Меню

Стабилизатор напряжения регулируемого блока питания

Стабилизатор напряжения регулируемого блока питания

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

Ага, все-таки зашел? Что, любопытство замучило? Но я очень рад. Нет, правда. Располагайся поудобнее, сейчас мы вместе произведем некоторые нехитрые расчеты, которые нужны, чтобы сварганить тот блок питания, который мы уже сделали в первой части статьи. Хотя надо сказать, что эти расчеты могут пригодиться и в более сложных схемах.

Итак, наш блок питания состоит из двух основных узлов — это выпрямитель, состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и стабилизатор, состоящий из всего остального. Как настоящие индейцы, начнем, пожалуй, с конца и рассчитаем сначала стабилизатор.

Схема стабилизатора показана на рисунке.

Это, так называемый параметрический стабилизатор. Состоит он из двух частей:
1 — сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором R б
2 — эмиттерный повторитель на транзисторе VT.

Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Он играет роль как бы усилителя или если угодно — умощителя.

Два основных параметра нашего блока питания — напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки. Назовем их:
Uвых — это напряжение
и
Imax — это ток.

Для блока питания, который мы отгрохали в прошлой части, Uвых = 14 Вольт, а Imax = 1 Ампер.

Сначала нам необходимо определить какое напряжение Uвх мы должны подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых.
Это напряжение определяется по формуле:

Откуда взялась цифра 3? Это падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 17 вольт.

Определим, какой нам нужен транзистор VT. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.

Тут надо учесть один момент. Для расчета мы взяли максимальное выходное напряжение блока питания. Однако, в данном расчете, надо наоборот брать минимальное напряжение, которое выдает БП. А оно, в нашем случае, составляет 1,5 вольта. Если этого не сделать, то транзистор может накрыться медным тазом, поскольку максимальная мощность будет рассчитана неверно.
Смотри сам:

Если мы берем Uвых=14 вольтам, то получаем P max =1.3*(17-14)*1=3.9 Вт.
А если мы примем Uвых=1.5 вольта, то P max =1.3*(17-1.5)*1=20,15 Вт

То есть, если бы не учли этого, то получилось бы, что расчетная мощность в ПЯТЬ раз меньше реальной. Разумеется, транзистору это сильно не понравилось бы.

Ну вот, теперь лезем в справочник и выбираем себе транзистор.
Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше Uвх, а максимальный ток коллектора должен быть больше Imax. Я выбрал КТ817 — вполне приличный транзистор.

Фу, ну вроде с этим справились. Пошли дальше.

Считаем сам стабилизатор.

Сначала определим максимальный ток базы свежевыбранного транзистора ( а ты как думал? в нашем жестоком мире потребляют все — даже базы транзисторов).

I б max =I max / h21 Э min

h21 Э min — это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника Если там указаны пределы этого параметра — что то типа 30…40, то берется самый маленький. Ну, у меня в справочнике написано только одно число — 25, с ним и будем считать, а что еще остается?

I б max =1/25=0.04 А (или 40 мА). Не мало.

Ну давайте будем теперь искать стабилитрон.
Искать его надо по двум параметрам — напряжению стабилизации и току стабилизации.

Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 14 вольтам, а ток — не менее 40 мА, то есть тому, что мы посчитали.
Полезли опять в справочник.

По напряжению нам страшно подходит стабилитрон Д814Д, к тому же он у меня был под рукой. Но вот ток стабилизации… 5 мА нам никак не годится. Чего делать будем? Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT2. Сия операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h21Э раз. h21Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Особо не думая, я взял из кучи железок КТ315. Его минимальный h21Э равен 30, то есть мы можем уменьшить ток до 40/30=1.33 мА, что нам вполне подходит.

Читайте также:  Ток при переменном напряжении 220

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора R б .

R б =(Uвх-Uст)/(I б max +I ст min )

где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона,
Iст min — ток стабилизации стабилитрона.

R б = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.

Теперь определим мощность этого резистора

P rб =(U вх -U ст )2/R б .

P rб =(17-14)2/470=0,02 Вт.

Собственно и все. Таким образом, из исходных данных — выходного напряжения и тока, мы получили все элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть подано на стабилизатор.

Однако не расслабляемся — нас еще ждет выпрямитель. Уж считать так считать, я так считаю (каламбур однако).

Итак, смотрим на схему выпрямителя.

Ну, тут все проще и почти на пальцах. Учитывая то, что мы знаем, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор — 17 вольт, вычислим напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого пойдем, как и в начале — с хвоста. Итак, после конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 17 вольт.

Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста у нас должно получиться 17/1,41=12 вольт.
Теперь учтем, что на выпрямительном мосту мы теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть 12+2=14 вольт. Вполне может случится так, что такого трансформатора не найдется, не страшно — в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 13 до 16 вольт.

Едем дальше. Определим емкость конденсатора фильтра.

C ф =3200I н /U н K н

где Iн — максимальный ток нагрузки,
Uн — напряжение на нагрузке,
Kн — коэффициент пульсаций.

В нашем случае
Iн = 1 Ампер,
Uн=17 вольтам,
Kн=0,01.

C ф =3200*1/14*0,01=18823.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, мы можем уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Осталось выбрать выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого нам надо знать два основных параметра — максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод.

Необходимое максимальное обратное напряжение считается так

U обр max =2U н , то есть U обр max =2*17=34 Вольта.

А максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Ну а для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку.

Ну вот вроде бы и все про выпрямители и параметрические стабилизаторы.
Впереди у нас стабилизатор для самых ленивых — на интегральной микросхеме и стабилизатор для самых трудолюбивых — компенсационный стабилизатор.

Источник



Регулируемые стабилизаторы напряжения и тока LM317 (КР142ЕН12) и LM337
(КР142ЕН18) для источников и блоков питания.

Характеристики, особенности применения, схемы включения, онлайн калькуля- торы. Однополярные и двуполярные блоки питания на ИМС LM317 и LM337.

Среди микросхем регулируемых стабилизаторов напряжения и тока одними из самых популярных являются ИМС LM317 и LM337. Благодаря своим приличным характеристикам, низкой стоимости и удобного для монтажа исполнения, эти микросхемы при минимальном наборе внешних деталей отлично справляются с функцией несложных регулируемых источников и блоков питания для бытовой и промышленной электронной аппаратуры.
Микросхемы идентичны по своим параметрам, разница заключается лишь в том, что LM317 является регулируемым стабилизатором положительного относительно земли напряжения, а микросхема LM337 — регулируемым стабилизатором отрицательного напряжения.

Аналогами стабилизатора LM317 на отечественном рынке является модификация КР142ЕН12, а LM337 — КР142ЕН18.

Если полутора ампер выходного тока покажется недостаточно, то LM317 можно заменить на LM350 с выходным током 3 ампера и LM338 — 5А. Схемы включения останутся точно такими же.

Для удобства описание поведём для более распространённого стабилизатора блока питания с положительной полярностью напряжения (LM317), но всё сказанное и нарисованное на схемах будет так же верно для стабилизаторов с минусовой полярностью (LM317). Однако важно заметить, что при смене полярности стабилизатора — необходимо также изменить на схемах: полярность включения всех диодов, электролитических конденсаторов, а также тип проводимости внешних транзисторов (в случае их наличия). И не стоит забывать, что цоколёвки у этих микросхем разные!

Начнём с главного:
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАБИЛИЗАТОРОВ LM317, LM337 в корпусе TO-220:

Максимальное входное напряжение блока питания — 40 В;
Регулирование выходного напряжения — от 1,25 до 37 В;
Точность установки и поддержания выходного напряжения — 0,1%;
Максимальный ток нагрузки — 1,5 A;
Минимальный ток нагрузки — 3,5. 10 мА;
Наличие защиты от возможного короткого замыкания и перегрева;

Читайте также:  Регулятор напряжения не теристоре

Давайте не будем сильно отвлекаться на разнообразные любительские реализации стабилизаторов на LM317 и LM337, а сделаем основной упор на рекомендациях и схемах, приведённых в datasheet-ах на микросхемы. Типовая схема включения LM317 с функцией регулировки напряжения приведена на Рис.1

Рис.1 Типовая схема включения LM317

Диоды D1 и D2 предназначены для защиты микросхемы, а конкретно — быстрого и безопасного разряда конденсаторов в случае возникновения короткого замыкания (D1 — по входу, D2 — по выходу). При выходных напряжениях менее 25 В производитель ИМС допускает работу стабилизатора без использования защитных диодов.
Конденсатор С2 снижает уровень пульсаций на выходе микросхемы на 15 дБ. Увеличение номинала этого конденсатора свыше 10 МкФ не только не приведёт к существенному снижению пульсаций, но и окажет вредное влияние на скорость реакции стабилизатора на изменение выходного напряжения.

Номинал резистора R1 жёстко определяется в техническом паспорте как 240 Ом, хотя ничего плохого не случится, если выбрать его значение в диапазоне 200. 270 Ом.
Величина R2 вычисляется исходя из формулы Vout = Vref x (1+R2/R1) + Iadj x R2 , где
Vref ≈ 1,25В , а Iadj ≈ 50 мкА .

Онлайн калькулятор для расчёта стабилизатора напряжения на основе LM317 (LM337).
Выходное напряжение не может принимать значений ниже 1,25 В.

На Рис.2 изображена схема интегрального стабилизатора напряжения с функцией плавного пуска питания, собранная на всё том же регуляторе напряжения LM317 и тоже взятая из datasheet-а на микросхему.

Рис.2 Схема стабилизатора напряжения с функцией плавного пуска питания

В начальный момент включения источника питания конденсатор C1 разряжен и представляет собой КЗ. Напряжение на эмиттере транзистора близко к нулю, соответственно напряжение на выходе микросхемы минимально и составляет величину — около 1,2 В. По мере заряда конденсатора напряжение на эмиттере растёт, напряжение на выходе микросхемы — тоже. В какой-то момент напряжение на базе достигнет значения, при котором транзистор полностью закроется, и на выходе стабилизатора установится уровень напряжения, определяемый номиналами резисторов R1, R2.
При установке защитных диодов (как это сделано на Рис.1) ничто не мешает использовать эту схему и с более высокими выходными напряжениями.

Если возникла необходимость ввести в блок питания стабилизатор (ограничитель) тока нагрузки, то для этой цели также подойдёт ИМС LM317, причём схема получается ещё проще, чем в случае использования её в качестве стабилизатора напряжения.

Рис.3 Ограничитель тока на LM317

Такое устройство может быть полезно для зарядки аккумуляторов, питания светодиодов, ограничения тока нагрузки источника питания и т. д.
При выборе номинала сопротивления R1 в диапазоне 0,8. 125 Ом ограничение выходного тока будет происходить на уровнях: от 10 мА до 1,56 А, а формула, для расчёта конкретного значения тока выглядит следующим образом: I = Iadj + Vref/R1 ≈ 1,25/R1 .

Онлайн калькулятор для расчёта стабилизатора тока на основе LM317 (LM337).

Если необходимо поиметь в хозяйстве источник, как с регулировкой выходного напряжения, так и с ограничением выходного тока, то существует возможность использовать два варианта:
1. Соединить последовательно стабилизатор тока (Рис.3) и стабилизатор напряжения (Рис.1), либо
2. Либо использовать ещё одну схему из datasheet-а.

Рис.4 Схема стабилизатора с ограничением выходного тока

Область применения схемы, приведённой на Рис.4, декларируется производителем — как зарядное устройство для 6-вольтовых аккумуляторов, но её вполне можно расширить, подключив к выходу любую нагрузку и используя обвес, взятый с типовой схемы включения (Рис.1).
Ток ограничения (стабилизации) устройства рассчитывается исходя из формулы: I ≈ 0,6//R1 , А учитывая дополнительное падение напряжения на резисторе R1, при расчёте выходного напряжения в калькуляторе — следует вводить величину Uвых, на 0,6 В превышающую необходимое значение.

Умощнение LM317 внешним транзистором

Теперь что касается умощнения микросхем. Здесь datasheet также предполагает 2 варианта:
1. Параллельное соединение микросхем, но не примитивное (как порой можно встретить на некоторых интернет просторах), а довольно сложное, посредством ОУ и дополнительного транзистора. Эту схему я не вижу особого смысла рассматривать ввиду того, что подобную задачу можно решить более гуманными методами.
2. Умощнение внешним транзистором (Рис.5):

Рис.5 Умощнение стабилизатора напряжения на LM317 внешним транзистором

Читайте также:  Напряжение бортовой сети автомобиля ваз 21124

Силовой умощняющий транзистор следует выбирать исходя из максимального тока нагрузки и максимальной мощности, рассеиваемой на нём.
До того момента, когда падение напряжения на резисторе R1 достигнет уровня 0,6. 0,7 В транзистор закрыт, и весь ток в нагрузку течёт через микросхему стабилизатора. При достижении указанного уровня падения напряжения транзистор приоткрывается и также начинает отдавать ток в нагрузку, разгружая тем самым микросхему. Чем больше ток — тем сильнее открыт транзистор, тем большее относительное значение тока через него протекает в нагрузку.
Главный вопрос, возникающий у радиолюбителя — какого номинала следует выбирать резистор.
Для начала надо задаться некой величиной тока, протекающего через ИМС стабилизатора Ireg , не слишком большой (чтобы микросхема не сильно грелась), но и не слишком малой (для сохранения её стабильной и устойчивой работы). Обычно величина это тока выбирается в пределах 0,1. 0,3 А.
Определившись с этим значением, следует выбрать транзистор, исходя из максимального тока нагрузки, с параметром β > 1.1 x Iнмакс / Ireg . Будет лучше, если запас усиления транзистора составит величину — 10. 20%.
Тогда значение R1 можно будет вычислить по следующей формуле:
R1 ≈ (β x Vбэ) / (Ireg x β — Iнмакс) , где Vбэ ≈ 0,7В для простых транзисторов и 1,4В — для составных.

Умощнение LM317 внешним транзистором

Таким же способом можно умощнить и стабилизатор (ограничитель) тока нагрузки (Рис.6).

Рис.6 Умощнение стабилизатора тока на LM317 внешним транзистором

И под занавес приведу схему двуполярного источника питания с регулируемым напряжением (± 1,2. 35 В), опубликованную в одном из зарубежных источников (Рис.7).

Рис.7 Схема двуполярного блока питания

Для повышения надёжности устройства в него следует добавить пару защитных диодов по аналогии со схемой, изображённой на Рис.1.

Источник

Стабилизаторы напряжения в блоках питания

Стабилизаторы напряжения в блоках питания при конструировании стабилизированных блоков питания различной аппаратуры, как правило, используют микросхемы стабилизаторов напряжения. Большая номенклатура таких микросхем предоставляет конструкторам широкую возможность их выбора для создания стабилизатора с требуемыми параметрами. В некоторых случаях, однако, для построения относительно мощных стабилизаторов вполне применимы маломощные микросхемы. Примером в этом отношении может служить построение стабилизатора напряжения, встраиваемого в сетевой адаптер.

В большинстве случаев, как известно, такие адаптеры, особенно импортные, обеспечивают выходной ток до 0,5 А и не содержат стабилизатора напряжения. Если для повышения “качества” выпрямленного напряжения необходим стабилизатор, можно использовать микросхемы ИМС. Из-за доступности микросхем серии КР142. Для получения выходного напряжения 9В обычно выбирают КР142ЕН8А, КР142ЕН8Г. Однако они обеспечивают ток нагрузки до 1 …1,5А при еще большем токе короткого замыкания (КЗ). Из-за этого при возникновении аварийной ситуации могут выйти из строя трансформатор и выпрямительные диоды адаптера. Чтобы избежать этого, нужен стабилизатор с током нагрузки до 0,5 А и током КЗ не более 0,6 А. Но найти микросхемы с такими параметрами и с выходным напряжением 9 В затруднительно.

Стабилизаторы напряжения в блоках питания выход из положения есть. Нужно использовать маломощную микросхему и “умощнить” ее с помощью транзистора (на рисунке выше в статье). В таком устройстве при токе нагрузки более 20 мА падения напряжения на резисторе R1 окажется достаточно для открывания транзистора VT1. Ток потечет “в обход” DA1, выходное напряжение будет определяться ее параметрами, а ток нагрузки может превысить допустимый выходной ток микросхемы во много раз. Правда, ток КЗ достигнет 1…1.5А, что чревато вышеуказанными последствиями.

Ограничить ток КЗ нетрудно введением еще одного транзистора (VT2 на рисунке).

Тогда при токе нагрузки до 20 мА по-прежнему будет работать только DA1, а транзисторы окажутся закрытыми. Когда ток превысит указанное значение, откроется транзистор VT1 и ток потечет через него. Как только ток достигнет значения 400…500 мА либо в цепи нагрузки возникнет КЗ, на резисторе R1 появится такое напряжение, которое откроет транзистор VT2. Теперь оба транзистора начнут работать в режиме стабилизатора тока.

Резистором R1 задают ориентировочное значение тока стабилизации: lCT = 0,6/R1. При этом ток КЗ составит: lK3 = lCT + 1КЗ.МС, где кз.мс ток КЗ микросхемы. В обоих устройствах транзисторы VT1 — любые из серий КТ814, КТ816. Транзистор VT2 должен быть с малым напряжением насыщения коллектор—эмиттер, поэтому желательно применить, кроме указанного на схеме, транзисторы КТ208А—КТ208М, КТ209А—КТ209М, КТ3107А-КТ3107И, КТ3108А— КТ3108В. Конденсатор С1 — конденсатор фильтра адаптера.

Источник