Стабилизаторы с малым падением напряжения. Регулируемый последовательный стабилизатор с низким падением напряжения вход - выход. Схемы, расчет online, конструкция, проектирование. Полная схема регулятора

Последовательный стабилизатор напряжения непрерывного действия - Регулируемый, с малым падением напряжения

Регулируемый последовательный стабилизатор

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

Эта схема стабилизирует ток через один или несколько светодиодов, причём практически независимо от напряжения питания. Её главным преимуществом является очень малое падение напряжения, которое может быть меньше 100 мВ. Конструкция может найти применение в светодиодных лентах, где напряжение может изменяться по длине за счет резистивного падения, и небольшие изменения напряжения приводят к существенным изменениям тока и яркости. А также в , где каждый вольт на счету.

Схема стабилизатора тока светодиодов

Падение напряжения в цепи резистора R не превышает 40 мВ. Остальное зависит от параметров Q3.

Номинальный ток светодиода здесь составляет 7,2 мА при 9 В. Увеличение напряжения до 20 В вызывает изменение тока всего +15%, благодаря динамическому сопротивлению.

Значение резистора R1 выбрано для синего/белого светодиода с падением напряжения в диапазоне 2,9 - 3,4 вольта. Для поддержания нужного уровня на другой вольтаж падения напряжения - измените значение R1 пропорционально изменению падения напряжения.

Ток через светодиоды обратно пропорционален значению R. Ток может быть грубо изменен с помощью этого резистора, и точно настроен путем изменения R1.

Для получения хорошей термостабильности, Q1 и Q2 должны быть в тепловом контакте. В идеале, они должны быть на одном кристалле, но и так получаются хорошие результаты, когда они прижаты друг к другу.

Схема хорошо работает не только с одним светодиодом. Максимальное количество светодиодов в линии зависит только от параметров компонентов схемы.

Область применения

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

Второй вариант схемы

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

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

Таблица напряжений MIC294х

Возможности схемы на MIC2941

• Защита от короткого замыкания и от перегрева.
• Входной диод для защиты цепи от отрицательного напряжения или переменного тока.
• Два индикаторных светодиода для высокого и низкого напряжения.
• Выходной переключатель, чтобы выбрать 3,3 В или 5 В.
• На плате потенциометр для регулировки напряжения от 1,25 В до максимального входного напряжения (20V max).
• Высокая точность поддержания выходного напряжения
• Гарантированный ток выхода 1.25 A.
• Очень низкий температурный коэффициент
• Вход микросхемы может выдержать от -20 до +60 В.
• Логически управляемый электронный выключатель.
• И, конечно, малое падение напряжения - от 40 мВ.

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

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

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

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

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

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

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

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

Вся современная радиоэлектронная аппаратура построена на элементах, чувствительных к питающему электричеству. От него зависит не только правильное функционирование, но и работоспособность схем в целом. Поэтому в первую очередь электронные устройства снабжают фиксированными стабилизаторами с малым падением напряжения. Они выполнены в виде интегральных микросхем, которые выпускают многие производители по всему миру.

Что такое стабилизатор напряжения с малым падением напряжения?

Под стабилизатором напряжения (СН) понимают такое устройство, основная задача которого состоит в поддержании на определенном неизменном уровне напряжения на нагрузке. Любой стабилизатор имеет определенную точность выдачи параметра, которая обусловлена типом схемы и компонентами, входящими в нее.

Внутренне СН выглядит подобно замкнутой системе, где в автоматическом режиме напряжение на выходе подстраивается пропорционально эталонному (опорному), которое генерирует специальный источник. Этот тип стабилизаторов именуют компенсационным. Регулирующим элементом (РЭ) в этом случае выступает транзистор - биполярник или полевик.

Элемент регулирования напряжения может работать в двух разных режимах (определяется схемой построения):

• активном;
• ключевом.

Первый режим подразумевает непрерывную работу РЭ, второй - работу в импульсном режиме.

Где применяют фиксированный стабилизатор?

Радиоэлектронная аппаратура современного поколения отличается мобильностью в глобальном масштабе. Системы питания устройств построены на использовании в основном химических источников тока. Задача разработчиков в этом случае состоит в получении стабилизаторов с небольшими габаритными параметрами и как можно меньшими потерями электричества на них.

Современные СН применяются в следующих системах:

• средства мобильной связи;
• компьютеры переносного типа;
• элементы питания микроконтроллеров;
• автономно работающие камеры слежения;
• автономные охранные системы и датчики.

Для решения вопросов питания стационарной электроники применяют стабилизаторы напряжения с малым падением напряжения в корпусе с тремя выводами типа КТ (КТ-26, КТ-28-2 и др.). Их используют для создания простых схем:

• зарядных устройств;
• блоков питания бытовой электротехники;
• измерительной аппаратуры;
• систем связи;
• спецоборудования.

Какими бывают СН фиксированного типа?

Все интегральные стабилизаторы (в состав которых входят и фиксированные) делят на две основных группы:

• Стабилизаторы с минимально малым падением напряжения гибридного исполнения (ГИСН).
• Микросхемы полупроводниковые (ИСН).

СН первой группы выполняют на интегральных микросхемах и полупроводниковых элементах бескорпусного типа. Все компоненты схемы размещают на подложке из диэлектрика, куда методом нанесения толстых или тонких пленок добавляют соединительные проводники и резисторы, а также элементы дискретные - переменные сопротивления, конденсаторы и др.

Конструктивно микросхемы представляют законченные устройства, выходное напряжение которых фиксировано. Это обычно стабилизаторы с малым падением напряжения на 5 вольт и до 15 В. Более мощные системы построены на мощных транзисторах бескорпусных и схеме управления (маломощной) на основе пленок. Схема может пропускать токи до 5 ампер.

ИСН микросхемы выполняют на одном кристалле, потому они имеют маленькие размеры и массу. По сравнению с предыдущими микросхемами они более надежны и дешевле в изготовлении, хотя по параметрам уступают ГИСН.

Линейные СН с тремя выводами относятся к ИСН. Если взять серию L78 или L79 (для положительных и отрицательных напряжений), то они делятся на микросхемы со:

• Слабым током на выходе около 0.1 А (L78L**).
• Средним значением тока, в районе 0.5 А (L78M**).
• Сильноточные до 1.5 А (L78).

Принцип работы линейного стабилизатора с малым падением напряжения

Типовая структура стабилизатора состоит из:

• Источника напряжения опорного.
• Преобразователя (усилителя) сигнала ошибки.
• Делителя сигнала и элемента регулирующего, собранных на двух резисторах.

Так как величина напряжения на выходе напрямую зависит от сопротивлений R1 и R2, то последние встраивают в микросхему и получается СН с фиксированным выходным напряжением.

Работа стабилизатора напряжения с малым падением напряжения основана на процессе сравнивания напряжения опорного с тем, которое поступает на выход. В зависимости от уровня несоответствия этих двух показателей усилитель ошибки воздействует на затвор силового транзистора на выходе, прикрывая либо открывая его переход. Таким образом, фактический уровень электричества на выходе стабилизатора будет мало отличаться от заявленного номинального.

Также в схеме присутствуют датчики защиты от перегрева и перегрузочных токов. Под воздействием этих датчиков у выходного транзистора полностью перекрывается канал, и он перестает пропускать ток. В режиме отключения микросхема потребляет всего 50 микроампер.

Схемы включения стабилизатора с малым падением напряжения

Интегральная микросхема-стабилизатор удобна тем, что имеет внутри все необходимые элементы. Установка ее на плату требует включения лишь фильтрующих конденсаторов. Последние призваны убрать помехи, приходящие от источника тока и нагрузки, как видно на рисунке.

Касательно СН серии 78xx и использовании танталовых либо керамических конденсаторов шунтирования входа и выхода, емкость последних должна быть в пределах до 2 мкФ (вход) и 1 мкФ (выход) при любых допустимых значениях напряжения и тока. Если применять алюминиевые конденсаторы, то их номинал не должен быть ниже 10 мкФ. Подключать элементы следует максимально близко к выводам микросхемы.

В случае когда нет в наличии стабилизатора напряжения с малым падением напряжения нужного номинала, можно увеличить номинал СН с меньшего на больший. За счет поднятия уровня электричества на общем выводе добиваются прироста его на такую же величину на нагрузке, как показано на схеме.

Преимущества и недостатки линейных и импульсных стабилизаторов

Интегральные микросхемы непрерывного действия (СН) имеют следующие преимущества:

1. Реализованы в одном корпусе небольшого размера, что позволяет эффективно располагать их на рабочем пространстве печатной платы.
2. Не требуют установки дополнительных регулирующих элементов.
3. Обеспечивают хорошую стабилизацию выходного параметра.

К недостаткам можно отнести низкий КПД, не превышающий 60%, связанный с падением напряжения на встроенном регулирующем элементе. При большой мощности микросхемы необходимо применять радиатор охлаждения кристалла.

Более производительными считаются с малым падением напряжения на полевике, КПД которых приблизительно на уровне 85%. Достигается это благодаря режиму работы элемента регулирующего, при котором ток через него проходит импульсами.

К недостаткам схемы импульсного СН можно отнести:

1. Сложность схематического исполнения.
2. Наличие помех импульсного характера.
3. Малую стабильность выходного параметра.

Некоторые схемы с использованием линейного стабилизатора напряжения

Кроме целевого использования микросхем в качестве СН, можно расширить область их применения. Некоторые варианты таких схем на базе интегральной микросхемы L7805.

Включение стабилизаторов в параллельном режиме

Чтобы увеличить ток нагрузки, СН включают параллельно друг к другу. Для обеспечения работоспособности такой схемы дополнительно в нее устанавливают резистор небольшого номинала между нагрузкой и выходом стабилизатора.

Стабилизатор тока на базе СН

Есть нагрузки, питание которых необходимо осуществлять постоянным (стабильным) током, например, светодиодная цепочка.

Схема регулирования оборотов вентилятора в компьютере

Регулятор этого типа построен таким образом, что при первоначальном включении на куллер поступает все 12 В (для его раскрутки). Далее по окончании заряда конденсатора C1 переменным резистором R2 можно будет регулировать величину напряжения.

Заключение

Собирая схему с применением стабилизатора напряжения с малым падением напряжения своими руками, важно учитывать, что некоторые типы микросхем (построенные на полевых транзисторах) нельзя паять обычным паяльником непосредственно от сети 220 В без заземления корпуса. Их статическое электричество может вывести электронный элемент из строя!