Типы стабилизаторов
15 лет назад на первом курсе я сдавал зачёты по предмету «Источники питания» для радиоэлектронной аппаратуры. Начиная с тех пор и до сегодняшнего времени, самым народным и популярным остаётся микросхема LM317 и её аналоги, которая относится к классу линейных стабилизаторов.
На данный момент есть несколько видов стабилизаторов напряжения и тока:
- линейные до 10А и входным напряжением до 40В;
- импульсные с высоким входным напряжением, понижающие;
- импульсные с низким входным напряжением, повышающие.
На импульсном ШИМ контроллере обычно от 3 до 7 ампер по характеристикам. В реальности зависит от системы охлаждения и КПД в конкретном режиме. Повышающий из низкого входного напряжения на выходе делает более высокое. Такой вариант используется для питания светодиодов от блоков питания с малым количеством вольт. Например в автомобиле, когда из 12В надо сделать 19В или 45В. С понижающим проще, высокое снижается до нужного уровня.
Про все способы питания светодиодов читайте в статье «Как подключить светодиод к 12 и 220В». Отдельно описаны схемы подключения от простейших за 20 руб до полноценных блоков с хорошим функционалом.
По функционалу они делятся на специализированные и универсальные. Универсальные модули обычно имеют 2 переменных сопротивления, для настройки Вольт и Ампер на выходе. Специализированные чаще всего не имеют построечных элементов и значения на выходе фиксированы. Среди специализированных, распространены стабилизаторы тока для светодиодов, схемы в большом количестве есть в интернете.
LM317
Применение LM317 (крен) даже не требует каких либо навыков и знаний по электронике. Количество внешних элементов в схемах минимально, поэтому это доступный вариант для любого. Её цена очень низкая, возможности и применение многократно испытаны и проверены. Только она требует хорошего охлаждения, это её основной недостаток. Единственное стоит опасаться низкокачественных китайских микросхем ЛМ317, которые имеют параметры похуже.
Микросхемы линейной стабилизации из-за отсутствия лишних шумов на выходе, использовал для питания высококачественных ЦАП класса Hi-Fi и Hi-End. Для ЦАП огромную роль играет чистота питания, поэтому некоторые используют аккумуляторы для этого.
Максимальная сила для LM317 составляет 1,5 Ампера. Для увеличения количества ампер можно добавить в схему полевой транзистор или обычный. На выходе можно будет получить до 10А, задаётся низкоомным сопротивлением. На данной схеме основную нагрузку на себя берёт транзистор КТ825.
Другой способ, это поставить аналог с более высокими техническими характеристиками на большую систему охлаждения.
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).
Стабилизаторы на микросхемах
Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.
Последовательный стабилизатор
- 1 – источник напряжения;
- 2 – Элемент регулировки;
- 3 – усилитель;
- 4 – источник основного напряжения;
- 5 – определитель напряжения выхода;
- 6 – сопротивление нагрузки.
Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.
Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.
Параллельный стабилизатор
- 1 – источник напряжения;
- 2 –элемент регулирующий;
- 3 – усилитель;
- 4 – источник основного напряжения;
- 5 – измерительный элемент;
- 6 – сопротивление нагрузки.
Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.
Вы здесь
Главная › Инженеру-конструктору › 3. Электрооборудование, электроустановки › 3. Раздел 3.
Для получения более постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 1. В таком устройстве работают стабилитрон V5
и регулирующий транзисторV6 . Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряженияUн и максимального тока нагрузкиIн . Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сначала рассчитывают стабилизатор, а затем — выпрямитель и трансформатор питания. Расчет стабилизатора ведут в следующем порядке.
1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (Uвып)
при заданном выходном(Uн) :
Советуем изучить Как подключить два телевизора к одной антенне: можно ли к активной
Uвып = Uн + 3
,
Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и германиевых транзисторов. Если стабилизатор будет подключаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения Uвып
2. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзистором мощность:
Рmах = 1,3 (Uвып — Uн) Iн
,
3. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Рmax
, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором — большеUвып , а максимально допустимый ток коллектора — большеIн .
4. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:
Iб.макс = Iн / h21Э min
,
где: h21Эmin — минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора.
.
Iб max
6. Подсчитывают сопротивление резистора R1
R1 = (Uвып — Uст) / (Iб max + Iст min)
,
Здесь R1 — сопротивление резистора R1, Ом; Uст — напряжение стабилизации стабилитрона, В; Iб.max — вычисленное значение максимального тока базы транзистора, мА; Iст.min — минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3…5 мА).
7. Определяют мощность рассеяния резистора R1
PR1 = (Uвып — Uст)2 / R1
,
Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности — такое случается при больших токах потребления и использовании транзистора с малым коэффициентом h21Э
. В таком случае целесообразно ввести в стабилизатор дополнительный транзисторV7 малой мощности (рис. 2), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно вh21Э раз и применить, соответственно, маломощный стабилитрон.
В приведенных здесь расчетах отсутствует поправка на изменение сетевого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, усложняющие расчеты. Проще испытать собранный стабилизатор в действии, изменяя его входное напряжение (или сетевое) на ± 10 % и точнее подобрать резистор R1 по наибольшей стабильности выходного напряжения при максимальном токе нагрузки.
Назначение и принцип работы
Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, как подключить светодиод от сети 220 вольт). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.
Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.
- Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
- Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
- Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.
В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.
Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно здесь.
Увеличение стабильности
При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( UБЭ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.
ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры UБЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным ТКН – стабилитрон (с Uст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).
Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы VT2 почти не будет изменяться.
Простой преобразователь тока
Сборка миниатюрного преобразователя тока своими руками считается довольно простой. Такие стабилизаторы напряжения обычно изготавливаются в режиме для стабилизации тока. При этом не следует путать максимальное напряжение для всего блока и максимальную нагрузку на ШИМ-контроллер. На блок может быть установлена система низковольтных конденсаторов на 20 В, а импульсная микросхема может иметь вход до 35 В. Наиболее простой светодиодный стабилизатор тока, выполненный своими руками, — это вариант LM317. Потребуется только рассчитать резистор для светодиода с помощью онлайн калькулятора.
Для LM317 можно использовать подручное питание (к примеру, блок питания на 19 В от ноутбука, на 24 В или 32 В от принтера либо на 9 или на 12 вольт от бытовой электроники). К преимуществам такого преобразователя относят его низкую цену, минимальное количество деталей, высокую надежность, а также наличие в магазинах. Более сложную схему стабилизатора тока собирать своими руками не рационально. Поэтому если вы не являетесь опытным радиолюбителем, то импульсный стабилизатор тока намного проще и быстрее будет купить в готовом виде. При необходимости его можно доработать до требуемых параметров.
Чтобы выполнить сборку LM317, никаких особых знаний и навыков по электронике не потребуется (в схемах число внешних элементов минимально). Стоит такой простой стабилизатор тока очень дешево, при этом его возможности многократно проверены на практике.
Единственный недостаток заключается в том, что LM317 может потребовать дополнительного охлаждения. Также стоит опасаться китайских микросхем LM317 с более низкими параметрами. Стоимость в любом случае более чем доступна, при этом в цену включена доставка. Китайские производители выполняют довольно трудоемкую работу при цене изделия в 30-50 рублей за штуку. Ненужные запчасти можно распродать на Авито или форумах в интернете.
Сборка простого стабилизатора своими руками
Светодиод представляет собой полупроводниковый прибор, для работы которого необходим ток. Включение светодиодов через стабилизатор считается наиболее правильным. Продолжительность функционирования светодиода без потери яркости зависит от его режима работы. Главное достоинство простейших стабилизаторов (драйверов), таких как микросхема-стабилизатор LM317, — их довольно трудно спалить. Схема подключения LM317 требует всего двух деталей: самой микросхемы, включаемой в режим стабилизации, и резистора.
- Потребуется купить переменный резистор сопротивлением в 0.5 кОм (имеет три вывода и ручку регулировки). Заказать его можно через интернет или купить в «Радиолюбителе».
- Провода припаиваются к среднему выводу, а также к одному из крайних.
- С помощью мультиметра, включенного в режиме измерения сопротивления, замеряется сопротивление резистора. Нужно добиться максимального показания в 500 Ом (чтобы светодиод не перегорел при низком сопротивлении резистора). О том, как проверить мультиметром сам светодиод, написано здесь.
- После внимательной проверки правильности соединений перед подключением, собирается цепь.
Максимальная мощность LM317 — 1.5 Ампер. Если вы хотите увеличить ток, то в схему можно добавить полевой или обычный транзистор. В результате, для устройства на транзисторе на выходе можно добиться подачи 10 А (задается низкоомным сопротивлением). Для этих целей можно использовать транзистор КТ825 или установить аналог с лучшими техническими характеристиками и системой охлаждения.
В любом случае, ассортимент продаваемых модулей и блоков достаточно широкий, поэтому устройство с нужными параметрами можно собрать за минимальное время. КПД зависит от разницы напряжения входа и выхода, а также от режима работы.
Прослушивание.
Если вы обычно слушаете усилители со стабилизаторами на LM317 и им подобным, то прослушивание усилителя со стабилизатором без обратной связи поначалу может вызвать у вас шок!
Первое, что вас удивит — кажущаяся потеря динамики. Я считаю, что LM317 добавляет «лишней скорости звуку», искажая тем самым истинное звучание фонограммы. Закрытое прослушивание показало, что стабилизаторы без ОС удаляют из звука весь мусор, который привносит LM317.
Потратьте немного времени на привыкание к новому звуку. На это уйдет не больше часа. Но я уверен, что вы будете восхищенны конечным результатом.
Для меня это было сравнимо с тем, когда я первый раз попробовал сырую рыбу.
Просто забудьте про ваши предрассудки!
Теперь немного сравнительных тестов. Я сравнивал стабилизатор на LM317, на лампах и стабилизатор без обратной связи.
1. LM317 как стабилизатор цепей накала и LM317 с двухзвенным фильтром помех. Последний вариант дает более детальный звук.
2. LM371 как стабилизатор цепей накала против безоосного стабилизатора. Второй вариант дает большую динамику и повышает детальность в верхнем диапазоне, что приводит к расширению стереобазы.
3. Выпрямитель на кенотроне и стабилизатор на лампах против безоосного стабилизатора анодного напряжения. Второй вариант даёт в звучании большую динамику и детальность. Ламповый стабилизатор дал более «жирный» звук.
Для получения максимального эффекта необходимо использовать для питания каждой лампы отдельный стабилизатор. Это несколько удорожает, усложняет и утяжеляет конструкцию. Но, поверьте мне, оно того стоит!
Кроме этого я провел много сравнительных прослушиваний для конденсаторов. В результате я остановился на пленочных конденсаторах фирмы WIMA. Я услышал четкие различия в звучании между плёночными и электролитическими конденсаторами. Пленочные гораздо предпочтительнее.
В своей системе я могу на слух отличить какие используются конденсаторы — пленочные или электролитические даже в цепях накала ламп.
Если вы хотите получить достойный результат, будьте готовы использовать качественные материалы!
Статья подготовлена по материалам журнала AudoiXpress.
Удачного творчества!
Замечание от главного редактора «РАДИОГАЗЕТЫ»: мнение редакции может частично или полностью не совпадать с мнением авторов статей.
Так как приходят вопросы по реализации описанных схем на доступных элементах, для примера привожу схему собранную и опробованную в работе.
Здесь интегральный источник тока J310 заменён на более доступную микросхему LM317L, включенную по схеме стабилизатора тока. Можно использовать и источники тока на полевых транзисторах.
Резистор R3 задаёт выходное напряжение (подбирается). Качество стабилизации этой схемы сильно зависит от параметров транзистора Т1. Сюда надо выбрать транзистор с максимальной крутизной и минимальным сопротивлением открытого канала. Отлично показал себя CEP50N06. Из более доступных стоит попробовать IRFZ44.
Важно иметь в виду, что управляющее напряжение на транзисторе порядка 3,5-4В и для нормальной работы источника тока необходимо напряжение около 3,5В. Поэтому разница между входным и выходным напряжениями такого стабилизатора должна быть не менее 8В! Это несколько снижает КПД этой схемы и при больших токах нагрузки требует использования радиаторов приличных размеров
Настоящего аудиофила такие трудности не остановят
Импульсные стабилизаторы
Использование простых конструкций на транзисторах имеет недостаток – на ключевом элементе выделяется большая мощность рассеивания, которая тем больше, чем больше разница между входным и выходным параметром.
Главное отличие импульсных устройств – в том, что транзисторы работают в ключевом режиме, управляя накоплением и отдачей энергии реактивными элементами. Энергия, запасенная дросселем или конденсатором, позволяет не только стабилизировать напряжение, но и повышать его или инвертировать полярность.
Собранные на дискретных элементах импульсные преобразователи сложны в конструировании и регулировке. Сейчас выпускаются схемы, выполненные в виде интегральных микросхем, которым требуется импульсный ключ только для увеличения мощности. Устройства практически не требуют регулировки и обладают высокой надежностью.
Микросхема импульсных устройств
Регулятор напряжения генератора
Генератор преобразует электричество. Без генератора не работала бы вся бортовая система машины. К обмотке магнита подключён специальный датчик. Простые пружины являются задающим устройством. Для устройства сравнения используется маленький рычаг. Группа контактов играет роль исполнительного устройства. Постоянное сопротивление представляет собой орган регулировки, который часто используется в машинах.
Во время работы генератора на его выходе возникает ток. Возникший ток переходит в обмотку магнитного реле. В результате появляется магнитное поле и под его воздействием плечо рычага раздвигается. На него начинает действовать пружина, и играет роль сравнивающего устройства. Когда ток превышает положенные значения, на магнитном реле контакты раздвигаются. В это время отключается постоянное сопротивление в цепи. Меньший ток поступает на обмотку.
Пожалуй, всем полезно знать, что такое класс точности электросчетчика.
Стабилизатор тока светодиода
Статья-ликбез по стабилизаторам тока светодиодов и не только. Рассматриваются схемы линейных и импульсных стабилизаторов тока.
Стабилизатор тока для светодиода устанавливается во многие конструкции светильников. Светодиоды, как и все диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Это означает, что при изменении напряжения на светодиоде, ток изменяется непропорционально. По мере увеличения напряжения, сначала ток растёт очень медленно, светодиод при этом не светится. Затем, при достижении порогового напряжения, светодиод начинает светиться и ток возрастает очень быстро. При дальнейшем увеличении напряжения, ток возрастает катастрофически и светодиод сгорает.
Диодный стабилизатор тока
Во многих конструкциях светильников имеются диодные стабилизаторы, более известные как стабилизаторы тока для светодиодов. Как и все типы диодов, светодиоды обладают нелинейной вольтамперной характеристикой. То есть, при изменяющемся напряжении на светодиоде, происходит непропорциональное изменение тока.
С ростом напряжения вначале наблюдается очень медленное возрастание тока, в результате, свечение светодиода отсутствует. Затем, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света и очень быстрое возрастание тока. Дальнейший рост напряжения приводит к катастрофическому увеличению тока и перегоранию светодиода. Значение порогового напряжения отражается в технических характеристиках светодиодных источников света.
Светодиоды с высокой мощностью требуют установки теплоотвода, поскольку их работа сопровождается выделением большого количества тепла. Кроме того, для них требуется и достаточно мощный стабилизатор тока. Правильная работа светодиодов также обеспечивается стабилизирующими устройствами. Это связано с сильным разбросом порогового напряжения даже у однотипных источников света. Если два таких светодиода подключить параллельно к одному источнику напряжения, по ним будет проходить ток разной величины. Разница может быть настолько существенной, что один из светодиодов сразу же сгорит.
Таким образом, не рекомендуется включение светодиодных источников света без стабилизаторов. Данные устройства устанавливают ток заданного значения без учета напряжения, приложенного к схеме. К наиболее современным приборам относится двухвыводной стабилизатор для светодиодов, применяющийся для создания недорогих решений по управлению светодиодами. В его состав входит полевой транзистор, обвязочные детали и другие радиоэлементы.
