В последнее время я увлекся сборкой схем линейных стабилизаторов напряжения. Такие схемы не требуют редких деталей, а подборка компонентов и настройка также не вызывает особых сложностей. В этот раз я решил собрать схему линейного стабилизатора напряжения на «регулируемом стабилитроне» (микросхеме) TL431. TL431 выступает в качестве источника опорного напряжения, а силовую роль выполняет мощный NPN транзистор в корпусе ТО -220.
При входном напряжении 19В, схема способна служить источником стабилизированного напряжения в пределах от 2,7 до 16 В при токе до 4А. Стабилизатор оформлен в виде модуля, собранного на макетной плате. Выглядит следующим образом:
Видео:
Стабилизатор требует блок питания постоянного тока. Имеет смысл применять такой стабилизатор с классическим линейным блоком питания, состоящим из железного трансформатора, диодного моста и конденсатора большой емкости. Напряжение в сети может меняться в зависимости от нагрузки и как следствие, будет меняться напряжение на выходе трансформатора. Данная схема будет обеспечивать стабильное выходное напряжение при изменяющимся входном. Нужно понимать, что стабилизатор понижающего типа, а также на самой схеме падает 1-3 В напряжения, поэтому максимальное выходное напряжение будет всегда меньше входного.
В качестве блока питания для данного стабилизатора в принципе можно использовать и импульсные блоки питания, например от ноутбука на 19 В. Но в этом случае, роль именно стабилизации будет минимальной, т.к. заводские импульсные блоки питания и так на выходе выдают стабилизированное напряжение.
Схема:
Подбор компонентов
Максимальный ток, который может через себя пропустить микросхема TL431, согласно документации – 100 мА. В моем случае, я ограничил ток с запасом до примерно 80 мА при помощи резистора R1. Нужно рассчитать резистор по формулам.
Для начала нужно определить сопротивление резистора. При максимальном входном напряжении 19В по закону Ома сопротивление рассчитывается следующим образом:
R= U/I = 19В / 0,08A = 240 Ом
Нужно рассчитать мощность резистора R1:
P=I^2*R = 0,08 А * 0,08 А * 240 Ом = 1,5 Ватта
Я использовал советский резистор на 2 Ватта
Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения, которое «программирует» TL431, причем резистор R3 переменный, что позволяет менять опорное напряжение, которое потом повторяется каскадом из транзисторов. Я использовал R2 – 1К Ом, R3 - 10К оМ. Мощность резистора R2 зависит от выходного напряжения. Например, при выходном напряжении 19В:
P=U^2/R = 19 * 19/ 1000 = 0,361 Ватт
Я использовал резистор в 1 Ватт.
Резистор R4 служит для ограничения тока на базе транзистора VT2. Номинал подбирать лучше опытным путем, контролируя выходное напряжение. Если сопротивление будет слишком большим, это заметно ограничит выходное напряжение схемы. В моем случае – это 100 Ом, мощность годится любая.
В качестве основного силового транзистора (VT1) лучше использовать транзисторы в корпусе ТО – 220 или более мощном (ТО247, ТО-3). Я использовал транзистор Е13009, купленный на Али Эксресс. Транзистор на напряжение до 400В и ток до 12А. Для подобной схемы высоковольтный транзистор – не самое оптимальное решение, но работать будет нормально. Транзистор скорее всего поддельный и 12 А не выдержит, а вот 5-6А вполне. В нашей схеме ток до 4А, поэтому для данной схемы годится. В данной схеме транзистор должен быть способен рассеять мощность до 30-35 Ватт.
Рассчитывается рассеваемая мощность как разница между входным и выходным напряжением умноженная на ток коллектора :
P = (U выход -U вход)*I коллектора
Например, входное напряжение у нас 19 В, мы выставили выходное напряжение 12 В, а ток коллектора у нас 3 А
Р = (19В-12В) *3А = 21 Ватт – вполне нормальная ситуация для нашего транзистора.
А если мы продолжим снижать выходное напряжение до 6В, то картина будет другая:
Р = (19В-6В) *3А = 39 Ватт , что не очень хорошо для транзистора в корпусе ТО-220 (еще нужно учитывать, что при закрытии транзистора ток тоже будет уменьшаться: на 6В ток будет около 2-2,5А, а не 3). В таком случае лучше либо использовать другой транзистор в более массивном корпусе, либо уменьшить разницу между входным и выходным напряжением (например, если блок питания трансформаторный, путем переключения обмоток).
Также транзистор должен быть рассчитан на ток от 5А и больше. Лучше брать транзистор со статическим коэффициентом передачи тока от 20. Китайский транзистор вполне соответствует данным требованиям. Перед запайкой в схему, я его проверил (ток и рассеиваемую мощность) на специальном стенде.
Т.к. TL431 может выдавать ток не более 100 мА, а для питания базы транзистора требуется больший ток, потребуется ещё один транзистор, который будет усиливать ток с выхода микросхемы TL431, повторяя опорное напряжение. Для этого и нужен транзистор VT2.
Транзистор VT2 должен быть способен подавать достаточный ток на базу транзистора VT1.
Грубо определить необходимый ток можно через статический коэффициент передачи тока (h21э или hFE или β) транзистора VT1. Если мы хотим на выходе иметь ток в 4 А, а статический коэффициент передачи тока VT1 равен 20, то:
I базы = I коллектора / β = 4 А / 20 = 0,2 А.
Статический коэффициент передачи тока будет меняться в зависимости от тока коллектора, так что это значение ориентировочное. Замер на практике показал, что нужно около 170 мА подать на базу транзистора VT1, чтобы ток коллектора был 4А. Транзисторы в корпусе ТО-92 начинают заметно греться при токах выше 0,1 А, поэтому в данной схеме я использовал транзистор КТ815А в корпусе ТО-126. Транзистор рассчитан на ток до 1,5А, статический коэффициент передачи тока - около 75. Небольшой радиатор для данного транзистора будет уместен.
Конденсатор С3 нужен для стабилизации напряжения на базе транзистора VT1, номинал - 100 мкФ, напряжение 25В.
На выходе и входе установлены фильтры из конденсаторов: С1 и С4 (электролитические на 25В, 1000 мкФ) и С2, С5 (керамические 2-10 мкФ).
Диод D1 служит для защиты транзистора VT1 от обратного тока. Диод D2 нужен для защиты от транзистора при питании коллекторных электродвигателей. Двигатели при отключении питания ещё какое-то время крутятся и в режиме торможения работают как генераторы. Вырабатываемый таким образом ток идет в обратном направлении и может повредить транзистор. Диод в данном случае замыкает двигатель на себя и ток не доходит до транзистора. Резистор R5 выполняет роль малой нагрузки для стабилизации в холостом режиме, номинал 10к Ом, мощность любая.
Сборка
Схема собирается в виде модуля на макетной плате. Я использовала радиатор из импульсного блока питания.
С радиатором такого размера не стоит максимально нагружать схему. При токе больше 1 А, необходимо заменить радиатор на более массивный, обдув вентилятором тоже не помешает.
Важно помнить, что чем больше разница между входным и выходным напряжением и чем больше ток, тем больше выделяется тепла и тем сильнее нужно охлаждение.
На пайку ушло около часа. В принципе хорошим тоном было бы сделать плату методом ЛУТ, но т.к. плата мне требуется только в одном экземпляре, не хотелось тратить время на проектирование платы.
Получился вот такой модуль:
После сборки проверил характеристики:
Схема практически не имеет защит (имеется в виду, что нет защиты от КЗ, защиты от переполюсовки, плавного старта, ограничения по току и т.д.), поэтому использовать ее нужно очень аккуратно. По той же причине не рекомендуется использовать подобные схемы в «лабораторных» блоках питания. Для этой цели лучше подойдут готовые микросхемы в корпусе ТО-220 на токи до 5А, например КР142ЕН22А. Либо как минимум для данной схемы нужно сделать дополнительный модуль для защиты от КЗ.
Схему можно назвать классической, как и большинство схем линейных стабилизаторов. Современные импульсные схемы имеют множество преимуществ, например: более высокий КПД, гораздо меньший нагрев, меньшие габариты и вес. В то же время линейные схемы проще освоить начинающим радиолюбителям, и если КПД и габариты не особо важны, они вполне годятся для питания устройств стабилизированным напряжением.
И конечно же ничто не сравниться с чувством, когда запитал какое-то устройство от самодельного источника питания, а линейные схемы для начинающих радиолюбителей более доступны, как ни крути.
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.
