Стабилизатор тока схема полевых транзисторах

«Радио — НН»
— разработка и изготовление
преобразователей напряжения,
продажа радиодеталей

Адрес:
Нижний Новгород,
пр. Гагарина, 62

• Телефоны:
+7 952 765 95 40,
+7 910 896 81 75

• Время работы:
с 8 до 20 (без выходных)

• E-mail:
maroz55@rambler.ru

Преобразователи напряжения (инверторы) 12/24/220 вольт

Принципиальные электрические схемы инверторов и стабилизаторов

• Простой стабилизатор напряжения на 12В
• Улучшенный стабилизатор 12В
• Трансформаторные преобразователи 24 в 12 вольт
• Стабилизатор 12В на полевых транзисторах
• Гибридные схемы преобразователей напряжения
• Маломощные преобразователи напряжения
• Преобразователи 12В в 24В и 24В в 12В
• О замене элементов в схемах преобразователей
• Трансформаторы для преобразователей напряжения
• Источники бесперебойного питания (ИБП)

Стабилизаторы 12В на полевых транзисторах

Применение мощных полевых транзисторов в линейных стабилизаторах напряжения ограничено из-за необходимости обеспечить напряжение между истоком и затвором более 2-3 вольт для открывания транзисторов. Для этого иногда даже используют отдельную обмотку трансформатора или отдельный выпрямитель.

Однако для понижающего стабилизатора с 24 до 12 вольт этого не требуется, так как входное напряжение (24В) и так достаточно высоко. Поэтому в данном случае использование полевых транзисторов полностью оправдано и позволяет реализовать все их преимущества, а также упростить электрическую схему стабилизатора.

Основное достоинство такого стабилизатора — возможность включать параллельно полевые транзисторы без выравнивающих (эмиттерных) резисторов, а также отсутствие тока затвора для управления транзистором. Так как полевые транзисторы выдерживают большие токи, то для защиты от короткого замыкания по выходу достаточно использовать обычные плавкие предохранители.

Схема понижающего стабилизатора с 24 до 12 вольт, выполненного на распространенных полевых транзисторах IRFZ44N, приведена на рис.1:

Рис.1. Электрическая схема стабилизатора напряжения 12В
на полевом транзисторе

Диоды Д1. Д8 обеспечивают предварительное снижение входного напряжения стабилизатора на 6-7 вольт (см. статью «Улучшенный стабилизатор 12В»), выходное напряжение устанавливается потенциометром R3. Для защиты от пробоя между истоком и затвором полевого транзистора включен стабилитрон на 6,8В (можно использовать любые с напряжением стабилизации 6-15 вольт).

В зависимости от требуемого выходного тока параллельно включают от двух до пяти полевых транзисторов. Использование одного мощного транзистора нежелательно, так как эффективный отвод тепла проще обеспечить при распределении мощности между несколькими транзисторами.

Цены на выпускаемые нашим предприятием блоки питания и преобразователи напряжения смотрите в прайс-листе.

Ключевые слова: преобразователь напряжения, автомобильный преобразователь напряжения, электрические схемы преобразователей напряжения

Использование мощных полевых транзисторов

Использование мощных полевых транзисторов и операционных усилителей в прецизионных регуляторах и стабилизаторах напряжения

Применение ИОУ обеспечивает высокую точность регулирования выходного напряжения. Однако использование интегральных операционных усилителей (ИОУ) для управления мощными полевыми транзисторами в стабилизаторах напряжения имеет некоторые особенности.

Ниже будут кратко рассмотрены принципы построения стабилизаторов на базе мощных полевых транзисторов и ИОУ, схемы формирования опорного напряжения и приведены практические схемы стабилизаторов и рисунки печатных плат.

СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Стандартная схема стабилизатора положительной полярности на базе N-канального полевого транзистора хорошо известна. Её основной недостаток заключается в том, что для открытия N-канального полевого транзистора на его затвор требуется подать напряжение, превышающее напряжение истока на 1,5. 5 В. Для построения стабилизатора с низким падением напряжения между стоком и истоком, это дополнительное напряжение должно превышать и напряжение стока, т.е. входное напряжение, что вызывает усложнение схемы и конструкции стабилизатора.

Необходимое напряжение можно получить либо от дополнительной обмотки силового трансформатора, либо путём использования в мостовом выпрямителе отдельных диодов и конденсаторов для удвоения выпрямленного напряжения, либо с помощью отдельного высокочастотного преобразователя, построенного по так называемой схеме накачки заряда (charge pump). Так, например, работает стабилизатор +ЗВ TPS73133 фирмы Texas Instruments . Хотя подобная схема используется в некоторых современных интегральных стабилизаторах, она не получила широкого распространения.

Схема стабилизатора напряжения положительной полярности на базе Р-канального полевого транзистора является более распространённой, однако, как правило, она строится на дискретных элементах. Подобная схема на ИОУ используется в интегральном стабилизаторе MC78LC00 , который впервые выпустила фирма Motorola, а впоследствии стала выпускать и фирма On Semiconductor.

Принцип работы этой схемы заключается в следующем. Для открытия Р-канального полевого транзистора необходимо, чтобы напряжение на его затворе было ниже напряжения на истоке (т.е. входного напряжения) на 1,5. 5 В, поэтому потенциал затвора должен находиться в пределах входного напряжения, что является преимуществом по сравнению со схемой на N-канальном транзисторе. При уменьшении выходного напряжения под нагрузкой уменьшается и напряжение в точке соединения резисторов R1 и R2. Поскольку это напряжение подано на неинвертирующий вход ИОУ, выходное напряжение ИОУ (и, соответственно, потенциал затвора транзистора) будет уменьшаться, что приведёт к тому, что Р-канальный транзистор будет приоткрываться, в результате чего выходное напряжение Источники ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ СТАБИЛИТРОНОВ И ИОУ

Поскольку микросхемы ИОУ ТСА0372 и TL062/72/082 содержат два независимых ИОУ, для получения положительного или отрицательного опорного напряжения имеет смысл использовать один из них. Коэффициент стабилизации в подобных схемах достигает порядка 10 ООО, т.е. если изменение входного напряжения Un составит 10 В, то изменение выходного напряжения, использующегося как опорное (t/on), не превысит 1 мВ [3]. ИОУ включен либо как неинвертирующий, либо как инвертирующий (см. рис. 36, Зг), и его стабильное выходное напряжение используется для получения прецизионного тока стабилитрона. Это напряжение в дальнейшем используется в качестве опорного (±?/оп).

Если для получения опорного напряжения, например, 15 В использовать стабилитрон BZX55C7V5, который обеспечивает стабильное напряжение

7,5 В при токе 5 мА, то резистор R1 должен иметь номинал (15. 7,5 В)/5 мА = = 1,5 кОм, а резисторы R2 и R3 должны быть равны между собой, тогда в точке их соединения напряжение будет также равно 7,5 В; при этом схема автоматически запускается после подачи напряжения питания. Номинал резисторов зависит от максимального выходного тока ИОУ. Например, TL072/082 способен выдать ток около 20 мА, a TL062 — около 15 мА Учитывая, что 5 мА идёт на питание стабилитрона, остаётся запас по 15 и 10 мА соответственно. Однако из справочного листка на ИОУ следует, что минимальное значение тока короткого замыкания этих приборов составляет около 10 мА. Поэтому ток через резисторы R2 и R3 целесообразно выбрать в пределах 1. 1,5 мА, что при выходном напряжении 15 В будет соответствовать сопротивлению 15. 10 кОм. Таким образом, сумма сопротивлений резисторов R2 + R3 не должна превышать 10. 15 кОм, а сопротивление каждого из них не должно превышать 5. 7,5 кОм. Что касается ИОУ ТСА0372, то он способен обеспечить выходной ток до 1 А, поэтому ток питания стабилитрона в 5 мА не является проблемой.

Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В)

При построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор.

Принципиальная схема

Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис. 1. Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение около 13 В (эффективное значение) поступает на выпрямитель и сглаживающий фильтр.

На конденсаторах фильтра оно равно 16 В. Это напряжение поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор.

Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В).

Часть выходного напряжения через делитель R2, R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В.

В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т.е. частично закрывая его, и, таким образом, устройство входит в режим стабилизации. Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту (рис. 1.6).

В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе.

Рис. 2. Печатная плата.

При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроенным резистором.

В стабилизаторе в качестве регулирующего элемента применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме.

Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечивает ток до 30 А при температуре корпуса до 100°С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5. 3 В. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.

Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (импортный аналог TL431). Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — МЛТ, С2-33, диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.

Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод.

Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов. Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа.

Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам C1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины. Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1.

Печатная плата устройства приведена на рис. 2 Эта плата рассчитана на установку малогабаритных деталей в корпусах для поверхностного монтажа, в том числе и микросхема КР142ЕН19 требует замены на импортный аналог в корпусе SO-8.

Схема на биполярном транзисторе

Рис. 3. Схема блока питания без полевого транзистора.

В случае, если полевой транзистор найти не удалось, стабилизатор можно выполнить по другой схеме (рис. 3.), на мощных биполярных транзисторах, с использованием той же микросхемы. Правда, максимальный ток нагрузки у этого варианта стабилизатора не более 3. 4 А.

Для повышения коэффициента стабилизации применен стабилизатор тока на полевом транзисторе, в качестве регулирующего элемента применен мощный составной транзистор. Трансформатор должен обеспечивать на вторичной обмотке напряжение не менее 15 В при максимальном токе нагрузки.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР КАК СТАБИЛИЗАТОР ТОКА

СХЕМА С ОБЩИМ СТОКОМ, ИСТОКОВЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ

СХЕМА С ОБЩИМ ЗАТВОРОМ

СХЕМА С ОБЩИМ ИСТОКОМ

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ

По аналогии с биполярными транзисторами, в зависимости от того, какой элек-

электрод подключается к точке постоянного потенциала, различают три схемы включения: истоковое, стоковое и затворное.

Схема с общим истоком (рис. 3.6) соответствует схеме с общим эмиттером для биполярного транзистора.

Рис. 3.6. Схема с общим истоком

Различие состоит в том, что диод канал-затвор включен в запирающем направлении. Входной ток при этом практически равен нулю, а входное сопротивление очень велико.

Как правило, для полевых транзисторов схемы с общим затвором почти не

применяются, так как при этом включении не используется свойство высокоомности

цепи затвор-исток транзистора.

Схема с общим стоком (рис. 3.7) обладает значительно большим входным сопротивлением, чем схема с общим истоком.

Рис. 3.7. Истоковый повторитель

В большинстве случаев, однако, это не имеет особого значения, поскольку оно достаточно велико и для схем с общим истоком. Преимуществом такой схемы является то, что она существенно уменьшает входную емкость каскада. В отличие от эмиттерного повторителя выходное сопротивление истокового повторителя не зависит от внутреннего сопротивления Rg источника сигнала.

Схема, представленная на рис. 3.8, работает аналогично стабилизатору тока на биполярном транзисторе.

Рис. 3.8. Полевой транзистор в качестве источника стабильного тока

Схема стабилизатора тока может быть выполнена в виде двухполюсника, как

показано на рис. 3.9. Благодаря этой особенности схема может быть включена вместо любого омического сопротивления.

Рис. 3.9. Стабилизатор тока на полевом транзисторе,

выполненный по схеме без вспомогательного напряжения

Стабилизатор тока схема полевых транзисторах

Номенклатура современных MOSFET-транзисторов огромна и пополняется новыми типами чуть ли не ежедневно. Подавляющее большинство этих транзисторов предназначено для работы в импульсных цепях, но, тем не менее, их можно с успехом применять и в аналоговых схемах. Разработчиков привлекают такие их свойства, как высокое быстродействие и устойчивость к пробою, а высокое входное сопротивление позволяет в ряде случаев обойтись одним полевым транзистором вместо нескольких биполярных и тем самым существенно упростить схему. Некоторые примеры такого использования полевых транзисторов приводятся в статье.

Адаптер для спаренной телефонной линии

Абоненты спаренных телефонных линий при подключении к этим линиям автоответчиков часто сталкиваются с такой проблемой: автоответчик не реагирует на вызывной сигнал, не хочет включаться и отвечать на звонок. Причина кроется в принципе разделения спаренных абонентских линий с помощью диодов: телефон одного абонента активизируется положительным напряжением с АТС, а другого — отрицательным. Теперь вспомним, что схема выделения вызывного сигнала в автоответчике включена через разделительный конденсатор, и картина становится ясной: этот конденсатор заряжается через открытый диод на возрастающем участке синусоидального вызывного сигнала, а разрядиться на падающем участке не может, т.к. диод закрывается. В итоге переменное напряжение, поступающее на схему определения вызывного сигнала, оказывается недостаточным для ее срабатывания, и автоответчик не включается.

Известные схемы, обеспечивающие разрядный ток на падающем участке вызывного сигнала, достаточно сложны и должны включаться в разрыв телефонной линии до автоответчика. Использование таких современных приборов, как мощные полевые MOSFET-транзисторы, позволяет решить задачу гораздо проще. Схема предлагаемого формирователя разрядного тока — назовем его адаптером — приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема телефонного адаптера

Адаптер подключается к телефонной линии в любой точке параллельно автоответчику. Вызывной сигнал через диодный мост Q1 поступает на две последовательно включенные фазосдвига-ющие цепочки R5, R4, С2 и R3, С1, частота среза которых равна частоте вызывного сигнала. Каждая цепочка сдвигает фазу сигнала на 45°, а обе вместе — на 90°. Таким образом, во время падающего участка вызывного сигнала формируется положительное напряжение, поступающее на затвор полевого транзистора Q2. Транзистор U1 в это время открывается и обеспечивает протекание разрядного тока через резистор R2. Подстроечный резистор R1 предназначен для установки начального напряжения на затворе транзистора Q2. Для этого адаптер подключаем к ненагру-женной телефонной линии, когда напряжение на ней составляет 50. 60 В, и регулировкой R1 устанавливаем на резисторе R2 напряжение не более 10 мВ. После этого адаптер готов к работе.

При выборе компонентов других типов учитывайте, что Q1 и Q2 должны иметь рабочее напряжение не ниже 150 В, а конденсатор С2 — не ниже 63 В.

Простой стабилизатор напряжения

Спору нет, интегральные стабилизаторы 78** и 79** очень удобны в применении и достаточно универсальны. Но в инженерной практике всё же возникают задачи, решение которых интегральным стабилизаторам не под силу. Простой пример: в УНЧ достаточно высокого класса из напряжения питания 50 В надо получить напряжение 15 В с низким уровнем шумов. Задача эта не решается с помощью интегральных стабилизаторов, как из-за высокого входного напряжения, так и из-за высоких требований к шуму выходного напряжения. Вариант простого решения этой задачи с помощью современных JFET- и MOSFET-транзисторов показан на рис. 2. В качестве регулировочного элемента в этом стабилизаторе применён MOSFET Q1 в корпусе ТО-220, удобном для крепления на радиаторе. Транзистор Q3 сравнивает выходное напряжение с опорным, задаваемым с помощью стабилитрона Q4. Сигнал ошибки с коллектора Q3 подается на затвор Q1, замыкая петлю обратной связи. Поскольку в качестве динамической коллекторной нагрузки Q3 включён JFET Q2 в режиме стабилизации тока, а о входном сопротивлении Q1 говорить вообще не приходится, петлевое усиление оказывается очень высоким и обеспечивает высокую стабильность выходного напряжения. Для снижения пульсаций и шумов добавляем конденсаторы С1. С4 и считаем поставленную задачу решённой. Современная элементная база позволяет сделать аналогичный стабилизатор и для отрицательного напряжения, для этого вместо IRF610 ставим IRF9610, а 2SC945 меняем на 2SA1015. Остается только изменить полярность включения стабилизатора тока Q2, стабилитрона Q4 и электролитических конденсаторов.

Недостатки стабилизатора: выходное напряжение на 0,7 В выше номинального напряжения стабилитрона и нет защиты от КЗ на выходе.

Рисунок 2. Простой стабилизатор напряжения

Ограничитель пускового тока

Не было ничего странного в том, что при включении УНЧ в сеть освещение в комнате меркло на долю секунды: суммарная емкость накопительных конденсаторов в его вторичных цепях составляла 100 000 мкФ. Решено было не испытывать электросеть на прочность и ограничить пусковой ток усилителя значением 5 А с помощью схемы, приведенной на рис. 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема ограничителя пускового тока

Функцию ограничения пускового тока выполняет резистор R3, параллельно которому подключены нормально разомкнутые контакты реле XI. Задача простая: примерно через 2. 3 с после включения схемы в сеть необходимо замкнуть контакты реле и обеспечить тем самым штатный режим работы усилителя.

В схему питания реле входят элементы R1, С2, Q1 и С1. Номинал конденсатора С2 зависит от параметров примененного реле. В данном случае использовано реле BS-115C-12A фирмы Bestar с рабочим напряжением 12 В. Конденсатор С1 сглаживает выпрямленное мостом Q1 напряжение питания реле. Теоретически с помощью конденсатора С1 можно обеспечить необходимое время задержки включения реле, но в этом случае его емкость должна быть очень большой. Функцию задержки включения выполняют элементы Q4, СЗ, R2. Продифференцированное цепью СЗ, R2 напряжение питания реле подается на затвор транзистора Q4. Таким образом, Q4 ограничивает скорость роста напряжения питания реле и обеспечивает необходимую задержку его включения. Диод Q3 быстро разряжает конденсатор СЗ после выключения питания, стабилитрон Q2 защищает реле в случае значительного превышения сетевым напряжением номинального значения. Не претендуя на научный подход, я опустил расчетные формулы, поскольку схемы предельно просты. Надеюсь, что читатель в состоянии при необходимости рассчитать (или подобрать) любой номинал и адаптировать устройства под собственные нужды.