилизаторов напряжения на микрсхеме LM2596.

Максимальное входное напряжение для этих микросхем ограничено значением 40В, соответственно максимальное стабилизированное напряжение на выходе составляет величину 37В, максимальный ток нагрузки — 3А.
Казалось бы — всё хуже, чем у LM2576HV. И на кой оно нам надо?
А тут всё дело в в том, что микросхемы серии LM2596 работают на частоте встроенного генератора не 52, а 150кГц, позволяя использовать компоненты фильтра меньших номиналов, а соответственно, и меньших размеров.
Приведём схему включения LM2596 согласно datasheet-а.


Рис. 5

Cin — 470 μF, 50-V, Aluminum Electrolytic Nichicon PL Series
Cout — 330 μF, 35-V Aluminum Electrolytic, Nichicon PL Series
D1 — 5A, 40V Schottky Rectifier, 1N5825
L1 — 47 μH,
R1 — 1 kΩ, 1%

Всё достаточно близко к схеме включения M2576, представленной на Рис.1. И разница в значении R1 1 кОм, против 1,2 кОм, скорее всего ни на что не повлияет. По большому счёту — всё различие только в компенсационном конденсаторе Cff, обеспечивающем, по убеждению производителя, дополнительную стабильность работы устройства.
Значение номинала этого конденсатора находится в диапазоне 390pF-33nF в зависимости от выходного напряжения. Если стабилизатор предполагается делать регулируемым, его значение следует выбрать в диапазоне 1-1,5 nF.

При разработке конструктива и печатных плат стабилизаторов на микросхемах LM2576 и LM2596 переменный резистор R2, регулирующий выходное напряжение, следует располагать в непосредственной близости к печатной плате (длина соединительных проводов не должна превышать 3-5 см).

Источник

7 схем импульсных стабилизаторов напряжения

Благодаря высокому КПД импульсные стабилизаторы напряжения получают в последнее время все более широкое распространение, хотя они, как правило, сложнее и содержат большее число элементов. Поскольку в тепловую энергию преобразуется лишь малая доля подводимой к импульсному стабилизатору энергии, его выходные транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства.

Ощутимым недостатком импульсных стабилизаторов является наличие на выходе высокочастотных пульсаций, что заметно сужает область их практического использования — чаще всего импульсные стабилизаторы используют для питания устройств на цифровых микросхемах.

Стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входного, можно собрать на трех транзисторах (рис. 6.1), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (ѴТЗ) является усилителем сигнала рассогласования.

принципиальная схема

Рис. 6.1. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД 84%.

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напряжение положительной обратной связи с коллектора составного транзистора ѴТ1 через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора ѴТ2.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласования является каскад на транзисторе ѴТЗ. Его эмиттер подключен к источнику опорного напряжения — стабилитрону VD2, а база — к делителю выходного напряжения R5 — R7.

В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме, поэтому выходное напряжение регулируется изменением скважности работы ключа. Включением/выключением транзистора VT1 по сигналу транзистора ѴТЗ управляет транзистор ѴТ2. В моменты, когда транзистор ѴТ1 открыт, в дросселе L1, благодаря протеканию тока нагрузки, запасается электромагнитная энергия. После закрывания транзистора запасенная энергия через диод VD1 отдается в нагрузку. Пульсации выходного напряжения стабилизатора сглаживаются фильтром L1, СЗ.

Характеристики стабилизатора целиком определяются свойствами транзистора ѴТ1 и диода VD1, быстродействие которых должно быть максимальным. При входном напряжении 24 В, выходном — 15 В и токе нагрузки 1 А измеренное значение КПД было равно 84%.

Дроссель L1 имеет 100 витков провода диаметром 0,63 мм на кольце К26х16х12 из феррита с магнитной проницаемостью 100. Его индуктивность при токе подмагничивания 1 А — около 1 мГн.

Схема простого импульсного стабилизатора показана на рис. 6.2. Дроссели L1 и L2 намотаны на пластмассовых каркасах, помещенных в броневые магнитопроводы Б22 из феррита М2000НМ. Дроссель L1 содержит 18 витков жгута из 7 проводов ПЭВ-1 0,35. Между чашками его магнитопровода вложена прокладка толщиной 0,8 мм. Активное сопротивление обмотки дросселя L1 27 мОм. Дроссель L2 имеет 9 витков жгута из 10 проводов ПЭВ-1 0,35. Зазор между его чашками — 0,2 мм, активное сопротивление обмотки — 13 мОм. Прокладки можно изготовить из жесткого теплостойкого материала — текстолита, слюды, электрокартона. Винт, скрепляющий чашки магнитопровода, должен быть из немагнитного материала.

принципиальная схема

Рис. 6.2. Схема простого ключевого стабилизатора напряжения с КПД 60%.

Для налаживания стабилизатора к его выходу подключают нагрузку сопротивлением 5. 7 Ом и мощностью 10 Вт. Подбором резистора R7 устанавливают номинальное выходное напряжение, затем увеличивают ток нагрузки до 3 А и, подбирая величину конденсатора С4, устанавливают такую частоту генерации (примерно 18. 20 кГц), при которой высокочастотные выбросы напряжения на конденсаторе СЗ минимальны.

Выходное напряжение стабилизатора можно довести до 8. 10В, увеличив величину резистора R7 и установив новое значение рабочей частоты. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе ѴТЗ, также увеличится.

В схемах импульсных стабилизаторов желательно использовать электролитические конденсаторы К52-1. Необходимую величину емкости получают параллельным включением конденсаторов.

Основные технические характеристики:

Входное напряжение, В — 15. 25.

Выходное напряжение, В — 5.

Максимальный ток нагрузки, А — 4.

Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 4 А во всем диапазоне входных напряжений, мВ, не более — 50.

КПД, %, не ниже — 60.

Рабочая частота при входном напряжении 20 б и токе нагрузки 3А, кГц—20.

В сравнении с предыдущим вариантом импульсного стабилизатора в новой конструкции А. А. Миронова (рис. 6.3) усовершенствованы и улучшены такие его характеристики, как КПД, стабильность выходного напряжения, длительность и характер переходного процесса при воздействии импульсной нагрузки.

принципиальная схема

Рис. 6.3. Схема импульсного стабилизатора напряжения.

Оказалось, что при работе прототипа (рис. 6.2) возникает так называемый сквозной ток через составной ключевой транзистор. Этот ток появляется в те моменты, когда по сигналу узла сравнения ключевой транзистор открывается, а коммутирующий диод еще не успел закрыться. Наличие такого тока вызывает дополнительные потери на нагревание транзистора и диода и уменьшает КПД устройства.

Еще один недостаток — значительная пульсация выходного напряжения при токе нагрузки, близком к предельному. Для борьбы с пульсациями в стабилизатор (рис. 6.2) был введен дополнительный выходной LC-фильтр (L2, С5). Уменьшить нестабильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно только уменьшением активного сопротивления дросселя L2. Улучшение динамики переходного процесса (в частности, уменьшение его длительности) связано с необходимостью уменьшения индуктивности дросселя, но при этом неизбежно увеличится пульсация выходного напряжения.

Поэтому оказалось целесообразным исключить этот выходной фильтр, а емкость конденсатора С2 увеличить в 5. 10 раз (параллельным соединением нескольких конденсаторов в батарею).

Цепь R2, С2 в исходном стабилизаторе (рис. 6.2) практически не изменяет длительности спада выходного тока, поэтому ее можно удалить (замкнуть резистор R2), а сопротивление резистора R3 увеличить до 820 Ом. Но тогда при увеличении входного напряжения с 15 6 до 25 6 ток, протекающий через резистор R3 (в исходном устройстве), будет увеличиваться в 1,7 раза, а мощность рассеивания — в 3 раза (до 0,7 Вт). Подключением нижнего по схеме вывода резистора R3 (на схеме доработанного стабилизатора это резистор R2) к плюсовому выводу конденсатора С2 этот эффект можно ослабить, но при этом сопротивление R2 (рис. 6.3) должно быть уменьшено до 620 Ом.

Один из эффективных путей борьбы со сквозным током — увеличение времени нарастания тока через открывшийся ключевой транзистор. Тогда при полном открывании транзистора ток через диод VD1 уменьшится почти до нуля. Этого можно достигнуть, если форма тока через ключевой транзистор будет близка к треугольной. Как показывает расчет, для получения такой формы тока индуктивность накопительного дросселя L1 не должна превышать 30 мкГч.

Еще один путь — применение более быстродействующего коммутирующего диода VD1, например, КД219Б (с барьером Шотки). У таких диодов выше быстродействие и меньше падение напряжения при одном и том же значении прямого тока по сравнению с обычными кремниевыми высокочастотными диодами. Конденсатор С2 типа К52-1.

Улучшение параметров устройства может быть получено и при изменении режима работы ключевого транзистора. Особенность работы мощного транзистора ѴТЗ в исходном и улучшенном стабилизаторах состоит в том, что он работает в активном режиме, а не в насыщенном, и поэтому имеет высокое значение коэффициента передачи тока и быстро закрывается. Однако из-за повышенного напряжения на нем в открытом состоянии рассеиваемая мощность в 1,5. 2 раза превышает минимально достижимое значение.

Уменьшить напряжение на ключевом транзисторе можно подачей положительного (относительно плюсового провода питания) напряжения смещения на эмиттер транзистора ѴТ2 (см. рис. 6.3). Необходимую величину напряжения смещения подбирают при налаживании стабилизатора. Если он питается от выпрямителя, подключенного к сетевому трансформатору, то для получения напряжения смещения можно предусмотреть отдельную обмотку на трансформаторе. Однако при этом напряжение смещения будет изменяться вместе с сетевым.

Для получения стабильного напряжения смещения стабилизатор надо доработать (рис. 6.4), а дроссель превратить в трансформатор Т1, намотав дополнительную обмотку II. Когда ключевой транзистор закрыт, а диод VD1 открыт, напряжение на обмотке I определяется из выражения: U1=UBыx + U VD1. Поскольку напряжение на выходе и на диоде в это время меняется незначительно, то независимо от значения входного напряжения на обмотке II напряжение практически стабильно. После выпрямления его подают на эмиттер транзистора VT2 (и VT1).

принципиальная схема

Рис. 6.4. Схема модифицированного импульсного стабилизатора напряжения.

Потери на нагрев снизились в первом варианте доработанного стабилизатора на 14,7%, а во втором — на 24,2%, что позволяет им работать при токе нагрузки до 4 А без установки ключевого транзистора на теплоотвод.

В стабилизаторе варианта 1 (рис. 6.3) дроссель L1 содержит 11 витков, намотанных жгутом из восьми проводов ПЭВ-1 0,35. Обмотку помещают в броневой магнитопровод Б22 из феррита 2000НМ. Между чашками нужно заложить прокладку из текстолита толщиной 0,25 мм. В стабилизаторе варианта 2 (рис. 6.4) трансформатор Т1 образован намоткой поверх катушки дросселя L1 двух витков провода ПЭВ-1 0,35. Вместо германиевого диода Д310 можно использовать кремниевый, например, КД212А или КД212Б, при этом число витков обмотки II нужно увеличить до трех.

Стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис. 6.5) по принципу действия близок к стабилизатору, описанному в, но, в отличие от него, имеет две цепи обратной связи, соединенные таким образом, что ключевой элемент закрывается при превышении напряжения на нагрузке или увеличении тока, потребляемого нагрузкой.

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R3, открывает ключевой элемент, образованный транзисторами VT.1, VT2, в результате чего в цепи транзистор VT1 — дроссель L1 — нагрузка — резистор R9 возникает ток. Происходит заряд конденсатора С4 и накопление энергии дросселем L1. Если сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряжение на ней достигает 12 Б, и стабилитрон VD4 открывается. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD3 дроссель L1 отдает накопленную энергию нагрузке.

принципиальная схема

Рис. 6.5. Схема стабилизатора с широтно-импульсным управлением с КПД до 89%.

Технические характеристики стабилизатора:

Входное напряжение — 15. 25 В.

Выходное напряжение — 12 6.

Номинальный ток загрузки — 1 А.

Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 1 А — 0,2 В. КПД (при UBX =18 6, Ін=1 А) — 89%.

Потребляемый ток при UBX=18 В в режиме замыкания цепи нагрузки — 0,4 А.

Выходной ток короткого замыкания (при UBX =18 6) — 2,5 А.

По мере уменьшения тока через дроссель и разряда конденсатора С4 напряжение на нагрузке также уменьшится, что приведет к закрыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и открыванию ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется.

Конденсатор С3, снижающий частоту колебательного процесса, повышает эффективность стабилизатора.

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R9, открыванию транзистора ѴТ4 и закрыванию ключевого элемента. Далее процесс протекает аналогично описанному выше. Диоды VD1 и VD2 способствуют более резкому переходу устройства из режима стабилизации напряжения в режим ограничения тока.

Во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток меньше тока нагрузки. Транзистор ѴТ1 следует установить на теплоотводе размерами 40×25 мм.

Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47, помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМЗ. Магнитопровод имеет зазор толщиной 0,5 мм из немагнитного материала.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток нагрузки. Выходное напряжение устанавливают выбором типа стабилитрона VD4, а максимальный ток нагрузки — пропорциональным изменением сопротивления резистора R9 или подачей на базу транзистора ѴТ4 небольшого тока от отдельного параметрического стабилизатора через переменный резистор.

Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения целесообразно применить LC-фильтр, аналогичный используемому в схеме на рис. 6.2.

принципиальная схема

Рис. 6.6. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД преобразования 69. 72%.

принципиальная схема

Рис. 6.7. Схема импульсного стабилизатора напряжения с малыми пульсациями.

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.6) состоит из узла запуска (R3, VD1, ѴТ1, VD2), источника опорного напряжения и устройства сравнения (DD1.1, R1), усилителя постоянного тока (ѴТ2, DD1.2, ѴТ5), транзисторного ключа (ѴТЗ, ѴТ4), индуктивного накопителя энергии с коммутирующим диодом (VD3, L2) и фильтров — входного (L1, С1, С2) и выходного (С4, С5, L3, С6). Частота переключения индуктивного накопителя энергии в зависимости от тока нагрузки находится в пределах 1,3. 48 кГц.

Все катушки индуктивности L1 — L3 одинаковы и намотаны в броневых магнитопроводах Б20 из феррита 2000НМ с зазором между чашками около 0,2 мм. Обмотки содержат по 20 витков жгута из четырех проводов ПЭВ-2 0,41. Можно применить также кольцевые ферритовые магнитопроводы с зазором.

Номинальное выходное напряжение 5 В при изменении входного от 8 до 60 б и КПД преобразования 69. 72%. Коэффициент стабилизации — 500. Амплитуда пульсаций выходного напряжения при токе нагрузки 0,7 А — не более 5 мВ. Выходное сопротивление — 20 мОм. Максимальный ток нагрузки (без теплоотводов для транзистора VT4 и диода VD3) — 2 А.

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.7) при входном напряжении 20. 25 В обеспечивает на выходе стабильное напряжение 12 В при токе нагрузки 1,2 А. Пульсации на выходе до 2 мВ. Благодаря высокому КПД в устройстве не используются теплоотводы. Индуктивность дросселя L1 — 470 мкГч.

Аналоги транзисторов: ВС547 — КТ3102А] ВС548В — КТ3102В. Приблизительные аналоги транзисторов ВС807 — КТ3107; BD244 — КТ816.

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Источник

Читайте также:  Схема с оэ инвертирует напряжение