Простой мощный параллельный стабилизатор на транзисторах

Генератор пилообразного напряжения со стабилизатором тока

От схем стабилизаторов тока пора перейти к применению стабилизаторов в генераторах пилообразного напряжения. Тут всё достаточно просто, необходимо вместо зарядного (разрядного) а вставить в схему стабилизатор тока. Для примера возьмём стабилизатор тока с диодным смещением и добавим его в схему простого генератора пилообразного напряжения. Получившаяся схема изображена ниже

Схема генератора пилообразного (линейно растущего) напряжения со стабилизатором тока.

Данная схема состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT1, стабилитроне VD1 и резисторах R1, R2, а также разрядного транзистора VT2 и конденсатора C1.
Схемы генераторов пилообразного напряжения позволяют получить коэффициент нелинейности ξ ≤ 10 %, а коэффициент использования напряжения ε ≈ 0,9. Как же работает такая схема? Как известно VT1. То есть дифференциальное сопротивление коллектора будет очень высоким

r_{K} = \frac{\DELTA \/U_{BC}}{\DELTA \/I_{C}}

в случае стабилизатора тока r_K ≈ 0,5…1 МОм.

После подачи питания Епит в схему, конденсатор C1 начинает заряжаться постоянным током I_С ≈ I_E = const, которой обеспечивается стабильным напряжением U_ST за счёт стабилитрона VD1

I_{C} \approx \/I_{E} = \frac {U_{ST} — U_{BE}}{R2}

Таким образом, конденсатор зарядится до напряжения

U_{0} = U_{BbIX} = E_{PIT} — R2 * I_{C}

которое будет являться выходным напряжением данной схемы генератора. После того как на вход схемы (базовый вывод VT2) приходит положительный импульс (U_BX > U_BbIX) транзистор VT2 насыщается и конденсатор C1 разряжается

Амплитуду выходного напряжения можно определить по следующей формуле

U_{m} = \frac {I_{C} T_{P}}{C1} = \frac{h_{21b} E_{R2} T_{P}}{R2 C1} \approx \frac {E_{R2} T_{P}}{R2 C1}

Коэффициент нелинейности будет равен

\xi = \frac{T_{p}}{r_{K} C1}

Таким образом, исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что данный генератор при работе на высокоомную нагрузку обеспечивает небольшой коэффициент нелинейности и большой коэффициент использования напряжения, который растёт с уменьшением напряжения стабилизации стабилитрона, а также обеспечивает большой диапазон длительности рабочего хода и небольшое время обратного хода.

Одним из недостатков данного типа генератора является то, что необходимо иметь запускающий импульс со значительным уровнем напряжения (U_BX > U_BbIX), а также транзисторы с разными типами проводимости.

В отличии от генератора линейно растущего напряжения, генератор линейно падающего напряжения можно собрать на транзисторах одного типа проводимости, что иногда имеет некоторое преимущество.

Генератор пилообразного (линейно падающего) напряжения со стабилизатором тока.

Расчёт номиналов элементов данной схемы ведётся идентично генератору линейно растущего напряжения.

Виды стабилизаторов напряжения

Различают всего 2 основных типа стабилизаторов напряжения:

• линейные
• импульсные

Линейные стабилизаторы напряжения

Например, микросхемы КРЕН или LM7805, LM1117, LM350.

Кстати, КРЕН — это не аббревиатура, как многие думают. Это сокращение. Советская микросхема-стабилизатор, аналогичная LM7805 имела обозначение КР142ЕН5А. Ну а ещё есть КР1157ЕН12В, КР1157ЕН502, КР1157ЕН24А и куча других. Для краткости всё семейство микросхем стали называть «КРЕН». КР142ЕН5А тогда превращается в КРЕН142.

Советский стабилизатор КР142ЕН5А. Аналог LM7805.

Стабилизатор LM7805

Наиболее распространенный вид. Недостаток их в том, что они не могут работать на напряжении ниже, чем заявленное выходное напряжение. Если LM7805 стабилизирует напряжение на 5 вольтах, то на вход ему подать нужно как минимум на полтора вольта больше. Если подать меньше 6,5 В, то выходное напряжение «просядет», и мы уже не получим 5 В. Еще один минус линейных стабилизаторов — сильный нагрев при нагрузке. Собственно, в этом и заключается принцип их работы — всё, что выше стабилизируемого напряжения, просто превращается в тепло. Если мы на вход LM7805 подадим 12 В, то 7 потратятся на нагрев корпуса, а 5 пойдут потребителю. Корпус при этом нагреется настолько сильно, что без радиатора микросхема просто сгорит. Из всего этого вытекает ещё один серьёзный недостаток — линейный стабилизатор не стоит применять в устройствах с питанием от батареек. Энергия батареек будет тратиться на нагрев стабилизатора. Всех этих недостатков лишены импульсные стабилизаторы.

Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы — лишены недостатков линейных, но и стоят дороже. Это уже не просто микросхема с тремя выводами. Выглядят они, как плата с детальками.

Один из вариантов исполнения импульсного стабилизатора.

Импульсные стабилизаторы бывают двух видов: понижающие и повышающие. Независимо от напряжения на входе, на выходе будет именно то, которое нам нужно. Если в характеристиках заявлено, что стабилизатору на вход можно подать от 1 до 15 вольт и на выходе будет стабильно 5, то так оно и будет. Кроме того, нагрев импульсных стабилизаторов настолько незначителен, что в большинстве случаев им можно пренебречь. Если ваша схема будет питаться от батареек или размещаться в закрытом корпусе, где сильный нагрев линейного стабилизатора недопустим — ставьте импульсный. Я использую настраиваемые импульсные стабилизаторы напряжения за копейки, которые заказываю с Aliexpress. Вот понижающие, а вот повышающие. Существуют и более дорогие универсальные стабилизаторы, которые поддерживают заданное напряжение независимо от подаваемого.

Хорошо. А что со стабилизатором тока?

Не открою Америку, если скажу, что стабилизатор тока стабилизирует ток.
Токовые стабилизаторы ещё иногда называют светодиодным драйвером. Внешне они похожи на импульсные стабилизаторы напряжения. Хотя сам стабилизатор — маленькая микросхема, а всё остальное нужно для обеспечения правильного режима работы. Но обычно драйвером называют всю схему сразу.

Примерно так выглядит стабилизатор тока. Красным кружком обведена та самая схема, которая и является стабилизатором. Всё остальное на плате — обвязка.

Итак. Драйвер задаёт ток. Стабильно! Если написано, что на выходе будет ток в 350мА, то будет именно 350мА. А вот напряжение на выходе может меняется в зависимости от требуемого потребителем напряжения. Не будем пускаться в дебри теории о том. как всё это работает. Просто запомним, что вы напряжение не регулируете, драйвер сделает все за вас исходя из потребителя.

Повышение максимального выходного тока

Существует два способа повышения максимального выходного тока. Если вам необходимо получить больше 1.5А, то вы можете либо подключить несколько микросхем параллельно, либо подключить силовой транзистор.

В первом случае достаточно подключить на выход стабилизаторов резисторы с низким сопротивлением. Они нужны для выравнивания токов.

Однако не всегда рационально использовать несколько микросхем. Поэтому нам на помощь приходит транзистор. В таком случае будет достаточно добавить его и резистор в качестве обвязки к нему.

Если нагрузка потребляет небольшой ток, то он будет проходить через микросхему, не затрагивая транзистор. А при повышении, почти весь ток будет проходить через транзистор, оставляя малую его часть стабилизатору. Но при использовании этой схемы внутренняя защита внутри LM317 от КЗ.

Комментарии:

Метелкин

Статья хорошая. Нужно дополнить, что импульсный стабилизатор предназначен для слаботочки, т.е. подключить через него телевизор или комп никак не получится, только лампочку или кулер какой-нибудь.

Ромка

Кто знает схему стабилизатора для лампочки-экономки и выгодно ли его собирать самостоятельно? Насколько дешевле/дороже выходит, чем купить новую лампу?

Пашка

Какой конденсатор нужно устанавливать в узел накопления электроэнергии для стабилизатора?

Оставить комментарий Отменить ответ

Настенный стабилизатор напряжения не займет полезного пространства в доме

Релейный стабилизатор выровняет напряжение. Видео

Стабилизатор напряжения Энергия — общие характеристики марки. Видео. Стабилизатор напряжения Штиль R600T обеспечит надежную работу электроники

Подключение LM317

LM317 имеет следующую конфигурацию выводов в разных корпусах:

Минимальная схема подключения представляет собой два резистора сопротивления и три конденсатора, подключенных согласно схеме. В соответствии с характеристиками сопротивления и будет определяться напряжение на выходе.

У LM317 два главных параметра: это его опорное напряжение, а также ток, истекающий на выводе подстройки. Опорное напряжение (Vref) — напряжение, которое стабилизатор поддерживает на сопротивлении R1. Оно нестабильно и разнится от партии к партии в среднем на 0.1В, поэтому для расчетов лучше держать в уме усредненное значение – 1.25В. Для серьезных же проектов стоит измерить его для каждого используемого экземпляра. Соответственно, следуя схеме, если замкнуть резистор R2, то на выходе мы получим опорное напряжение – 1.25В, а с увеличением вольтажа на R2 будет увеличиваться и выходное напряжение. Таким образом, LM317 постоянно сравнивает напряжение на выходе через резистивный делитель с опорным, поэтому, меняя сопротивление, мы меняем выходное напряжение.

Ток, утекающий на подстройке (Iadj) – паразитный. По заявлению производителей он составляет от 50 до 100 мкА, но на деле же может достигать и 500 мкА. Из-за этого для стабильности выходного напряжения сопротивление R1 не должно быть выше 240 Ом, чтобы через делитель не проходил ток менее 5 мА.

Все, что вам нужно – это подставить ваше значение R1 в это формулу R2=R1*((Uo/Uref)-1).

Кроме того, не забывайте об охлаждении. Чем больше разница входного и выходного тока, тем сильнее будет нагреваться стабилизатор, что приведет к проблемам с его работой. Параметров, описанных производителем, можно добиться, только используя дополнительное охлаждение в виде радиатора.

Стабилизатор тока на транзисторе

Однако, такой подход подойдет не во всех случаях (требуется высокое напряжение на источнике питания, при большой силе тока резистор будет изрядно нагреваться). Аналогичные проблемы есть и у простейших диодных стабилизаторов.

Наиболее логично управлять током с помощью транзисторов. На них мы и остановимся ниже. Такой подход выгоден не только с точки зрения экономии на стоимости составляющих элементов, но и с позиции тонкой настройки схемы под свои нужды (например, схемы на готовых микроконтроллерах не могут изменять выходных параметров в требуемом диапазоне, они работают только в фиксированных пределах, а значит, изменение под свои нужды будет затруднительным, так как необходимо применение дополнительных элементов для управления уровнем тока).

Применение стабилизаторов тока на транзисторе

Где может понадобиться стабильный ток? Чаще всего это схемы питания:

1. Светодиодов (автомобильные фары, ленты освещения, рекламные табло, новогодние гирлянды),

2. Паяльных станций,

3. Зарядных устройств (для бытовых аккумуляторов, автомобильных и т.п.),

4. И т.п.

Схема стабилизатора тока на одном транзисторе

Рис. 2. Схема стабилизатора тока на одном транзисторе

Логика работы очень проста:

1. Ток нивелируется высокоомным резистором R2 (около 200 Ом), а задающим является низкоомный резистор R1 (1-10 Ом).

2. Связка R2 D2 применяется в качестве делителя напряжения, только вместо второго резистора используется стабилитрон (он обеспечивает дополнительную стабилизацию управляющего тока на базе транзистора).

3. В нормальном режиме ток проходит на нагрузку практически без изменений.

4. При изменении тока на базе транзистора будет нивелироваться и выходной ток на катоде, он останется слабочувствительным к колебаниям на эмиттере. То есть, на нагрузку будет подаваться достаточная сила тока даже при колебаниях напряжения на источнике питания.

Сопротивление R1 может сильно нагреваться в процессе работы, поэтому этот элемент лучше всего выполнить из нескольких резисторов. Последние должны быть не чувствительны к температурному режиму работы. Именно R1 задает выходной ток, поэтому от его калибровки будут зависеть ключевые параметры всей схемы.

Сопротивление R2 может быть заменено переменным резистором для подстройки порога насыщения транзистора. Таким образом можно будет настроить уровень выходного тока.

Диод (стабилитрон) D1 может быть заменен сопротивлением.

В качестве биполярного транзистора можно использовать один КТ818 или связку из нескольких, соединенных по схеме составного транзистора.

Указанная схема подойдет для стабилизации токов в диапазоне 0.5-5 А при напряжении питания от 9 до 45 В.

Схема на двух транзисторах

Этот способ соединения транзисторов еще называют «токовое зеркало».

Схема выглядит следующим образом.

Рис. 3. Схема на двух транзисторах

По факту, здесь транзистор VT2 имеет соединенные между собой базу и коллектор, поэтому его функционал сопоставим с классическим диодом.

На деле же идентичность параметров обоих транзисторов позволяет лучше управлять (нивелировать) коллекторным током на основном элементе VT1. А в остальном логика работы аналогична предыдущей схеме (на одном транзисторе с диодным делением).

Для чего может использоваться напряжение 12 или 24 вольт в быту

В бытовых условиях зачастую используются источники электропитания низкого напряжения. От напряжения 12 или 24В постоянного тока DС запитываются переносные/стационарные электротехнические и электронные устройства, а также некоторые осветительные приборы:

• аккумуляторные электродрели, шуруповерты и электропилы;
• стационарные насосы для полива огородов;
• аудио-видеотехника и радиоэлектронная аппаратура;
• системы видеонаблюдения и сигнализации;
• батареечные радиоприемники и плееры;
• ноутбуки (нетбуки) и планшеты;
• галогенные и LED-лампы, светодиодные ленты;

• портативные ультрафиолетовые облучатели и портативное медицинское оборудование;
• паяльные станции и электропаяльники;
• зарядные устройства мобильных телефонов и повербанков;
• слаботочные сети электропитания в местах с повышенной влажностью и системы ландшафтного освещения;
• детские игрушки, елочные гирлянды, помпы аквариумов;
• различные самодельные радиоэлектронные устройства, в том числе на популярной платформе Arduino.

Большинство устройств работает от батареек и Li-ion аккумуляторов, но использование товарных позиций не всегда оправдано с точки зрения эксплуатационных затрат. Заряжать аккумуляторные батареи можно 300–1500 раз, но гальванические элементы с большой энергоемкостью и низким током саморазряда стоят дорого. Заметно дешевле обойдется приобретение батареек, особенно солевых и щелочных, но такие элементы придётся часто менять. Тем более, что для обеспечения подающего напряжения 12 В понадобится 8 последовательно соединенных пальчиковых батареек (типа АА или ААА) или 1,5-вольтовых «таблеток» в корпусе типа 27А.

Поэтому в местах с доступом к бытовой сети 220 В 50 Гц для питания электроприемников с амперажом больше 0,1 А рациональнее использовать блок питания.

В электрической цепи автомобиля часто применяют стабилизатор напряжения 12 вольт. Необходимость установки его объясняется тем, что автомобильные источники питания (аккумуляторная батарея и генератор) различных 12-ти вольтовых электроприборов выдают постоянный ток с напряжением от 12,5 до 14 В. Такие большие колебания способны привести к повреждению и выходу из строя чувствительных и дорогостоящих светодиодных лент, противотуманных фар, магнитол. Также помимо электрических систем автомобилей подобные устройства применяются в 12-ти вольтных блоках питания, способных понижать и преобразовывать переменный ток электрической бытовой сети в более подходящий для ряда приборов постоянный.

Основные способы понижения

Например, «ходовой» трансформатор частоты 50 Гц с относительно небольшой мощностью 200 Вт, выполненный на трансформаторном железе, весит более 1 килограмма и стоит от 9–18 $. Это не только делает блок питания громоздким, но и значительно удорожает стоимость девайса.

На трансформаторах реализована классическая схема понижения и последующего преобразования переменного напряжения (АС) в постоянное (DС) по цепи «трансформатор → выпрямитель → стабилизатор».

Существует более сложная схема построения «выпрямитель → импульсный генератор → трансформатор → выпрямитель → стабилизатор» импульсного блока питания, обладающая меньшими габаритами.

Преимуществом приведенных схем является гальваническая развязка. При замыкании цепи нагрузки на «ноль» она предотвращает выход из строя аппаратуры и снижает опасность поражения человека электрическим током.

Однако самыми миниатюрными источниками питания 12 В являются бестрансформаторные блоки питания, в которых производится:

Как сделать стабилизатор тока для светодиодов?

• С помощью балластного конденсатора понижение напряжения.
• При помощи балластного резистора гасится избыточное напряжение.
• Нерегулируемым автотрансформатором снимается требуемое напряжение и сглаживается дросселем.

Балластный конденсатор

Сегодня весьма популярным среди радиолюбителей средством снижения напряжения стала установка гасящего конденсатора. Этот универсальный способ повсеместно используется для питания светодиодных ламп и в зарядных устройствах маломощных аккумуляторных батарей. Установка радиоэлемента в разрыв сети питания диодного моста позволяет получить требуемый ток в электрической цепи без рассеивания значительной мощности на тепло.

Схема простого конденсаторного (бестрансформаторного) блока питания с минимальным количеством радиоэлементов и напряжением 12 В мощностью 0,18 Вт выглядит следующим образом:

В качестве Р1 используется любое устройство, рассчитанное на постоянное напряжение 12 В с рабочим амперажом ≤ 0,15А. Конденсатор С1 – балластный, зашунтирован резистором R1. Он предназначен для предотвращения поражения электрическим током от накопленного на пластинах конденсатора С1 заряда. Со своим большим сопротивлением в сотни кОм резистор R1 не влияет на прохождение тока через емкость во время рабочей сессии.

Однако после завершения работы блока питания в течение времени , измеряемого несколькими секундами, через резистор проходит ток разряда обкладок конденсатора. Электролитический конденсатор С2, включенный параллельно нагрузке после диодного моста, сглаживает пульсации выпрямленного тока.

Виды стабилизаторов

Широко примененяются в электронике два типа интегральных стабилизаторов:

• полупроводниковый (твердотельный);
• гибридно-плёночный (с элементами изготовленными из плёнок).

Полупроводниковые стабилизаторы, в свою очередь, подразделяются ещё на несколько групп:

1. имеющие регулируемое напряжение на выходе – требуют подключения дополнительных элементов;
2. обладающие фиксированным напряжением, подаваемым на выход – являются готовым к эксплуатации изделием, не требующим необходимости дополнительных включений в схему;
3. двуполярные – используются для приборов, требующих двуполярного напряжения на выходе.

Токовое зеркало (отражатель тока)

Как указывалось выше, уменьшение напряжения стабилизации стабилитрона приводит к уменьшению потребляемого тока. Как известно минимальное напряжение на базе транзистора для его работы в качестве усилителя составляет U_BE = 0,7 В – падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер. Чтобы обеспечить такое напряжение достаточно между базой и эмиттером транзистора включить , но лучше всего использовать транзистор с закороченным коллекторным переходом, причём необходимо стараться подобрать пару с очень близкими параметрами (h_21e, I_CBO и т.д.). Такая схема, показанная ниже, называется токовым зеркалом или отражателем тока

Схема токового зеркала (отражатель тока)

Рассмотрим работу схемы, основными элементами которой являются резистор R1 и транзисторы VT1 и VT2. Коллектор и база транзистора VT1 соединены, и поэтому данный транзистор выполняет роль диода. Коллекторный ток VT1 ограничен резистором R1, а как известно напряжение U_BE и ток эмиттера I_E транзистора связывает логарифмическая зависимость

U_{BE} = U_{T} *ln (\frac{I_{E}}{I_{EO}})
I_{E} \approx \/I_{C}

где U_T – напряжение на p-n переходе зависящее от температуры,
I_EO – обратный ток насыщения эмиттера.

Таким образом, если транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры, то падение напряжение U_BE транзистора VT1 вызовет такое же падение напряжения U_BE транзистора VT2, а следовательно и коллекторный ток транзистора VT2 будет примерно равным коллекторному току транзистора VT1. Таким образом, коллекторный ток VT2 с большой степенью точности задаётся («программируется») коллекторным током VT1.

I_{CVT2} \approx \/I_{CVT1} = \frac{E_{PIT} — U_{BE}}{R1}

Как сделать 12В стабилизатор

Простые, но при этом достаточно эффективные, надежные и долговечные стабилизирующие устройства можно сделать самостоятельно, используя при этом простые стабилитроны и специальные небольшие микросхемы типа LM317, LD1084, L7812, КРЕН (КР142ЕН8Б).

Стабилизатор на LM317

Процесс сборки такого стабилизирующего напряжение устройства состоит из следующих этапов:

1. К среднему выходному контакту микросхемы припаивается 130-ти омное сопротивление.
2. К входному правому контакту припаивается проводник, подающий нестабилизированное напряжение от источника питания.
3. Левый регулировочный контакт припаивается ко второй ножке резистора, установленного на выходе микросхемы.

Процесс пайки такого стабилизатора занимает не более 10 минут и с учетом недорогой микросхемы не требует больших капиталовложений. При помощи подобного устройства запитывают светодиодные фонари, ленты.

Микросхема LD1084

Сборка устройства для стабилизации напряжения автомобильной бортовой сети с использованием микросхемы LD1084 производится следующим образом:

1. К входному контакту микросхемы припаивается проводник с плюсовым напряжением от диодного моста.
2. К регулировочному контакту припаивается эмиттер биполярного транзистора, базу которого через два резистора номиналом 1 кОм питает ток ближнего и дальнего света фар.
3. К контакту выхода припаивается два резистора (один – обычный на 120 Ом, а второй – подстроечный, на 4,7кОм) и электролитический конденсатор на 10 мкФ

Для сглаживания пульсации тока после диодного моста устанавливается еще один электролитический конденсатор емкостью 10 мкф.

Стабилизатор на диодах и плате L7812

Простой интегральный выравниватель на диоде Шоттки и двух конденсаторах собирают следующим образом:

1. К входному контакту микросхемы припаивается: диод типа 1N4007, анод которого при помощи провода соединяется с плюсом источника питания, плюсовая обкладка мощного 16-ти вольтного электролитического конденсатора емкостью 330 мкФ.
2. К правому выходному контакту припаивается нагрузка и ножка плюсовой обкладки 16-ти вольтного электролитического конденсатора на 100 мкФ.
3. К среднему регулировочному контакту припаивается минус, идущий от батареи, и провод от минусовых обкладок конденсаторов.

От такого простого устройства можно запитывать мощные ленты из светодиодов и магнитолу.

Самый простой стабилизатор — плата КРЕН

Схема стабилизатор напряжения на 12 вольт на основе платы крен (КР142ЕН8Б) включает в себя следующие компоненты:

• Припаянный к входному контакту выпрямляющий диод типа 1N4007.
• Микросхему КР142ЕН8Б либо KIA7812A.
• Два провода, припаянные к выходному и регулировочному контакту микросхемы и соединенные с нагрузкой и минусом источника питания.

Конструкция на плате КРЕН является самой простой и быстрой в сборке. При этом эффективность и область применения у нее такая же, как и у других самодельных аналогов.

Схема подключения стабилизатора напряжения 12 В на базе LM2940CT-12.0

Корпус стабилизатора можно выполнить практически из любого материала, кроме дерева. При использовании более 10-ти светодиодов, рекомендуется к стабильнику приделать алюминиевый радиатор.

Некоторые считают, что можно запросто обойтись без лишних заморочек, напрямую подключив светодиоды. Но в этом случае последние большую часть времени будут находиться в неблагоприятных условиях, а значит прослужат недолго или вовсе сгорят. А ведь тюнинг дорогих авто выливается в довольно крупную сумму!

По поводу описанных схем, их главное достоинство — простота монтажа. Для изготовления не требуется особых навыков и умений. Впрочем, если схема слишком сложная, то собирать её своими руками становится не рационально.

Узнайте больше о стабилизаторе L7812

Идеальный вариант подключения светодиодов в авто — через стабилизатор напряжения 12 вольт. Устройство уравновешивает колебания, с его использованием уже не будут страшны броски тока. При этом необходимо соблюдать требования к электропитанию. Это позволит подстроить свой стабилизатор под сеть.

Аппарат должен обеспечивать максимальную надежность, устойчивость и стабильность, желательно на долгие годы. Стоимость собранных устройств зависит от того, где детали будут покупаться.

Видео с пошаговой инструкцией спайки простого стабилизатора напряжения 12 В:

Источник