Простые линейные стабилизаторы на TL431 и полевых транзисторах
Схемы простых регулируемых линейных стабилизаторов с низким падением
напряжения и защитой от токовых перегрузок. Или как сделать мощный и при
этом неубиваемый лабораторный блок питания?
Для популярных регулируемых интегральных стабилизаторов LM317 (LM337), подробно описанных на странице [1], минимальное падение напряжения между входом и выходом составляет около 3 вольт. Этот параметр накладывает определённые ограничения при необходимости запитывания устройств стабилизированными напряжениями, близкими к уровням источника питания.
Радикальным решением проблемы являются импульсные стабилизаторы, имеющие низкое падение напряжения, высокий КПД и малые габариты. Однако с точки зрения пульсаций, ВЧ помех и динамических характеристик, импульсные устройства не могут составить однозначную конкуренцию линейным стабилизаторам, особенно когда дело касается ряда высокочувствительных узлов РЭА, где перечисленные характеристики являются приоритетными.
Качественные устройства линейных стабилизаторов напряжения с довольно высоким коэффициентом стабилизации без труда реализуются на основе трёхвыводной ИМС TL431, которая представляет собой регулируемый источник опорного напряжения с высокой температурной стабильностью и низким выходным шумом [2]. При этом следует иметь ввиду, что типовые схемы умощнения TL431, приводимые в datasheet-ах (Рис.1), практически не имеют ощутимых преимуществ перед ИМС типа LM317.
Рис.1 Типовые схемы умощнения TL431 при помощи биполярного и полевого транзисторов
Это связано с тем, что в качестве мощного биполярного транзистора обычно используется составной транзистор с Uбэ
2 В плюс напряжение насыщения Uкэ
1 В. Полевики же (в основном) имеют значение Uзи около 3. 4 В, поэтому минимальное падение напряжения и в том, и другом случае никак не может быть меньше 3 В. Кроме того, в этих простых схемах нет защиты от КЗ и перегрузки по току. Единственным преимуществом данных схем по сравнению с интегральными 3-контактными LM317, является то, что выходной ток стабилизатора можно практически неограниченно повышать до необходимого (посредством выбора соответствующей мощности транзисторов).
А тем временем, применение мощных полевых транзисторов в стабилизаторах напряжения имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как: низкое сопротивление открытого канала, большие выходные токи, устойчивость к перегрузкам и относительно низкая стоимость. Остаётся только решить одну проблему – высокое пороговое напряжение, которое требуется подать на затвор, для того чтобы открыть транзистор.
На помощь может прийти дополнительный слаботочный источник питания (Рис.2). Он повысит потенциал на затворе полевого транзистора на несколько вольт по отношению к напряжению входной положительной шины. Этого будет достаточно, чтобы поднять напряжение на затворе MOSFET-а и открыть транзистор.
Поскольку входное сопротивление полевого МОП-транзистора очень высоко, дополнительный источник питания может быть очень маломощным и иметь ток, подаваемый на подтягивающий резистор, значением всего в несколько миллиампер.
Как работает такой стабилизатор? Когда потенциал на выходе стабилизатора, а соответственно, на управляющем входе TL431, становится ниже его порогового значения в 2,5 В, микросхема снижает выходной ток (ток катода). Таким образом, напряжение на затворе полевого МОП-транзистора увеличивается за счёт снижения падения напряжения на подтягивающем резисторе.
Рис.2 Стабилизатор на MOSFET с вольтдобавкой
А вместе с этим увеличивается и напряжение на истоке транзистора (выходное напряжение), тем самым эффективно восстанавливая баланс.
При увеличении же напряжения на выходе и управляющем входе TL431 схема работает аналогично, но по обратному алгоритму.
Кроме, собственно, самого стабилизатора в устройстве также крайне желательно иметь защиту от КЗ и токовых перегрузок. При этом дополнительные
0,6 вольт, падающие на резистивном датчике при максимальных токах – это относительно невысокая цена за надёжность изделия и безопасность подключаемых к нему устройств.
Рассмотрим окончательную схему стабилизатора: 
Рис.3 Регулируемый стабилизатор с малым падением напряжения, защитой от КЗ и
токовых перегрузок на N-канальном транзисторе
Элементы: C1, D1, D2, C3 – это классический умножитель напряжения, позволяющий получить на выходе удвоенный потенциал.
Транзистор Т2 и датчик тока R3 образуют цепь ограничения выходного тока.
При указанных значениях элементов выходное стабилизированное напряжение можно регулировать в диапазоне от 2,5 до 29,4 вольт. Максимальное значение напряжения определяется величиной выпрямленного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а максимальный ток, начиная с которого происходит его ограничение – номиналом резистора R3.
Значение R3 рассчитывается по формуле: R3(Ом) ≈ 0,6/Iмакс(А) , то есть при номинале R3 = 0,1 Ом ток ограничения составляет 6 А.
Мощность на резисторе R3, которая выделяется в виде тепла при максимальном токе нагрузки равна: P(Вт) = 0,6*Iмакс(А) , то есть в приведённой схеме она составляет 3,6 Вт.
А теперь поговорим об элементах, которые повышают надёжность и устойчивость работы устройства и которые порой отсутствуют в схемах, приводимых в различных радиотехнических источниках:
1. R1 – это «антизвонный» резистор для предотвращения возбуждения транзистора. Рекомендуется для установки в цепь затворов всех ключевых MOSFET-ов.
2. Защитный стабилитрон D3 – исключает возможность превышения допустимого напряжения затвор-исток, которое может возникнуть в силу ряда причин. Необходим для устройств с напряжением питания свыше 20 В.
3. Неполярный конденсатор С5 шунтирует выход стабилизатора для высоких частот и тем самым повышает устойчивость, предотвращая возникновение ВЧ пульсаций.
4. Резистор R5 необходим при нарушениях контакта в цепи движка переменного резистора. В таких случаях выходное напряжение может достигать максимального уровня, что, в свою очередь, может вывести из строя оборудование, подключённое к стабилизатору.
Все диоды, транзисторы и конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение – не менее 60 В.
Полевой транзистор – это любой N-канальный MOSFET с максимальным током, превышающим ток нагрузки. Тепловую мощность, рассеиваемую на транзисторе, можно рассчитать по формуле:
P(Вт) = (Uвх(В) — Uвых(В)) * Iнагр(А) .
Собственно говоря, для того чтобы радикально снизить падение напряжения на стабилизаторе, вовсе не обязательно применять схему вольтдобавки и тем самым ужесточать требования к максимально-допустимым напряжениям элементов. Вполне достаточно поменять N-канальный транзистор на P-канальный и использовать его включение по схеме с общим истоком.
Пример реализации такого стабилизатора приведён на Рис.4. 
Рис.4 Регулируемый стабилизатор с малым падением напряжения, защитой от КЗ и
токовых перегрузок на Р-канальном транзисторе
Требования, предъявляемые к элементам в данном устройстве, такие же, как и в схеме, приведённой на Рис.3. Однако максимальное напряжение, подаваемое на вход стабилизатора, а также выходное стабилизированное напряжение здесь может быть в два раза выше. Получается, что данная схема значительно «эффективнее» предыдущей? Тогда почему же она не сыскала должного внимания в широких радиолюбительских кругах, а также у производителей бюджетных промышленных ИМС?
Ответ здесь довольно прост – высокое петлевое усиление в цепи обратной связи делает данную схему склонной к возбуждению.
Основные методы борьбы с этим неприятным явлением здесь такие же, как и в предыдущем устройстве: «антизвонный» резистор в цепи затвора, неполярный конденсатор на выходе, но главное – резистор R5 в эмиттере Т3, снижающий общее усиление в петле ОС. В случае чрезмерного увеличение номинала этого резистора, возникают ограничения на минимальный уровень входного напряжения, но если этот уровень не опускается ниже 9 В, то имеет полный смысл повысить номинал R5 до 2 кОм.
Все эти меры способствуют стабильной и устойчивой работе стабилизатора, приведённого на Рис.4, в широком диапазоне выходных токов. Однако, если при определённых условиях самовозбуждение всё-таки возникает, следует подключить конденсатор ёмкостью в несколько сотен пикофарад между катодом и управляющим электродом ИМС TL431.
Поскольку оба стабилизатора, приведённые в данной статье, содержат простейшие ограничители тока (без триггерного эффекта), которые по совместительству осуществляют также и защиту от КЗ, то для повышения надёжности устройств их следует дополнить плавкими предохранителями.
Предохранители можно подключить как к первичной обмотке трансформатора, так и к выходу стабилизатора. Во втором варианте (он же – предпочтительный), номинальный ток «срабатывания» предохранителя должен на 30. 50% превышать максимальный ток нагрузки.
Данная мера в совокупности с описанными схемотехническими решениями позволит сделать данные стабилизаторы практически «неубиваемыми».
Простые линейные стабилизаторы тока для светодиодов своими руками
Известно, что яркость светодиода очень сильно зависит от протекающего через него тока. В то же время ток светодиода очень круто зависит от питающего напряжения. Отсюда возникают заметные пульсации яркости даже при незначительной нестабильности питания.
Но пульсации — это не страшно, гораздо хуже то, что малейшее повышение питающего напряжения может привести к настолько сильному увеличению тока через светодиоды, что они просто выгорят.
Чтобы этого не допустить, светодиоды (особенно мощные) обычно запитывают через специальные схемы — драйверы, которые по сути своей являются стабилизаторами тока. В этой статье будут рассмотрены схемы простых стабилизаторов тока для светодиодов (на транзисторах или распространенных микросхемах).
Стабилизаторы тока на транзисторах
Для стабилизации тока через светодиоды можно применить хорошо известные решения:
На рисунке 1 представлена схема, работа которой основана на т.н. эмиттерном повторителе. Транзистор, включенный таким образом, стремится поддерживать напряжение на эмиттере в точности таким же, как и на базе (разница будет только в падении напряжения на переходе база-эмиттер). Таким образом, зафиксировав напряжение базы с помощью стабилитрона, мы получаем фиксированное напряжение на R1.
Далее, используя закон Ома, получаем ток эмиттера: Iэ = Uэ/R1. Ток эмиттера практически совпадает с током коллектора, а значит и с током через светодиоды.
Обычные диоды имеют очень слабую зависимость прямого напряжения от тока, поэтому возможно их применение вместо труднодоступных низковольтных стабилитронов. Вот два варианта схем для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2:
Ток через светодиоды задается подбором резистора R2. Резистор R1 выбирают таким образом, чтобы выйти на линейный участок ВАХ диодов (с учетом тока базы транзистора). Напряжение питания всей схемы должно быть не меньше, чем суммарное напряжение всех светодиодов плюс около 2-2.5 вольт сверху для устойчивой работы транзистора.
Например, если нужно получить ток 30 мА через 3 последовательно включенных светодиодов с прямым напряжением 3.1 В, то схему следует запитать напряжением не ниже 12 Вольт. При этом сопротивление резистора должно быть около 20 Ом, мощность рассеивания — 18 мВт. Транзистор следует подобрать с максимальным напряжением Uкэ не ниже напряжения питания, например, распространенный S9014 (n-p-n).
Сопротивление R1 будет зависеть от коэфф. усиления транзистора hfe и ВАХ диодов. Для S9014 и диодов 1N4148 достаточно будет 10 кОм.
Применим описанный стабилизатор для совершенствования одного из светодиодных светильников, описанного в этой статье. Улучшенная схема будет выглядеть так:
Данная доработка позволяет значительно снизить пульсации тока и, следовательно, яркости светодиодов. Но главный плюс схемы заключается в нормализации режима работы светодиодов и защита их от бросков напряжения во время включения. Это приводит к существенному продлению срока службы светодиодной лампы.
Из осциллограмм видно, что добавив в схему стабилизатор тока для светодиода на транзисторе и стабилитроне, мы тут же уменьшили амплитуду пульсаций в несколько раз:
При указанных на схеме номиналах, на транзисторе рассеивается мощность чуть больше 0.5 Вт, что позволяет обойтись без радиатора. Если емкость балластного конденсатора увеличить до 1.2 мкФ, то на транзисторе будет падать
23 Вольт, а мощность составит около 1 Вт. В этом случае без радиатора не обойтись, но зато пульсации понизятся чуть ли не до нуля.
Вместо указанного на схеме транзистора 2CS4544, можно взять 2SC2482 или аналогичный с током коллектора больше 100 мА и допустимым напряжением Uкэ не менее 300 В (подойдут, например, старые советские КТ940, КТ969).
Желаемый ток, как обычно, задается резистором R*. Стабилитрон рассчитан на напряжение 5.1 В и мощность 0.5 Вт. В качестве светодиодов применены распространенные smd-светодиоды из китайской лампочки (а еще лучше взять готовую лампу и добавить в нее недостающие компоненты).
Теперь рассмотрим схему, представленную на рисунке 2. Вот она отдельно:
Токовым датчиком здесь является резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле 0.6/Iнагр. При увеличении тока через светодиоды, транзистор VT2 начинает открываться сильнее, что приводит к более сильному запиранию транзистора VT1. Ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация выходного тока.
Достоинства схемы — ее простота. К недостатку можно записать довольно большое падение напряжения (а следовательно и мощности) на транзисторе VT1. Это не критично при небольших токах (десятки и сотни миллиампер), однако дальнейшее увеличение тока через светодиоды потребует установки этого транзистора на радиатор.
Также, вместо биполярного транзистора, можно применить p-канальный MOSFET. Схема, приведенная ниже, представляет собой мощный светильник на двух 10-ваттных светодиодах и 40-ваттном IRF9510 в корпусе ТО-220 (см. характеристики):
Ток через светодиоды задается подбором резистора R1. VT1 — любой маломощный. Светодиоды — Cree XM-L T6 10W (см. спецификацию) или аналогичные.
Транзистор VT2 и светодиоды необходимо разместить на общем радиаторе, площадью не менее 900 см 2 (это если без принудительного охлаждения). Использование термопасты обязательно. Ребра радиатора должен быть толстым и массивным, чтобы максимально быстро отводить тепло. Оцинкованные профили для гипсокартона, консервные банки из-под селедки и крышки от кастрюль категорически не подходят.
Если такая мощность не нужна, можно сократить количество светодиодов до одного. Но при этом придется понизить напряжение питания на 3-3.5 вольта. Иначе потребляемая мощность останется прежней, транзистор будет греться в два раза сильнее, а светить будет в два раза хуже.
Для снижения мощности правильнее было бы оставить оба светодиода, но уменьшить ток, например, до 2А — тогда мощность упадет с 20 до 12 Вт, а срок жизни светодиодов многократно возрастет. И площадь радиатора можно будет уменьшить до 600 см 2 .
Вместо IRF9510 можно взять, например, IRF9Z34N (19А, 55В) или NDP6020P (24А, 20В). Смотрите сами, какие есть в вашем распоряжении. Если совсем ничего нет, самое время закупиться по дешевке:
| наименование | характеристики | цена |
|---|---|---|
| IRF9510 | P-channel, 100V, 4A | 209 руб. / 10 шт. |
| IRF9Z34N | P-channel, 55V, 19A | 124 руб. / 10 шт. |
| NDP6020P | P-channel, 20V, 24A | 120 руб. / 10 шт. |
| Cree XM-L T6 | 10W, 3A | 135 руб. / шт. |
Ну а самая простейшая схема стабилизатора тока для светодиодов на полевом транзисторе состоит всего лишь из одного транзистора с закороченным накоротко затвором и истоком:
Вместо КП303Е подойдет, например, BF245C или аналогичный со встроенным каналом. Принцип действия схож со схемой на рисунке 1, только в качестве эталонного напряжения используется потенциал «земли». Величина выходного тока определяется исключительно начальным током стока (берется из даташита) и практически не зависит от напряжения сток-исток Uси. Это хорошо видно из графика выходной характеристики:
На схеме на рисунке 3 в цепь истока добавлен резистор R1, задающий некоторое обратное смещение затвора и позволяющий таким образом изменить ток стока (а значит и ток нагрузки).
Пример самого простого драйвера тока для светодиода представлен ниже:
Здесь применен полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа BSS229. Точное значение выходного тока будет зависеть от характеристик конкретного экземпляра и сопротивления R1.
Это, в общем-то, все способы превратить транзистор в стабилизатор тока. Есть еще так называемое токовое зеркало, но применительно к светодиодным светильникам оно не подходит. Поэтому перейдем к микросхемам.
Стабилизаторы тока на микросхемах
Микросхемы позволяют добиться гораздо более высоких характеристик, чем транзисторы. Чаще всего для сборки стабилизатор тока для светодиодов своими руками используют прецизионные термостабильные источники опорного напряжения (TL431, LM317 и другие).
TL431
Типовая схема стабилизатора тока для светодиодов на TL431 выглядит так:
Так как микросхема ведет себя так, чтобы поддерживать на резисторе R2 фиксированное напряжение 2.5 В, то ток через этот резистор всегда будет равен 2.5/R2. А если пренебречь током базы, то можно считать, что IRн = IR2. И чем выше будет коэффициент усиления транзистора hfe, тем больше эти токи будут совпадать.
R1 рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить минимальный рабочий ток микросхемы — 1 мА.
А вот пример практического применения TL431 в светодиодной лампе:
На транзисторе падает около 20-30 В, рассеиваемая мощность составляет менее 1.5 Вт. Кроме указанного на схеме 2SC4544 можно применить более мощный BD711 или старый советский КТ940А. Транзисторы в корпусе TO-220 не требуют установки на радиатор до мощностей 1.5-2 Вт включительно.
Резистор R3 служит для ограничения импульса зарядки конденсатора при включении питания. Ток через нагрузку задается резистором R2.
В качестве нагрузки Rн здесь выступают 90 белых чип-светодиодов 2835. Максимальная мощность при токе 60 мА составляет 0.2 Вт (24Lm), падение напряжения — 3.2 В. Также можно применить любые другие подходящие светодиоды, например, SMD5050.
Для увеличение срока службы мощность диодов специально занижена на 20% (0.16 Вт, ток 45 мА), соответственно, суммарная мощность всех светодиодов составляет — 14 Вт.
Хотя я бы рекомендовал найти светодиоды в точно таком же форм-факторе (2.8х3.5мм), но мощностью 0.5 Вт. Они и греться будут меньше и прослужат дольше.
Найти такие светодиоды, а также все необходимое для сборки схемы можно по этим ссылкам:
| наименование | характеристики | цена |
|---|---|---|
| SMD 2835 | LED, 3.3V, 0.15A, 0.5W | 67 руб. / 100 шт. |
| 2SC4544 | NPN, 300V, 0.1A | 10 руб. / шт. |
| BD711 | NPN, 100V, 12A | 120 руб. / 10 шт. |
| 1N4007 | 1000V, 1A | 51 руб. / 100 шт. |
| TL431A | 36V, 100mA | 87 руб. / 100 шт. |
Разумеется, приведенную схему стабилизатора тока для светодиодов на 220 В можно пересчитать под любой необходимый ток и/или другое количество имеющихся в распоряжении светодиодов.
С учетом допустимого разброса напряжения 220 Вольт (см. ГОСТ 29322-2014), выпрямленное напряжение на конденсаторе C1 будет находиться в диапазоне от 293 до 358 В, поэтому он должен быть рассчитан на напряжение не менее 400 В.
Исходя из диапазона питающих напряжений, рассчитываются параметры остальных элементов схемы.
Например, резистор, задающий рабочий режим микросхемы DA1 должен обеспечивать ток не менее 0.5 мА при напряжении на С1 = 293 В. Максимальное количество светодиодов не должно превышать NLED = 100 мА). Отлично подойдут упомянутые выше 1N4007.
Как видите, схемка простейшая и не содержит каких-либо доростоящих компонентов. Вот текущие цены (и они, скорее всего, будут и дальше снижаться):
| название | характеристики | стоимость |
|---|---|---|
| SMD 5630 | LED, 3.3V, 0.15A, 0.5W | 240руб. / 1000шт. |
| LM317 | 1.25-37V, >1.5A | 112руб. / 10шт. |
| MB6S | 600V, 0.5A | 67руб. / 20шт. |
| 120μF, 400V | 18х30mm | 560руб. / 10шт. |
Таким образом, потратив в общей сложности 1000 руб., можно собрать десяток 30-ваттных (. ) не мерцающих (. ) лампочек. А так как светодиоды работают не на полную мощность, а единственный электролит не перегревается, то эти лампы будут практически вечными.
Вместо заключения
К недостаткам приведенных в статье схем следует отнести низкий КПД за счет бесполезной траты мощности на регулирующих элементах. Впрочем, это свойственно всем линейным стабилизаторам тока.
Низкий коэффициент полезного действия неприемлем для устройств, питающихся от автономных источников тока (светильники, фонарики и т.п.). Существенного повышения КПД (90% и более) можно добиться применением импульсных стабилизаторов тока.