Меню

Стабилизатор напряжения для повышения напряжения схемы

Стабилизатор напряжения для повышения напряжения схемы

Микросхемы (далее ИМС) линейных стабилизаторов напряжения очень удобны для применения в различных схемотехнических проектах, не требующих высоких КПД и больших мощностей. При использовании правильных схемотехнических решений, они обеспечивают более высокую надёжность (за счёт меньшего числа компонентов, даже с учётом интегральных) и меньший уровень шумов, кроме того такие источники питания проще в проектировании и реализации. Дополнительным плюсом также являтся то, что многие ИМС стабилизаторов обеспечивают встроенную защиту от перенапряжения, от превышения тока и от переполюсовки входного напряжения — всё это позволяет в большинстве случаев обойтись без дополнительных элементов в схеме.

Из недостатков данных решений следует отметить два основных:

  • Низкий КПД — «лишнее» напряжение такие схемы фактически сбрасывают в тепло, что, соответственно, в большинстве случаев требует применения дополнительного охлаждения.
  • Необходимость положительной разницы напряжений между входом и выходом — даже самые лучшие модели линейных стабилизаторов имеют падение напряжения около 0.4В, а большинство перестаёт работать уже при разнице 0.5В.

Несмотря на все недостатки, такие схемы часто вполне уместно использовать в своих проектах. В данной статье пойдёт речь о различных схемотехнических особенностях применения данных микросхем.

Стабилизаторы с фиксированным напряжением

Интегральные линейные стабилизаторы могут иметь фиксированное выходное напряжение, либо же иметь возможность выбора выходного напряжения. Начнём с рассмотрения базовых схем включения большинства фиксированных интегральных стабилиазторов напряжения:

Схема включения стабилиазторов напряжения с фиксированным выходным напряжением

Конденсатор C1 рекомендуется ставить для предотвращения возникновения «генерации на входе», если микросхема стабилизатора находится дальше 10 см от источника напряжения — по сути это просто фильтрующий конденсатор. Мы в своих проектах ставим на вход конденсатор в любом случае. Рекомендуется использовать керамику или тантал, ёмкостью не менее 0.1 мкФ. При выборе номинала ёмкости керамики помните, что при повышении температуры у большинства керамических кондёров сильно падает ёмкость.

Назначение конденсатора C2 различается в зависимости от внутренней схемы стабилизатора. Например в микросхемах серии КР1158ЕН, данный элемент обеспечивает отсутствие возбуждения выходного напряжения. А производитель LM317 отмечает, что выходной конденсатор служит лишь для улучшения переходной характеристики и на стабильность не влияет. Так или иначе, при использовании конденсатора малой ёмкости (1-2 мкФ) на выходе многих линейных стабилизаторов наблюдаются небольшие колебания выходного напряжения с частотой несколько кГц и амплитудой порядка 0.2-0.4 вольт. Увеличение выходного конденсатора до 10 мкФ полностью данные колебания убирает.

Оба конденсатора необходимо размещать как можно ближе к корпусу микросхемы.

Диод Д1 ставить не обязательно, в большинстве типовых схем его не используют, но если вы используете конденсатор C2 или выходные напряжения превышают 25 В, диод Д1 рекомендуется всё-таки оставлять, поэтому я оставил его на схемах. Также, данный диод рекомендуется использовать если нагрузка носит индуктивный характер. Он обеспечивает путь для разрядки C2, а в случае индуктивной нагрузки ограничивает броски тока через стабилизатор.

Стабилизаторы с регулируемым напряжением

В схемах с регулируемым выходным напряжением добавляются дополнительные элементы:

Схема включения стабилизаторов напряжения с регулируемым выходным напряжением

Конденсатор C3 уменьшает пульсации выходного напряжения. Рекомендуемый номинал C3 — от 1 до 10 мкФ, большее значение ёмкости значимых улучшений не даёт.

Диод Д2 нужен при использовании C3 — он обеспечивает его разрядку при выключении питания. При отсутствии C3 достаточно диода Д1.

Резисторы R1 и R2 используются для задания выходного напряжения. Регулируемый стабилизатор стремится поддерживать опорное напряжение (Vref) между выводом подстройки и выходом. Поскольку значение опорного напряжения является постоянным, величина тока, протекающего через делитель R1 и R2 определяется только резистором R2. Величина опорного напряжения может меняться от экземпляра к экземпляру от 1.2 до 1.3 В, и в среднем составляет 1.25 В. Напряжение на выходе фактически является суммой падения напряжения на R1 и Vref, т.о., чем больше будет падение напряжения на R1, тем больше будет напряжения на выходе.

Рекомендуемый номинал резистора R2 240 Ом, но допустимо его варьировать в пределах 100-1000 Ом. Выходное напряжение рассчитывается по следующей формуле:

Согласно спецификации значение Iadj лежит в диапазоне 50-100 мкА, поэтому при малых R1 им можно пренебречь.

Повышение напряжения стабилизации регуляторов с фиксированным выходным напряжением

Выходное напряжение фиксированных линейных регуляторов можно повысить, включив в цепь подстройки стабилитрон:

Схема повышения напряжения стабилизации регуляторов с фиксированным выходным напряжением

В этой схеме выходное напряжение повысится на величину напряжения стабилизации Vстаб стабилитрона Д2. Резистор R служит для установки тока через стабилитрон и выбирается исходя из параметров стабилитрона. Для большинства стабилитронов подходит R = 200 Ом.

Если поднять напряжение нужно на небольшую величину (0.5 — 1.5 В) вместо стабилитрона Д2 можно использовать практически любой диод в прямом включении (катод на землю). Тогда выходное напряжение будет увеличено на величину падения напряжения на диоде, а резистор R нужно исключить, потому что колебания тока из вывода подстройки невелики и падение напряжения на диоде будет практически постоянным.

Ограничитель тока на линейном стабилизаторе

На микросхемах линейных стабилизаторов типа LM317 (и аналогичных) удобно собирать схему ограничителя тока, для этого требуется всего один дополнительный резистор.

Ограничитель тока на линейном стабилизаторе

Выходное напряжение зависит от входного напряжение и падения напряжения на стабилизаторе. В данной схеме регулируемые стабилизаторы стремятся поддерживать на выходе напряжение Vref

Читайте также:  Трансформатор повышает напряжение от 36 до 220 сколько витков во вторичной обмотке трансформатора

1.25В, поэтому выходной ток определяется соотношением:

Для ИМС с фиксированным напряжением Vref заменяется на Vном., и ток через резистор получается слишком большим (как если бы микросхемы не было), поэтому применение стабилизаторов с фиксированным напряжением в данной схеме нецелесообразно.

Рассеиваемая резистором мощность вычисляется по формуле:

Данная схема будет работать также на всей серии LM340 и аналогичных ИМС.

Увеличение максимального тока ИМС линейных регуляторов

Есть способ увеличить максимальный ток линейного линейного стабилизатора тока.

Схема увеличения максимального тока линейного токового стабилизатора

В данной схеме R1 определяет напряжение открытия транзистора T1:

Здесь Vоткр. — напряжение открытия T1, а Iстаб.max максимальный ток протекающий через стабилизатор (ток, при котором откроется T1). Рекомендуется выбирать Iстаб.max меньше максимального тока микросхемы по спецификации, чтобы был некоторый запас.

Микросхема поддерживает падение напряжения между выходом и выводом подстройки и в случае превышения тока через R2 уменьшает ток через себя, что вызывает уменьшение падения напряжения на R1 и последующее закрытие транзистора. Таким образом, максимальный выходной ток определяется резистором R2 и опорным напряжением микросхемы:

Следует помнить, что при быстрых бросках тока T1 может не успеть закрыться, что вызовет повреждения элементов, поэтому следует использовать дополнительные компоненты для защиты транзистора (здесь не показаны).

Повысить ток можно и для стабилизатора напряжения, включив его по аналогичной схеме (но без R2), однако следует помнить, что в этом случае схема лишится автоматического ограничения по току и превышение максимального значения повлечёт за собой повреждение элементов.

Стабилизатор с плавным нарастанием выходного напряжения

Схема стабилизатора с плавным нарастанием выходного напряжения

При включении питания напряжение на конденсаторе C2 начинает возрастать, вместе с ним возрастает и выходное напряжение. PNP транзистор выключается когда выходное напряжение достигает значения, определяемого резисторами R1 и R2 (как в обычной схеме регулируемого стабилизатора). Начальное выходное напряжение складывается из начального напряжения на конденсаторе, падения на база-эммитерном переходе и опорного напряжения микросхемы. Скорость нарастания напряжения можно регулировать изменяя номиналы R3 и C2.

Управляемый стабилизатор напряжения с дискретными уровнями выходного напряжения

На регулируемом стабилизаторе можно собрать простой управляемый стабилизатор напряжения, добавивь несколько резисторов и транзисторов. Данное решение удобно, если требуется собрать простой регулируемый стабилизатор с несколькими фиксированными уровнями напряжения.

Управляемый стабилизатор напряжения

Резистор R2 рассчитывается на максимальное требуемое напряжение. Включение транзистора будет добавлять в параллель к проводимости резистора R2 дополнительную проводимость и напряжение на выходе будет снижаться. Не забывайте подтягивать базы транзисторов через высокоомные резисторы к питанию, либо к земле (в зависимости о того закрыт или открыт должен быть транзистор без управляющего сигнала).

Конденсатор C2 в данной схеме допустимо не использовать, так как транзисторы обладают некоторой собственной ёмкостью.

Источник

5 схем простых стабилизаторов напряжения

Практически каждый электронный прибор требует для своей работы питания. Одни схемы некритичны к величине и стабильности питающего напряжения, но большинство все же требует для своей работы напряжений строго заданной величины. Сегодня мы поговорим о простых стабилизаторах и разберемся, какими они бывают и как работают.

Простейший параметрический

В основу параметрических стабилизаторов положено свойство сильной нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) некоторых полупроводниковых приборов. Рассмотрим принцип работы простейшего параметрического стабилизатора, собранного на стабилитроне.

Как известно, стабилитрон имеет участок ВАХ, на котором напряжение на полупроводнике почти не зависит от тока через него. Нижний порог этого участка называют Iст. min, верхний – Iст.max. При подаче на схему напряжения питания Uвх, через стабилитрон начинает течь ток, который задается токоограничивающим (балластным) резистором R1. Если он находится в пределах Iст. min — Iст. max, то на выводах стабилитрона установится определенное напряжение Uст, которое зависит от типа полупроводникового прибора.

При подключении нагрузки (на схеме для наглядности ее роль исполняет резистор R2) ситуация несколько меняется. Ток, протекающий через балластный резистор, делится. Часть его продолжает течь через стабилитрон, часть питает нагрузку. В результате ток через стабилитрон уменьшается и при достаточно мощной нагрузке может упасть ниже пределах Iст. min.

В этом случае полупроводник выйдет из режима стабилизации и перестанет исполнять свои функции. Таким образом, подобные схемы годятся лишь для питания маломощных устройств, потребляющих единицы, максимум несколько десятков миллиампер. Их используют, к примеру, для получения опорных напряжений.

Вполне очевидно, что напряжение Uвх должно быть выше Uст. В противном случае стабилитрон не сможет выйти на рабочий режим. Обычно величину Uвх выбирают не менее чем на 3-5 В выше Uст.

А теперь попробуем собрать практическую схему стабилизатора на 12 В, используя стабилитрон КС512А. Смотрим на его характеристики:

  • Uст – 12 В (при токе Iст. 5 мА);
  • Iст.min – 1 мА;
  • Iст.max – 67 мА.

Входное напряжение выберем равным 15 В. Ток через стабилитрон с отключенной нагрузкой выберем как можно ближе к максимальному, но с некоторым запасом – 50 мА. Запас этот нужен на случай, если входное напряжение повысится – оно ведь нестабилизированное. Исходя из этого, рассчитываем номинал балластного резистора по формуле:

Читайте также:  Работа напряжение железобетонных конструкций

R=(Uвх- Uвых)/Iстаб

  • R — сопротивление балластного резистора R1, Ом;
  • Uвх — входное напряжение, В;
  • Uвых — выходное напряжение, В;
  • Iстаб — ток через стабилитрон, А.

Включаем калькулятор и считаем: R1=(15-12)/0.05=60 Ом. Какой ток в нагрузку сможет отдать такая схема? Как мы выяснили, при подключении нагрузки ток через балластный резистор будет составлять Iбал=Iстаб+Iнагр, а значит, Iстаб=Iбал–Iнагр. Нижний передел режима стабилизации выбранного нами полупроводника – 1 мА. Значит, наш стабилизатор сможет отдать в нагрузку порядка 40-45 мА. При этом ток через стабилитрон упадет до 5-10 мА. Дальнейшее повышение Iнагр приведет к еще большему уменьшению Iстаб, что может вызвать неустойчивую работу стабилитрона, скажем, при уменьшении входного напряжения, которое, как мы помним, нестабилизировано.

Включаем калькулятор и считаем: R1=(15-12)/0.05=60 Ом.

Значит, наш стабилизатор сможет отдать в нагрузку порядка 40-45 мА. При этом ток через стабилитрон упадет до 5-10 мА. Дальнейшее повышение Iнагр приведет к еще большему уменьшению Iстаб, что может вызвать неустойчивую работу стабилитрона, скажем, при уменьшении входного напряжения, которое, как мы помним, нестабилизировано.

Параметрический с транзисторным ключом

В предыдущем разделе мы выяснили, что простейший стабилизатор имеет существенный недостаток – он не может обеспечить питанием более-менее мощную нагрузку. Кроме того, коэффициент стабилизации (зависимость выходного напряжения от входного) у предыдущей схемы относительно небольшой. Выйти из положения можно при помощи дополнительного элемента – транзистора.

Схема параметрического стабилизатора с транзисторным ключом

Как видно из схемы, стабилитрон теперь питается от «личного» токоограничивающего резистора R1, ток через который не зависит от тока, протекающего через нагрузку. Стабилизированное стабилитроном D1 напряжение прикладывается к базе транзистора Т1. В результате на нагрузке устанавливается стабильное напряжение, величина которого составит разницу напряжений стабилизации стабилитрона и падения на n-p переходе транзистора. Uвых=Uст-Uбэ.

То есть если мы хотим получить к, примеру, выходное напряжение 12 В, то необходимо взять стабилитрон с большим (порядка 0.6 – 1.3 В – зависит от типа применяемого транзистора) напряжением стабилизации. К примеру, Д814Д (Uст. – 13 В). Но, что важно, такое решение существенно улучшает коэффициент стабилизации схемы, которая складывается из произведения коэффициента стабилизации стабилитрона и коэффициента передачи транзистора.

Главное же достоинство подобной схемы – большой отдаваемый ток, величина которого зависит от мощности транзистора. Это позволяет строить относительно простые стабилизаторы с неплохими характеристиками, способными выдавать токи в единицы и даже десятки ампер.

На интегральном стабилизаторе

Но и это не предел. Существенно улучшить характеристики источника питания можно применением специализированных микросхем – так называемые интегральных стабилизаторов. Схема, изображенная ниже, не только имеет хороший коэффициент стабилизации, но и оснащена защитой от перегрузки, перегрева и короткого замыкания (все в составе микросхемы). Это уже полноценный стабилизатор.

Стабилизатор напряжения на микросхеме КР142ЕН5А (зарубежный аналог IL7805C)

Ну и, конечно, при использовании микросхем конструкция БП существенно упрощается. Создание ее требует минимума дополнительных элементов и не нуждается в расчетах и регулировке. Достаточно выбрать тип микросхемы и можно получить нужное выходное напряжение.

Ток, отдаваемый такими микросхемами, может достигать нескольких ампер (зависит от типа). Но если его недостаточно, то можно использовать транзисторный ключ, как мы это делали в случае со стабилитроном.

Мощный стабилизатор напряжения 12 В на микросхеме и транзисторе

Схема с повышенным напряжением стабилизации

Ну и в завершении хотелось бы отметить один существенный недостаток вышеприведенных схем. Все они являются линейными или непрерывными стабилизаторами, в которых регулирующий элемент работает в линейном режиме. Такое решение достаточно просто, но имеет низкий КПД – ведь вся «лишняя» мощность бесполезно рассеивается на этом элементе.

К примеру, если построить БП на интегральном стабилизаторе КР142ЕН5А (см. схему выше) и выбрать Uвх. 15 В, то при токе в нагрузке 2 А на самой микросхеме будет рассеиваться мощность 2 * 10 = 20 Вт. Это вдвое больше полезной мощности, питающей саму нагрузку. То есть КПД такой схемы составить чуть более 30%.

В заключение. Существенно повысить КПД блока питания можно заставив работать регулирующий элемент в ключевом режиме, применив широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Но поскольку у нас разговор о простых стабилизаторах, а схемы с широтно-импульсным управлением относительно сложны, то здесь мы их рассматривать не будем.

Источник



Схемы простых стабилизаторов напряжения

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации.

Параметрический стабилизатор

Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.

Схема стабилизатора напряжения

Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой. Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением. При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.

Схема стабилизатора напряжения

На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Читайте также:  Регулятор напряжения открытого типа

Компенсационный стабилизатор

Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность подключать питание прибора с током, который не превышает наибольшего тока стабилитрона. Вследствие этого используют приборы, стабилизирующие напряжение, и получившие название компенсационных. Они состоят из двух видов: параллельные и последовательные.

Называется прибор по методу подключения элементу регулировки. Обычно используются компенсационные стабилизаторы, относящиеся к последовательному виду. Его схема:

Схема стабилизатора напряжения

Элементом регулировки выступает транзистор, соединенный последовательно с нагрузкой. Напряжение выхода равняется разности значения стабилитрона и эмиттера, которое составляет несколько долей вольта, поэтому считается, что выходное напряжение равно стабилизирующему напряжению.

Рассмотренные приборы обоих типов имеют недостатки: невозможно получить точную величину напряжения выхода и производить регулировку во время работы. Если нужно создать возможность регулирования, то стабилизатор компенсационного вида изготавливают по схеме:

Схема стабилизатора напряжения

В этом приборе регулировка осуществляется транзистором. Основное напряжение выдает стабилитрон. Если напряжение выхода повышается, база транзистора получается отрицательной в отличие от эмиттера, транзистор откроется на большую величину и ток возрастет. Вследствие этого, напряжение отрицательного значения на коллекторе станет ниже, так же как и на транзисторе. Второй транзистор закроется, его сопротивление повысится, напряжение выводов повысится. Это приводит к снижению напряжения выхода и возвращению к бывшему значению.

При снижении напряжения выхода проходят подобные процессы. Отрегулировать точное напряжение выхода можно резистором настройки.

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

Схема стабилизатора напряжения

  • 1 – источник напряжения;
  • 2 – Элемент регулировки;
  • 3 – усилитель;
  • 4 – источник основного напряжения;
  • 5 – определитель напряжения выхода;
  • 6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

Схема стабилизатора напряжения

  • 1 – источник напряжения;
  • 2 –элемент регулирующий;
  • 3 – усилитель;
  • 4 – источник основного напряжения;
  • 5 – измерительный элемент;
  • 6 – сопротивление нагрузки.

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

Схема стабилизатора напряжения

  1. U вх – необработанное напряжение входа;
  2. U вых –напряжение выхода.

Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора. Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2. Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:

Схема стабилизатора напряжения

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Стабилизаторы на транзисторах

Схема стабилизатора напряжения

На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.

Схема стабилизатора напряжения

На выходе прибора получают 12 вольт, на напряжение выхода зависит прямо от напряжения стабилитрона. Наибольший допустимый ток 1 ампер.

При применении транзистора 2N 3055 наибольший допускаемый ток выхода можно повысить до 2 ампер. На 2-м рисунке схема стабилизатора на транзисторе 2N 3055, напряжение выхода, как и на рисунке 1 зависит от напряжения стабилитрона.

  • 6 В — напряжение выхода, R1=330, VD=6,6 вольт
  • 7,5 В — напряжение выхода, R1=270, VD = 8,2 вольт
  • 9 В — напряжение выхода, R1=180, Vd=10

На 3-м рисунке – адаптер для автомобиля – аккумуляторное напряжение в автомобиле равно 12 В. Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

Источник