Меню

Импульсные двухполярные стабилизаторы напряжения



Импульсный стабилизатор напряжения

Преобразование напряжения необходимо для того, чтобы реализовать возможность работы различных устройств от сети переменного тока. Кроме того, питание электронных схем разными величинами напряжения вынуждает выполнять не только превращение переменного электричества в постоянное, но и повышение или понижение разности потенциалов до нужных параметров.

Импульсный преобразователь напряжения

Основы импульсного преобразования

Работа подобных устройств, их ещё называют импульсными стабилизаторами (ИС), основана на ключевой стабилизации. В схеме имеется элемент, который выполняет регулировку выходных параметров за счёт своего запирания-отпирания.

В обычную трансформаторную схему входит трансформатор низкой частоты, имеющий первичную и вторичную обмотку. Импульсное преобразование тоже подразумевает наличие трансформатора, но уже высокочастотного.

Внимание! Высокочастотные импульсные трансформаторы обладают меньшими габаритами, дешевле, но их мощность выше.

Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) допускают использование схем трёх типов:

  • повышающей;
  • понижающей;
  • инверторной.

ИПН обладают высоким КПД и малыми габаритами. Они включают в свой состав следующие элементы:

  • блок питания (источник питания);
  • ключ – элемент коммутации;
  • накопитель энергии индуктивной природы – дроссель, катушка;
  • диод блокировки;
  • фильтр выходного напряжения – конденсатор большой емкости.

Фильтр обычно включается параллельно нагрузке.

Принцип работы

Импульсный стабилизатор напряжения использует принцип сравнения опорного напряжения с напряжением на выходе. Схема позволяет регулировать длительность открытия ключа. Входное напряжение от источника питания (ИП) пропускается ключом по сигналу управления заданными частями (импульсами) с учётом того, что средний потенциал (пониженный или повышенный) был стабильным.

Блок-схема ИС

Сравнение с линейным стабилизатором

Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.

К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.

У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.

В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.

Функциональные схемы по типу цепи управления

По виду управляющей цепи можно выделить несколько рабочих схем, включающих в себя:

  • триггер Шмитта;
  • ШИМ – широтно-импульсную модуляцию;
  • ЧИМ – частотно-импульсную модуляцию.

Важно! Импульсные стабилизаторы – это устройство с автоматическим регулированием, ориентирующееся на опорное напряжение, которое служит эталонным параметром для схемы регулирования.

Блок-схемы ИПН с триггером Шмитта и ШИМ

С триггером Шмитта

При таком построении схемы стабилизации верхний и нижний пороги срабатывания триггера сравниваются с Uвх. Для этой цели используется компаратор – устройство сравнения. Ключ размыкается в момент, когда выходное напряжение сравняется с напряжением срабатывания триггера (Umax). Энергия, накопившаяся за это время, выдаётся на нагрузку, и Uвых после этого спадает. Как только её величина достигнет Umin (нижнего порога), триггер переключается, замыкая ключ.

Такой способ называется стабилизацией с двухпозиционной регулировкой или релейной. Схемы с триггером Шмитта имеют на выходе устройства напряжения с величиной пульсации, обусловленной разностью порогов срабатывания. Эту пульсацию практически устранить невозможно.

В ИС с триггером Шмитта частотное преобразование зависит от Uвх и Iн (тока нагрузки) и является переменным.

С широтно-импульсной модуляцией

На выходе таких схем получают Uср (среднее), на которое влияют скважность импульсов и Uвх. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой схему сравнения Uвых и Uоп (опорного) путём вычитания и последующего усиления. Результат поступает на модулятор, который подстраивает свои параметры в зависимости от этого результата.

Модулятор изменяет (в сторону увеличения) отношение времени, при котором ключ открыт, к периоду тактового импульса генератора, если Uвых С частотно-импульсной модуляцией

Подобные сборки отличаются тем, что скважность импульсов (частота) напрямую зависит от понижения Uвх или увеличения Iн. При этом длительность отпирающего ключ импульса неизменна. Частота подачи импульсов подчинена сигналу разности Uвых и Uоп. Моностабильный мультивибратор, имеющий управляемую запускающую частоту, может смело справиться с подачей команд на ключ.

Моностабильный мультивибратор на транзисторах

Основные схемы силовой части

В зависимости от назначения ИС, можно выделить три базовых модели его построения:

  • понижающая;
  • повышающая;
  • инвертирующая.

Независимо от конструктивного исполнения и назначения ИС, устройствами, использующимися в роли ключа, могут быть:

  • тиристор;
  • транзистор (биполярный или полевой).

Основная задача подобного элемента – отрываться или закрываться по команде, поступающей на управляющий электрод.

Преобразователь с понижением напряжения

Обычно уменьшить величину напряжения необходимо чаще, потому такие ИС более востребованы.

Простейшая схема понижающего ИС

У понижающего стабилизатора напряжения, приведённого на схеме, ключ на полевом транзисторе VT1 откроется при подаче на него управляющего напряжения. Ток от плюсовой клеммы будет поступать на нагрузку через сглаживающий дроссель L1. Включенный параллельно в цепь диод VD1 в данный момент не пропускает ток. После размыкания ключа цепь тока следующая: дроссель L1 – нагрузка – общий провод – диод VD1 – дроссель L1. При этом ток, проходящий через дроссель, не прекратится мгновенно, а будет постепенно уменьшаться.

Важно! У дросселей, имеющих большую индуктивность, он не становится равным нулю до начала следующего открытия ключа. Установка таких элементов нецелесообразна из-за увеличения габаритов и стоимости.

Конденсатор C1 в это время будет разряжаться на нагрузку и поддерживать U вых. Емкость C вместе с индуктивностью L образует фильтр, снижающий размах пульсаций.

Преобразователь с повышением напряжения

В отличие от понижения Uвх, этот тип схем используют для питания цепей нагрузки, которым для работы необходимо напряжение выше, чем у источника.

Повышающий ИС

Компоненты схемы те же самые, но включены иначе. При открытом транзисторе диод закрыт, и на дросселе линейно нарастает ток. При запирании ключа ток начинает двигаться по цепи: плюсовая клемма – дроссель L1 – диод VD1 – нагрузка – минусовая клемма. Конденсатор C1 в это время будет заряжаться. Он будет поддерживать ток на нагрузке во время своего разряда на неё при следующем открытии ключа.

Инвертирующий преобразователь

Подобная сборка также не имеет гальванической развязки между входным и выходным каскадами. В ней совсем иное включение дросселя, конденсатора и нагрузки. Они расположены параллельно.

Инвертирующий ИС

При открытом ключе VT1 ток протекает по цепи: плюсовая клемма – транзистор – дроссель – минусовая клемма. Дроссель накапливает энергию при содействии магнитного поля. Когда транзистор закрывается, то цепь прохождения тока меняется: дроссель – конденсатор C1 – диод VD1 – дроссель. Энергия дросселя и энергия конденсатора будут полностью отдаваться нагрузке. Амплитуда пульсации целиком зависит от ёмкости C1. В этот момент напряжение на нагрузке не меняется, несмотря на то, что ток через С1 спадает почти до нуля.

Читайте также:  Электронные регуляторы напряжения 220в для

Кстати. Выходное напряжение у инвертирующих ИС может отличаться от напряжения источника питания, как в большую, так и в меньшую сторону.

Влияние диода на КПД

Включенный в электрическую цепь диод вызывает на себе падение напряжения от 0,4 до 0,7 В. При токе от нескольких ампер и низком Uвых на элементе происходит потеря мощности, что приводит к снижению КПД. Применяют альтернативный вариант – замену диода на полевой транзистор. Подбирают такой, чтобы в открытом состоянии падение напряжения на нём было минимальным.

Внимание! Можно в схемах вместо диода поставить ещё один ключ, который будет работать в противофазе с основным.

Гальваническая развязка

Чтобы обезопасить человека при эксплуатации ИС, применяют гальваническую развязку. Для этого включают в схему разделительный трансформатор или дроссель с дополнительной обмоткой. На рабочих частотах 20 кГц – 1 МГц они не столь габаритны, как трансформаторы для частоты переменного тока 50 Гц. В управляющих цепях для развязки устанавливают оптроны (оптопары).

Особенности использования

Импульсные стабилизаторы могут использоваться как драйверы для светодиодов и led-ламп. Кроме того, их применяют в различных устройствах, таких как:

  • блоки питания ЖК телеприёмников;
  • оборудование навигации;
  • источники питания для компьютеров и устройств цифровых систем.

Импульсные стабилизаторы используют для зарядных устройств и преобразования переменного тока в постоянное электричество.

Фильтрация импульсных помех

Сильные помехи, издаваемые импульсным стабилизатором напряжения (ИСН) в моменты коммутации ключа (броски тока и напряжения), необходимо подавлять. Для этого требуется применять фильтры и размещать их на входе и выходе.

Входное сопротивление

У ИСН, работающих под нагрузкой, при увеличении Uвх уменьшается ток на входе (Iвх). Это значит его входное сопротивление отрицательно дифференциальное. При подключении ИСН к источникам, у которых внутреннее сопротивление велико, возможна нестабильная работа.

Использование в сетях переменного тока

Для подключения к источнику переменного тока перед ИСН устанавливают выпрямитель и фильтр. Эта зона, где возникает опасность поражения человека током. Элементы, входящие в эту зону, должны быть закрыты от прикосновения или отмечены маркером (графическое и цветовое предупреждение).

Преимущества и недостатки

Все плюсы и минусы для импульсных стабилизаторов можно свести в одну таблицу.

Достоинства и недостатки ИСН

Преимущества ОС-регулирования

Обратная связь при регулировании напряжения в ИС является важной опцией для импульсных стабилизаторов. Она позволяет поддерживать на выходе устройства напряжение стабильной величины, чутко следя за бросками напряжения и тока. В ИСН применяется широкополосная ОС (чем шире интервал частот, тем меньше уровень пульсации в результате).

Доступность на рынке радиодеталей комплектующих для построения ИСН даёт возможность собрать своими руками любую из схем импульсных стабилизаторов. Использование в них готовых стабилизаторов на интегральных микросхемах (ИМС) и ключей на полевых транзисторах делает устройство максимально компактным.

Видео

Источник

Двухполярные стабилизаторы напряжения для микроконтроллеров

Если имеются стабилизаторы положительного напряжения, то по логике вещей должны быть и стабилизаторы отрицательного напряжения. Строятся они по комплементарным симметричным схемам, т.е. с другой структурой проводимости транзисторов и с противоположной полярностью включения диодов, стабилитронов, электролитических конденсаторов.

Классификация стабилизаторов отрицательного и положительного напряжения одинакова: параметрические на стабилитронах и компенсационные на интегральных микросхемах. В последнем случае выручает схожесть названий. Например, эквивалентом для «положительной» серии 78хх является «отрицательная» серия 79хх.

Сам по себе стабилизатор отрицательного напряжения интереса не представляет (всё в мире относительно!). Эффект от его применения наблюдается только при двухполярном питании. Такая необходимость возникает, в частности, если в устройстве кроме МК используются внешние ОУ, коммутаторы, АЦП.

На выходах стабилизаторов положительного и отрицательного напряжения ставят сглаживающие электролитические конденсаторы. В малогабаритной аппаратуре удобно применять «SMD-столбики» ёмкостью 1. 10000 мкФ, рассчитанные на рабочее напряжение 6.3. 100 В. Кроме того, при выборе типа электролитического конденсатора надо учитывать динамические параметры. Наиболее показательными из них являются предельный ток пульсаций RIPPLE (Ripple Current) — чем он больше, тем лучше, а также эквивалентное последовательное сопротивление ESR (Equivalent Series Resistance, по-русски ЭПС) — чем оно меньше, тем лучше. Динамические параметры для зарубежных конденсаторов нормируются на частоте 120 Гц или в диапазоне 100. 300 кГц.

Конденсатор, рассчитанный на большее напряжение, имеет меньшее сопротивление ESR. Например, у конденсатора 1000 мкФхб.З В по даташиту ESR = 53 мОм, а у конденсатора 1000 мкФх1б В по даташиту ESR = 23 мОм. Дальнейшее увеличение напряжения с 16 В до 35. 100 В не приводит к заметному снижению ESR. Следовательно, при питании МК от 5 В лучше поставить между Усс и GND конденсаторы с напряжением 16 В, а не на 6.3 В (заодно повышается надёжность работы).

Двухполярные стабилизаторы напряжения

ESR одного «большого» конденсатора обычно выше, чем ESR двух параллельных конденсаторов вдвое меньшей ёмкости, что видно из Табл. 6.4, поэтому выгодно по питанию запаять много «мелких» конденсаторов, равномерно распределяя их на печатной плате.

На Рис. 6.7, а. е показаны схемы параметрических, а Рис. 6.8, а. г — компенсационных двухполярных стабилизаторов напряжения.

Двухполярные стабилизаторы напряжения

Рис. 6.7. Схемы параметрических двухполярных стабилизаторов напряжения <начало)'.

а) два однополупериодных выпрямителя на элементах VDI, C1 и VD2, С2обеспечивают двух-полярное питание. Одинаковые стабилитроны VD3, VD4 создают примерно равную нагрузку на трансформатор 77 при положительной и отрицательной полуволнах сетевого напряжения. Это необходимо для устранения подмагничивания сердечника трансформатора 77. С той же целью применяется двухцветный (а не одноцветный) индикатор питания HL1, который проводит ток попеременно в обоих направлениях и светится суммарным жёлтым цветом;

б) двухполупериодный мостовой выпрямитель со средней точкой во вторичной обмотке трансформатора 77. Два стабилизатора напряжения выполнены по симметричным схемам. Они содержат стабилитроны VD2, VD3 и усилители тока на транзисторах VTI, VT2. Частота пульсаций двухполупериодной схемы — 100 Гц, что пригодится при расчёте необходимой ёмкости конденсаторов С1. С4

в) источник несимметричного двухполярного питания на батареях GBI, GB2. Эффект стабилизации создают сами батареи, поскольку они длительное время поддерживают на своих зажимах почти не изменяющееся напряжение; О

Двухполярные стабилизаторы напряжения

Рис. 6.7. Схемы параметрических двухполярных стабилизаторов напряжения (окончание):

г) получение двухполярного стабилизированного напряжения от трёхфазной сети 380 В. Конденсаторы C1. СЗбалластные. Снижение пульсаций на входе осуществляется фильтрами L1, С4, L2, С5, а на выходе — конденсаторами С6, С7. Транзисторы VTI, VT2 применяются одинаковой проводимости, поскольку не существует трёхвыводных стабилитронов VD7, VD8 обратной, т.е. «отрицательной», полярности. Аналогичную схемотехнику можно использовать и в сети 220 В, подавая переменное напряжение с диодного моста прямо на катушки индуктивности L1, L2. Ёмкости всех электролитических конденсаторов фильтра придётся увеличить, поскольку в трёхфазном выпрямителе частота пульсаций выше;

д) двухполярное питание от батареи GB1 с искусственной средней точкой на низкоомном делителе RI, R2. Собственно стабилизатором является сама батарея, которая поддерживает мало изменяющееся напряжение на своих зажимах вплоть до момента полного разряда. Конденсаторы C1. С5 снижают импеданс источника питания на низких и высоких частотах. Все электро-литтические конденсаторы в целях унификации можно выбрать одинаковыми на 16 В, несмотря на то, что рабочее напряжение конденсаторов С2, СЗ может быть меньше, чем у C1;

Читайте также:  Msi afterburner как понизить напряжение

е) двухполярное питание обеспечивают два трёхвыводных стабилитрона VDI, VD2. Если не требуется двухполярное питание, то можно использовать однополярное 5 В, подключив общий провод GND к цепи -2.5 В, а положительный вывод Vcc — к цепи +2.5 В.

Двухполярные стабилизаторы напряжения

Рис. 6.8. Схемы компенсационных двухполярных стабилизаторов напряжения:

а) организация искусственной средней точки от одного источника питания. Компенсационный стабилизатор DA 1 находится в канале положительного напряжения, а параметрический стабилизатор на диодах VD2. VD4 — в канале отрицательного напряжения;

б) микросхема DAJ понижает входное напряжение до +5 В, а преобразователь DA2 (фирма Calogic Corporation) инвертирует полярность с сохранением абсолютного значения. Суммарный ток нагрузки по цепям +5 и -5 В не должен превышать 100 мА (максимально допустимый ток для DA1). Напряжение в канале -5 В зависит оттока нагрузки больше, чем в канале +5 В;

в)двухполярный стабилизатор напряжения на комплементарных микросхемах DAI, DA2. Диоды VD2, VD3 защищают радиоэлементы в каналах +5 и -5 В от подачи обратного напряжения. Такое может случиться при аварии или переходных процессах, когда одно из напряжений временно отсутствует. Если сопротивление Rn очень велико, то диоды VD2, VD3 не нужны;

г) стабилизаторы DAI, DA2 такого же типа, но в «перевёрнутом» включении.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Источник

Усовершенствованный двуполярный стабилизатор на ОУ и мощных полевых транзисторах с токовой защитой и ультранизким уровнем пульсаций

ON Semiconductor MC34072 MOC3023

Алексей Кузьминов, Москва

В статье приведены принципиальные схемы, разводка плат и фотографии двуполярного стабилизатора напряжений ±14 В с максимальными токами 9.5 А по каждому из них на базе ОУ MC34072AMTTBG/MC33072P и мощных p- и n-канальных полевых транзисторов SUP90P06/IRF3205 с защитой по току с порогом 10 А. Применение транзисторов двух типов проводимости и классических схем стабилизаторов на их основе привело к снижению уровня пульсаций выходных напряжений до ¼ мВ на максимальных токах.

Введение

В статье автора [1] (см. Рисунок 1 в [1]) приведены функциональные схемы стабилизаторов, основанные на ОУ и мощных p- и n-канальных полевых транзисторах, включенных по классической схеме (входное напряжение подается на сток, выходное снимается с истока) и по схеме с «перевернутым транзистором» (входное напряжение подается на исток, выходное снимается со стока), то есть, всего четыре варианта. В этой же статье показано, что если в стабилизаторе положительной полярности использовать n-канальный полевой транзистор, включенный по классической схеме (Рисунок 1а в [1]), а в стабилизаторе отрицательной полярности – также n-канальный транзистор, но «перевернутый» (Рисунок 1г в [1]), то такая схема обладает преимуществом, поскольку в ней используются только n-канальные транзисторы, которые при прочих равных условиях, во-первых, дешевле p-канальных и, во-вторых, имеют лучшие характеристики (например, бóльшую крутизну и меньшее сопротивление сток-исток в открытом состоянии). Однако, как показал эксперимент автора, на уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов оказывают влияние отнюдь не выдающиеся характеристики транзисторов, а способ их включения. В частности, если в двуполярном стабилизаторе оба транзистора (p- и n-канальный) включены по классической схеме (Рисунки 1а и 1в в [1]), то пульсации выходных напряжений могут быть существенно снижены. Объяснением этому, по-видимому, служит относительно бóльшая функциональная симметрия двух стабилизаторов (положительного и отрицательного напряжений), а также идентичный принцип их работы. Что касается стоимости p-канальных транзисторов, то, хотя она и выше стоимости n-канальных, но не настолько существенно, чтобы не использовать p-канальные транзисторы вообще. А вот для достижения большей функциональной симметрии стабилизаторов желательно в них использовать p- и n-канальные транзисторы с близкими параметрами. В основном к таких параметрам относится крутизна передаточной характеристики (gfs), показывающая, на сколько ампер изменится ток стока при изменении напряжения затвор-исток на 1 вольт, и измеряющаяся в этих же единицах (А/В или сименсах – См), а также сопротивление сток (D) – исток (S) транзистора в открытом (on) состоянии (RDS(on)), измеряющееся в омах (а, точнее, в мОм). Остальные характеристики транзисторов существенного влияния на уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов не имеют.

Рисунок 1. Схемы стабилизаторов +14 В (а) и –14 В (б) на базе ОУ MC34072MTTBG.

В Таблице 1 приведены характеристики некоторых наиболее распространенных мощных p- и n-канальных полевых транзисторов (gfs и RDS(on)), причем, транзисторы в ней расположены таким образом, чтобы каждому p- канальному транзистору соответствовал n-канальный транзистор с идентичными (или близкими) параметрами. Например, если использовать транзистор SUP90P06 (gfs = 40 А/В, RDS(on) = 8 мОм), то ему должен соответствовать транзистор IRF3205 (gfs = 44 А/В, RDS(on) = 8 мОм) и т.п. Кроме того, в Таблице 1 транзисторы расположены в порядке уменьшения крутизны gfs.

Таким образом, резюмируя вышесказанное, дальнейшее изложение будет построено следующим образом. Вначале будут приведены принципиальные схемы, как самого двуполярного стабилизатора, так и некоторых вспомогательных устройств, предназначенных для его работы, затем будут приведены разводка плат и фотографии реального устройства. Далее будет рассказано об испытании устройства и полученных результатах.

Принципиальные схемы стабилизаторов

Как видно из Рисунка 1а, схема стабилизатора +14 В практически повторяет схему аналогичного стабилизатора, подробно описанного в [1] (см. Рисунок 3 в [1]), в связи с чем, на взгляд автора, в пояснениях не нуждается. Разница заключается только в использовании иного транзистора VT1 (IRF3205 вместо IRF3205Z [1] с существенно большей крутизной) и иных номиналах резисторов делителя R9, R10, R11 (соответствующих R3, R4, R5 в [1]), позволяющих более точно выставить выходное напряжение стабилизатора. А вот схема стабилизатора –14 В (Рисунок 1б) существенно изменена, поскольку в ней использован уже p-канальный транзистор (VT1). Однако если внимательно присмотреться к схеме Рисунок 1б, то можно обнаружить, что она практически идентична схеме Рисунок 1а. Разница заключается в использовании p-канального транзистора VT1 (вместо n-канального в схеме Рисунок 1а), в противоположной полярности включения электролитических конденсаторов (C2, C5, C8), диодов (VD2, VD3), стабилитронов (VD4), источников стабильного тока (DA2) и инфракрасных светодиодов оптосимисторов DA3. Благодаря функциональной идентичности двух схем (Рисунки 1а и 1б) и получается их относительная функциональная симметрия, о которой говорилось выше и которая приводит к существенному снижению уровня пульсаций выходных напряжений стабилизаторов (см. далее). В схемах Рисунок 1 жирным обозначены силовые проводники (сечением не менее 1.5 мм 2 ).

Рисунок 2. Альтернативная замена LM334 на J511: а – для стабилизатора +14 В, б – для стабилизатора –14 В.
Рисунок 3. Схемы индикации наличия положительного (а)
и отрицательного (б) выходных напряжений и
перегрузки.

В схеме Рисунок 1 показаны номера выводов для микросхемы ОУ MC34072AMTTBG в сверхминиатюрном корпусе WQFN10 размером 2.6×2.6 мм. Вместо нее можно использовать микросхему ОУ MC33072P с теми же характеристиками, но в корпусе DIP8. Номера выводов для MC33072P, естественно, иные, однако, чтобы не усложнять схему, на Рисунке 1 они не указаны (их можно найти в справочном листке или на разводке – см. далее).

Рисунок 5. Опции для схемы Рисунке 4: а – схема альтернативной замены
выпрямительных диодов, б – схема принудительного разряда
сглаживающих конденсаторов (C1, C2 – слева, C3, C4 –
справа) с помощью кнопок.

К вспомогательным схемам относятся: схема альтернативной замены источника стабильного тока на микросхеме DA2 (LM334Z) на диодный стабилизатор тока VD5 (J511) – Рисунок 2, схема индикации наличия выходных напряжений стабилизаторов и перегрузки (Рисунок 3), подробно описанная в [1], схема подключения стабилизаторов к выпрямителям и выходному разъему (Рисунок 4), схема альтернативной замены диодов выпрямителей (Рисунок 5а) и, наконец, схема принудительного разряда электролитических конденсаторов с помощью кнопок (Рисунок 5б) при повторном включении питания, если возникнет перегрузка (об этом режиме также подробно рассказано в [1]). В связи с простотой вспомогательных схем, на взгляд автора, в подробном описании их функционирования нет необходимости.

Разводка платы и внешний вид устройства

Рисунок 6. Вариант разводки платы стабилизаторов (для схемы Рисунок 1).

Из разводки платы (Рисунок 6), сделанной автором с помощью программы Sprint Layout 6.0, и eе фотографий (Рисунок 7), можно составить представление о ее размерах и внешнем виде. Поскольку разводка платы с микросхемой MC34072AMTTBG приведена на Рисунке 6 в чисто иллюстративных целях (по ней изготовить плату невозможно), разводка платы с микросхемой MC33072P не приводится. Для изготовления же плат в разделе «Загрузки» дана ссылка на файл разводки в формате *.lay6 для обеих плат (на базе MC34072AMTTBG и MC33072P). Фотография платы с микросхемой MC33072P для экономии места в статье также не приводится (плата имеет примерно такой же вид, как и плата, показанная на Рисунке 7).

Фотографии платы стабилизаторов: а - вид со стороны дорожек, б - вид с обратной стороны.
Фотографии платы стабилизаторов: а - вид со стороны дорожек, б - вид с обратной стороны.
Рисунок 7. Фотографии платы стабилизаторов: а – вид со стороны дорожек,
б – вид с обратной стороны.

Здесь следует отметить один нюанс, касающийся как самой разводки, так и изготовления плат, и, возможно, повлиявший на существенно сниженный уровень пульсаций выходных напряжений стабилизаторов. Хотя разводка, показанная на Рисунке 6, и односторонняя, т.е. вторая сторона платы не используется, эту вторую сторону можно использовать как дополнительный «земляной» контур. В этом случае плата будет уже двусторонней, причем, поскольку компоненты навесного монтажа расположены на слое платы, противоположном слою дорожек, и припаяны к контактным площадкам через сквозные отверстия, на слое, где расположен «земляной» контур, для выводов компонентов навесного монтажа, не контактирующих с «землей», должны быть предусмотрены своего рода «прогалины». Как развести и изготовить подобную плату своими силами, подробно описано в статье автора [2]. В приведенном в дополнительных материалах к статье файле разводки используются обе стороны, однако, если изготовление двусторонней платы по каким-то причинам затруднено, платы могут быть изготовлены полностью односторонними. В этом случае, возможно, уровень пульсаций выходных напряжений будет чуть и увеличен, однако, по опыту автора, – не более чем в 1.5 – 2 раза.

Результаты испытаний стабилизаторов

Испытания стабилизаторов проводились по той же методике, что и в [1], которая там подробно описана, поэтому здесь не приводится. На Рисунке 8 показаны осциллограммы пульсаций входных и выходных напряжений стабилизаторов. Если сравнить эти осциллограммы с осциллограммами, приведенными на Рисунке 12 в [1], то можно заметить, что уровень пульсаций выходных напряжений снизился в 2 раза (для +14 В – 160 мкВ против 320 мкВ в [1], и для –14 В – 240 мкВ против 480 мкВ в [1]). Здесь, как говорят, комментарии излишни.

Осциллограммы пульсаций входных (желтый) и выходных (бирюзовый) напряжений стабилизаторов при токе 9.5 А: a - положительного (+14 В), б - отрицательного (-14 В).
Осциллограммы пульсаций входных (желтый) и выходных (бирюзовый) напряжений стабилизаторов при токе 9.5 А: a - положительного (+14 В), б - отрицательного (-14 В).
Рисунок 8. Осциллограммы пульсаций входных (желтый) и выходных (бирюзовый)
напряжений стабилизаторов при токе 9.5 А: a – положительного (+14 В),
б – отрицательного (–14 В).

Подсчитаем, во сколько раз размах пульсаций выходных напряжений меньше размаха пульсаций входных. Для Рисунка 8а имеем: 980 мВ/0.16 мВ = 6125 или 75.74 дБ ≈ 76 дБ. Для Рисунка 8б: 1000 мВ/0.24 мВ = 4167 или 72.39 дБ ≈ 72 дБ.

Изменения выходных напряжений стабилизаторов в зависимости от изменения тока нагрузки в диапазоне от 0 (без нагрузки) до 9.5 А не отличаются от тех, что приведены в [1], и составляют не более ±10 мВ.

Что касается применений описанного двуполярного стабилизатора, то их может быть несколько, однако автор использовал его для питания мощного двухканального УМЗЧ [3]. Вероятно, у читателя могут возникнуть сомнения в использовании ИП с такими относительно низкими значениями выходных напряжений (±14 В), поскольку, как правило, для питания достаточно мощных (40 – 50 Вт ) УМЗЧ используются напряжения существенно выше (±25 В – ±35 В). Приведенные ниже некоторые соображения, на взгляд автора, эти сомнения могут рассеять.

При двуполярном питании напряжениями ±14 В УМЗЧ, сконструированный на базе хорошо известной микросхемы мощного ОУ LM3886 (или его сдвоенного аналога LM4780), работающего в мостовом режиме, этот ОУ способен без искажений воспроизвести сигнал амплитудой на 2.5 В меньше напряжений питания (2.5 В – так называемое напряжение ограничения или Clipping Voltage), т.e. его амплитуда не может превышать 14 В – 2.5 В = 11.5 В. Но уже при амплитуде 9 В (т.е. на 2.5 В меньше 11.5 В, или с запасом в 2.5 В) на нагрузке 4 Ом при использовании этого ОУ в мостовом режиме (см., например, [3]) амплитуда синусоидального сигнала будет удвоена и составит 18 В, выходной ток – 4.5 А, а действующее значение его мощности (как нетрудно подсчитать) будет равно 40.5 Вт. Если использовать два канала, то ток достигнет 9 А, однако не будет превышать максимальный ток 9.5 А, на который рассчитан описываемый стабилизатор. Для справки: предельная синусоидальная мощность акустических систем 35 АС-016 с номинальным электрическим сопротивлением 4 Ом (по паспорту) составляет 35 Вт. Так что мощности 40.5 Вт вполне хватит (и даже еще останется). К тому же реальная мощность звукового сигнала, а точнее, – музыкального (с теми же максимальными мгновенными значениями амплитуд, что и у синусоидального сигнала) существенно меньше синусоидальной мощности, а при воспроизведении музыкального сигнала в ¾ громкости (мощности) акустической системой 35 АС-016 уже начинают дрожать стекла…

Заключение

Применение в описанном двуполярном ИП полевых транзисторов двух типов проводимости, включенных по классическим схемам стабилизаторов, снижает уровни пульсаций выходных напряжений до ¼ мВ и ниже на максимальных токах до 9.5 А. При использовании в выпрямителе сглаживающих конденсаторов емкостью всего 44,000 мкФ отношение размаха пульсаций входных напряжений стабилизаторов (около 1 В) к размаху пульсаций выходных составляет не менее 4000 или не менее 72 дБ.

Источник