Schetchiksg.ru

Счетчик СГ
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Экономичный стабилизатор напряжения с малым потреблением тока

стабилизатор постоянного напряжения

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к стабилизаторам напряжения для питания узлов миниатюрного радиоприемника. Стабилизатор содержит делитель выходного напряжения на резисторах 3,4, опорный элемент, состоящий из полевого транзистора 1 и резистора 2, включенного в цепь истока, регулирующий элемент на базе транзистора 7, усилительный элемент на базе микромощного операционного усилителя 6. 4 з. п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.

Формула изобретения

1. СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий опорный элемент, состоящий из полевого транзистора и резистора, включенного в цепь истока полевого транзистора, регулирующий элемент, выполненный в виде транзистора, эмиттер которого подключен к источнику питания, коллектор к выходу стабилизатора, усилительный элемент, выполненный в виде операционного усилителя, один вход которого соединен с выходом опорного элемента, другой вход с выходом делителя выходного напряжения, отличающийся тем, что выход операционного усилителя соединен с общим проводом стабилизатора, один вывод питания операционного усилителя подключен к базе регулирующего транзистора, а другой к общему проводу стабилизатора.

2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что выход операционного усилителя соединен с общим проводом стабилизатора непосредственно.

3. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что выход операционного усилителя соединен с общим проводом через диод.

4. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что последовательно с опорным элементом со стороны резистора включен диод.

5. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что одно из плеч делителя напряжения выполнено в виде резистора и диода.

Описание изобретения к патенту

Предложен стабилизатор напряжения для питания узлов миниатюрного радиоприемника.

К таким стабилизаторам предъявляются повышенные требования по экономичности.

Очень малое потребление тока для собственных нужд имеет стабилизатор [1] в котором опорный элемент состоит из полевого транзистора и резистора, включенного в цепь истока, а в качестве усилительного элемента используется операционный усилитель с малым токопотреблением (микромощный). Однако из-за того, что к выходу стабилизатора подключен эмиттер регулирующего транзистора, этот стабилизатор нормально работает только при разности между входным и выходным напряжением более 1,2 В. Снизить минимально допустимую разность напряжений позволяет подключение к выходу стабилизатора коллектора регулирующего транзистора [2] Все известные схемы стабилизаторов с выходом по коллектору содержат стабилитрон, который потребляет значительный ток 3 мА и более.

Цель изобретения повышение экономичности стабилизатора и приемника в целом путем одновременного уменьшения собственного потребления тока и минимально допустимой разности между входным и выходным напряжениями.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизаторе, содержащем делитель выходного напряжения, опорный, усилительный и регулирующий элементы, опорный элемент состоит из полевого транзистора и резистора, включенного в цепь истока, в качестве регулирующего элемента используется транзистор, эмиттер которого подключен к источнику питания, коллектор к выходу стабилизатора, а в качестве усилительного элемента микромощный операционный усилитель, вход которого соединен с опорным элементом и с делителем выходного напряжения, выход этого усилителя подключен к общему проводу источника питания, непосредственно или через дополнительно введенный элемент, например диод, а вывод питания операционного усилителя подключен к базе регулирующего транзистора. Еще один диод включен либо в цепь опорного элемента, либо в плечо делителя выходного напряжения.

Сопоставительный анализ с устройствами [1] и [2] показывает, что предлагаемое схемное решение отличается способом подключения усилителя к базе регулирующего транзистора, а именно с базой соединен вывод, служащий для подачи напряжения питания, тогда как сам усилитель включен в режим короткого замыкания. Таким образом, это решение обладает новизной.

Указанное отличие существенно, так как упрощает согласование усилителя с регулирующим транзистором и повышает экономичность устройства.

На чертеже дан один из вариантов принципиальной схемы стабилизатора напряжения, в таблице перечень элементов.

Стабилизатор содержит опорный элемент, состоящий из полевого транзистора 1 и резистора 2 в цепи истока, делитель выходного напряжения 3, 4 с термокомпенсирующим диодом 5, усилительный элемент на микросхеме 6 и регулирующий транзистор 7. Источник питания (батарея) подключается к выводам 8, 9, а выходное напряжение снимается с выводов 9, 10. Выход усилителя подключен к общему проводу через диод 11. Резистор 12 задает режим работы микросхемы 6. Элементы 13 и 14 необходимы для надежной работы устройства.

Стабилизатор обеспечивает выходное напряжение 6,0 В при токе 0.30 мА. Минимально допустимая разность между входным и выходным напряжениями 0,3 В. Собственное потребление тока составляет 0,2 мА. Коэффициент стабилизации при изменении входного напряжения от 6,4 до 10 В не менее 900, выходное сопротивление не более 0,15 Ом.

Полевой транзистор 1 работает в режиме микротока, поэтому напряжение на резисторе 2 почти равно напряжению отсечки. Оно используется в качестве опорного, и с ним сравнивается часть выходного напряжения, снимаемая с резистора 3. Напряжение ошибки (разность) усиливается микросхемой 6 и преобразуется ею в выходной ток, протекающий по диоду 11. Этот же ток протекает по цепи питания усилителя (вывод 04 микросхемы 6) через цепь базы регулирующего транзистора 7.

Читайте так же:
Схема стабилизатора тока рисунок

Температурный коэффициент напряжения отсечки, как отмечено в [1] составляет примерно +2 МВ на градус, в то время как температурный коэффициент напряжения на p-n-переходе, как известно, отрицателен: -2 мВ на градус. Поэтому диод 5 обеспечивает компенсацию влияния температуры на выходное напряжение. При этом (в отличие от схемы [1]) подбор режима транзистора 1 с увеличением потребляемого им тока не требуется.

Другой вариант включения термокомпенсирующего диода последовательно с резистором 2, но после точки соединения этого резистора с затвором транзистора 1. Оба варианта примерно равноценны.

Включение диода 11 вызвано особенностями операционного усилителя КР140УД1208. Этого диода может не быть.

Предлагаемый стабилизатор отличается простотой и экономичностью при высоких электрических параметрах. Он обеспечивает хорошую развязку между усилителем мощности звуковой частоты, с одной стороны, и остальными узлами приемника, подключенными к выходу стабилизатора, с другой стороны, в частности, гетеродином. Приемник работает нормально при глубокой разрядке батареи питания.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Если нет LDO-стабилизатора: простой и экономичный метод питания микроконтроллера

Инженерное дело – это не поиск наиболее эффективных, сложных и надежных решений для каждой задачи. Ожидается, что инженеры могут сбалансировать технические характеристики с бюджетными и календарными ограничениями, чтобы окончательная система была оптимизирована с учетом всех соответствующих факторов проектирования.

Иногда легче найти готовую микросхему, чем разработать индивидуальную схему, и этот подход становится еще проще, когда мы можем положиться на превосходные характеристики микросхемы и уверить себя в том, что система благодаря этому становится более надежной. Но что, если микросхема стоит в два раза дороже, чем индивидуальная схема, которая является адекватной, то есть отвечающей системным требованиям?

Итак, сегодня рассмотрим пример оптимальной инженерии. Предположим, что мы имеем микроконтроллер, питаемый от 3,3 В, на печатной плате, на которой уже есть шина 5 В. Возможно, первичное питание продукта (например, от трансформатора) составляет 5 В, или, возможно, коммутатор генерирует 5 В для других компонентов на плате. В любом случае, у вас есть 5 В, и вам нужно 3,3 В для небольшого маломощного микроконтроллера, который последовательно выполняет основные задачи мониторинга, управления и связи.

Представим, что мы работаем в сфере бытовой электроники: продукт не должен выдерживать резких перепадов температуры, от этого не зависит жизнь человека, а минимизация затрат является центральной целью проектирования. Какой-нибудь сверхпроектировщик, инстинктивно потянулся бы к микросхеме с линейным стабилизатором, вероятно, с мощностью в пять раз большей, чем нужно, и набором феноменальных спецификаций, не имеющих отношения к применению – точность выходного напряжения 2% во всем диапазоне температур, входное напряжение до 20 В, регулировка 0,001%/В и т. д.

Вы можете подумать, мы будем использовать стабилизатор на основе стабилитронов, но мы приведем даже более простое решение: это просто последовательное соединение трех обычных диодов.

Все, что мы здесь делаем, это используем падение напряжения на диодах, чтобы вывести шину 5 В в допустимый диапазон напряжения питания микроконтроллера. И это сработает? Что ж, сначала давайте посмотрим на основные соображения по напряжению и току. Возьмем в качестве примера процессоры Silicon Labs,. Старые устройства на 3,3 В в их линейке имеют диапазон VDD от 2,7 до 3,6 В, а более новые – от 2,2 до 3,6 В. Таким образом, мы видим, что:

  • Три диода с падением напряжения 600 мВ на штуку, дали бы нам 3,2 В
  • Мы останемся в пределах 2,7–3,6 В, даже если все три элемента будут иметь падение напряжения до 470 мВ или до 750 мВ
  • В диапазоне 2,2–3,6 В новых микроконтроллеров прямое напряжение на диоде может составлять от 470 мВ до 930 мВ

Трехдиодный «стабилизатор» напряжения было бы легко реализовать, если бы мы могли полагаться на модель постоянного падения напряжения. Но в таком приложении нам нужен более точный аналитический подход. Точное падение напряжения на диоде является плавно изменяющейся функцией тока. Таким образом, напряжение питания, остающееся после трех падений диодов, будет значительно меняться в зависимости от того, какой ток потребляет микроконтроллер в любой данный момент. Что нам нужно сделать, так это тщательно оценить потребление тока микроконтроллером, а затем график прямого тока в зависимости от прямого напряжения в таблице данных диода поможет нам определить, будет ли падение напряжения на диоде в пределах допустимого диапазона. Вот пример:

Допустим, мы стараемся оставаться в диапазоне напряжения питания 2,7–3,6 В. Если мы работаем при комнатной температуре, и микроконтроллеру требуется 1 мА, у нас будут падения в области 600 мВ. Это приближает нас к середине диапазона VDD. Нижний и верхний пределы напряжения на диоде, как упоминалось выше, составляют 470 мВ и 750 мВ, и они соответствуют диапазону потребления тока примерно от 80 мкА до 10 мА (80 мкА является приблизительным значением, поскольку график не расширяется к таким низким токам).

Читайте так же:
Стабилизаторы в цепях переменного тока

Для приложения, подобного тому, которое мы рассматриваем в этой статье, 10 мА было бы довольно большим, если только микроконтроллер не должен обеспечивать серьезный ток ввода-вывода для управления светодиодами или чем-то подобным. Например, Busy Bee EFM8 потребляет всего около 4,5 мА при работе на частоте 24,5 МГц. Потребление тока снижается до 0,9 мА на частоте 1,53 МГц.

Трехдиодный стабилизатор кажется приемлемым вариантом и, вероятно, может обеспечить адекватную производительность во многих приложениях. Однако, прежде чем мы перейдем к анализу затрат, нам необходимо обсудить важное ограничение.

По мере того, как потребление тока микроконтроллером уменьшается, падение напряжения на диодах также уменьшается, и это приводит к более высокому напряжению, подаваемому на вывод VDD устройства. Если напряжение VDD слишком высокое, микроконтроллер может быть поврежден. Это могло бы произойти, когда устройство переходит в спящий или ждущий режим с низким энергопотреблением.

Однако есть еще одна возможность, что нормальный сброс приведет к временному снижению потребления тока. Это будет переходным процессом, и, следовательно, байпасный конденсатор может защитить микроконтроллер.

Решением этих проблем является включение дополнительных схем, которые не позволяют току когда-либо становиться опасно низким. Это может быть выполнено автоматически, если у вас есть другие компоненты, пропускающие ток через диоды. В противном случае вы можете включить резистор, размер которого соответствует минимально допустимому току диода.

Самая недорогая микросхема линейного регулятора, которую можно найти на Digi-Key, стоит 4,3 цента (все цены, упомянутые в этом разделе, относятся к оптовым заказам, то есть тысячам единиц). Если байпасный конденсатор микроконтроллера не обеспечивает достаточной стабилизации регулятора, вам также понадобится выходной конденсатор. Керамический конденсатор емкостью 1 мкФ добавит 0,3–0,4 цента к стоимости.

В продаже имеются трехдиодные матрицу (то есть три независимых диода в одном корпусе для поверхностного монтажа) по цене 2 цента. Стоимость отдельных диодов для поверхностного монтажа составляет около 1,2 цента, а общая стоимость составляет 3,6 цента. Резистор будет немного дешевле конденсатора, может быть 0,2 цента.

Эти цифры показывают, что данное решение на основе трех диодов выгоднее использования самого дешевого LDO-стабилизатора. Однако это упрощенный анализ, и если учесть все факторы покупки, трехдиодное решение будет выглядеть еще лучше с экономической точки зрения.

Экономичный стабилизатор напряжения с малым потреблением тока

Типичными представителями DC/DC-преобразователей являются линейные стабилизаторы с малым падением напряжения на регулирующем элементе (LDO), импульсные преобразователи (SPC — switched power converters) и схемы с переносом заряда. При выборе типа преобразователя обычно руководствуются соображениями эффективности схем.

По эффективности из DC/DC-преобразователей выделяется импульсный преобразователь. Если система устойчива к коммутационным помехам, то её КПД относительно независим от входного напряжения и выходного тока. Также эффективны схемы с переносом заряда, но только в небольшом диапазоне тока нагрузки. Кроме того, они обладают, как правило, нерегулируемыми выходными параметрами. Если требуется стабилизировать выход такой схемы, обычно используют линейный стабилизатор (например LDO), тогда КПД преобразователя с переносом заряда и стабилизатора перемножаются, что ведёт к более низкому КПД, чем при использовании только одного из них. КПД линейного стабилизатора можно приблизительно представить в виде отношения выходного напряжения VOUT к входному VIN. Поэтому кпд динамичен и линейно уменьшается при увеличении напряжения питания. Если напряжение источника питания сильно изменяется, то линейный стабилизатор является худшим выбором. Но КПД линейного стабилизатора относительно независим от выходной токовой нагрузки.

При таком многообразии выбор лучшей системы электропитания для конкретной задачи может показаться трудным. Но при тщательном анализе достоинств и недостатков различных схем-преобразователей можно создать конкурентоспособное, эффективное, компактное, экономичное электронное устройство.

Сравним работу преобразователей

Блок электропитания, рассматриваемый в данном разделе, показан на рис. 1. Схема управления может быть реализована на дискретных элементах или на микросхемах и дискретных элементах. Во всех случаях интегральная схема преобразует входное напряжение в другое, отличающееся по величине. Задача — получить на выходе заданное напряжение стабилизатора и преобразователя с переносом заряда. На примере ИС производства Microchip Technology мы будем по очереди использовать и исследовать работу в качестве схемы управления импульсные преобразователи (TC105), конверторы с переносом заряда (TC7662A) и линейные стабилизаторы (TC1185). Нам предстоит выяснить, какой из этих трёх типов преобразователей работает наиболее эффективно, и при каких условиях это достигается.

Читайте так же:
Для чего предназначен стабилизатор тока


Рисунок 1. Сравним работу преобразователей: изменение выходного напряжения батареи при помощи преобразователей разных типов

Упрощённый пример импульсного преобразователя (Buck SPC) показан на рис. 2. Схема состоит из ключа-прерывателя и LC-фильтра нижних частот. Ключ управляется ШИМ-контроллером. Этот преобразователь способен только понижать входное напряжение.


Рисунок 2. Импульсный DC/DC-преобразователь на основе TC105

Для оценки схемы, показанной на рис. 2, сделаем следующие допущения:

  • входное напряжение всегда больше выходного, как требуется для импульс-ного преобразователя;
  • выходное напряжение является по существу напряжением постоянного тока, что подразумевает наличие достаточного выходного фильтра (пульсации не более 1% от выходного напряжения VOUT);
  • дроссель необходим, чтобы преобразователь работал в режиме непрерывного тока.

Большая часть потерь при использовании схемы импульсного преобразователя имеет место за счёт четырёх факторов, причём три из них связаны с канальным полевым униполярным МОП-транзистором. Первый фактор — это зарядный ток затвора полевого МОП-транзистора, который появляется в результате коммутации ШИМ. Он почти не зависит от нагрузки. Второй фактор — это рассеяние мощности во время переходного периода, когда полевой МОП-транзистор находится в линейной зоне характеристики. Этим процессом можно управлять, делая фронт импульсов короче, что увеличивает кондуктивную и излучаемую эмиссию. Третий источник потерь — это резисторы, диоды, исток полевого КМОП-транзистора в открытом состоянии и другие сопротивления в цепи. В оптимально разработанной схеме пик характеристики КПД придётся на полную нагрузку или непосредственно перед ней. В этой точке коммутационные потери примерно равны кондуктивным потерям, или I²R. Когда кривая кпд начинает падать, наблюдается преобладание сопротивления полевого МОП-транзистора в открытом состоянии. Наконец, выходной диод является крупным источником потерь мощности, особенно при значительных выходных токах.

Схемы с переносом заряда

На рис. 3 показана упрощённая схема инвертирующего генератора с переносом заряда (TC7662A). При такой конфигурации входное напряжение VIN преобразуется в инверсное (по знаку) напряжение VOUT. Идеальный преобразователь заряда на переключаемых конденсаторах имеет 4 ключа (S1 – S4), которые управляются двухфазным генератором, и два конденсатора (C1 и C2). C1 часто называют «генератором накачки», а C2 — «накопителем» или «выходным» конденсатором.


Рисунок 3. Схема работы преобразователя с переносом заряда на коммутируемых конденсаторах TC7662A

Инверсия напряжения происходит в две стадии. Во время первой фазы ключи S2 и S4 разомкнуты, а ключи S1 и S3 замкнуты. Во время этой фазы С1 заряжается до входного напряжения VIN. Также в этот период времени C2 обеспечивает ток нагрузки. Во время второй фазы ключи S2 и S4 замкнуты, а ключи S1 и S3 — разомкнуты. В этой схеме C1 и C2 соединены параллельно, при этом верхняя пластина конденсатора C1, к которой было подведено напряжение VIN, соединена с землёй. Нижняя пластина конденсатора C1, которая была соединена с землёй, теперь соединена с нижней пластиной конденсатора C2. Таким образом, заряд передаётся от конденсатора C1 к конденсатору C2.

Потери этой цепи состоят из потерь на действующем сопротивлении ключей (связанном с частотой коммутации), на активном сопротивлении ключей и на действующем последовательном сопротивлении конденсаторов C1 и C2. Характерно, что в суммарных потерях преобладают потери на активном сопротивлении ключей.

Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения на регулирующем элементе (LDO)

Пример упрощённой схемы линейного стабилизатора LDO (TC1185) показан на рис. 4. На этой схеме входное напряжение непосредственно приложено к цепям, а также к выходной нагрузке. Обычно собственный ток потребления стабилизатора гораздо меньше, чем выходной ток, так что его можно не принимать во внимание при расчётах первого порядка.


Рисунок 4. В этой упрощённой схеме LDO стабилизатора TC1185 используется униполярный полевой МОП-транзистор Q1, обеспечивающий выходной ток. Q1 является также основным ограничивающим фактором. В качестве Q1 также может выступать биполярный транзистор

Для правильной работы стабилизатора необходимо, чтобы входное напряжение всегда было больше выходного. Когда приложено входное напряжение, вырабатывается опорное напряжение с малым дрейфом нуля, которое совместно с операционным усилителем и делителем напряжения задаёт величину выходного напряжения. Независимо от величины входного напряжения, до тех пор, пока оно остаётся больше значения VDROPOUT + VOUT, выходное напряжение останется постоянным. Выходной ток нагрузки обеспечивает р-канальный полевой МОП-транзистор Q1. Для линейных стабилизаторов входной ток равен сумме выходного тока и внутреннего тока, который необходим для создания опорного напряжения, смещения операционного усилителя и открытия р-канального полевого МОП-транзистора. Если стабилизатор LDO создаётся на базе КМОП-структур, то этот ток мал настолько, что его можно отбрасывать при вычислении эффективности для существенных нагрузочных токов. В этом случае эффективность можно приблизительно представить простым отношением VOUT/VIN. Линейный стабилизатор наиболее эффективен для входных напряжений, близких по величине к выходному напряжению.

Сравнение трех типов схем

Эффективность этих схем можно определить как отношение выходной мощности к мощности источника питания. По этой формуле можно рассчитать «мгновенную» эффективность энергоснабжения в определённых условиях.

Читайте так же:
Микросхема импульсного стабилизатор напряжения тока

Рис. 5 и 6 показывают результаты экспериментов по определению эффективности с тремя видами устройств. На обоих рисунках приведены данные, полученные при использовании импульсного преобразователя энергии TC105, стабилизатора TC1185 и преобразователя с переносом заряда TC7662A производства Microchip Technology. TC105 является понижающим импульсным DC/DC инвертором, который обеспечивает выходной ток величиной до 1А. Это устройство обычно работает в режиме широтно-импульсной модуляции, но автоматически переключается на режим частотно-импульсной модуляции при низких выходных нагрузках, чтобы повысить КПД. TC7662A преобразует напряжения 3 — 18 В в отрицательное: -3 — -18 В. Это устройство имеет встроенный генератор и может обеспечивать выходные токи величиной до 40 мА. Стабилизатор TC1185 разработан на базе КМОП-структур, чтобы уменьшить собственный ток, увеличив тем самым КПД. Устройство стабильно при использовании выходного конденсатора с ёмкостью, равной 1 мкФ, и может обеспечить максимальный выходной ток величиной до 150 мА.


Рисунок 5. Различие кривых отношения КПД к входному напряжению для схем импульсного преобразователя, стабилизатора LDO и преобразователя с переносом заряда указывает на то, что импульсный преобразователь является самым эффективным устройством в тех случаях, когда напряжение источника питания динамично. Стабилизатор LDO является наименее эффективной схемой, с убывающей линейной зависимостью КПД относительно напряжения источника питания

На рис. 5 характеристики КПД трёх этих устройств вычерчены относительно напряжения источника питания. Импульсный преобразователь TC105 является лучшим среди них, с небольшим отрывом от схемы с переносом заряда TC7662A, занимающей второе место. Важно отметить, что преобразователь с переносом заряда не стабилизирован, так что его кривые КПД могут ввести в заблуждение. Если оценить стабилизированный преобразователь с переносом заряда при тех же условиях, то кривая КПД относительно напряжения источника питания будет понижаться при повышении напряжения. В отличие от него, КПД стабилизатора LDO TC1185 линейно ухудшается при увеличении входного напряжения.

КПД тех же самых устройств оценивается относительно выходного тока на рис. 6. Видно, что импульсный преобразователь энергии очень эффективен в широком диапазоне нагрузочных токов, а также в широком диапазоне входных напряжений. Для тех задач, где входное напряжение значительно изменяется и где требуется выходной ток более 100 мА, импульсный преобразователь энергии является, безусловно, лучшим по эффективности.


Рисунок 6. Различие кривых отношения КПД к выходному току для схем импульсного преобразователя, стабилизатора LDO и преобразователя с переносом заряда показывает, что оптимальное решение диктуется условиями конкретной системы

Лучшее решение для систем с батарейным питанием

Типичной задачей для ИС, описанных выше, является система с питанием от батарей. Рассмотрим типичную задачу, в которой используется один перезаряжаемый Li-Ion элемент, и где требуется выходное напряжение, равное 1,8 В, и выходной ток от 0 до 300 мА. Номинальное напряжение элемента Li-Ion равно 3,6 В, с диапазоном выходных напряжений от 2,8 до 4,2 В. Оценим эффективность использования импульсного преобразователя энергии TC105, схемы с переносом заряда TC7662A и стабилизатора LDO TC1185 для данной задачи.

Cхема с переносом заряда — наименее подходящее устройство для данной задачи главным образом потому, что является инвертирующим устройством. Хотя это и решающее ограничение, также имеются и другие проблемы. Как показано на рис. 6, характеристика кпд относительно тока оптимальна только для выходных токов в диапазоне от 1 до 10 мА. И хотя такое решение является довольно экономичным, потому что единственными необходимыми дополнительными элементами являются конденсаторы, эффективность этого типа устройств не подходит для данной задачи.

Возможное решение — это стабилизатор LDO. Применение TC1185 в схеме не вызывает трудностей благодаря небольшой стоимости внешних элементов. Хотя его можно использовать для данной задачи, его характеристика КПД относительно напряжения источника питания не так оптимальна, как в других вариантах. Поскольку у батареи большой диапазон выходных напряжений, при использовании стабилизатора LDO потребуется чаще заряжать батарею, чем при использовании импульсного преобразователя энергии. Действительно, рассеяние мощности стабилизатора в целом составляет 240 мВт, когда входное напряжение равно 4,2 В, а выходной ток нагрузки равен 100 мА.

Импульсный преобразователь энергии является лучшим выбором для данного применения. TC105 может без труда обеспечить выходное напряжение, равное 1,8 В, с хорошей стабилизацией. Показатель отношения КПД к напряжению источника питания этого устройства довольно высок и равен приблизительно 90% во всём диапазоне напряжений источника питания, как показано на рис. 5. Отношение КПД к выходному току не является высшим для всех значений тока, но остаётся лучшим выбором для всего диапазона выходных токов.

Какая система управления режимом электропитания подходит для конкретной задачи?

Для систем с широким диапазоном напряжений источника питания импульсный преобразователь энергии является, безусловно, лучшим выбором. Если система работает с небольшим диапазоном низких выходных токов, то схема с переносом заряда может обеспечить лучшую эффективность. И, наконец, если система требует хорошего стабилизированного выхода с низким падением напряжения на управляющем элементе, а рассеяние мощности регулируется, то хорошие результаты обеспечит стабилизатор LDO.

Читайте так же:
Стабилизаторы тока для телевизоров

—>Мой сайт —>

Экономичный стабилизатор с малым падением напряжения

Категория: Электропитание

Стабилизаторы напряжения на самые разные напряжения и токи нагрузки используются во многих промышленных и самодельных конструкциях. Существует большое количество интегральных микросхем-стабилизаторов, но низковольтные пока ещё довольно дефицитны. Предлагаю несложный стабилизатор компенсационного типа для слаботочных узлов, собранный на дискретных элементах (рис.1). Он назван «экономичным» не только потому.
что его собственный ток потребления составляет приблизительно 1 мА. На его изготовление с успехом пойдут детали, выпаянные из старых плат. Стабилизатор рассчитан на выходное напряжение 3,3 В и ток нагрузки до 25 мА. Он может использоваться для питания цифровых микросхем, узлов на низковольтных операционных усилителях и пр.

Для запуска стабилизатора при включении питания используется узел на транзисторе VT1 и элементах R1. R2. С2, R4, VD1. Он работает только в момент включения, после чего не влияет на работу стабилизатора. Сам стабилизатор выполнен на транзисторах VT2. VT3 и элементах R3, R5, R6, HL1. Остальные элементы — вспомогательные. Использование германиевого транзистора ГТ403Б обеспечивает малое падение напряжения на регулирующем транзисторе VT2 (около 100 мВ при токе нагрузки 7 мА). Это значит, что при входном напряжении 3,4 В можно получить выходное 3.3 В. Источник опорного напряжения выполнен на светодиоде HL1, который, работая как стабилитрон с напряжением стабилизации 1,5 В, ещё и сигнализирует о включении питания. Выходное напряжение регулируется подстроечным резистором R6. Конденсаторы С1, СЗ, С4 снижают шум и пульсации выходного напряжения.
Детали. Устройство смонтировано на печатной плате размерами 50×21 мм (рис.2). Вместо транзистора ГТ403Б можно применить любой из серий 1Т403, ГТ403. ГТ402, 4NU72. Транзистор ГТ402 в «длинном» корпусе может рассеивать мощность до 600 мВт, в «коротком» (как у МП25) — не более 300 мВт. При рассеиваемой на VT2 мощности до 200″мВт будут нормально работать германиевые транзисторы серий МП21, МП25, МП26, ГТ321, GS112. Вместо транзисторов КТ315Б можно использовать любые из серий КТ301, КТ312, КТ315. КТ3102. КТ503, SS9014 и более того германиевые МП37. Транзисторы VT2, VT3 желательно подобрать с может быть большим коэффициентом передачи тока базы.

Кремниевый диод КД521А можно сменить любым из серий КД503, КД510, КД521. КД522, Д223Б, 1N4148. Вместо светодиода АЛ307К можно применить любой из серий АЛ307, КИПД21, КИПД40, L-63 и другие подобные с рабочим напряжением до 2 В при токе 1 мА. Если стабилизатор будет настроен на рабочее напряжение 5. 6 или более того 9 В. то можно использовать современные светодиоды белого или синего цвета, рабочее напряжение которых —3. 3,6 В.
Стабилизатор можно упростить, если вместо динамического запуска использовать статический. Для этого удаляются элементы R1, R2, С2. VT1. R4, VD1. Чтобы в этом случае запустить стабилизатор, к выводам коллектора и эмиттера VT2 припаивается резистор сопротивлением 10 кОм. Побочным эффектом упрощения может быть то. что не с любой нагрузкой стабилизатор запустится.

Стабилизатор имеет естественную, без применения дополнительных элементов защиту от перегрузок и короткого замыкания на выходе. При увеличении тока нагрузки выше 30 мА напряжение на выходе скачком снижается почти до нуля. Аналогично происходит и при коротком замыкании на выходе. На рис.3 приведен график зависимости выходного напряжения от тока нагрузки, снятый при входном напряжении 5 В, на рис.4 — подневольность выходного напряжения от входного (при токе нагрузки 12 мА). Для улучшения параметров стабилизатора можно увеличить ток через светодиод HL1. уменьшив для этого сопротивление R5. но при Этом экономичность стабилизатора ухудшится.
После настройки стабилизатора на нужное выходное напряжение подстроеч-ный резистор R6 можно сменить двумя постоянными, что повысит надежность конструкции.
Литература
1. А.Бутов. Микромощный стабилизатор напряжения.—Схемотехника, 2002. №7, С.12.
2. А.Бутов. Стабилизаторы напряжения с малым током потребления. — Схемотехника. 2003. №1, С.12.
3. А.Бутов. Микромощный стабилитрон на КТ501. — Радио-мир, 2003. №6. С.16.
4. А.Бутов. Преобразователь напряжения с низковольтным питанием. — Схемотехника, 2003, №9. С.8.
5. А.Бутов. К155ПАЗ в стабилизаторе напряжения. — Радио-аматор, 2003, №11,С21.
6. А.Бутов. Стабилизатор напряжения на К174УН7. — Радиомир, 2004. №2, С.15.
7. А. Бутов. «Стабилитрон» на полевых транзисторах. — Радиомир, 2004, №6, СИ,
8. А.Бутов. Регулируемый стабилизатор для сетевого адаптера. — Радиомир, 2005. №10, С.15.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию