Стабилизатор с минимальным падением напряжения. Стабилизатор напряжения с малым минимальным падением напряжения. Схема, описание. Вариации на тему

Порой в радиолюбительской практике возникает необходимость в стабилизаторе с малым падением напряжения на регулирующем элементе (1,5-2В). Это может быть вызвано недостаточным напряжением на вторичной обмотке трансформатора, габаритными ограничениями, когда корпус не вмещает радиатор необходимого размера, соображениями экономичности устройства и т.д.

И если выбор микросхем для построения «обычных» стабилизаторов достаточно широк (типа LM317 , 78XX и т.п.), то микросхемы для построения Low-Drop стабилизаторов обычно не всем доступны. Поэтому несложная схема на доступных компонентах может быть весьма актуальна.

Представляю схему, которой сам пользовался много лет. За это время схема показала надёжную, стабильную работу. Доступные компоненты и простота настройки позволят без трудностей повторить конструкцию даже начинающим радиолюбителям.

увеличение по клику

Схема напоминает довольно стандартный параметрический стабилизатор , который дополнен ГСТ (генератором стабильного тока) для управления током базы регулирующего транзистора, за счёт чего и удалось получить низкое падение напряжения .

Схема рассчитана на выходное напряжение 5В (выставляется резистором R4) и ток нагрузки 200мА. Если требуется получить больший ток, то вместо T3 следует применить составной транзистор .

При необходимости получить большее выходное напряжение придётся пересчитать значения резисторов.

В случае отсутствия транзисторных сборок можно использовать дискретные транзисторы. В моём варианте вместо сборки КР198НТ5 использовалось два подобранных транзистора КТ361. Сборку КР159НТ1 можно заменить двумя транзисторами КТ315, подбор которых не требуется.

Так как информации в Интернете по отечественным компонентам практически нет, привожу для справки цоколёвку транзисторных сборок.

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.

Увеличить срок службы комплекта батарей или заряда аккумулятора, просто добавив в схему линейные стабилизаторы напряжения? Увеличить стабильность напряжения и уменьшить пульсации после импульсного преобразователя практически без снижения КПД блока питания? Это реально, если использовать современные микромощные LDO-стабилизаторы от STMicroelectronics с малым падением напряжения производства.

Продолжительное время разработчикам электронной аппаратуры были доступны только классические стабилизаторы (например, или стабилизаторы серий 78xx/79xx) с минимальным падением на регулирующем элементе от 0,8 В и выше. Связано это было с тем, что в качестве регулирующего элемента применялся n-p-n-транзистор, включенный по схеме с общим коллектором. Для того, чтобы открыть такой транзистор до насыщения, необходим дополнительный источник питания, напряжение которого превышает входное напряжение. Однако развитие технологий не стоит на месте, и с появлением мощных и компактных p-канальных полевых транзисторов их тоже начали использовать в стабилизаторах напряжения, включая по схеме с общим истоком. Такая схема позволяет при необходимости полностью открыть транзистор, и падение напряжения на его переходе фактически будет зависить только от сопротивления канала и тока нагрузки. Так появился стабилизатор LDO (Low DropOut).

Следует учитывать, что минимальное падение на канале транзистора LDO-стабилизатора практически линейно зависит от протекающего через него тока, так как канал фактически является электрически регулируемым резистором с некоторым минимальным сопротивлением. Поэтому при уменьшении выходного тока это напряжение тоже пропорционально уменьшается до некоторого предела, обычно равного 10…50 мВ. Лидерами же следует признать микросхемы и , у которых минимальное падение напряжения составляет всего 0,4 мВ. Если падение напряжения – одно из ключевых требований к стабилизатору, то следует присмотреться к стабилизаторам с большим запасом по току, так как у них из-за меньшего сопротивления канала регулирующего транзистора может быть гораздо меньшее падение напряжения на том же токе нагрузки.

Уникальная возможность LDO – его способность практически без ухудшения суммарного КПД блока питания стабилизировать напряжение, сглаживать выбросы и уменьшать шум на шине питания для высокочувствительных устройств, таких как радиоприемники, модули GPS, аудиоустройства, АЦП высокого разрешения, генераторы VCO, . Например, для питания схемы напряжением 3,3 В мы выбрали LDO с минимальным падением 150 мВ и понижающий импульсный стабилизатор с пульсациями на выходе амплитудой 50 мВ (верхняя кривая на рисунке 1). Выходное напряжение импульсного стабилизатора можно приблизительно оценить по формуле:

U Имп ≥ U Нагр. + U Drop + 1/2∆U Имп + 100…200 мВ,

где U Имп – выходное напряжение импульсного стабилизатора, U Нагр. – выходное напряжение линейного стабилизатора (напряжение питания нагрузки), ∆U Имп – амплитуда пульсаций напряжения на выходе импульсного стабилизатора. Поэтому выберем его равным 3,6 В. В итоге КПД ухудшится всего на 8%, однако при этом значительно уменьшатся пульсации напряжения. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (SVR) определяется по формуле:

SVR = 20Log*(∆U IN /∆U OUT)

При типовом коэффициенте порядка 50 дБ пульсации ослабляются примерно в 330 раз. То есть амплитуда пульсаций на выходе нашего источника питания уменьшится до сотен микровольт (нужно еще учитывать шум самого LDO, обычно он составляет десятки мкВ/В) – такой результат практически недостижим для большинства импульсных преобразователей без дополнительного стабилизатора или многозвенных LC-фильтров на выходе. Наилучшие характеристики стабилизации обеспечивают микросхемы , и микросхемы серии LD39xxx – у шум не превышает 10 мкВ/В, а коэффициент SVR доходит до 90 дБ.

Однако у LDO тоже есть недостатки, один из которых – склонность к самовозбуждению, причем не только при слишком большом ESR выходного конденсатора (или его слишком маленькой емкости), но и при слишком низком ESR. Связана эта особенность с тем, что каскад с общим эмиттером (общим истоком) имеет высокий выходной импеданс, поэтому на частотной характеристике стабилизатора появляется дополнительный низкочастотный полюс (его частота зависит от сопротивления нагрузки и емкости выходного конденсатора). В итоге уже на частотах в десятки килогерц сдвиг фазы может превысить 180° и отрицательная обратная связь превращается в положительную . Для решения такой проблемы в частотную характеристику необходимо добавить нуль, и простейший способ сделать это – увеличить последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора: это практически не увеличивает пульсации выходного напряжения, но является залогом стабильности всей схемы. Причем емкость и ESR конденсатора должны быть в строго очерченных пределах. Они указываются индивидуально для каждого LDO-стабилизатора. Увы, но стандартный подход «чем больше емкость и чем ниже ESR выходных конденсаторов – тем лучше», применимый к классическим линейным и импульсным стабилизаторам, здесь не работает.

В зависимости от компонентов внутренней корректирующей схемы, LDO-стабилизаторы можно условно разделить на три группы:

• стабилизаторы, рассчитанные на работу с танталовыми или электролитическими конденсаторами – им требуется конденсатор с ESR 0,5…10 Ом и более;
• стабилизаторы, рассчитанные на работу с танталовыми конденсаторами (ESR 0,3…5 Ом);
• стабилизаторы, рассчитанные на работу с керамическими конденсаторами – они сохраняют стабильность при ESR выходного конденсатора от 0,005 до 1 Ом.

Для высокочастотных и/или сильноточных цифровых схем рекомендуется ставить фильтрующие керамические конденсаторы емкостью 0,1…1 мкФ возле каждой микросхемы, и они тоже могут нарушить стабильность LDO-стабилизатора. Чтобы этого не происходило, рекомендуется увеличивать длину и уменьшать толщину дорожек от стабилизатора до нагрузки (тем самым увеличивать индуктивность дорожек), ставить в разрыв цепи питания дроссели или резисторы, а также выбирать LDO-стабилизаторы, скомпенсированные под низкий ESR нагрузки .

Есть еще один способ увеличить стабильность преобразователя – использовать в качестве регулирующего n-канальный транзистор, включенный по схеме с общим стоком. Такая схема стабильна практически при любых характеристиках выходного конденсатора, и даже вообще без конденсатора (так называемые capless-стабилизаторы). Однако для ее корректной работы необходим внутренний умножитель напряжения, который будет повышать входное напряжение для возможности отпирания регулирующего транзистора до насыщения. По такой схеме изготовлен – благодаря более низкому сопротивлению канала n-канальных транзисторов той же площади удалось значительно снизить падение напряжения, однако из-за постоянно работающего умножителя резко возрос потребляемый микросхемой ток в активном режиме. Но, по мнению автора, за такими стабилизаторами – будущее LDO, поэтому проблема повышенного энергопотребления наверняка скоро решится.

Из-за значительной емкости затвора ухудшается способность транзистора быстро реагировать на резкие изменения тока нагрузки. В итоге, при уменьшении тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора по инерции повышается (до тех пор, пока встроенный операционный усилитель не сможет чуть закрыть транзистор), а при увеличении тока – выходное напряжение слегка проседает (нижняя кривая на рисунке 1). Увеличить нагрузочную способность стабилизатора можно посредством увеличения мощности выхода встроенного операционного усилителя, однако вслед за этим увеличивается потребляемый стабилизатором ток. Поэтому разработчику приходится выбирать: или использовать в схеме сверхмаломощные стабилизаторы (например, серий или с потребляемым током в единицы микроампер, но с очень высокой инерционностью и большими просадками напряжения при резких изменениях тока нагрузки), или стабилизаторы среднего и высокого быстродействия, но с потреблением до сотен микроампер. В качестве альтернативы существуют стабилизаторы с режимами экономии энергии (например, ), которые при уменьшении тока нагрузки автоматически переключаются в микромощный режим. Аналогично работают многие современные микроконтроллеры (например, семейств STM8 и STM32) – у последних имеется два встроенных LDO-стабилизатора, один из которых работает в микромощном, а второй – в активном режиме, что обеспечивает высокую энергоэффективность во всех режимах работы и во всем диапазоне напряжения питания.

Все рассмотренные в этой статье стабилизаторы для своей работы требуют минимум внешних компонентов – всего два конденсатора, причем входной конденсатор емкостью минимум 1 мкф обязателен для большинства микросхем, и только для регулируемых версий еще необходим делитель из двух резисторов (рисунок 2). Все микросхемы имеют защиту от перегрузки и перегрева, способны работать в диапазоне температур -40…125°С. Многие микросхемы имеют вход включения Enable: потребляемый ток в режиме «Выключено» обычно не превышает единиц…сотен наноампер. Основные электрические характеристики стабилизаторов указаны в таблице 1.

Таблица 1. Основные электрические характеристики LDO-стабилизаторов ST

Примечания:

1. на максимальном выходном токе;
2. на частоте 10 кГц;
3. в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц;
4. в скобках указаны значения для режима Green.

Микромощные LDO-стабилизаторы

Как известно, у многих схем с широким диапазоном напряжения питания при повышении напряжения увеличивается потребляемый ток, поэтому для увеличения срока службы комплекта батарей следует стабилизировать напряжение на минимально допустимом уровне, при котором еще не нарушается работа схемы . Однако при этом нужно учитывать ток потребления самого LDO – он должен быть гораздо ниже той разницы, которую мы пытаемся сэкономить. Также нужно учитывать минимальное падение напряжения на стабилизаторе, так как чем оно выше – тем раньше у нас сядут батарейки. И если лет 20 назад разработчикам были доступны только микросхемы семейства КРЕН с типовым потребляемым током более 3 мА, то сейчас выбор гораздо шире.

Для работы в микромощном режиме лучше всего подходит – уникальный стабилизатор с потреблением порядка 1 мкА (до 2,4 мкА при максимальном токе нагрузки) и падением напряжения менее 112 мВ. При этом его выходное напряжение во всем рабочем диапазоне изменяется не более, чем на 3…5%. Схема стабилизатора – простейшая (рисунок 3), без каких-либо дополнительных опций. Чуть выше энергопотребление у . Эта микросхема способна работать при входном напряжении до 12 В. А , при потребляемом токе 4,5 мкА и сравнительно невысокой стоимости, способна выдерживать входное напряжение до 26 В. Микросхемы изготавливаются в корпусах средних размеров и идеально подходят для устройств с батарейным питанием – при токе нагрузки не более единиц микроампер даже маленькая батарейка CR2032 в устройстве с будет работать десятки лет!

Простая схема для регулировки и стабилизации напряжения показана на рисунке. Такую схему можно выполнить даже неопытному в электронике любителю. На вход подается 50 вольт, при этом на выходе получается 15,7 В.

Схема стабилизатора.

Главной деталью этого прибора стал полевой транзистор. В его качестве можно применять IRLZ 24 / 32 / 44 и аналогичные ему полупроводники. Чаще всего их изготавливают в корпусе ТО – 220 и D2 Pak. Его стоимость составляет менее одного доллара. Этот мощный полевик имеет 3 вывода. Он имеет внутреннее строение металл–изолятор–полупроводник.

ТL 431 в корпусе ТО – 92 обеспечивает настраивание величины выходного напряжения. Мощный полевой транзистор мы оставили на охлаждающем радиаторе и проводами припаяли к монтажной плате.

Напряжение на входе для такой схемы 6-50 В. На выходе получаем от 3 до 27 В, с возможностью регулировки переменным сопротивлением на 33 кОм. Ток выхода большой, и составляет величину до 10 А, зависит от радиатора.

Выравнивающие конденсаторы С1, С2 емкостью от 10 до 22 мкФ, С2 – 4,7 мкФ. Без таких деталей схема будет функционировать, однако не с таким качеством, как необходимо. Нельзя забывать про допустимое напряжение электролитических конденсаторов, которые должны быть установлены на выходе и входе. Мы взяли емкости, которые выдерживают 50 В.

Такой стабилизатор способен рассеивать мощность не выше 50 Вт. Полевик необходимо монтировать на радиатор охлаждения. Его площадь целесообразно выполнять не меньше 200 см 2 . При установке полевика на радиатор нужно промазать место касания термопастой, для лучшего теплоотвода.

Можно применять переменный резистор на 33 кОм типа WH 06-1. Такие резисторы имеют возможность точной настройки сопротивления. Они бывают импортного и отечественного производства.

Для удобства монтажа на плату припаивают 2 колодки, вместо проводов. Так как провода быстро отрываются.

Вид платы дискретных компонентов и переменного сопротивления вида СП 5-2.

Стабильность напряжения в результате получается неплохой, а напряжение выхода колеблется на несколько долей вольта долгое время. Монтажная плата получается компактных размеров и удобна в работе. Дорожки платы окрашены зеленым цапонлаком.

Мощный стабилизатор на полевике

Рассмотрим сборку , предназначенного для большой мощности. Здесь улучшены свойства прибора с помощью мощного электронного ключа в виде полевого транзистора.

При разработке мощных силовых стабилизаторов любители чаще всего применяют специальные серии микросхем 142, и ей подобные, которые усилены несколькими транзисторами, подключенными по параллельной схеме. Поэтому получается силовой стабилизатор.

Схема такой модели прибора изображена на рисунке. В нем использован мощный полевик IRLR 2905. Он служит для переключения, однако в этой схеме он применен в линейном режиме. Полупроводник имеет незначительное сопротивление и обеспечивает ток до 30 ампер при нагревании до 100 градусов. Он нуждается в напряжении на затворе до 3 вольт. Его мощность достигает 110 ватт.

Полевиком управляет микросхема TL 431. Стабилизатор имеет следующий принцип действия. При подсоединении трансформатора на вторичной обмотке возникает переменное напряжение 13 вольт, которое выпрямляется выпрямительным мостом. На выравнивающем конденсаторе значительной емкости появляется постоянное напряжение 16 вольт.

Это напряжение проходит на сток полевого транзистора и по сопротивлению R1 идет на затвор, при этом открывая транзистор. Часть напряжения на выходе через делитель попадает на микросхему, при этом замыкая цепь ООС. Напряжение прибора повышается до тех пор, пока входное напряжение микросхемы не дойдет границы 2,5 вольт. В это время микросхема открывается, уменьшая напряжение затвора полевика, то есть, немного закрывая его, и прибор работает в режиме стабилизации. Емкость С3 делает быстрее выход стабилизатора на номинальный режим.

Величина напряжения выхода устанавливается 2,5-30 вольт, путем выбора переменным сопротивлением R2, его величина может меняться в больших пределах. Емкости С1, С2, С4 дают возможность стабильному действию стабилизатора.

Для такого прибора наименьшее падение напряжения на транзисторе составляет до 3 вольт, хотя он способен работать при напряжении около нуля. Такой недостаток возникает поступлением напряжения на затвор. При малом падении напряжения полупроводник не будет открываться, так как на затворе должно быть плюсовое напряжение по отношению к истоку.

Для снижения падения напряжения цепь затвора рекомендуется подключать от отдельного выпрямителя на 5 вольт выше, чем напряжение выхода прибора.

Хорошие результаты можно получить при подключении диода VD 2 к мосту выпрямления. При этом напряжение на конденсаторе С5 повысится, так как падение напряжения на VD 2 станет ниже, чем на диодах выпрямителя. Для плавного регулирования напряжения выхода постоянное сопротивление R2 нужно заменить переменным резистором.

Величину выходного напряжения определяют по формуле: U вых = 2,5 (1+R2 / R3). Если применить транзистор IRF 840, то наименьшее значение напряжения управления на затворе станет 5 вольт. Емкости выбирают танталовые малогабаритные, сопротивления – МЛТ, С2, Р1. Выпрямительный диод с небольшим падением напряжения. Свойства трансформатора, моста выпрямления и емкости С1 подбирают по нужному напряжению выхода и тока.

Полевик рассчитан на значительные токи и мощность, для этого необходим хороший теплоотвод. Транзистор служит для монтажа на радиатор путем пайки с промежуточной пластиной из меди. К ней припаивают транзистор с остальными деталями. После монтажа пластину размещают на радиаторе. Для этого пайка не нужна, так как пластина имеет значительную площадь контакта с радиатором.

Если использовать для наружной установки микросхему П_431 С, сопротивления Р1, и чип-конденсаторы, то их располагают на печатной плате из текстолита. Плату паяют к транзистору. Настройка прибора сводится к монтажу нужного значения напряжения. Необходимо проконтролировать прибор и проверить его, имеется ли самовозбуждение на всех режимах.

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.