Двуполярный стабилизатор на ОУ и мощных полевых транзисторах с токовой защитой. Часть 2

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Продолжение. Начало в Часть 1. Алексей Кузьминов, Москва
Принципиальные схемы.


Схема стабилизатора напряжения +14 В (Рисунок 3) построена на основе схемы, показанной в нижней части Рисунка 2. Как видно из схемы Рисунок 3, в ней использован недорогой сдвоенный ОУ МС34072 (DA1) в сверхминиатюрном корпусе (2.6 х 2.6 мм). В скобках указаны выводы такого же ОУ, но в корпусе DIP8 (MC33072P). ОУ DA1.2 включен совместно с мощным n-канальным полевым транзистором VT1 так же, как и в нижней части упрощенной схемы Рисунок 2. Поскольку работа этой схемы уже объяснена выше, в подробном описании принципа действия этого стабилизатора, на взгляд автора, нет необходимости. Резистор R1 ограничивает выходной ток ОУ DA1.2, а конденсатор С9 предотвращает вероятность возникновения паразитной генерации, которая возможна при применении некоторых типов транзисторов. CynpeccopVDI защищает затвор VT1 от пробоя в момент включения питания. Конденсаторы С5 и С8 с низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (Low Equivalent Serial Resistance - L ESR), установленные на входе и выходе стабилизатора, существенно снижают пульсации выходного напряжения, а конденсатор С2 с низким импедансом (Low Impedance - L Imp), имеющий улучшенные частотные свойства по сравнению с конденсаторами L ESR, с одной стороны снижает размах пульсации напряжения питания ОУ, с другой - осуществляет плавность включения всего стабилизатора. Конденсатор С1 служит для штатной работы микросхемы стабилизатора DA4, а конденсаторы СЗ, С4, С6 и С7 - блокировочные. Делитель выходного напряжения R3, R4 и R5 работает аналогично R2 схемы Рисунок 2. Установка точного значения выходного напряжения производится подстроечным резистором R4.
Для получения образцового напряжения в районе +5 В используются стабилитрон VD2 (на 5.1 В) и источник стабильного тока на микросхеме DA3, между выводами V+ (вывод 1) и R (вывод 2) которой включен резистор R2, задающий стабильный ток порядка 5 мА. Хотя стабилитрон и источник стабильного тока порознь не отличаются высокостабильными выходными характеристиками (VD2 -стабильным напряжением, a DA3 - стабильным током), при их совместным включении коэффициент стабилизации может достигать 10000 [8], а реально измеренный автором коэффициент стабилизации образцового напряжения составил около 20000. Кроме того, в связи с примитивностью существа работы стабилитрона (основанной на чисто физическом принципе, и в нем нет никаких активных компонентов - транзисторов, ОУ и т.п.), он обладает ультранизким значением шума. Выводы микросхемы LM334Z (DA3) в корпусе ТО-92 имеют небольшое утолщение на расстоянии около 2 мм от корпуса, поэтому, если «откусить» центральный вывод (2)
чуть дальше утолщений и припаять резистор для поверхностного монтажа размером 0603 номиналом 14 Ом непосредственно на утолщения выводов 3 и 2, можно получить двух-выводной стабилизатор тока 5 мА (Рисунок 4). В таком виде DA3 и используется на плате стабилизатора (см. далее).

Устройство защиты от превышения тока включает в себя токоизмерительный шунт R6 (номиналом 5 мОм, мощностью 2 Вт), классический дифференциальный усилитель (ДУ) на ОУ DA1.1 и четырех резисторах R7 - R10 [9], имеющий коэффициент усиления 100 (R7/R8 = R9/R10 = 10 кОм/100 Ом), оптронный симистор МОС3023 (DA2) и два резистора R11, R12, предназначенные для настройки порогового тока. Поскольку вход опорного напряжения ДУ заземлен (это верхний по схеме вывод R7), выходное напряжение ДУ изменяется относительно «земли» [9].
Работает устройство следующим образом. При токе 10 А падение напряжения на шунте R6 составляет 50 мВ (5 мОм * 10 А). Это напряжение, усиленное ДУ в 100 раз (до +5 В), с выхода ДУ (вывод 1 DA1.1) через резисторы R11 и R12 подается на анод светодиода оптронного симистора (вывод 1 DA2), катод которого (вывод 2 DA2) заземлен. Поскольку пороговый ток, открывающий оптосимистор и протекающий через светодиод, составляет около 2.5 мА, сумма номиналов R11 и R12 составляет около 2 кОм (5 В/2.5 мА). Как видно из Рисунка 3, симистор (выводы 4 и 6 DA2) подключен между затвором и истоком VT1, поэтому при токе 10 А симистор включается и своими выводами «закорачивает» затвор с истоком транзистора VT1, отчего последний запирается и отключает всю силовую цепь, находящуюся справа по схеме от истока VT1. В связи с этим выходное напряжение стабилизатора падает почти до нуля (несколько мВ), ток через шунт R6 прекращается, ток через светодиод пропадает, однако симистор, обладающий триггерным эффектом, остается включенным, пока через него протекает поддерживающий включенное состояние ток (через R1). В этом состоянии устройство может находиться сколь угодно долго, и единственным способом сбросить это состояние является выключение питания устройства и повторное его включение, причем, только после полного разряда сглаживающих электролитических конденсаторов, установленных после выпрямителя. Время разряда этих конденсаторов составляет несколько минут, поэтому для ускоренного разряда опционально можно предусмотреть их разряд через резистор номиналом 6-10 Ом и кнопку, расположенную, например, на задней стенке корпуса (см. далее Рисунок 11). Подобное устройство защиты показало надежную работу и высокую повторяемость своих свойств [3], поэтому и использовано в настоящей схеме.
Устройство защиты имеет особенности, которые необходимо учитывать. Во-первых, оно достаточно высокоскоростное. Время срабатывания защиты составляет единицы миллисекунд, что является очень важным свойством (здесь, как говорится, комментарии излишни). Во-вторых, защита достаточно прецизионна: если, например, настроить пороговый ток защиты в 10 А, то при таком токе она и сработает. Это необходимо учитывать, если ИП подключается не только к активной нагрузке, но и к реактивной (а именно-к емкостной). При подключении ИП к мощному звуковому усилителю, например [2], в котором имеются конденсаторы достаточной емкости (сотни мкФ), в момент включения питания большой начальный ток их заряда может превысить установленный порог защиты (10 А). В результате сработает защита, усилитель не получит питания и, естественно, работать не будет. В этом случае порог защиты можно немного поднять, увеличив номинал подстроечного резистора R11 (Рисунок 3), то есть немного его подкрутить. Ведь ничего криминального не произойдет, если порог защиты будет не 10 А, а, например, 10.5 А или даже 11 А, поскольку основная цель устройства - скоростная защита ИП и подключаемого к нему прибора от достаточно больших токов, а особенно - от тока короткого замыкания. Здесь необходимо добавить, что по опыту автора для срабатывания защиты при токе 10 А сумма сопротивлений R11 + R12 должна быть в районе 1.9 кОм.
В схеме Рисунок 3 все постоянные резисторы (кроме R6) и керамический конденсатор С9-для поверхностного монтажа, размером0603. Керамические конденсаторы С1, СЗ, С4, С6, С7 - для поверхностного монтажа, размером 0805. Конденсаторы С5, С8 - электролитические (L ESR), размером 8 x 11 мм (d x h), C2 - электролитический (L Imp), размером 8x15 мм. Подстроечные резисторы R4, R11 - для поверхностного монтажа PVZ3A, размером 3.6 x 3.1 мм. Резистор R6 - для поверхностного монтажа, размером 2512. Корпуса VD1, VD2 - SOD323, оба диода VD3 и VD4 расположены в одном корпусе SOT323, DA2 - DIP6, DA3, DA4 - ТО92, VT1 -ТО-220, DA1 - микросхема МС34072 сдвоенного ОУ в корпусе WQFN10 размером 2.6 x 2.6 мм. Вместо нее в схеме можно использовать аналогичную микросхему МС33072 в корпусе DIP8 (на схеме ее выводы показаны в скобках).

Принципиальная схема стабилизатора -14В (Рисунок 5) построена на основе схемы, показанной в верхней части Рисунка 2, принцип действия которой уже описан. В отличие от схемы Рисунок 3, в схеме Рисунок 5 изменена полярность включения электролитических конденсаторов, стабилитрона VD2, диодов VD3, VD4 (эти два диода BAW56W с общим анодом также расположены в корпусе SOT323). Выходное напряжение DA1.1 отрицательное (-5 В), поэтому оно подано через резисторы R11 и R12 на катод светодиода оптрона DA2 (вывод 2), анод которого (вывод 1) заземлен. В схеме использована микросхема стабилизатора отрицательного напряжения DA4 (на -24В в корпусе ТО-92).
Трансформатор и выпрямительная схема показаны в верхней левой части Рисунка 6. В схеме использован тороидальный трансформатор мощностью 250 Вт с двумя отдельными вторичными обмотками. В качестве выпрямительных диодов автор использовал 8 диодов Шоттки MBRF2045 (с максимальным током 20 А на корпус и максимальным обратным напряжением 45 В). Такой прибор представляет собой два диода с общим катодом в одном полностью изолированном корпусе ТО-220F. В схеме выпрямления аноды диодов объединены, то есть оба диода запараллелены. При токе 10 А при таком включении падение напряжения на приборе MBRF2045 составляет около 0.5 В, или 1 В в мостовом включении (как на Рисунке 6).

Если скупость или лень не позволяют использовать 8 диодов MBRF2045, в качестве выпрямителя можно использовать 4 прибора: два - с двумя диодами с общим катодом (MBRF20100) и два с двумя диодами с общим анодом (FRH20A10) с максимальным током 10 А на каждый из сдвоенных диодов и обратным напряжением 100 В. Схема выпрямления показана в пунктирном прямоугольнике справа на Рисунке 6. Падение напряжения на каждом диоде при токе 10 А составляет около 0.75 В, или около 1.5 В в мостовом включении.
Выходы обоих стабилизаторов по схемам Рисунки 3 и 5 с их «землями» подключены к выходному 4-контактному разъему XS20JK-4Р(М) (ХР1) с максимальным током 25 А на контакт (схема соединения в нижней левой части Рисунка 6). К этому разъему подключается 3-жилыный кабель сечением каждой жилы 4 мм2 (ПУГНП 3x4) длиной около 0.5 м с ответным разъемом ХР2 (XS20JK-4P), который своим вторым концом может быть соединен с нагрузкой (например, УМЗЧ [2]). В этом случае такой кабель пропускается через уплотняющую втулку (см. далее Рисунок 11) и припаивается к 3-контктной клемме, например, ЗПС5-3.
Сдвоенный выключатель ВК1 подает сетевое напряжение с разъема, к которому подключается сетевой кабель 220 В, на первичную обмотку трансформатора. Хотя стабилизаторы и оборудованы высокоскоростной токовой защитой, она не способна защитить трансформатор от короткого замыкания, если выйдут из строя выпрямительные диоды VD1 - VD8 или конденсаторы С1 - С4. Хотя вероятность этого чрезвычайно мала, на этот случай в схеме Рисунок 6 предусмотрен обычный плавкий предохранитель на 3.15A(FU1).
Для индикации наличия выходных напряжений и перегрузки автор использовал два двухцветных красно-зеленых светодиода в прямоугольном корпусе с общим катодом L119SRSGWT-CC(LED1 - LED4, левая часть схемы Рисунок 7).

Эти светодиоды недороги и их сравнительно легко приобрести.
Схема работает следующим образом.
Для индикации напряжения +14 В и перегрузки используется двухцветный светодиод LED3, 4, который представляет собой два светодиода в одном корпусе: один - сверхъяркий красный, а второй - обычный зеленый. Для простоты входные напряжения стабилизаторов, обозначенные на Рисунках 3 и 5, соответственно, как «+(16-22)» и «-(16-22)» со значком «~» под знаками «+» и «-», обозначены на схеме Рисунок 7, соответственно, как «+18» и «-18». При работе стабилизатора в штатном режиме присутствуют оба напряжения (+18 В и +14 В), поэтому горят оба светодиода. Общий цвет свечения LED3,4 в этом случае светло-оранжевый (или почти желтый). При перегрузке напряжение +14 В пропадает, зеленый светодиод гаснет, и общий цвет свечения становится красным. Номинал резисторов R3 и R4 подобран так, чтобы яркость зеленого и красного светодиодов была приблизительно одинаковой.
Для индикации напряжения -14 В и перегрузки используется такой же двухцветный светодиод LED1,2 и двухтранзисторная сборка UMD9N (Т1, Т2). При работе стабилизатора отрицательного напряжения в штатном режиме также присутствуют оба напряжения (-18 В и -14 В), в связи с чем транзистор Т2 сборки открыт, а Т1 закрыт, так как на его базе нулевой (и даже немного отрицательный) потенциал относительно эмиттера. В этом случае зеленый светодиод горит, а красный -нет, и общий цвет свечения двухцветного светодиода -зеленый. При перегрузке напряжение -14 В пропадает, транзистор Т2 закрывается, открывая транзистор Т1. В связи с этим зеленый светодиод гаснет, а красный загорается, и общий цвет свечения становится красным. Напряжение стабилитрона VD1 (7.5 В) и номиналы резисторов R1 и R2 подобраны таким образом, чтобы при изменении входного напряжения от -14 В до -18 В как в штатном режиме, так и в режиме перегрузки, горел только один из светодиодов (или зеленый, или красный). Если не устанавливать стабилитрон, то транзистор Т1 сборки будет запираться не до конца, что приведет к появлению слабого свечении красного светодиода, искажению чисто зеленого цвета и сделает его почти неотличимым от свечения светодиода LED3,4. Установка стабилитрона поднимает напряжение эмиттера Т1 сборки на 7.5 В, что приводит к надежному запиранию транзистора Т1 при любом входном напряжении, и чистому зеленому свечению светодиода LED1,2 в штатном режиме работы стабилизатора.
Таким образом, при работе обоих стабилизаторов в штатном режиме цвет свечения светодиода, индицирующего напряжение -14 В, - зеленый, а цвет свечения светодиода, индицирующего напряжение +14 В, -желтый. При возникновении перегрузки по какому-либо напряжению цвет свечения соответствующего двухцветного светодиода становится красным.

В правой части схемы Рисунок 7 в пунктирном прямоугольнике показана схема индикации на основе трехцветных светодиодов (или полноцветных RGB-светодиодов), использу-юемых в огромных уличных полноцветных панно, а также в панно, расположенных на стадионах и боковых стенках футбольных полей. Такие светодиоды, которые выпускаются в больших количествах, найти сравнительно просто, они недороги, легкодоступны и выпускаются и круглой, и прямоугольной формы, как с общим анодом, так и с общим катодом. Правда, в единичных количествах трехцветные светодиоды доступны только круглой формы. Схема индикации на таких светодиодах еще проще. При наличии обоих отрицательных напряжений (-18 В и -14 В, левая часть схемы в пунктирном прямоугольнике на Рисунке 7) горят оба светодиода (красный и синий), и общий цвет свечения светодиода, индицирующего отрицательное напряжение, - сиреневый. При перегрузке напряжение -14 В пропадает, синий светодиод гаснет, а красный продолжает гореть, и общий цвет светодиода становится красным. При наличии обоих положительных напряжений (+18 В и +14 В, правая часть схемы в пунктирном прямоугольнике) горят оба светодиода - красный и зеленый, и общий цвет свечения светодиода -желтый. При перегрузке напряжение +14 В пропадает, зеленый светодиод гаснет, и общий цвет свечения светодиода становится красным. Эти светодиоды достаточно яркие, ПОЭТОМУ сопротивления токоогоаничительных резисторов для них должны быть не менее 10 кОм. Кроме того, желательно использовать светодиоды с матовой линзой (ARL-5213RGBC/4A и ARL-5213RGBC/4C), так как если горят оба светодиода, то через нее виден только смешанный цвет (желтый или сиреневый), а свечения каждого светодиода в отдельности (как через прозрачную линзу) незаметно.
Окончание в <a href="http://radioamator.ru/istochniki-pitaniya/stabilizatory-postoyannogo-toka/1832-dvupolyarnyj-stabilizator-na-ou-i-moshchnykh-polevykh-tranzistorakh-s-tokovoj-zashchitoj-chast-3" target="_blank">Часть 3</a>
Литература
1. Кузьминов А. Усовершенствованные стабилизаторы напряжения с активным фильтром. -Радио, 2017, №9, с. 18, 19.
2. Кузьминов А. Применение инструментального усилителя для мостового включения двух мощных ОУ. Часть 3. - Современная электроника, 2017, № 6, с. 74 - 80.
3. Кузьминов А. Стабилизаторы на ОУ и мощных полевых транзисторах с активным электронным фильтром и защитой от превышения тока. Часть 2. - Современная электроника, 2018, № 1,с. 58-62.
4. Кузьминов А. Изготовление устройств на печатных платах с высоким разрешением в домашних условиях. - Технологии в электронной промышленности, 2010, №8, с. 18 - 25; 2011, № 1, с. 9-13; № 2, с. 18-25.
5. Кузьминов А. Технология изготовления печатных плат с высоким разрешением в любительских условиях. - Радио, 2017, № 10, с. 24-28.
6. Орешкин В. Стабилизатор напряжения питания УМЗЧ. - Радио, 1987, №8, с. 31.
7. Муравцев М. Стабилизированный блок питания УМЗЧ. - Радио, 2017, № 2, с. 25 - 27; № 3, с. 17-19.
8. Титце У, Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир. 1982.
9. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. -М.:Мир. 1993.
Материалы по теме
1. DatasheetArliqhtARL-521 RGBW
2. Datasheet Diodes BAV70W
3. Datasheet Vishay BZX384
4. Datasheet Kingbright L119SRSGWT-CC
5. Datasheet Texas Instruments LM334
6. Datasheet Taiwan Semiconductor MBRF2045
7. Datasheet ON Semiconductor MOC3023
8. Datasheet Nexperia PESDxL1 BA
9. Datasheet ROHM UMD9
Радиолоцман - май 2018

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR